賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京100191）

光通信系統(tǒng)誤差矢量幅度測(cè)量分析

賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，北京100191）

高速光傳輸引入矢量調(diào)制格式對(duì)信號(hào)質(zhì)量測(cè)量和性能分析提出了新的挑戰(zhàn)和需求。誤差矢量幅度（EVM）是測(cè)試評(píng)估矢量調(diào)制信號(hào)的重要參數(shù)，在分析EVM參數(shù)定義、測(cè)試方法和設(shè)備的基礎(chǔ)上，討論EVM及其相關(guān)參數(shù)測(cè)量的應(yīng)用現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。

誤差矢量幅度；光信噪比；質(zhì)量因子；誤碼率

1 引言

云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展提出了越來(lái)越高的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，從而推動(dòng)高速大容量光傳輸技術(shù)不斷向前發(fā)展。在已獲廣泛部署的100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，基于相干檢測(cè)技術(shù)的偏振復(fù)用正交相移鍵控（DP-QPSK）碼型調(diào)制取代10 Gbit/s/40 Gbit/s時(shí)代的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)成為主流，而超100 Gbit/s光通信系統(tǒng)為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量與頻譜效率，將會(huì)引入以多電平正交幅度調(diào)制（如DP-16QAM）碼型為代表的高階矢量調(diào)制。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統(tǒng)中引入的相干檢測(cè)技術(shù)和新型調(diào)制格式將會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能的檢測(cè)評(píng)估提出新的挑戰(zhàn)和需求。

對(duì)于光通信系統(tǒng)而言，接收誤碼率（BER）是最本質(zhì)的性能表征參數(shù)，BER測(cè)量需要解開信號(hào)封裝幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行凈荷分析，隨著前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)的發(fā)展，光通信系統(tǒng)接收機(jī)的誤碼率通常極低，進(jìn)行準(zhǔn)確的BER測(cè)試十分耗時(shí)且無(wú)必要。對(duì)于強(qiáng)度調(diào)制光信號(hào)，由眼圖測(cè)量可定義質(zhì)量因子：Q=(μ1-μ0)/(σ1+σ0)，其中，μi和 σi分別為 1 和 0 電平的均值與方差，系統(tǒng)糾錯(cuò)前誤碼率（Pre-FEC BER）和Q值之間存在近似關(guān)系：Pre-FEC BER≈erfc(Q/2)/2。隨著相位調(diào)制和正交幅度調(diào)制格式的引入，基于線路側(cè)時(shí)域檢測(cè)的眼圖測(cè)量和Q值物理定義不再適用，但上述數(shù)學(xué)近似關(guān)系依然成立，所以通過(guò)統(tǒng)計(jì)Pre-FEC BER計(jì)算Q值也是系統(tǒng)性能測(cè)試常用參數(shù)，但其無(wú)法準(zhǔn)確反映傳輸通道特性，也不能區(qū)分不同損傷來(lái)源帶來(lái)的影響。光信噪比（OSNR）是光層性能測(cè)試與評(píng)價(jià)的最重要指標(biāo)之一，但其也無(wú)法全面反映光信號(hào)特性和損傷情況，例如在非線性受限的100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，提高入纖功率可以優(yōu)化OSNR，但引入非線性損傷卻導(dǎo)致接收端信號(hào)質(zhì)量劣化。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統(tǒng)中，由于調(diào)制速率的上升和偏振復(fù)用技術(shù)的引入，導(dǎo)致傳統(tǒng)線性內(nèi)插和偏振歸零等OSNR測(cè)試方法難以使用，而研究準(zhǔn)確的在線式OSNR監(jiān)測(cè)技術(shù)也是目前光通信系統(tǒng)性能檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

