【经验】相干光测试以及相关概念解析
关于相干光测试,我们需要先了解相干光通信的几个基本概念。
相干光通信
在发射端对光载波进行幅度,频率或相位调制,在接收端,则采用零差检测或外差检测等相干检测技术进行信息接收的通信方式。
相干光测试原理
光接收机接收的信号光和本地振荡器产生的本振光经混频器作用后,光场发生干涉,由光检测器输出的光电经处理后以基带信号形式输出。由于混频输出光信号的中频信号功率分量带有信号光的幅度,频率或相位信息,因此发端不管采用哪种调制方式,均可以在中频功率分量反映出来。所以相干光接收方式适合手所有调制方式的通信。
相干光通信系统面临的挑战
相干光系统属于数字通信系统,所以主要测试内容还是误码率,还要看信噪比SNR 噪声 器件带宽,接收机灵敏度这些。在发射端有载波激光主要是线宽,相位噪声和相对强度噪声。对激光器的测试要求是最高的,整个系统的评估会用到OMA光调制分析仪,线宽有线宽测试系统A00X0A系列。然后是调制器,就是s参数,带宽,电口反射,主要用到LCA。对整个发射机我们还看星座图和EVM(OMA)。中间有一段传输链路比较接近无源链路,我们要看损耗,偏振相关损耗,色散,偏振模式色散,串扰(波长扫描偏振扫描系统)这些。接收机上有本振激光,接收机探测器,相干接收机,这里也都列出了要测的主要参数,像EVM误码率等等都列在上面就不再一一念了。下面我们具体来看我们用什么样的产品来完成这些测试。
光调制技术可以提高带宽利用率
现有的光骨干网传输中普遍采用了DWDM(密集型光波复用)技术,每个波长之间的间隔是50GHZ或者100GHZ,也就是每个通道的带宽容量是50G或100G,因此,采用复杂的光调制技术,可以在有限的光带宽容量下提高信息传输效率。比如传输112Gbps的信号,采用偏振复用和QPSK调制,实际占有的带宽不超过30G,完全可以在50G的通道中传输。
偏振复用就是利用不同偏振态携带信息进行光通信。一般在光纤中的偏振复用指利用两种正交的偏振态来携带各自信息,这样信息容量又提高了一倍。
数字信号处理 DSP (digital signal processor)
光信号在经过模数转换后,还需要进行数字信号处理 DSP (digital signal processor) ,这个步骤对于任何相干光接收机都是不可或缺的。传统的开/关键控存在 CD 和 PMD 信号失真效应,与之相比,使用 DSP 可 以获得明显的优势。DSP 支持通过算法补偿 CD、PMD 和其他减损,因为相干检测可以提供完整的光场信息。这意味着采用复合光调制,我们再也不必使用 PMD 补偿器或色散补偿光纤,也不会因为这些模块增加的损耗和时延而头疼。 上游预校正步骤可以消除接收机缺陷。这些缺陷可能包括四个电通道之间的通道不平衡、 IQ 混频器的 IQ 相角误差、四个 ADC 通道之间的计时偏移,以及正常平衡接收机的差分不平衡。要消除这些减损,通常需要在进行仪器校准时,在波长范围内执行器件表征。 除了接收机带来的这些缺陷之外,DSP 还必须补偿信号经过发射机和接收机之间的光路径所发生的衰减,其中包括偏振相关损耗 (PDL)、偏振旋转或偏振态转换 (PST) 等。
相干光接收机问题
我们知道最灵活的检测电路是使用外差时域检测器,它适用于测试信号和实时信号,并且不受调制制式的影响。
下图中左侧的器件就是这种 IQ 检波器。此图清晰地说明,在识别并进一步分析符号中编码的输入比特之前,还有几个步骤需要完成。此处所示的接收机体系结构是光互联论坛 (OIF) 的推荐设计,它能够提取信号中的所有信息。详细检查接收机体系结构。
图 1. OIF 建议采用的集成内差相干接收机体系结构 ( 《用于集成双偏振相干接收机的 OIF 实施协议》,IA # OIF-DPC-RX-01.2,2013 年 11 月 14 日 )
