高 成，張宇亮，黃姣英，陳炳印

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

光傳輸模塊是一種用光作為載波傳輸電信號的器件模塊，具有體積微小、保密性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、通信以及互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，在信息傳輸工作過程中發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際使用中，存在使用數(shù)量巨大、工作參數(shù)不易統(tǒng)計(jì)、工作狀態(tài)難以監(jiān)測等問題，因此在光傳輸模塊投入使用之前，準(zhǔn)確地檢測光傳輸模塊的信號傳輸性能和質(zhì)量是一項(xiàng)必要的工作。

常規(guī)測試手段大多需要為被測模塊配套相對應(yīng)的測試夾具以及專業(yè)的測試設(shè)備，成本較高。特別是對于誤碼率的測試，往往需要建立一套合適的測試系統(tǒng)，同時(shí)，受限于硬件條件，測試過程中難以模擬實(shí)際工作環(huán)境。

OptiSystem軟件是一款光通信系統(tǒng)模擬軟件，利用該軟件可以完成對多種類型光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試和優(yōu)化等各種功能。利用該軟件可以對各類光傳輸系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，在不同條件下對光傳輸模塊進(jìn)行仿真測試。使用仿真的方法可以避免硬件條件的限制，在缺乏相應(yīng)的測試設(shè)備與測試夾具的條件下也能對光模塊進(jìn)行測試。此外，在仿真中可以隨時(shí)對器件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在短時(shí)間內(nèi)獲得更大的數(shù)據(jù)量，并直觀地觀察到參數(shù)變動對結(jié)果的影響，據(jù)此分析設(shè)計(jì)參數(shù)對于信號傳輸質(zhì)量的影響。

1 SFP+光傳輸模塊電參數(shù)測試原理

本文選取一種小型熱插拔（Small Form-Factor Pluggable，SFP+）封裝的光傳輸模塊。最佳的光傳輸模塊設(shè)計(jì)通常需要滿足4個(gè)基本指標(biāo)：合適的光譜響應(yīng)范圍、合適的帶寬、盡可能低的噪聲和較大的動態(tài)范圍。

對于這四項(xiàng)基本指標(biāo)，一般采用誤碼率、眼圖和信號帶寬等電特性參數(shù)來進(jìn)行衡量。其中，誤碼率用于衡量信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，眼圖用于衡量信號傳輸?shù)恼w質(zhì)量，信號用于帶寬衡量信號傳輸能力與動態(tài)范圍。

1.1 誤碼率測試原理

誤碼率即誤碼出現(xiàn)的頻率，在光傳輸系統(tǒng)中，誤碼率通常定義為在一定時(shí)間間隔內(nèi)，發(fā)生傳輸錯(cuò)誤的脈沖數(shù)量和總傳輸脈沖數(shù)量的比值，具體計(jì)算公式為：

式中：為數(shù)據(jù)傳輸速率；1為脈沖寬度。

基本的誤碼率測試原理如圖1所示。通過外部信號源發(fā)送一段測試碼序列到光傳輸模塊，同時(shí)采集經(jīng)過傳輸?shù)妮敵鲂盘柡托盘栐串a(chǎn)生的測試碼序，對輸入信號與輸出信號進(jìn)行逐位對比，統(tǒng)計(jì)發(fā)生誤碼的總數(shù)和傳輸?shù)拿}沖總數(shù)，進(jìn)而通過計(jì)算即可得出光傳輸模塊的誤碼率。

圖1 誤碼率測試原理框圖

1.2 眼圖測試原理

眼圖是指將示波器的周期與傳輸?shù)碾S機(jī)序列周期調(diào)整一致后，示波器上采集到的不同隨機(jī)序列所疊加而形成的類似眼睛的圖形，故稱“眼圖”。眼圖的測試原理是將信號源、被測模塊以及眼圖儀依次相連，利用外部的信號源產(chǎn)生一系列隨機(jī)碼序發(fā)送到被測模塊，眼圖儀采集經(jīng)被測模塊接收再發(fā)射出的隨機(jī)碼序，將得到的不同隨機(jī)序列進(jìn)行疊加，即可得到被測模塊的眼圖。