誤差矢量幅度（error vector magnitude，EVM）是矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的重要參數(shù)，在無(wú)線通信領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。EVM測(cè)量能夠同時(shí)反映多種損傷對(duì)星座點(diǎn)幅度和相位的不同影響，較為全面地評(píng)估發(fā)射機(jī)調(diào)制質(zhì)量和信號(hào)傳輸性能，具有對(duì)信號(hào)速率與調(diào)制格式透明的優(yōu)點(diǎn)。在軟件定義網(wǎng)絡(luò)的物理層架構(gòu)中，光物理層的波特率、調(diào)制格式和頻譜占用率等鏈路參數(shù)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活配置和調(diào)整，在此背景下進(jìn)行準(zhǔn)確和全面的光層信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)與分析變得更加重要。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，例如IEC、ITU-T和OIF等已經(jīng)對(duì)EVM的定義和測(cè)試方法及其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用展開討論并取得了一定進(jìn)展。本文分析EVM參數(shù)定義、測(cè)試方法和設(shè)備，討論EVM測(cè)量的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。

2 EVM參數(shù)的定義

矢量調(diào)制可以同時(shí)利用光載波的幅度和相位變化來(lái)加載數(shù)字信號(hào)，對(duì)于矢量調(diào)制信號(hào)，通常采用能夠表征幅度與相位信息的復(fù)平面星座圖（僅含采樣判決點(diǎn)）或IQ圖（包含采樣過(guò)渡點(diǎn)）來(lái)顯示。在如圖1（a）所示的星座圖中，每個(gè)調(diào)制符號(hào)的采樣判決點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)星座點(diǎn)，該點(diǎn)與理想?yún)⒖键c(diǎn)之間的位置偏差可采用誤差矢量幅度進(jìn)行描述：其 中，Imeans和Qmeans需要進(jìn)行幅度歸一化處理。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于所有星座圖采樣點(diǎn)，EVM定義為其誤差矢量幅度的均方根值：以理想?yún)⒖键c(diǎn)中的最大矢量幅度為基準(zhǔn)，表示為百分比值。在ITU-T的標(biāo)準(zhǔn)討論中，還引入了一種新的基于星座圖點(diǎn)命中率（hit ratio，HR）的EVM定義，即 EVMhitratio[1，2]。對(duì)于 n 個(gè)星座圖點(diǎn)，計(jì)算 EVM(n)并從大到小排序，以一定的命中率，如hr=5×10-5，排除其中部分極大值點(diǎn)：m=n-n·hr，則 EVMhitratio=max[EVM(m)]，同樣以理想?yún)⒖键c(diǎn)最大矢量幅度為基準(zhǔn)表示為百分比值。如果在IQ圖中對(duì)包含采樣過(guò)渡點(diǎn)在內(nèi)的所有IQ圖點(diǎn)計(jì)算EVMrms，則可以得到單個(gè)符號(hào)周期的時(shí)域解析EVM分布（TR-EVM），如圖1（b）[3]所示，其中，半符號(hào)周期處為理想采樣判決位置，TR-EVM可以定性地反映調(diào)制符號(hào)的信號(hào)質(zhì)量，有廠商提出采用類似眼圖模板的TR-EVM模板進(jìn)行矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