大幅降低减损
光信号在经过模数转换后,还需要进行 DSP,这个步骤对于任何相干光接收机都是不可或缺的。传统的开/关键控存在 CD 和 PMD 信号失真效应,与之相比,使用 DSP 可以获得明显的优势。DSP 支持通过算法补偿 CD、PMD 和其他减损,因为相干检测可以提供完整的光场信息。这意味着采用复合光调制,我们再也不必使用 PMD 补偿器或色散补偿光纤,也不会因为这些模块增加的损耗和时延而头疼。
上游预校正步骤可以消除接收机缺陷。这些缺陷可能包括四个电通道之间的通道不平衡、 IQ 混频器的 IQ 相角误差、四个 ADC 通道之间的计时偏移,以及正常平衡接收机的差分不平衡。要消除这些减损,通常需要在进行仪器校准时,在波长范围内执行器件表征。
除了接收机带来的这些缺陷之外,DSP 还必须补偿信号经过发射机和接收机之间的光路径所发生的衰减,其中包括 CD 和 PMD、偏振相关损耗 (PDL)、偏振旋转或偏振态转换(PST) 和相位噪声。
为了评估相位噪声的影响,可以跟踪载波相位随时间的变化。不过,这个步骤在相干接收机设置中不是必需的。
载波相位恢复通过引入本振,我们可以跟踪信号相位在不同时间相对本振相位的变化。但实际上外差接收机场景中的本振与信号之间存在频率差,导致相位漂移会随时间发生线性变化。只要记住在外差接收机中,IPhoto 与 cos(Δφ + Δω t) 成正比(如何检测复合调制的光信号),这一点就很好理解。下图所示为 QPSK 调制的这种“旋转”星座图。
为防止模糊,相位的变化速度不得快于每符号时间 π/4,即两个相邻符号之间的相位差的一半。这意味着本振和信号之间的频偏必须小于 QPSK 符号时钟的 1/8。
为了能够跟踪相位,信号采样必须在相位值可预测的时间点(例如在符号时间处)执行。对于有限带宽的信号,相位采样率小于符号率。下图中深灰色线显示相位可能没有正确恢复。
在这些情况下,载波相位噪声和偏移必须遵循非常严格的限制,以使相位可以恢复。在实际传输系统中,通常不会出现这种情况,因为在执行实时采集的实际线路卡中不需要遵循这些更严格的规范。
下图显示了载波带宽对 DFB 激光源相位恢复的影响。左侧是高跟踪带宽实例。IQ 图中的星座点人为缩窄,因为在这种情况下相位跟踪会减少符号的角宽。较低的带宽带来的是更逼真的圆形符号。随着带宽进一步变小,在载波相位图中我们已经达到极限,不可能再跟踪相位。无法消除的相位噪声会对符号角展度产生明显影响。
找到 Jones 矩阵以恢复原始偏振态
为了给数字解调器提供两个独立的基带信号(用于 x 偏振和 y 偏振),需要在 DSP 中进行偏振去多路复用这一步骤。在这个步骤中,必须对 PMD 和 PDL 进行补偿。还需要考虑的是,在单模光纤 (SMF) 中,传播期间不会保持偏振态。
沿着信号通过光纤的路径,偏振方向会逐渐发生变化(下图),因此终端的偏振态 (SOP)不仅仅与接收机的方向有关。如果接收机中存在偏振分束器的话,我们无法获得两个独立的信号,而只能得到这两个偏振信号的线性组合。偏振维持光纤可以保留 SOP,但是由于它们的衰减更大,价格也更高,因此不会在数据传输中部署。
图 单模光纤改变了发射光的偏振态。因此,接收机一侧的偏振分束器不提供 2 个独立信号, 而是提供线性组合,这里是偏振解复用之前的双偏振 QPSK 星座图示例。
光纤通道中全偏振光的所有衰减效应,均可用 Jones 矩阵进行数学描述。发送信号 S乘以 Jones 矩阵,即得到接收信号 R。对于没有减损的理想信道,Jones 矩阵是一个恒等矩阵;接收信号与最初发射的信号相同(参见图 47)。Jones 矩阵最常见的形式是一个复杂的 2x2 矩阵,其中含有 8 个独立的实时参数。
必须确定 Jones 矩阵以便从测得的接收信号中推导出原始信号。由于我们对信号在信道中的减损效应大小了解极少,因此很难完成以上任务。
