基于python的EDFA瞬态测试系统研究

向登锋，余春平，赵建宜

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430205）

0 引 言

随着科学技术的发展进步，虚拟现实、人工智能［1］和万物互联等应用场景的出现以及即将来临的5G时代都对网络速率的要求越来越高。波分复用（Wavelength Division Multiplex，WDM）＋掺铒光纤放大器（Erbium－doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）的大容量［2］、长距离的传输方式已经成为主要的发展方向，EDFA也因此成为高速光纤通信系统中至关重要且必不可少的器件［3］。在通信系统中，EDFA的功能就是实现对光信号的放大，要保证各信道的输出功率恒定，如何测试和改善EDFA瞬态问题就成为一个难题。因此，在由EDFA构成的通信系统中，只有抑制EDFA的瞬态效应，才能够真正实现光通道的动态上下，从而使通信系统中的光路由得以灵活的配置［4－5］，充分发挥 WDM＋EDFA组网的优势。

本文根据EDFA的工作原理和速率方程分析了产生瞬态的原因以及在实际工程应用中由瞬态引起的不利影响，通过模拟通信系统中信道波数的减少或增加，再结合软件设计出了合理的瞬态测试系统。该系统实现了自动控制，减少了人力资源和时间成本，缩减了不必要的误差，使得测试更加方便精确。

1 EDFA瞬态增益特性产生的原因及影响

假设N1、N2和N3分别为EDFA的三能级结构中E1基态、E2亚稳态和E3泵浦激发态的粒子数［6］，根据EDFA的工作原理和速率方程可知各能级在t＝0时的原子数为

式中：ai、bi和ci均为参数q＝Pp（0，t）／Psat（λp）和p＝Ps（0，t）／Psat（λs）的函数，λp为泵浦光波长，λs为信号光波长，Psat为饱和功率，Pp为泵浦功率，Ps为信号功率［6－7］；时间参数t1和t2为τ21和τ32的函数，τ21为铒离子从E2跃迁到E1的时间常数，τ32为铒离子从E3跃迁到E2的时间常数；。

在通信系统中，EDFA往往工作在饱和状态，由式（1）可知，当Ps或者Pp在传输过程中发生变化时（如上／下波长通道、重新配置网络和保护倒换等）［8］，会导致EDFA的瞬时增益发生变化，从而引起输出光功率抖动产生过欠冲现象［6］。

瞬态效应的主要影响有：（1）导致接收端光功率超出系统的动态范围而产生误码，影响传输质量［4－5］；（2）当欠冲时功率过低，引起铒离子数反转水平发生变化，导致系统的信噪比大幅降低；（3）当过冲时功率过大，会引起光的非线性效应（例如四波混频）劣化传输性能［6－8］，对信号产生影响，会导致系统在过载的状态下工作。

2 EDFA瞬态测试方法

图1所示为瞬态响应示意图。瞬态响应的主要参数有4个：恢复时间、过冲、欠冲和增益误差。

图1 瞬态响应示意图

恢复时间是指在上／下话路的冲击下剩余信道增益瞬间发生变化到最后稳定的时间［9］。

过冲和欠冲是指在这个冲击下剩余信道增益和目标增益稳定状态相比的最大向上偏移量和最大向下偏移量。

增益误差是指上下话路前后剩余信道的稳态增益之差。

EDFA瞬态测试即模拟实际通信过程中，通信系统在信道波数突然减少或增加的情况下，引起剩余信道光功率波动的情况［10］。该指标的大小在一定程度上反映了EDFA瞬态性能的好坏。光功率变化越大，恢复时间、过冲和欠冲也就越大。测试时，通常模拟系统从多个波长／满波长工作突然减少至一个波长工作，或由一个波长工作突然增至多个波长／满波长工作的最恶劣情况；另一个常规测试方案是模拟EDFA工作波长数减少至一半时的中间情况。

3 测试系统的实现

3.1 硬件的实现

随着通信网络和信息技术的日趋成熟，工业自动控制系统日渐采用以太网和传输控制协议／网际协议（TCP／IP）作为最主要的通信接口［11］，因此，本文测试系统也主要以网口通信方式建立各设备之间的连接。图2所示为EDFA瞬态测试图。电脑通过XPORT与单片机和波长选择开关（Wavelength Selection Switch，WSS）进行通信，XPORT由美国Lantronix公司于2002年研发成功，它是目前最小、最完整的串行口到以太网的转换方案［12］，其优点是简单易用，连接方便，可以根据具体使用要求定制所需的功能［13］。其他一些内部集成光器件，如电可调光衰减器（Electrical Variable Optical Attenuator，EVOA），因接口和控制方式简单，则由单片机标准接口直接控制。

