高速數字通信系統,象任何通信系統一樣,在執行預期任務的時候,接收端要正確地解釋被發送的信息。就最終的用戶而言，這就是要忠實地復現語音或圖像,或能準確地傳送財務信息。從工程角度看，性能的定量化通常與實際被發送的信息無關。當通信為數字格式時,情況較為簡單,所有發送的“1”應接收為“1”;所有發送的“0”應接收為“0”。數字格式可通過測量誤碼率(BER)進行定量化,BER定義為錯誤接收的位數量與接收到的位總量之比。</P><P> 一個典型的高速光通信系統包括激光發射器,光纖和光探測接收器。每個部件都會對BER產生潛在的影響。因此需要有一種表征各個系統組件性能的方法,以便在整合成完整系統時,減少達不到預期性能的風險。</P><P> 這類方法在測試SONET/SDH、千兆位以太網和光纖信道收發器時尤為重要。</P><P> 光發射器由直接調制激光器或輸出到外部調制器的固定功率激光器組成。雖然BER測試能描述整個通信系統的總體性能,但很少用來表征高速光發射器的性能。測試發射器的策略是通過沿襲測試輸出波形的形狀和頻譜而發展起來的。具體地說,包括光譜、調制帶寬與頻譜、眼圖模板測試、消光比、以及平均功率測量。</P><P> 發射器的輸出譜對長距離系統或單根光纖內含有多個波長的系統十分有用。色散是不同波長以各自的速度沿光纖傳播時形成的,若信號的能量分布在較寬的波長范圍內，則會產生脈沖擴展。由于脈沖隨時間向外擴展,增加了系統接收器確定所接收的信號電平的難度,從而使BER性能變差。在單根光纖上多路復用幾個發射器,而每個發射器使用不同波長的系統稱為WDM系統。對這類系統,需精確管理每個發射器的中心波長,同時每個發射器的譜寬應盡可能地小,以減少鄰近信道間的干擾。但在另一方面,其頻譜要求不象短距離、單信道系統那樣苛刻。</P><P> 測量中心波長與譜寬的基本工具是光譜分析儀(OSA)。該儀器能顯示功率對波長的關系。中心波長位于1548.5nm,而最大邊模位于1550.09nm,其強度比主模低45dB。當需要同時監測多個發射器時,也能使用OSA。波長計用來觀察多個信號且其波長的精確度較高。</P><P> 高速度發射器的邊沿速度要快，因此應具有較寬的調制帶寬。該功能可用這樣一類儀器來測定,該儀器向發射器提供正弦波電激勵，同時測量發射器輸出的調制光的幅度與相位。理想響應的輸出信號與輸入信號比值是恒定的。</P><P> 發射器的輸出功率還具有隨機起伏特性,一種稱為相對強度噪聲的不希望有的噪聲機構。由于功率起伏的速率和幅度是隨機的,它用幅度對頻率的特性來表征。該參數用光波信號分析儀來測定,它基本上是一個帶有光接收器前端的電氣頻譜分析儀。</P><P> 發射信號的形狀對BER有明顯的影響。考慮到接收器需在極短的時隙內確定信號的電平。幾個參數會降低BER的性能,其中包括抖動、噪聲、邊沿速度,以及功率電平。抖動反映信號在時序上的不一致性。就接收器而言,數位比正常情況下早到或晚到都會提高出錯的概率。噪聲具有類似的影響,因為它會改變信號的電平。倘若邊沿速度太慢,那末總不能達到最佳信號電平。要是信號因發射器不能輸出適當的功率電平而過小,所有這些問題會變得更加嚴重。</P><P> 示波器是測定波形的理想工具。它能詳細觀察信號的合成波形，而不在于考察數據流中各個位的特性。它是用眼圖表示的。考慮由3位序列,000、001、…110和111全部組合的8個波形,如果在公共時間軸上畫出所有波形就得到一個眼圖。實際上,眼圖是用增加示波器的余輝來構建的,這樣只要它捕獲到一個波形,不論是否捕獲到新的波形,它總能保留在顯示屏上。因此,隨著捕獲到的位數增加，他們全部相互地疊加在一起。</P><P> 理想的眼圖應是在水平(時間)和垂直(幅度)兩個方向上開口最大的信號。眼圖開口定量化的最常用方法是模板測試。模板用來確定波形可能不存在的波形區域。