1.3 信號帶寬測試原理

信號帶寬的測試原理是將信號源、被測模塊以及頻譜分析儀依次相連，利用外部的信號源產(chǎn)生一系列隨機(jī)碼序發(fā)送到被測模塊，頻譜分析儀采集經(jīng)被測模塊接收再發(fā)射出的隨機(jī)碼序得到被測信號的頻譜圖，從而得到被測組件的信號帶寬。

2 基于OptiSystem的測試仿真建模與驗(yàn)證

2.1 光傳輸模塊仿真模型搭建

使用光通信模擬分析軟件Opti System進(jìn)行測試仿真，對誤碼率、眼圖以及信號帶寬的測試原理進(jìn)行驗(yàn)證，并預(yù)計(jì)測試結(jié)果，從中分析光傳輸模塊設(shè)計(jì)參數(shù)與電特性參數(shù)之間的關(guān)系。

研究選取深圳HYMX生產(chǎn)的SFP-10G-LR光傳輸模塊，其部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，根據(jù)表中的參數(shù)在仿真軟件中搭建仿真模型，如圖2所示。其中各部件參數(shù)均與實(shí)際光傳輸模塊設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致。

圖2 光模塊仿真模型

表1 被測模塊部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)表

在仿真模型中的光傳輸模塊各部件與實(shí)際器件中的各部分功能一一對應(yīng)，脈沖發(fā)射器與直接調(diào)制激光器構(gòu)成光傳輸模塊的發(fā)射機(jī)部分。其中脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與輸入信號一致的脈沖序列，直接調(diào)制激光器在產(chǎn)生光信號的同時(shí)也根據(jù)輸入信號對光信號進(jìn)行直接調(diào)制，將輸入信號中的信息通過光信號發(fā)出。由探測器、放大器以及濾波器構(gòu)成光傳輸模塊的光接收機(jī)部分，其中探測器對光纖傳來的光信號進(jìn)行探測，并發(fā)出微弱的電信號，通過放大器完成二級放大，最終經(jīng)過濾波器將傳輸?shù)男畔⒒謴?fù)為電信號的形式發(fā)出。在實(shí)際的測試實(shí)驗(yàn)中，中間的傳輸光纖部分受到實(shí)驗(yàn)室條件影響，可以選擇不同長度的傳輸光纖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 光傳輸模塊仿真模型驗(yàn)證

在完成光傳輸模塊仿真模型的搭建后，對仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，如圖3所示。采集的輸入與輸出信號如圖3a）所示，對圖中的輸入與輸出進(jìn)行簡單對比可以發(fā)現(xiàn)，信號失真在合理范圍內(nèi)，能夠完成信號傳輸?shù)幕竟δ堋?/p>

圖3 光傳輸模塊輸入與輸出仿真

在光發(fā)射機(jī)后置一光譜分析儀，對發(fā)出的光信號進(jìn)行測量，得到的測量結(jié)果如圖3b）所示。

由圖可知，其中心波長約為1 310 nm，符合如表1所示光模塊設(shè)計(jì)參數(shù)。綜上所述，光傳輸模塊的仿真模型搭建正確無誤，可以完成正常的信號傳輸功能，后續(xù)的仿真測試工作在此基礎(chǔ)上進(jìn)行。

3 仿真測試分析

3.1 誤碼率仿真測試

首先，根據(jù)圖1所示的誤碼率測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真模型，如圖4所示。

圖4 誤碼率仿真測試模型

圖4中偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生測試所需的偽隨機(jī)碼序列并輸入到光傳輸模塊中，誤碼率分析儀同時(shí)采集偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列、碼型發(fā)生器產(chǎn)生的序列以及最終光傳輸模塊的輸出信號，通過對比計(jì)算最終給出相應(yīng)的誤碼率。

