孫小強(qiáng)，陳龍泉，周峰，周波，張穎艷

(中國(guó)信息通信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

0 引言

雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)相干傳輸系統(tǒng)成為當(dāng)前高速大容量光通信領(lǐng)域的主流技術(shù)，一方面采用高階矢量調(diào)制提升頻譜利用率，另一方面利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行色散和偏振模色散的補(bǔ)償，有效抑制色散等因素的影響［1-2］。傳統(tǒng)的二進(jìn)制啟閉鍵控(OOK)鏈路中，用誤碼儀對(duì)鏈路中的信號(hào)傳輸質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，誤碼儀的校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。而用來(lái)評(píng)價(jià)高階矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量的誤差向量幅度(EVM)則需要光調(diào)制信號(hào)分析儀進(jìn)行測(cè)試，由于EVM與信號(hào)幅度和信號(hào)相位有關(guān)，光調(diào)制信號(hào)分析儀EVM量值溯源變得尤為困難。提出了一種基于雙波長(zhǎng)外差混頻技術(shù)的光調(diào)制信號(hào)分析儀溯源方法，利用誤差向量幅度(EVM)與光功率比值之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)了EVM量值的溯源。

1 光調(diào)制信號(hào)分析儀校準(zhǔn)原理

1.1 光調(diào)制信號(hào)分析儀結(jié)構(gòu)

光調(diào)制信號(hào)分析儀主要由相干接收機(jī)和信號(hào)分析顯示單元組成［3］，相干接收機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，偏振分束器(PBS)將偏振復(fù)用的調(diào)制信號(hào)分離成x和y兩個(gè)垂直方向的線偏振光。利用90°相移混合器和平衡探測(cè)器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)偏振方向上調(diào)制光信號(hào)與本振光的混頻，從而將調(diào)制光信號(hào)中的相位信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息，完成光信號(hào)到電信號(hào)的解調(diào)。

圖1 光調(diào)制信號(hào)分析儀中相干接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

以x軸方向的信號(hào)為例，DP-QPSK信號(hào)在x軸偏振方向的分量為

式中:A0為光載波幅度;ωc為光載波角頻率;φx為信號(hào)光源相位噪聲;φm為QPSK相位調(diào)制信息。本振光在x軸偏振方向的分量為

式中:ALO為本振光幅度;ωLO為本振光角頻率;φLOx為本振光源相位噪聲。

經(jīng)光電平衡探測(cè)器后I路輸出光電流信號(hào)表示為

式中:rd為探測(cè)器響應(yīng)度，A/W。同理Q路輸出光電流信號(hào)表示為

則x偏振軸方向輸出信號(hào)由相位正交的I路和Q路信號(hào)組成，在星座圖上表示為圖2(a)所示的四個(gè)點(diǎn)。

1.2 EVM模型

圖2(a)星座圖中，如果忽略激光器自身相位噪聲的影響，φx-φLOx=0，則星座圖上呈現(xiàn)理想的四個(gè)點(diǎn)。然而由于激光器具有一定線寬，因此即使在鏈路理想情況下，光調(diào)制信號(hào)分析儀測(cè)得的EVM值也大于零，儀表廠商定義該條件測(cè)得的EVM為儀表本征誤差向量幅度，用EVM0表示。

圖2 矢量調(diào)制信號(hào)的星座圖及干擾信號(hào)影響的示意圖

相干光傳輸系統(tǒng)中，EVM指標(biāo)劣化主要由鏈路噪聲、損耗、色散、非線性等因素引起，為了校準(zhǔn)光調(diào)制信號(hào)分析儀，在信號(hào)光頻率附近添加干擾信號(hào)，光波微波轉(zhuǎn)換示意圖見(jiàn)圖3，星座圖上的影響見(jiàn)圖2(b)。用連續(xù)波信號(hào)代替QPSK調(diào)制光信號(hào)，在沒(méi)有干擾信號(hào)的情況下，頻率為fA的連續(xù)光與光調(diào)制信號(hào)分析儀自帶頻率為fLO的本振光進(jìn)行混頻，差拍出頻率為fLO=fA-fLO的正弦波信號(hào)。設(shè)置光調(diào)制信號(hào)分析儀采樣模式，可以得到QPSK的星座圖，測(cè)量出EVM本征值。

圖3 基于外差檢測(cè)的光波微波轉(zhuǎn)換示意圖

為評(píng)價(jià)在一定范圍內(nèi)EVM值的準(zhǔn)確性，加入干擾信號(hào)，圖3中調(diào)節(jié)頻率為fB的干擾信號(hào)功率，可調(diào)節(jié)干擾光B與信號(hào)光A的功率比γ。利用連續(xù)波組合法［4-5］，EVM參考值與功率比之間的關(guān)系式表示為