請注意,眼圖的中心有一個多邊形,它實際上規定了最小可接受的水平開口和垂直開口。眼圖上面多邊形與下面多邊形分別指示上過沖與下過沖。</P><P> 每當測量一個波形時,總要考慮測量系統的帶寬。直接調制激光器通常有較大的過沖和振鈴。寬帶測量系統能顯示這種效果,而窄帶系統會掩蓋此類現象。行業內的一致性測量要求有統一的測量系統。目前采用標準參考接收器,即光電探測器與示波器電通道的結合。接收器與示波器組合具有特定的頻率響應,它是由委員會為通信系統制定的標準規定的。在多數場合,參考接收器的頻率響應遵循4階Bessel-Thomson低通濾波器特性，真3dB頻率為數據速率的75%。按此推算,測量2.48832 Gbits/s SONET/SDH發射器的參考接收器應具有1.8662 GHz帶寬。</P><P> 這里要強調指出,在降低帶寬后,帶有明顯過沖和振鈴的發射器會顯示出類似于圖2那樣簡單的波形。因此,原本在寬帶測量系統中通不過模板測試的波形能通過標準參考接收器的模板測試。這樣的發射器能在完整的通信系統中正常工作嗎?要是測試系統參考接收器的帶寬與實際系統中的發射器配對的接收器接近的話,那末眼圖反映出來的正是系統中接收器端的實際性能。</P><P> 從眼圖能得到幾個關鍵的參數。抖動是通過分析信號在眼圖交叉點橫向擴展程度測定的。抖動的可接受程度與位率有關,通常應小于位率的1%。邊沿速度是通過模板測試間接測定的。如果信號太小，眼圖會與模板的多邊形相交并使它變形。通常不允許擾亂波形模板。消光比是按眼圖中心區邏輯“1”電平與邏輯“0”電平的比值測定的。該測量表示激光器的可使用輸出功率轉換為調制功率的效率。消光比指標通常在8.2～13dB(6.6～20)范圍內,視應用而定。在現代數字通信分析儀中,抖動、模板測試、消光比、以及平均功率都是自動測量的。</P><P> 一旦發射器的特性已經測定,且已超過最低可接受的性能,能保證整合后的系統有滿意的BER嗎?或許能。光纖鏈路存在一定的衰減量和色散。接收器應能接收被光纖嚴重衰減后的發射信號,且仍能準確地確定每個比特的電平。</P><P> 光纖接收器通常由圖3所示的基本部件組成。在光傳輸期間,各種物理效應很可能降低接收器的輸入信號質量。這些效應涉及路由上的衰減,將信號質量降低至與噪聲不可區分的程度;色散效應,使脈沖隨時間向外擴展,甚至各個脈沖可能互相重疊。</P><P> 光接收器的任務是判定原始脈沖究竟是“1”還是“0”。其很重要的任務是發現時間上一致的參考點,即位周期的中心點。該工作是由時鐘恢復電路完成的。該電路產生的時鐘與接收到的數據有嚴格的關系, 是判定時序的理想參考。判定電路在相對于新產生時鐘信號的固定點拍攝輸入信號的瞬時圖形。該圖形與該瞬時的閾值電壓電平進行比較,如果輸入信號高于閾值,則將它記作為“1”;若低于閾值則為“0”。電路給出的數據流應是在光纖另一端的光發射器原始數據的忠實復現。</P><P> 那么,還會發生什么樣的錯誤呢?錯誤判定的原因是多方面的。例如,電壓閾值設置太低,某些“0”電平加上路由上足夠的Gaussian噪聲后會高于閾值,這些“0”被錯誤地識別為“1”;類似地,閾值設置太高,某些“1”被錯誤地記作為“0”。如果判定點設置太早或太遲,同樣會產生各種問題。這里的危險在于,電路不在位中心點采樣,而是試圖在過渡期間或接近過渡處進行判定。</P><P> 其它一些因素也會影響正確地設置判定電壓。要是時鐘恢復電路引入的抖動過大,那末判定點在位周期內快速地、不可預測地移動。發射器或接收器電路設計不良造成的影響是不同的,與位序列有關。例如,101010一類圖形具有較多高頻成分,但圖形中全“1”或全“0”的序列含有較多的低頻成分。如果電路的高頻性能或低頻性能較差,這類圖形在通過電路后則會產生畸變。這些畸變導致錯誤的判定,因此稱為“圖形相關的錯誤”。