图2 EDFA瞬态测试图

放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源产生平坦的宽谱ASE光，经过一个1×2 WSS1产生两路信号，一路为单波长信号光源，作为剩余信道信号P1；另一路为多波长信号光源，作为调制信道信号P2。采用ASE光源和WSS组合的方案，可以产生测试系统所需要的任意波长单波＋多波光源，具有成本低廉、结构简单和操作方便等优点，是实现整个测试系统自动化和智能化配置的基础。快速声光调制器通过信号发生器控制，当信号发生器输出高电平时，调制器使调制信道处于通光状态；当信号发生器输出低电平时，调制器使调制信道处于关断状态。通过设置信号发生器的高点电平、上升沿时间、下降沿时间、周期和波形实现不同的瞬态测试条件用来模拟光信号的快速变化。通过耦合器将剩余信道信号和调制信道信号进行耦合，并将耦合后的信号作为瞬态特性测试的信号光源。WSS2从待测模块EDFA输出的光信号中选择出剩余信道光，由光电探测器将光信号转换为电信号，连接到示波器等设备可得到瞬态变化波形和数据。EVOA分别用来调节剩余信道光功率、调制信道光功率以及进入待测模块总的输入和输出的光功率。

3.2 软件的实现

本文所介绍的自动测试系统界面是用PyCharm软件基于python语言的PyQt5模块编写的，该系统主要包括测试装置模块、测试条件模块和测试报告模块，图3所示为软件设计流程图。首先初始化硬件（如光源和信号发生器等），然后读取模块的基本信息数据，设置测试条件开始测试，如果测试条件有遗漏可以重新设置测试条件再次测试。

图3 软件设计流程图

在PyQt5模块中，每一个对象和控件都支持“信号与槽”的机制，当控件发射信号时，连接的槽函数将会自动执行［14］。利用“信号与槽”的机制可以使界面程序与仪器的控制和功能程序文件相互独立，实现了“角色分离”，提升系统的通用性和扩展性。利用python是一种面向对象的动态类型语言的特性，将测试装置模块中的各个仪器设备都封装成单独类，实现了测试仪器脚本模块化，方便进行调用。

4 实验结果

图4所示为测试系统主界面。整个测试平台窗口控制丰富、结构简单，人机操作界面十分友好；可自由、灵活地设置测试条件，系统在测试时会自动调用设置好的条件参数并且能够自动保存测试数据和波形图；不需要人为过多的参与，节省了人力资源，提高的测试效率节约了测试时间。

图4 测试系统主界面图

按照测试要求配置好瞬态测试的参数指标，在测试系统主界面勾选“自动获取参数，”点击“开始”按钮，测试系统会自动获取测试的参数指标进行测试，每次测试结束后系统会自动保存当前测试样品的测试数据到指定位置，如表1所示，测试结束后可导出分析测试样品瞬态性能。

表1 瞬态测试数据

如果需要示波器截图，可在测试系统主界面选择 “打开示波器设备面板”，出现如图5所示的示波器界面，点击“示波器拷屏”按钮，系统在测试时可将示波器截屏保存在指定的位置。图6所示为示波器的截屏图，是在待测模块增益为15dB、输入功率为10.5 dB和瞬态为16dB的条件下测得的瞬态图，黄色线为剩余信道波长功率变化，绿色线为调制信道波长功率变化。由图可知，当调制信道功率突然增加16dB时，剩余信道功率产生了抖动（也就是过欠冲现象），持续100μs左右后恢复正常。

图5 示波器界面图

图6 示波器截屏图

5 结束语

本文所设计和瞬态测试系统基于python语言编写，充分利用了面向对象的特性，具有高内聚和低耦合的特点；采用分层模块化的设计思想，具有良好的人机交互功能，操作方便，可自动存储测试数据。软件上代码维护简单，可重用性、可嵌入性和可扩展性强；硬件上各仪器设备采用统一的接口控制，线路连接简单，一次搭建可重复使用。该系统不仅可以有效节约光路切换、光功率调节和数据采集及处理的时间，而且可以很大程度上减少人为操作引起的误差，节省了时间成本和人力资源，可在无人值守的情况下进行长时间自动测试。