考慮激光器自身線寬等本征因素影響，將光調(diào)制信號(hào)分析儀自身參數(shù)EVM0代入

則可將EVM參量溯源到光功率標(biāo)準(zhǔn)上，此方法極大降低了校準(zhǔn)裝置的復(fù)雜度，充分利用連續(xù)光功率不確定度評(píng)定方法［6］。

2 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

圖4為光調(diào)制信號(hào)分析儀校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)框圖，采用Agilent公司的儀器，兩臺(tái)帶有光開(kāi)關(guān)的可調(diào)諧激光源(81600B和81940A)分別產(chǎn)生信號(hào)光和干擾光，可變光衰減器(81571A)調(diào)節(jié)干擾光的功率，即調(diào)節(jié)功率比γ。首先關(guān)閉光源B，僅打開(kāi)光源A，被校光調(diào)制信號(hào)分析儀內(nèi)置的本振光源波長(zhǎng)設(shè)為1551.52 nm，信號(hào)光與本振光進(jìn)行混頻，產(chǎn)生微波信號(hào)。頻率為25 GHz時(shí)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)間隔為0.2 nm，即光源A波長(zhǎng)設(shè)為1551.7200 nm，利用光波長(zhǎng)計(jì)(86122A)保證波長(zhǎng)設(shè)定準(zhǔn)確。利用CW模式解調(diào)功能，可獲取QPSK星座圖并顯示出EVM值，即本征EVM0。

同時(shí)開(kāi)啟光源B，在原有微波信號(hào)基礎(chǔ)上加入干擾信號(hào)來(lái)改變EVM值。設(shè)置光源B的波長(zhǎng)為1551.7218 nm。改變可變光衰減器的衰減量，就可控制干擾信號(hào)功率大小。利用光功率計(jì)(81626B)分別測(cè)出不同衰減值條件下的信號(hào)光A和干擾光B的光功率，通過(guò)公式(6)推導(dǎo)出參考值EVMa，計(jì)算中γ單位為1，并與儀表測(cè)量值EVMb比較，得到EVM(均方根值rms)測(cè)量誤差EVMb-EVMa，單位為%。

被校光調(diào)制信號(hào)分析儀采用Agilent公司N4391A型儀器。在不加干擾光條件下，光調(diào)制信號(hào)分析儀測(cè)出本征EVM值為3.16%。實(shí)驗(yàn)中以5dB為步進(jìn)調(diào)節(jié)可變光衰減器的衰減量，記錄EVM測(cè)量值，同時(shí)記錄信號(hào)光功率和干擾光功率，并計(jì)算出光功率比值和EVM參考值，結(jié)果如表1所示。當(dāng)干擾光與信號(hào)光功率比值為-30dB和-10dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的QPSK星座圖如圖5所示。

表1 不同光功率比值條件下的EVM測(cè)量誤差

圖5 干擾光與信號(hào)光不同功率比值對(duì)應(yīng)的QPSK星座圖

從表1和圖5中均可看出，干擾光功率越大，解調(diào)出的QPSK信號(hào)質(zhì)量越差，EVM值越大，星座圖上的點(diǎn)越分散。將Agilent公司N4391A型儀器測(cè)量結(jié)果與EXFO公司PSO200型儀器測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖6所示，雖然兩臺(tái)儀器定義的EVM本征值不同，但在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)，不同光功率比值條件下測(cè)量值與參考值均吻合較好，當(dāng)超出儀表自身測(cè)量范圍時(shí)，儀表測(cè)量重復(fù)性會(huì)變差，此時(shí)測(cè)量值誤差隨之變大，因此該溯源方法適用于儀表正常測(cè)量范圍內(nèi)的EVM量值溯源。

圖6 干擾光與信號(hào)光不同功率比值對(duì)應(yīng)的EVM變化曲線

5 結(jié)論

針對(duì)光調(diào)制信號(hào)分析儀校準(zhǔn)問(wèn)題，提出了一種基于雙波長(zhǎng)外差混頻技術(shù)的光調(diào)制信號(hào)分析儀溯源方法，初步實(shí)現(xiàn)了EVM量值到光功率量值的溯源并利用比對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

［1］趙梓森.光纖通信及相關(guān)產(chǎn)業(yè)［C］//2001年福州國(guó)際光電通訊研討會(huì).福州:中國(guó)通信學(xué)會(huì)，2001:87-114.

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［4］張睿，周峰，郭隆慶.無(wú)線通信儀表與測(cè)試應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

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［6］武勇生.光功率計(jì)測(cè)量不確定度評(píng)定［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30(1):46-57.