【導讀】隨著數據需求的增長，網絡運營商一直在尋找新的方法來提高現有光學網絡的數據吞吐量。為了達到100Gb/s、400Gb/s、1Tb/s甚至更高的速度，復雜的調制格式變得非常流行。這些調制格式使得設計師選擇測試設備時面臨新的挑戰。
典型的相干光學采集系統由三個重要構建模塊組成，它們是相干接收器、數字化儀(一般是示波器)，以及某種形式的算術處理模塊。諸如相干接收器帶寬或示波器采樣率等特定性能參數對測量的信號質量有明顯的影響。然而，還有許多其它因素影響相干光學采集系統的選擇，它們雖然不是那么明顯，但在成功的測試系統中也發揮著同樣重要的作用。
實現低的誤差矢量幅度
低的誤差矢量幅度(EVM)和誤碼率(BER)對任何相干光學采集系統來說都是基本要求。有許多系統損傷和配置問題會影響最終的光學EVM性能。
在光學調制分析儀(OMA)的接收器內，EVM可能受到許多接收器問題的影響，比如：IQ相位角度誤差，IQ增益失衡，IQ偏移誤差，以及XY極化偏移誤差。有關這些類型誤差的好消息是，它們都可以精確測量，它們的影響可以在通常位于相干檢測之后的算術處理中通過校準消除。OMA對EVM測量的主要影響也可以得到校正。
一旦收到信號后，下一步就是由多通道示波器在電信號路徑上進行數字化。就示波器而言，有許多儀器因素會影響EVM，最基本的是示波器帶寬和采樣率。測試100G相干光學信號的大多數工程師使用4通道示波器，其帶寬在23GHz到33GHz范圍，采樣率在50GSs到100GS/s范圍。400G系統評估則要求使用70GHz帶寬、200GS/s采樣率的示波器。
假設使用了具有合適帶寬和采樣率的示波器，而且所有OMA損傷都通過算術方法得到了校正，那么最低可測EVM可歸結為示波器有效位數(ENOB)的函數。
EVM定義
IEC/TR 61282 101標準最近對EVM進行了定義。本文中的EVM定義如下。誤差矢量被簡單地認為就是從實際測量符號指向該符號在信號星座圖中預期位置的矢量。“參考”或預期符號位置由調制類型所定義，只是總體信號幅度除外。對于一組符號來說，參考幅度被認為是導致該組最小EVM的幅度。一旦確定了這個幅度，那么信號和參考符號都要被最大參考符號的幅度所除，以便得到歸一化的數據。
用這種方法歸一化數據具有將EVM表示為最大參考符號幅度小數的效果。這使得QPSK和QAM EVM之間的比較變得更加困難。許多無線標準選擇使用均方根符號冪作為歸一化因子。隨著時間的推移，光學標準也可能改用這種方法。正是由于這個原因，泰克OM4000軟件允許定制歸一化因子。默認定義遵循TR標準(見圖1)。
圖1：TR標準。
這些考慮為表示為百分數的EVM提供了以下公式，見等式1：其中EVM(n)是歸一化后的每個符號的誤差矢量幅度，N是組里的符號數量。如上所述，TR標準假設由最大參考符號進行歸一化。
EVM精度和可再現性
有多種因素會限制EVM的精度和可再現性，這些因素一般可分為系統性或隨機噪聲貢獻。系統性誤差主要是相干接收器不理想造成的。接收器的不理想特性包括I-Q相位誤差、I-Q幅度失配、偏移、串擾和頻率響應。這些誤差可以在數據后處理中得到校正，但仍有殘留誤差，因為在不理想特性的測量過程中存在某些不確定性。
隨機EVM噪聲貢獻是被最大符號幅度除后的以輸入為參考的均方根噪聲。因此增加信號功率可以減小這種隨機噪聲貢獻值，直到達到數字化儀動態范圍極限。數字化儀瞬時動態范圍通常用有效位數或ENOB進行測量。ENOB是理想的數字化儀具有與實際數字化儀相同噪聲電平所需的比特數。如果不要求整個數字化儀帶寬，通常可以用數字低通濾波器來改善數字化儀的ENOB。因此，低的ENOB是獲得最低可能EVM的關鍵。
異步時間交織
交織對示波器來說并不是什么新技術。一旦帶寬要求超過了商用模數轉換器(ADC)元件的采樣率能力，就有必要尋找其它技術，以便利用現成元件滿足這些擴展的要求，或設計新一代的ADC。LeCroy和Keysight公司的示波器都采用了頻率交織技術來擴展帶寬，但這樣做的代價是增加了測量通道中的噪聲。對許多應用來說，由于頻率交織引起的信號保真度下降是個大問題，因此，泰克選用了不同的方法。
頻率交織方法的局限性在于各種頻率范圍如何疊加在一起重構最終的波形，這個步驟會降低噪聲性能。在傳統的頻率交織方案中，信號采集系統中的每個ADC只看到部分輸入頻譜。借助泰克獲得專利的ATI技術(見圖2)，所有ADC都能見到完整的頻譜，并且具有完整信號路徑的對稱性。這樣不僅能從交織架構中獲得帶寬性能增益，而且保持了信號的保真度，確保了最高可能的ENOB。
圖2：泰克專利性ATI架構可以提供最低的噪聲。
對下一代400G和1Tb測試的未來保證
隨著技術的進步和測試要求的提高，在公司內或機構內部從一個實驗室或開發團隊到另一個實驗室或開發團隊重新部署儀器是很常見的事。需要重申的是，泰克ATI技術的模塊化特性在這方面就具有很顯著的優勢。
系統很容易根據需要并通過分割和重新部署的多個單元按比例縮小到其它項目，從而最大程度地提高資本投資利用率。舉例來說，當一個要求4個70GHz通道的項目完工時，實驗室能夠輕松地將示波器重新部署到其它實驗室。一個4單元的配置可以分成兩半形成兩個系統，或進一步劃分為單個單元組成的獨立儀器，只需簡單地去除UltraSync電纜即可，從而允許4個項目每個使用1臺儀器。
圖3：從100G測試到400G測試的轉移。
上述基于ATI系統的雙極性400G系統是利用通過Ultra-Sync電纜連接到一個共用的12.5GHz采樣時鐘的4臺個獨立儀器搭建起來的。4臺儀器中每臺都可以用作完整的獨立示波器，不需要任何其它硬件。當要將儀器從最初實驗室重新部署到另外的實驗室時這種方案提供了很大的靈活性。
其它多儀器示波器架構會采用一臺主控儀器來控制多個采集儀。這種方法的缺點是，采集儀器不能被自己使用。在不投資額外控制硬件的條件下將這種系統分成多個獨立的示波器基本上是不可能的。
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結論性評估的分析
測試與測量相干接收器一般都提供分析和可視化軟件。然而，對設計師或研究人員來說，需要一種相干接收器制造商的軟件中不存在的特殊類型的測量或可視化功能并不罕見。舉例來說，也許研究人員正在評估一種新的相位恢復算法的質量。理想的光學調制分析軟件不僅提供用于測量的基本構建模塊，而且支持完全定制化的信號處理。
圖4：自動化測試可以通過連接到OUI或直接連接到MATLAB工作區實現。
比如泰克的OM1106軟件就為這些算法提供了完整的應用編程接口(API)。使用這些API提供實質性功能集的就是OM系列用戶接口(OUI)。OUI提供了完整的相干光學工具套件，允許任何用戶開展對復雜調制光學信號的詳盡分析，不要求用戶掌握MATLAB、分析算法或軟件編程方面的任何知識。