</P><P> 通常用誤碼率測試儀(BERT)圖形發生器、高質量光發射器、可變衰減器和功率計來測試接收器的BER。接收器的輸出則反饋至BERT的誤碼檢測器(參見圖5)。對一個設計良好的接收器,輸入功率處于設計輸入范圍的中心區通常是不成問題的,這里描敘的測試裝置應在無錯誤條件下進行。 接收器性能的兩個主要測量參數是在極低輸入功率下的BER性能(“接收器靈敏度”)和高輸入功率下的BER性能(“接收器過載”)。接收器靈敏度定義為誤碼率超過規定量前接收器所能接收的最低光輸入功率。例如,可將靈敏度規定為BER是1×10-10時的最小輸入功率。BER的測量是在無錯誤工作區開始的,然后用衰減器來減小輸入信號電平,直到發生誤碼為止。接收器靈敏度的功率電平通常用相對于1mW的分貝數(dBm)給定。例如，對OC-48,接收器靈敏度在BER為1×10-10時是-24dBm。</P><P> 接收器過載可按類似方法測量，這時應增加接收器的輸入功率直至達到規定的BER。同樣,對OC-48接收器,過載在BER為1×10-10時可能是1dBm。在這兩種場合，還要規定使用的測試圖形。例如,對光纖信道及千兆位以太網,數據結構的較好近似是27-1偽隨機二進序列(PRBS);而對SONET,對電路的數據結構的要求更高,通常用223-1,甚至231-1PRBS來仿真。</P><P> 數據在時間上的不穩定性稱為抖動。總體說來，發送位周期是不固定的。從數據提取接收器的時鐘，有助于確保位是正確地接收的。為了驗證時鐘恢復電路能跟蹤變化的數據率，還須進行抖動傳輸測量。在此測量中,讓數據人為地在一定頻率范圍內抖動。這時,恢復時鐘的抖動應能跟蹤輸入數據的抖動。最終,恢復時鐘跟不上抖動的快速變化。畫出恢復時鐘抖動與輸入數據抖動之比對抖動頻率的關系,其形狀通常與低通濾波器類似。確定接收器在多大的抖動下仍能保持良好的BER也是十分重要的。測試的方法是,連續地增加抖動幅度直到不能保持預定的BER。測試通常按幾個抖動比完成,稱之為抖動容限。</P><P> 在設計光收發器時,一個值得關注的重要參數是串擾。通常,發射器中驅動激光器的電流比接收器中光電二極管的工作電流大幾個數量級(或許是10mA與10mA之比)。屏蔽顯然是十分重要的,即要良好的接地與電源去耦。串擾常用上面描述的接收器靈敏度測試裝置測量。先關閉發射器,測量接收器靈敏度,再讓發射器按實際使用方式工作,重新測量靈敏度。倘若有串擾,為了達到相同的BER性能,必須增加接收器的輸入功率。兩個靈敏度之差值用分貝表示,稱為串擾功率補償。就一個設計良好的收發器來說,功率補償應忽略不計。對這里討論的種種設計問題,BERT儀器中的高級誤碼分析技術是極有價值的工具,可讓工程人員迅速找出故障的原因。</P><P> BER測試能進一步提速嗎?收發器生產商確信能夠提速。一個設計良好的收發器具有BER規定在1×10-10時的接收器靈敏度。為了測定此BER下的靈敏度,測試工程人員確定待測器件每接收百億個數據產生一個誤碼的輸入功率電平。對OC-3,接收百億個數據要花費一分多鐘時間。因此,仔細地調整功率來確定精確的靈敏度是十分費時的。</P><P> 生產商在實際生產過程中使用的是另一種方法,它在研發階段讓BER處于1×10-7至1×10-12范圍內,測定接收器的靈敏度。假定靈敏度與功率之間有確定的關系且器件間是一致的,生產商可降低待測器件的輸入功率,即在BER為1×10-7下測量接收器的靈敏度。此場合的測量速度比1×10-10下快得多,如對OC-3,測試時間將小于1秒。測試工程人員認定, 1×10-10測量結果應為1×10-17結果加上某些修正因子。這種近似方法對全面地表征和理解收發器設計是比較安全的。<BR>
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