NRZ眼图的消光比(Extinction Ratio)测量测试---陡峭粗线的原因

Posted 2020-07-13 MineralterMan

用于高速数字通信的光纤发射机，需要具备一些特定的参数条件。其中的一个参数，消光比被用来描述最优的偏置条件和激光发射功率转化成调制功率的效率。虽然行业内已经给出了一些特定的参数标准，并且给了一个规范的测量途径，但近年来实现准确和可重复的消光比测试系统仍然很困难。

本文着力于解决，测量的意义，以及测量过程，测量方法，以实现最佳的测量结果。

第一部分主要讲了消光比是什么，并且应该怎么去测量它？

第二部分主要讲了测量消光比的过程？

第三部分主要讲了测量消光比过程中准确度测量和可重复性测量的需求，以及怎么去让保证这两项测量需求。

然后第四部分是结合了安捷伦86100a这台数字通信分析仪设备，怎么具体操作测量消光比。（自己结合实验设备讲,略）

第一部分

消光比的物理定义是用来描述，数字通信系统中接收机接受功率水平的差异，其反映了发送信号的抗噪声能力，通常它的定义是由’1’功率水平和‘0’功率水平的比例值。如果再把这个比值进行进一步的划分，可以分为线性比、百分比和对数比。百分比定义为低电平和高电平的比值。举个例子，假如说，1电平的功率是1000毫瓦，0电平的功率值是50毫瓦，那么能够得到的消光比是5%，20，13dB。

      接下来我们再问这样一个问题，为什么消光比可以去影响一个系统的传输性能?首先在回答这个问题之前，我们有一个共识就是通信系统的性能好坏，最简单明白的办法就是去衡量误码率。通常一个设计得很好的，没有任何干扰的数字通信系统都能够实现无误码的传输，这种系统发送功率高，并且没有损耗。实际情况中，昂贵的性能好的放大器使用的少，并且一般还要延长传输距离，所以说这些所有因素都会最终信道干扰上升以及性能有所下降，导致误码率的上升。同时呢，在误码率上升的时候，发射系统的消光比，也会通过系统传输后，受到相应的影响，最终导致在接收端的消光比有所降低。

图2展示了一个最简单的消光比图和功率预算的反比关系曲线。从图中可以看到，消光比在8.2，相对于要实现一个完美的无误码传输系统的话，那么以提升大概1.2db的输入功率为代价。对于另外一种性能的系统，如果是要达到同样的误码率情况，可以提升消光比到13dB,但此时仍然距离理想传输还有0.2dB的功率代价，不过相对于之前的系统，已经提升了1dB的功率代价。所以这就解释了功率预算和消光比的关系，大致构成的函数关系。然后接下来我们再描述下为什么，消光比可以去影响信号传输质量。通常一个好的通信系统，能够明显地区分0电平和1电平的水平，如果这个区分度越大，功率差足够大，区分能力越好，对应也就是说消光比好，此时具有好的传输性能。

第二部分

通常人对眼图会再进行细化的话，它的0电平水平对应发射器发送0电平时候的最低功率，这部分功率通常是由探测器的暗电流和电器件的噪声功率，然后1电平对应了发射器最高发射幅度的功率。其中，0电平和1电平之间那个功率差值叫做调制器调制功率，实际上这个调制功率和激光器的发射功率直接相关，如果是激光器的发射功率足够大的话，我能够获得到的调制功率会上升，眼图的眼距拉开。同时呢，如果是调制器的调制曲线越陡峭的话，也会使得我这个调制功率变大，使得0、1之间的分离程度变大，眼图的眼距也能拉开。

现在考虑两个同样的发射系统不同接收机的系统，有一个真实系统的0电平对应的是100uw，1电平对应的是1000uw。另外一个接收系统，探测到的0电平水平是300uw，1电平水平是1200uw，这两个传输系统的，调制功率都是900uw的差距，但是他们的平均水平一个是在500，另外一个是在750，就是说他们之间的直流偏移是不一样的。按照消光比的定义，这两个直流偏移不一样的传输系统，计算出来的消光比分别是10和4。很显然，由于接收系统的电流因素，导致了消光比的测量出现误差，因此针对第二个传输系统的缺点，我们需要对第二个系统的偏移水平进行一个校准，以保证测量误差降低。

