相干光传输系统中光调制信号分析仪溯源方法研究

孙小强，陈龙泉，周峰，周波，张颖艳

(中国信息通信研究院泰尔实验室，北京100191)

0 引言

双偏振正交相移键控(DP-QPSK)相干传输系统成为当前高速大容量光通信领域的主流技术，一方面采用高阶矢量调制提升频谱利用率，另一方面利用数字信号处理技术进行色散和偏振模色散的补偿，有效抑制色散等因素的影响［1-2］。传统的二进制启闭键控(OOK)链路中，用误码仪对链路中的信号传输质量进行评估，误码仪的校准技术已经比较成熟。而用来评价高阶矢量调制信号质量的误差向量幅度(EVM)则需要光调制信号分析仪进行测试，由于EVM与信号幅度和信号相位有关，光调制信号分析仪EVM量值溯源变得尤为困难。提出了一种基于双波长外差混频技术的光调制信号分析仪溯源方法，利用误差向量幅度(EVM)与光功率比值之间的关系实现了EVM量值的溯源。

1 光调制信号分析仪校准原理

1.1 光调制信号分析仪结构

光调制信号分析仪主要由相干接收机和信号分析显示单元组成［3］，相干接收机的基本组成结构如图1所示，偏振分束器(PBS)将偏振复用的调制信号分离成x和y两个垂直方向的线偏振光。利用90°相移混合器和平衡探测器实现相应偏振方向上调制光信号与本振光的混频，从而将调制光信号中的相位信息转换为强度信息，完成光信号到电信号的解调。

图1 光调制信号分析仪中相干接收机的结构框图

以x轴方向的信号为例，DP-QPSK信号在x轴偏振方向的分量为

式中:A0为光载波幅度;ωc为光载波角频率;φx为信号光源相位噪声;φm为QPSK相位调制信息。本振光在x轴偏振方向的分量为

式中:ALO为本振光幅度;ωLO为本振光角频率;φLOx为本振光源相位噪声。

经光电平衡探测器后I路输出光电流信号表示为

式中:rd为探测器响应度，A/W。同理Q路输出光电流信号表示为

则x偏振轴方向输出信号由相位正交的I路和Q路信号组成，在星座图上表示为图2(a)所示的四个点。

1.2 EVM模型

图2(a)星座图中，如果忽略激光器自身相位噪声的影响，φx-φLOx=0，则星座图上呈现理想的四个点。然而由于激光器具有一定线宽，因此即使在链路理想情况下，光调制信号分析仪测得的EVM值也大于零，仪表厂商定义该条件测得的EVM为仪表本征误差向量幅度，用EVM0表示。

图2 矢量调制信号的星座图及干扰信号影响的示意图

相干光传输系统中，EVM指标劣化主要由链路噪声、损耗、色散、非线性等因素引起，为了校准光调制信号分析仪，在信号光频率附近添加干扰信号，光波微波转换示意图见图3，星座图上的影响见图2(b)。用连续波信号代替QPSK调制光信号，在没有干扰信号的情况下，频率为fA的连续光与光调制信号分析仪自带频率为fLO的本振光进行混频，差拍出频率为fLO=fA-fLO的正弦波信号。设置光调制信号分析仪采样模式，可以得到QPSK的星座图，测量出EVM本征值。

图3 基于外差检测的光波微波转换示意图

为评价在一定范围内EVM值的准确性，加入干扰信号，图3中调节频率为fB的干扰信号功率，可调节干扰光B与信号光A的功率比γ。利用连续波组合法［4-5］，EVM参考值与功率比之间的关系式表示为

考虑激光器自身线宽等本征因素影响，将光调制信号分析仪自身参数EVM0代入

则可将EVM参量溯源到光功率标准上，此方法极大降低了校准装置的复杂度，充分利用连续光功率不确定度评定方法［6］。

2 校准实验及结果分析

图4为光调制信号分析仪校准实验框图，采用Agilent公司的仪器，两台带有光开关的可调谐激光源(81600B和81940A)分别产生信号光和干扰光，可变光衰减器(81571A)调节干扰光的功率，即调节功率比γ。首先关闭光源B，仅打开光源A，被校光调制信号分析仪内置的本振光源波长设为1551.52 nm，信号光与本振光进行混频，产生微波信号。频率为25 GHz时，对应波长间隔为0.2 nm，即光源A波长设为1551.7200 nm，利用光波长计(86122A)保证波长设定准确。利用CW模式解调功能，可获取QPSK星座图并显示出EVM值，即本征EVM0。

同时开启光源B，在原有微波信号基础上加入干扰信号来改变EVM值。设置光源B的波长为1551.7218 nm。改变可变光衰减器的衰减量，就可控制干扰信号功率大小。利用光功率计(81626B)分别测出不同衰减值条件下的信号光A和干扰光B的光功率，通过公式(6)推导出参考值EVMa，计算中γ单位为1，并与仪表测量值EVMb比较，得到EVM(均方根值rms)测量误差EVMb-EVMa，单位为%。

被校光调制信号分析仪采用Agilent公司N4391A型仪器。在不加干扰光条件下，光调制信号分析仪测出本征EVM值为3.16%。实验中以5dB为步进调节可变光衰减器的衰减量，记录EVM测量值，同时记录信号光功率和干扰光功率，并计算出光功率比值和EVM参考值，结果如表1所示。当干扰光与信号光功率比值为-30dB和-10dB时，对应的QPSK星座图如图5所示。

表1 不同光功率比值条件下的EVM测量误差

图5 干扰光与信号光不同功率比值对应的QPSK星座图

从表1和图5中均可看出，干扰光功率越大，解调出的QPSK信号质量越差，EVM值越大，星座图上的点越分散。将Agilent公司N4391A型仪器测量结果与EXFO公司PSO200型仪器测量结果进行了比较，如图6所示，虽然两台仪器定义的EVM本征值不同，但在规定测量范围内，不同光功率比值条件下测量值与参考值均吻合较好，当超出仪表自身测量范围时，仪表测量重复性会变差，此时测量值误差随之变大，因此该溯源方法适用于仪表正常测量范围内的EVM量值溯源。

图6 干扰光与信号光不同功率比值对应的EVM变化曲线

5 结论

针对光调制信号分析仪校准问题，提出了一种基于双波长外差混频技术的光调制信号分析仪溯源方法，初步实现了EVM量值到光功率量值的溯源并利用比对实验进行了验证。

［1］赵梓森.光纤通信及相关产业［C］//2001年福州国际光电通讯研讨会.福州:中国通信学会，2001:87-114.

［2］陈锦发.应用于40Gb/s光传输系统新兴调制方式［J］.光通信技术，2011，35(12):39-41.

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［4］张睿，周峰，郭隆庆.无线通信仪表与测试应用［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

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