为此,我们通常采用所谓的“盲算法”来近似估算原始信号。这些估算方法不要求我们了解原始信号(调制制式除外)。这里,我们用串联的均衡滤波器(图 6)来过滤接收信号,得到 Jones 矩阵的倒数。每个滤波器元件建立一种信号衰减效应的模型。该算法迭代搜索滤波器变量组 (α、β、k...),最终得到收敛结果,这意味着测得的符号以最小误差映射到该算法计算得出的符号。
图 用于补偿色散 (CD)、差分群时延 (DGD)、偏振相关损耗 (PDL) 和偏振态转换 (PST) 的 均衡滤波器模型 . ( 1. J. C. Geyer,F. N. Hauske,C. R. S. Fludger,T. Duthel,C. Schulien,M. Kuschnerov,K. Piyawanno, D. van den Borne,E.-D. Schmidt,B. Spinnler,H. de Waardt,B. Lankl 和 B. Schmauss :《偏振多样性相干接收机的信道参数估算》,IEEE 光子技术快报,第 20 期,第 10 号,2008 年 5 月 15 日)
这种方法的缺点是同一个偏振信道可能会恢复两次。这个问题被称为该算法的奇异性。这种方法也非常复杂,因为每个符号都必须单独处理,才能计算下一个迭代步骤。
在 Stokes 空间中更容易估算
使用 Stokes 空间可以更容易估算。在 Stokes 空间中,由于无需进行解调,也无需知道使用的调制制式或载波频率,所以偏振去多路复用是真正的盲程序。此外,Stokes 空间中没有奇点问题。
Stokes 空间可帮助显示光信号的偏振条件,因此是观察光信道中偏振变化的出色工具。完全偏振光的任何偏振态都可以通过球体表面上的三维空间点来描绘,所谓的 Poincaré球的中心位于这个坐标系的原点。球半径对应光幅度。沿着 S3 轴可以找到圆偏振。S1和 S2 轴所跨越平面的赤道上是线性偏振,中间位置表示椭圆偏振。图7 中,我们可以看到球体上有一些绿色的独立偏振态。
上图中还显示了测得的 x 偏振和 y 偏振 QPSK 信号。这两个信号在采样点上有四个可能的相位差。通过 x 信号和 y 信号与这四个相位差的组合,可以得到 Stokes 空间中测得的蓝点云。(使用只有一个偏振方向的 QPSK 信号,我们只能在 S1 轴上获得一次累积。)
四个偏振态之间的转换在 Stokes 空间中定义了一个类似透镜的目标(参见下图)。由此可见,任何制式的偏振多路复用信号都可以定义此类透镜。
图 PDM QPSK 信号的符号之间的跳变,在左半球中,x 偏振信号(H :水平)的跳变和右半球的 y 偏振信号(V :垂直)
图 PST 导致透镜在 Stokes 空间旋转。透镜的法向定义了 Jones 矩阵――此处以 PDM QPSK 信号作为实例。
当我们面对沿着单模光纤光路径的 PST 时,透镜在 Stokes 空间中旋转(参见上图)。根据旋转,我们可以推导出 Jones 矩阵,即类似透镜目标的法向。
如何在 Stokes 空间中表现其他信号衰减效应?PDL 会使透镜发生变形和位移。但这并不影响 Jones 矩阵的恢复。通过变形,可以定量确定 PDL 的大小。CD 与偏振无关,也不 会妨碍偏振去多路复用。在这种情况下,星座图是进行定量研究的最佳工具。
符号的确定
成功完成 DSP 之后,接收的符号得以最终确定。在 QPSK 中,判定标准是星座图中测量点的 I 和 Q 值(参见图 10),例如每个具有正 I 和 Q 值的点都理解为“11”。在更先进的制式中,不可能简单地将 I 和 Q 值当成判定标准。这些点被指定给最近的符号。通过 图 10 右侧的扩散云,我们可以看到即使使用相干检测,还是会出现比特误码。如何量化确定这些问题?