通常这种办法了，对于直调激光器而言，有两种，一种是把激光器保持在零电平输出获得它的最低功率，就是接收器的最低功率。然后在获得这个功率之后通过，通过示波器的校准，让AB系统在同样的偏移水平，以保证消光比测量的准确性。另外再说一点刚才说的1200uw，它们的调制功率一样，但是偏移水平上升了，也就是说我在激光器发射的时候存在功率浪费的功率，还对这个系统的接收器件造成损耗，在实际系统中同样也应该避免。然后这个地方在说一个消光比的一般经验值，通常在9db上是比较好的。

然后刚才说了了一下消光比的理论计算过程，但实际过程中，应该由实验观测数据得到，相关协会给出了实验测量方案。关于消光比的测量不同的组织给了不同的方法和建议的标准。ITU.T,TIA/EIA,iEEE等相关机构都提出了他们的消光比测量方案和建议水平。不管是在8.2到10db建议范围，还是9db以上的建议范围，他们共同拥有的实验测试系统，如下图所示。

这个系统图从左到右依次是光源，信号调制器，光纤，光电转换器以及电滤波器，然后再将这所有信号送入示波器，最终3R重现获得眼图。

其中图5给出了一个SDH和SONET的测试容忍频响曲线，这个频响曲线的上下限保证了所接受到的眼图并不受到示波器的滚降因子影响。现在要说一下一个平常的实验时所没有关注到的低通滤波器。这个低通滤波器，它具有四阶贝塞尔低通特性。它的作用是，滤出实验中的高频成分，以获得与实际通信过程中相同的低频特性。如果是没有这个滤波器的话，在图7上看到一个过冲特性，这个过冲是由于未加低通滤波器时多余的高频成分导致的。同时呢，界定眼图的0电平和1电平，业界一般的做法是在眼图中间的位置，取20%的扩展，然后对他做一个，统计直方图，取中间最靠那个值就是0电平或者是1电平的值。如果1电平获得两个的话，就是说我在做统计直方图的时候1电平听附近有两个峰值，就意味着这个眼图的分离程度不好，又高频或者其他杂散成分没有滤掉。

第三部分

第三部分人就开始讲消光比的精确可重复形测量的必要性和方案。通常在做一个实验项目之前我们需要考虑到以下3个因素，一个是器件所带来的直流偏移或者是杂散信号，另外是器件对于波形失真的扰动，还有一个是器件的测量精确度问题。通常对于这3个方案的话，示波器在测量眼图的过程中，会一一去解决。第一种方式能是基于统计直方图的形式，来保证我能够获得一个最佳的1电平和0电平，另外在了解到波形失真的原因之后我去改其他性能更好的器件，然后接下来，最后一个分析到器件的测量精度问题之后，我就仅仅估摸一个大致的测量范围，而不去定值。

然后，考虑第一种直流偏移，减少接收功率偏移所带来的对于功率带来的影响，一种方法就是进行校准，就是当你在使用示波器的时候不要发送光功率，或者是发生过很小的光功率，然后送到示波器。将此时的值通过示波器校准按钮记录下来之后，等会儿计算系统会减去这参考值进行计算消光比，完成了校验过程。对于校准步骤而言，示波器它本身的光口自带放大器和暗电流测算值，是不用自己去校准的。但是你如果是真的要使用电口的话，那么除了应该加上低通滤波器外，还要进行手工校准。然后还需要考虑频率响应抖动的问题。一般的光接收机的频率响应不是一个平坦的、低频低通的特性，特别是在低频过渡到高频的时候。特别是在低频范围内优先内置有放大器，使低频段有一些小的增益，而高频断还有一些随机的抖动。特别是低频段，如果超出在SDH的容许范围内，那么在眼图上就能够看到被线比较厚重、粗。解决的办法有好几种，一种使用不带内置放大器的接收机，然后你再使用一个更好平坦性能的放大器实现，其具有在低频和高频之间比较好的平坦度和频率响应。通常呢？示波器内置的光口具有很好的頻响和放大器，如果是没有什么其他情况的话还是建议使用示波器自带光口。另外再说一个现象，器件的噪声的对于测量眼图所引起的消光比问题，通常在器件的噪声对于信号的眼图测量并没有太大的影响，因为在测量消光比的时候，是以统计的方式获取分布的最大可能性两点，平坦的噪声也会被埋没在其中，均匀地散开并不会影响取1.0和0.0中间的最可能值。举一个一般的例子，如果示波器接收到一个40uw张开的眼图，其中示波器自带正负8uw，总共16uw的噪声水平，那么仍然能按照正常的测量方法计算消光比。

——《Measuring Extinction Ratio of Optical Transmitters》 Agilent