高速數(shù)字通信系統(tǒng),象任何通信系統(tǒng)一樣,在執(zhí)行預期任務的時候,接收端要正確地解釋被發(fā)送的信息。就最終的用戶而言，這就是要忠實地復現(xiàn)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(fā)送的信息無關。當通信為數(shù)字格式時,情況較為簡單,所有發(fā)送的“1”應接收為“1”;所有發(fā)送的“0”應接收為“0”。數(shù)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(shù)量與接收到的位總量之比。

　　一個典型的高速光通信系統(tǒng)包括激光發(fā)射器,光纖和光探測接收器。每個部件都會對BER產(chǎn)生潛在的影響。因此需要有一種表征各個系統(tǒng)組件性能的方法,以便在整合成完整系統(tǒng)時,減少達不到預期性能的風險。

　　這類方法在測試SONET/SDH、千兆位以太網(wǎng)和光纖信道收發(fā)器時尤為重要。

　　光發(fā)射器由直接調(diào)制激光器或輸出到外部調(diào)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(tǒng)的總體性能,但很少用來表征高速光發(fā)射器的性能。測試發(fā)射器的策略是通過沿襲測試輸出波形的形狀和頻譜而發(fā)展起來的。具體地說,包括光譜、調(diào)制帶寬與頻譜、眼圖模板測試、消光比、以及平均功率測量。

　　發(fā)射器的輸出譜對長距離系統(tǒng)或單根光纖內(nèi)含有多個波長的系統(tǒng)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(nèi)，則會產(chǎn)生脈沖擴展。由于脈沖隨時間向外擴展,增加了系統(tǒng)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(fā)射器,而每個發(fā)射器使用不同波長的系統(tǒng)稱為WDM系統(tǒng)。對這類系統(tǒng),需精確管理每個發(fā)射器的中心波長,同時每個發(fā)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(tǒng)那樣苛刻。

　　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(jiān)測多個發(fā)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。

　　高速度發(fā)射器的邊沿速度要快，因此應具有較寬的調(diào)制帶寬。該功能可用這樣一類儀器來測定,該儀器向發(fā)射器提供正弦波電激勵，同時測量發(fā)射器輸出的調(diào)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。

　　發(fā)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(shù)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。

　　發(fā)射信號的形狀對BER有明顯的影響?？紤]到接收器需在極短的時隙內(nèi)確定信號的電平。幾個參數(shù)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(shù)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(fā)射器不能輸出適當?shù)墓β孰娖蕉^小,所有這些問題會變得更加嚴重。

　　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(shù)據(jù)流中各個位的特性。它是用眼圖表示的?？紤]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(shù)增加，他們?nèi)肯嗷サ丿B加在一起。

　　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(qū)域。請注意,眼圖的中心有一個多邊形,它實際上規(guī)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。

　　每當測量一個波形時,總要考慮測量系統(tǒng)的帶寬。直接調(diào)制激光器通常有較大的過沖和振鈴。寬帶測量系統(tǒng)能顯示這種效果,而窄帶系統(tǒng)會掩蓋此類現(xiàn)象。行業(yè)內(nèi)的一致性測量要求有統(tǒng)一的測量系統(tǒng)。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(jié)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(tǒng)制定的標準規(guī)定的。在多數(shù)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(shù)據(jù)速率的75%。按此推算,測量2.48832 Gbits/s SONET/SDH發(fā)射器的參考接收器應具有1.8662 GHz帶寬。

　　這里要強調(diào)指出,在降低帶寬后,帶有明顯過沖和振鈴的發(fā)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(tǒng)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(fā)射器能在完整的通信系統(tǒng)中正常工作嗎?要是測試系統(tǒng)參考接收器的帶寬與實際系統(tǒng)中的發(fā)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(tǒng)中接收器端的實際性能。

　　從眼圖能得到幾個關鍵的參數(shù)。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(qū)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(zhuǎn)換為調(diào)制功率的效率。消光比指標通常在8.2～13dB(6.6～20)范圍內(nèi),視應用而定。在現(xiàn)代數(shù)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。

　　一旦發(fā)射器的特性已經(jīng)測定,且已超過最低可接受的性能,能保證整合后的系統(tǒng)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(fā)射信號,且仍能準確地確定每個比特的電平。

　　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(zhì)量。這些效應涉及路由上的衰減,將信號質(zhì)量降低至與噪聲不可區(qū)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。

　　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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的時鐘與接收到的數(shù)據(jù)有嚴格的關系, 是判定時序的理想?yún)⒖肌Ｅ卸娐吩谙鄬τ谛庐a(chǎn)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(shù)據(jù)流應是在光纖另一端的光發(fā)射器原始數(shù)據(jù)的忠實復現(xiàn)。

　　那么,還會發(fā)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(chǎn)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。

　　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(nèi)快速地、不可預測地移動。發(fā)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(chǎn)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”。

　　通常用誤碼率測試儀(BERT)圖形發(fā)生器、高質(zhì)量光發(fā)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(qū)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(shù)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(guī)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(guī)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(qū)開始的,然后用衰減器來減小輸入信號電平,直到發(fā)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(shù)(dBm)給定。例如，對OC-48,接收器靈敏度在BER為1×10-10時是-24dBm。

　　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(guī)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(guī)定使用的測試圖形。例如,對光纖信道及千兆位以太網(wǎng),數(shù)據(jù)結(jié)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(shù)據(jù)結(jié)構的要求更高,通常用223-1,甚至231-1PRBS來仿真。

　　數(shù)據(jù)在時間上的不穩(wěn)定性稱為抖動?？傮w說來，發(fā)送位周期是不固定的。從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)率，還須進行抖動傳輸測量。在此測量中,讓數(shù)據(jù)人為地在一定頻率范圍內(nèi)抖動。這時,恢復時鐘的抖動應能跟蹤輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)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。

　　在設計光收發(fā)器時,一個值得關注的重要參數(shù)是串擾。通常,發(fā)射器中驅(qū)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(shù)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(fā)射器,測量接收器靈敏度,再讓發(fā)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(fā)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。

　　BER測試能進一步提速嗎?收發(fā)器生產(chǎn)商確信能夠提速。一個設計良好的收發(fā)器具有BER規(guī)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(shù)據(jù)產(chǎn)生一個誤碼的輸入功率電平。對OC-3,接收百億個數(shù)據(jù)要花費一分多鐘時間。因此,仔細地調(diào)整功率來確定精確的靈敏度是十分費時的。

　　生產(chǎn)商在實際生產(chǎn)過程中使用的是另一種方法,它在研發(fā)階段讓BER處于1×10-7至1×10-12范圍內(nèi),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(chǎn)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(jié)果應為1×10-17結(jié)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(fā)器設計是比較安全的。