图 在 QPSK 中,根据 I 值和 Q 值,在距离最近邻居的距离上采用更高级的制式
相干光测试
我们知道采用复杂调制可以帮助提高效率,在同样带宽情况下传输尽量多的信息。但是他的收发设备也会变得复杂,所以相干光通信主要还是应用在长距离比如骨干网的传输,以C+L波段为主。随着速率的提升,长短距离的界限其实也在变化。正在发展的400G800G都有在考虑相干光的这种形式。数据中心的互联在10km以上,也是比较适合相干光的应用场景。
在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。能够提供更好的灵敏度和信道选择性。
那么相干光的通信是怎么实现的呢?他的基本概念是利用对幅度和相位的调制也就是IQ调制去在光上面承载信息然后进行通信传输。而非相干的光都是强度调制,只调制幅度的。
相干光检测是用信号光和本振光混频,然后输出一个基带IQ的信号,他的符号率和带宽会很高,在几十GHz的一个量级,我们再对这个IQ信号做解调,构建星座图,去恢复它原始的内容。
相干调制
在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制,就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不象强度检测那样只是改变光的强度),这就需要光信号有确定的频率和相位(而不象自然光那样没有确定的频率和相位),即应是相干光。
相干光通信技术
在现在的光通信领域,更大传输带宽,更长传输距离是人们追求的目标。随着带宽越宽,先进的复杂的技术也渐渐发展----相干光通信的技术。
光相干传输技术最初用于长途传输,现正在向城域网演进,并向数据中心互联扩展。更高阶的正交幅度调制 (QAM) 信令能够大幅提升数据传输速率,并实现更高的频谱效率。
QAM 是一种调制信号相位和幅度的二维调制格式。QAM 将两个光频率相同但幅度单独调制的载波组合在一起。这两个载波称为同相 (I) 和正交 (Q)。标准符号是 2n-QAM,每个 符号传输 n 个比特。例如,16-QAM 表示每个符号发送 4 个比特,64-QAM 表示每个符号发送 6 个比特。比特率使用以下公式确定 :
比特率 = 符号率(符号数/秒)x 编码(比特数/符号)x 偏振(通常为 2)
使用 16-QAM 的话,具有 64 Gbaud 原始符号率(或 50 GBaud,无开销)的收发信机可在单个信道上以 400 Gb/s 的速度传输信息。
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X,N577XA,N5449A,DSOXT3DVMCTR,7000B,TPS://WWW.SEKORM.COM/WEB/SEARCH/KEYWORD10076C\,3000 X,U2700 USB,U1177A,N6951A,E363XA-1CM,N2836A-68701,34907A,E3633A,N6733B,E2677A,N9310A-001,N2790A,N675XA,66000A-909,E4980A-301,N8739A,66000A-908,N7954A,10076B,34134A,10076C,U2351A,N5426A,34461A,66319B,8120-4753,N6732B,N6950A,N8957A,E3632A,34906A,N6756A,N6974A,66319D,N9330B-BCG,B2911A,N2111A,8120-5570,N9340B,E2614A,1161A,DSOX3AERO,6632B,8120-5572,N1022B,8120-5573,33250A,54830S,8120-5337,N6735B,N6977A,N6711A,N6953A,661XC-100,1162A,E2615A,6633B,34945EXT,N9330B-BAT,3012T,8120-5342,N6710B,66002A,N6976A,90000Z,N6734B,N6952A,DSOX4WAVEGEN2,90000X,U8031A,663XB-1CM,90000Q,663XB-1CP,34470A,E2616A,N575XA,6634B,8120-6204,661XC-120,90000A,66332A,6651A-55,DSOX2WAVEGEN,34939A,N673XB,1132,1131,82351A,1160A,N2819A,6611C,3034T,N5406A,8120-8871,66000A-0L2,34938A,N6736B,N6954A,N6712A,90000,E5396A,N9320B,6612C,N2818A,E
【产品】全新120GSa/s任意波形发生器M8194A,实现超过45GHz的模拟带宽(3dB)
2018年9月19日,本文详细描述keysight 120GSa/s AWG的事,因为是德科技即下一代实时示波器110GHz UXR推出的同时,也于今天正式发布了下一代120GSa/s的AWG(任意波形发生器)产品M8194A。
