相干光傳輸系統中光調制信號分析儀溯源方法研究

孫小強，陳龍泉，周峰，周波，張穎艷

(中國信息通信研究院泰爾實驗室，北京100191)

0 引言

雙偏振正交相移鍵控(DP-QPSK)相干傳輸系統成為當前高速大容量光通信領域的主流技術，一方面采用高階矢量調制提升頻譜利用率，另一方面利用數字信號處理技術進行色散和偏振模色散的補償，有效抑制色散等因素的影響［1-2］。傳統的二進制啟閉鍵控(OOK)鏈路中，用誤碼儀對鏈路中的信號傳輸質量進行評估，誤碼儀的校準技術已經比較成熟。而用來評價高階矢量調制信號質量的誤差向量幅度(EVM)則需要光調制信號分析儀進行測試，由于EVM與信號幅度和信號相位有關，光調制信號分析儀EVM量值溯源變得尤為困難。提出了一種基于雙波長外差混頻技術的光調制信號分析儀溯源方法，利用誤差向量幅度(EVM)與光功率比值之間的關系實現了EVM量值的溯源。

1 光調制信號分析儀校準原理

1.1 光調制信號分析儀結構

光調制信號分析儀主要由相干接收機和信號分析顯示單元組成［3］，相干接收機的基本組成結構如圖1所示，偏振分束器(PBS)將偏振復用的調制信號分離成x和y兩個垂直方向的線偏振光。利用90°相移混合器和平衡探測器實現相應偏振方向上調制光信號與本振光的混頻，從而將調制光信號中的相位信息轉換為強度信息，完成光信號到電信號的解調。

圖1 光調制信號分析儀中相干接收機的結構框圖

以x軸方向的信號為例，DP-QPSK信號在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為信號光源相位噪聲;φm為QPSK相位調制信息。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。

經光電平衡探測器后I路輸出光電流信號表示為

式中:rd為探測器響應度，A/W。同理Q路輸出光電流信號表示為

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

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，則星座圖上呈現理想的四個點。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，光調制信號分析儀測得的EVM值也大于零，儀表廠商定義該條件測得的EVM為儀表本征誤差向量幅度，用EVM0表示。

圖2 矢量調制信號的星座圖及干擾信號影響的示意圖

相干光傳輸系統中，EVM指標劣化主要由鏈路噪聲、損耗、色散、非線性等因素引起，為了校準光調制信號分析儀，在信號光頻率附近添加干擾信號，光波微波轉換示意圖見圖3，星座圖上的影響見圖2(b)。用連續波信號代替QPSK調制光信號，在沒有干擾信號的情況下，頻率為fA的連續光與光調制信號分析儀自帶頻率為fLO的本振光進行混頻，差拍出頻率為fLO=fA-fLO的正弦波信號。設置光調制信號分析儀采樣模式，可以得到QPSK的星座圖，測量出EVM本征值。

圖3 基于外差檢測的光波微波轉換示意圖

為評價在一定范圍內EVM值的準確性，加入干擾信號，圖3中調節頻率為fB的干擾信號功率，可調節干擾光B與信號光A的功率比γ。利用連續波組合法［4-5］，EVM參考值與功率比之間的關系式表示為

考慮激光器自身線寬等本征因素影響，將光調制信號分析儀自身參數EVM0代入

則可將EVM參量溯源到光功率標準上，此方法極大降低了校準裝置的復雜度，充分利用連續光功率不確定度評定方法［6］。

2 校準實驗及結果分析

圖4為光調制信號分析儀校準實驗框圖，采用Agilent公司的儀器，兩臺帶有光開關的可調諧激光源(81600B和81940A)分別產生信號光和干擾光，可變光衰減器(81571A)調節干擾光的功率，即調節功率比γ。首先關閉光源B，僅打開光源A，被校光調制信號分析儀內置的本振光源波長設為1551.52 nm，信號光與本振光進行混頻，產生微波信號。頻率為25 GHz時，對應波長間隔為0.2 nm，即光源A波長設為1551.7200 nm，利用光波長計(86122A)保證波長設定準確。利用CW模式解調功能，可獲取QPSK星座圖并顯示出EVM值，即本征EVM0。

同時開啟光源B，在原有微波信號基礎上加入干擾信號來改變EVM值。設置光源B的波長為1551.7218 nm。改變可變光衰減器的衰減量，就可控制干擾信號功率大小。利用光功率計(81626B)分別測出不同衰減值條件下的信號光A和干擾光B的光功率，通過公式(6)推導出參考值EVMa，計算中γ單位為1，并與儀表測量值EVMb比較，得到EVM(均方根值rms)測量誤差EVMb-EVMa，單位為%。

被校光調制信號分析儀采用Agilent公司N4391A型儀器。在不加干擾光條件下，光調制信號分析儀測出本征EVM值為3.16%。實驗中以5dB為步進調節可變光衰減器的衰減量，記錄EVM測量值，同時記錄信號光功率和干擾光功率，并計算出光功率比值和EVM參考值，結果如表1所示。當干擾光與信號光功率比值為-30dB和-10dB時，對應的QPSK星座圖如圖5所示。

表1 不同光功率比值條件下的EVM測量誤差

圖5 干擾光與信號光不同功率比值對應的QPSK星座圖

從表1和圖5中均可看出，干擾光功率越大，解調出的QPSK信號質量越差，EVM值越大，星座圖上的點越分散。將Agilent公司N4391A型儀器測量結果與EXFO公司PSO200型儀器測量結果進行了比較，如圖6所示，雖然兩臺儀器定義的EVM本征值不同，但在規定測量范圍內，不同光功率比值條件下測量值與參考值均吻合較好，當超出儀表自身測量范圍時，儀表測量重復性會變差，此時測量值誤差隨之變大，因此該溯源方法適用于儀表正常測量范圍內的EVM量值溯源。

圖6 干擾光與信號光不同功率比值對應的EVM變化曲線

5 結論

針對光調制信號分析儀校準問題，提出了一種基于雙波長外差混頻技術的光調制信號分析儀溯源方法，初步實現了EVM量值到光功率量值的溯源并利用比對實驗進行了驗證。

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