圖1 EVM定義與測(cè)量原理

3 EVM參數(shù)測(cè)試方法與設(shè)備

圖2 相干光通信中的EVM測(cè)量

對(duì)矢量調(diào)制信號(hào)進(jìn)行EVM測(cè)試主要采用相干檢測(cè)和線性光采樣兩種方法，如圖2所示。其中相干檢測(cè)使用與信號(hào)光相同波長(zhǎng)的窄線寬連續(xù)光源作為本振光 （LO），與信號(hào)光進(jìn)行偏振與相位分集的相干混頻和平衡探測(cè)，完成矢量調(diào)制信號(hào)光場(chǎng)到電場(chǎng)的線性搬移，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程與相干光通信系統(tǒng)接收機(jī)完全相同。線性光采樣在相干混頻與平衡探測(cè)部分與相干檢測(cè)一致，區(qū)別在于使用滿足采樣信號(hào)頻譜完全覆蓋信號(hào)光譜要求的低重復(fù)頻率的超短光脈沖采樣信號(hào)作為本振光源與信號(hào)光進(jìn)行相干混頻，并同步觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行峰值采樣，完成對(duì)于信號(hào)光場(chǎng)的等效時(shí)間采樣。線性光采樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用低帶寬的電域處理系統(tǒng)對(duì)高速光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，可監(jiān)測(cè)光信號(hào)的速率理論上僅受采樣光脈沖最小脈寬的限制，但其中的等效時(shí)間采樣相當(dāng)于對(duì)光信號(hào)在單個(gè)符號(hào)周期內(nèi)進(jìn)行遍歷采樣，丟棄了時(shí)域信息無(wú)法進(jìn)行數(shù)字信號(hào)碼流的解調(diào)和分析。相干檢測(cè)和線性光采樣的DSP算法解調(diào)過(guò)程基本一致，首先經(jīng)過(guò)重采樣時(shí)鐘恢復(fù)，進(jìn)行線性和非線性損傷補(bǔ)償，之后做偏振解復(fù)用與信號(hào)相位恢復(fù)，即可得兩個(gè)偏振態(tài)信號(hào)的星座圖（相干檢測(cè)）或IQ圖（線性光采樣）進(jìn)行EVM測(cè)試。相比于BER和Q值測(cè)試，EVM無(wú)需對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行判決、糾錯(cuò)和幀結(jié)構(gòu)解析，DSP解調(diào)部分的處理相對(duì)簡(jiǎn)單。

目前，基于相干檢測(cè)技術(shù)的光調(diào)制分析儀（OMA）主要包括是德科技 （原安捷倫）的N439x系列和泰克科技的OM4000系列等，而線性光采樣調(diào)制分析儀主要是EXFO公司的PSO-200系列，基于相干探測(cè)的OMA受電域采樣和處理器件的帶寬限制，最大模擬帶寬難以突破70 GHz瓶頸，而線性光采樣OMA則不存在模擬帶寬的電子瓶頸，但等效時(shí)間采樣方式無(wú)法獲得采樣判決點(diǎn)星座圖，也不能存儲(chǔ)和解調(diào)分析真實(shí)碼流，監(jiān)測(cè)分析能力受限[4]。此外，由于相干探測(cè)OMA的LO光自身存在線寬和相位噪聲的影響，會(huì)使EVM檢測(cè)引入誤差，需要考慮EVM測(cè)量的不確定度并消除其影響，例如參考文獻(xiàn)[5]中采用將EVM參數(shù)溯源至已校準(zhǔn)光源光功率的方法，能夠有效地進(jìn)行EVM測(cè)試準(zhǔn)確性的溯源和比對(duì)。

4 EVM測(cè)量應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

EVM參數(shù)可以表征矢量調(diào)制信號(hào)的電場(chǎng)信息，包含了發(fā)射機(jī)、傳輸信道和接收機(jī)的影響，同時(shí)與DSP數(shù)字解調(diào)算法關(guān)系密切。對(duì)于同為電層性能參數(shù)的Q值，在加性高斯白噪聲（AWGN）信道和忽略接收機(jī)熱噪聲與散彈噪聲影響的情況下，EVM和 Q有關(guān)系近似為：Qm-QAM≈1/其中，m為矢量調(diào)制格式的階數(shù)。在同樣的近似條件下，對(duì)于光層性能參數(shù)OSNR，可以得 到 EVM和 OSNR間 的 近 似 關(guān) 系 ：EVMrms=1/其中，k與矢量調(diào)制階數(shù)和接收機(jī)電層噪聲基底有關(guān)。在采用SHF46215B+N4391A的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)EVM測(cè)試和多廠商發(fā)射機(jī)EVM測(cè)試中，EVM和Q值的近似關(guān)系基本吻合，在低 OSNR區(qū)間（＜22 dB），EVM和 OSNR測(cè)量結(jié)果與近似關(guān)系式基本吻合，但在高OSNR區(qū)間，由于接收機(jī)噪聲影響明顯，上述近似關(guān)系不再成立。