【产品】用于 P924xA 系列示波器的 WaveGen 20 MHz 函数/任意波形发生器软件P9240AWGA
Keysight P924xA 系列示波器提供 20 MHz 内置函数/任意波形发生器。该波形发生器是教学、设计或研发实验室的理想之选,因为这些实验室的工作台空间和预算都有限,而 20 MHz 内置函数/任意波形发生器可为被测器件提供标准的输出激励波形,以及用户可定义的频率、幅度、偏置、脉宽和任意波形。WaveGen 的输出端与示波器显示屏下方的前面板 BNC 接头连接。
Keysight(是德科技) M8190A 任意波形发生器12 GSa/s 任意波形发生器
描述- 该资料详细介绍了Keysight M8190A任意波形发生器(AWG)的技术规格和应用。M8190A具备高采样率、高分辨率和丰富的功能,适用于多种测试和测量应用,包括通信、雷达和电子对抗等领域。
型号- Y1200B,M9045B,M9048A,M8190S,M8190A-806,M8190A -BU1,M8190A-BU2,M8190A-805,Y1202A,M8190A-801,M8190A AWG,M8190A-815,M8190A-820,M8190A-811,M9505A,M8192A,M8190A-810,M9536A,M8190A,M9502A
Keysight(是德科技) M8190A 任意波形发生器
描述- 本指南详细介绍了Keysight M8190A任意波形发生器模块化系统的配置步骤。包括选择模块通道数量、采样率/分辨率组合、存储器容量、额外选件、校准选件、AXIe机箱、AXIe主机附件、PC控制器、应用软件选件、测试附件、校准服务计划、保修和服务计划、入门指导和咨询服务等。指南还提供了升级套件、相关资料和视频链接等信息。
型号- M8190A-02G,M8190A-1A7,PS-X10,M9048A,M8192A-802,N7617B-ATP,M8192A-801,M8190A-14B,N7620B-ATP,M8190A-Z54,Y1223A,M8190A-820,M8192A,W1461,N7621B-AF1,M9502A,N6171A-M01,M8190AU-AMP,M8190AU-FSW,M9045B,N7621B-ATP,M8190AU-02G,R-50C-016-5,Y1226A,Y1202A,N7621B,PS-S20,M8190AU-14B,M8190A-815,R-50C-016-3,M9505A,M8190A-811,M8190A-810,N7617B,M8190A-DUC,N7617B-AFP,M8190A-12G,R-50C-021-3,W1915,R-50C-021-5,PS-S10,W1716,W1917,W1916,M8190S,W1918,M8190A-SEQ,M8190A-806,M8190A-BU2,M8190A-805,M8190A-BU1,W1910 LTE,Y1225A,N7620B,M8190A-801,R-51B-001-5Z,W1461BP,M8190A-002,M9536A,M8190A,M8190A-001,N7617B-AF1,N7620B-AFP,M8190A-FSW,Y1232A,Y1200B,R-50C-011-3,M8190A-AMP,M8190AU-12G,W1905,N6171A-M03,M8190AU-DUC,N6171A-M02,Y1224A,R-50C-011-5,M8190AU-SEQ,N7621B-AFP,N7620B-AF1
是德科技任意波形发生器M8199B,荣获讯石英雄榜光通信最具竞争力产品奖,可提供256GSa/s连续采样率
2023年1月11日,是德科技(Keysight Technologies,Inc.)M8199B任意波形发生器凭借优异的性能及产品创新能力荣获讯石英雄榜光通信最具竞争力产品。是德科技提供先进的设计和验证解决方案,旨在加速创新,创造一个安全互联的世界。
Keysight 33210A 10 MHz函数/任意波形发生器
描述- Keysight 33210A是一款10 MHz合成函数/任意波形发生器,具备内置任意波形和脉冲功能。它结合了台式和系统特性,成为满足当前和未来测试需求的灵活解决方案。主要特点包括:多种标准波形、内置14位50 MSa/s波形能力、精确的脉冲波形能力、LCD显示屏、易于使用的旋钮和数字键盘、用户定义的仪器状态存储、便携式坚固外壳、GPIB、USB和LAN远程接口等。
型号- 33210A
电子商城
现货市场
服务
提供全面表征产品器件耗电特征及功耗波形、快速瞬态效应、电源优化、表征和仿真测试服务,使用直流电源分析仪测量精度达50µV,8nA,波形发生器带宽100kHz,输出功率300W,示波器200kHz,512 kpts
实验室地址: 深圳/苏州 提交需求>
提供是德(Keysight),罗德(R&S)测试测量仪器租赁服务,包括网络分析仪、无线通讯综测仪、信号发生器、频谱分析仪、信号分析仪、电源等仪器租赁服务;租赁费用按月计算,租赁价格按仪器配置而定。
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