對(duì)于矢量信號(hào)IQ調(diào)制而言，多種發(fā)射機(jī)損傷均會(huì)對(duì)調(diào)制信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。EVM及相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)可以對(duì)IQ調(diào)制發(fā)射機(jī)性能進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)價(jià)。如圖3所示，低頻的驅(qū)動(dòng)電壓幅度噪聲引入EVM幅度誤差，激光器線寬和相位噪聲引入EVM相位誤差，IQ調(diào)制器兩路輸入電壓不同導(dǎo)致IQ增益不平衡，相位調(diào)制器偏置電壓誤差引入正交誤差，數(shù)據(jù)調(diào)制器偏置電壓誤差導(dǎo)致整個(gè)星座圖的IQ偏移，IQ驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的定時(shí)誤差產(chǎn)生IQ時(shí)延，影響過(guò)渡采樣點(diǎn)分布。對(duì)包含損傷的發(fā)射機(jī)光信號(hào)進(jìn)行EVM測(cè)試，需要對(duì)損傷進(jìn)行算法預(yù)補(bǔ)償以消除其影響，例如IQ偏移、增益不均衡和正交誤差等，才能夠保證EVM參數(shù)測(cè)量結(jié)果的有效性。通過(guò)補(bǔ)償算法對(duì)上述損傷相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量分析并與EVM參數(shù)測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，可以對(duì)IQ調(diào)制發(fā)射機(jī)性能進(jìn)行較為全面的評(píng)估。

在發(fā)射機(jī)EVM相關(guān)參數(shù)測(cè)試中，需要考慮在不同損傷情況下，EVM參數(shù)變化與引入的OSNR代價(jià)之間的關(guān)系，同時(shí)分析不同損傷疊加情況下EVM參數(shù)的變化規(guī)律以及EVM不同定義和參數(shù)選擇的問(wèn)題。其中，圖4（a）所示OSNR劣化導(dǎo)致兩種不同定義的EVM參數(shù)變化的趨勢(shì)較為一致，但EVMhitratio參數(shù)中的命中率選擇對(duì)測(cè)試結(jié)果存在影響，根據(jù)第2節(jié)中的定義可知，由于EVMhitratio測(cè)試關(guān)注的是星座圖點(diǎn)分布的邊界狀態(tài)而非統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，所以不同命中率的選擇直接關(guān)系排除星座圖極值點(diǎn)的數(shù)量以及最終的測(cè)試結(jié)果，命中率選擇越小，則極值點(diǎn)的影響越明顯，EVMhitratio的穩(wěn)定性越差，但命中率選擇過(guò)大則有可能導(dǎo)致EVMhitratio對(duì)于信號(hào)損傷變化的不敏感，需要折中考慮。圖4（b）為IQ不均衡和正交誤差并存時(shí)的EVM參數(shù)測(cè)量結(jié)果，在無(wú)正交誤差的情況下，EVM參數(shù)隨IQ不均衡的劣化而增大，但是在星座圖點(diǎn)存在正交誤差時(shí)，IQ不均衡的劣化對(duì)EVM參數(shù)的影響是先減小后增大，說(shuō)明IQ不均衡和正交誤差兩種損傷之間存在一定的相互補(bǔ)償關(guān)系而非簡(jiǎn)單的線性疊加。此外，由圖4（b）可見，在多損傷并存的條件下，EVMrms參數(shù)相較于EVMhitratio參數(shù)具有更大的測(cè)試結(jié)果動(dòng)態(tài)范圍和更優(yōu)的變化趨勢(shì)一致性，所以參數(shù)能夠更加準(zhǔn)確反應(yīng)并存損傷的影響。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEC在2013年公布了TR 61282-10:2013標(biāo)準(zhǔn)，定義了使用EVM參數(shù)進(jìn)行矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量分析的方法、EVM參數(shù)的測(cè)試手段以及EVM參數(shù)與其他相關(guān)參數(shù)，例如幅度誤差、相位誤差和正交誤差等的關(guān)系和影響。ITU-T SG15 Q6在2012年開始修訂面向城域波分互聯(lián)的G.698.2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)矢量調(diào)制信號(hào)的EVM參數(shù)進(jìn)行討論，在和兩種參數(shù)定義之間進(jìn)行評(píng)估和選擇，進(jìn)一步提出關(guān)于EVM、IQ偏移、正交誤差、增益不均衡等損傷的測(cè)量計(jì)算式。由于EVM及相關(guān)參數(shù)的定義和賦值需要大量的測(cè)試驗(yàn)證和結(jié)果分析討論，測(cè)試模型中某些損傷條件難以在商用產(chǎn)品中模擬，并且通用EVM測(cè)試環(huán)境中的具體硬件配置和補(bǔ)償算法尚未達(dá)成一致，所以該標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)較為緩慢，目前新版本推出尚無(wú)明確時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

圖3 不同發(fā)射機(jī)損傷的星座圖

圖4 發(fā)射機(jī)損傷EVM測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

EVM是矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量測(cè)試和性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，既能夠包含信號(hào)光層的調(diào)制信息和傳輸信道狀態(tài)，也能夠體現(xiàn)接收機(jī)電層的模擬前端性能和信號(hào)解調(diào)算法，同時(shí)無(wú)需對(duì)信號(hào)幀格式進(jìn)行解析，能夠較為全面地反映信號(hào)質(zhì)量信息，對(duì)于高速光通信系統(tǒng)的測(cè)試評(píng)估和運(yùn)維管理具有重要價(jià)值。EVM測(cè)試的參數(shù)定義、測(cè)試方法和測(cè)試手段基本明確，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨相干檢測(cè)與系統(tǒng)接收機(jī)差異以及解調(diào)算法一致性等方面的問(wèn)題，就目前的標(biāo)準(zhǔn)化情況而言，EVM是保證異廠商互操作性的關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析，在光通信系統(tǒng)中作為性能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)正式推廣應(yīng)用還需一定時(shí)間。

[1]ITU-T G.698.2[S/OL]. [2016-03-05].https://www.itu.int/rec/T-REC-G.698.2/en.

[2]SCHMOGROWR,NEBENDAHLB,WINTERM,etal.Errorvector magnitude as a performance measure for advanced modulation formats[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(1):61-63.

[3]IEC TR 61282-10[S/OL].[2016-03-05].https://webstore.iec.ch/publication/5100.

[4]沈世奎,滿祥錕,簡(jiǎn)偉,等.100G系統(tǒng)中的誤差矢量幅度參數(shù)應(yīng)用[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2014(4):9-12.SHEN S K,MAN X K,JIAN W,et al.The application of error vector magnitude parameters in 100G system[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunication,2014(4):9-12.

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Error vector magnitude measurement and analysis in optical communication system

LAI Junsen,TANG Xiaohua,TANG Rui,ZHAO Xin,ZHAO Wenyu,ZHANG Haiyi
Technology and Standard Research Institute,China Academy of Information and Communication Technology(CAICT),Beijing 100191,China

Vector modulation format of high speed optical communication system calls for new measurement and analysis scheme.Error vector magnitude (EVM)is one of the most important parameters in vector modulation evaluation.The definition of EVM parameters,its test methods and instruments were analyzed,and application of EVM related parameter in transmitter measurement and its standardization progress were also discussed.

EVM,OSNR,Q factor,BER

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61171076,No.61201260,No.61471128),The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2013AA013402,No.2015AA015502)

TP913

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016159

2015-10-08；

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2013AA013402，No.2015AA015502）

賴 俊 森（1983-），男 ，博 士 ，中 國(guó) 信 息 通 信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦咚俟鈧鬏斉c光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

湯曉華（1981-），女，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師，主要研究方向?yàn)楦咚俟鈧鬏斉c光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

湯瑞（1984-），男，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師，主要研究方向?yàn)楦咚俟鈧鬏斉c光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

趙鑫（1984-），男，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師，主要研究方向?yàn)楦咚俟鈧鬏斉c光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

趙文玉（1973-），男，博士，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所主任工程師，主要研究方向?yàn)?0 Gbit/s/100 Gbit/s/WDM、OTN等光傳送網(wǎng)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂以及系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估。

張海懿（1974-），女，中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所高級(jí)工程師、部門主任，主要研究方向?yàn)楣鈧鬏斚到y(tǒng)、OTN、PTN、WDM 系統(tǒng)、SDH 系統(tǒng)、MSTP、自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)以及電信傳送網(wǎng)絡(luò)體制標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)商技術(shù)咨詢。