由表1中的光傳輸模塊器件參數(shù)可知，光發(fā)射機(jī)的中心波長與發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)波動，因此選取中心波長最大值、最小值以及標(biāo)稱值分別為1 350 nm，1 260 nm，1 310 nm，選取最大發(fā)射功率、最小發(fā)射功率以及平均發(fā)射功率分別為0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm，在此條件下進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)。對照實(shí)驗(yàn)共分為兩組：第一組實(shí)驗(yàn)條件為發(fā)射功率0.5 dBm，中心波長分別為1 355 nm，1 260 nm，1 310 nm；另一組實(shí)驗(yàn)條件為中心波長1 310 nm，發(fā)射功率分別為0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm。最終仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為用比特周期表示的時(shí)間，縱坐標(biāo)為誤碼率的對數(shù)。圖3a）~圖3c）為發(fā)射功率0.5 dBm條件下，不同中心波長的實(shí)驗(yàn)，圖3d）~圖3f）為中心波長1 310 nm條件下，不同發(fā)射功率的實(shí)驗(yàn)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件均與此相同。由圖3可以看出：在發(fā)射功率一定的情況下，中心波長越大則誤碼率越低，且最低誤碼率的持續(xù)時(shí)間越長，意味著信號傳輸?shù)馁|(zhì)量越好；而在中心波長一定的情況下，隨著發(fā)射功率的降低，誤碼率升高，保持最低誤碼率的時(shí)間縮短，說明信號傳輸準(zhǔn)確度下降。

圖5 誤碼率仿真結(jié)果

3.2 眼圖仿真測試

完成誤碼率測試原理仿真之后，采用同樣的流程對眼圖進(jìn)行仿真測試。

根據(jù)眼圖測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真模型，如圖6所示。

圖6 眼圖仿真測試模型

與誤碼率測試相同，偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生測試所需的偽隨機(jī)碼序列并輸入到光傳輸模塊中，眼圖分析儀同時(shí)采集偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)序列、碼型發(fā)生器產(chǎn)生的序列以及光傳輸模塊的輸出信號，最終給出光傳輸模塊信號傳輸?shù)难蹐D。同時(shí)，選取與誤碼率測試仿真實(shí)驗(yàn)中同樣的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，獲得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為比特周期表示的時(shí)間，縱坐標(biāo)為幅值。對兩組對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以得出，在發(fā)射功率一定的情況下，隨著中心波長的增大，信號傳輸?shù)难蹐D逐漸清晰，“眼睛”的張開程度越大，意味著信號傳輸總體質(zhì)量提升越明顯。而在中心波長固定的情況下，隨著發(fā)射功率的降低，眼圖則變得更模糊，意味著信號傳輸總體質(zhì)量有所下降。

圖7 眼圖仿真結(jié)果

3.3 信號帶寬仿真測試

最后，進(jìn)行信號帶寬的仿真測試。根據(jù)信號帶寬測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)仿真模型，如圖8所示。

圖8 信號帶寬仿真測試模型

在與前述相同的對照實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行仿真測試，得到的被測信號的頻譜圖結(jié)果如圖9所示，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度。對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可以得出，對信號帶寬影響較大的因素是光傳輸模塊的發(fā)射功率，而中心波長的影響較小。當(dāng)發(fā)射功率過低時(shí)，將出現(xiàn)信號傳輸失真、信號功率耗損嚴(yán)重等問題。

圖9 信號帶寬仿真結(jié)果

3.4 測試結(jié)果分析

基于上述仿真測試結(jié)果，可以分析光傳輸模塊工作中心波長和光發(fā)射機(jī)發(fā)射功率對傳輸信號質(zhì)量的影響。經(jīng)過在不同的實(shí)驗(yàn)條件下對各電特性參數(shù)進(jìn)行測試仿真得出的一系列測試結(jié)果，可以得出光傳輸模塊的信號傳輸質(zhì)量與中心波長以及發(fā)射功率呈正相關(guān)，即在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，信號傳輸性能隨中心波長和發(fā)射功率的增長而提高，反之則降低。選取最大中心波長1 355 nm、最大發(fā)射功率0.5 dBm與最小中心波長1 260 nm、最小發(fā)射功率-8.2 dBm進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 端點(diǎn)值條件下的信號傳輸性能對照實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 語

本文主要針對一種SFP+光傳輸模塊，選擇誤碼率、眼圖以及信號帶寬作為主要測試參數(shù)，調(diào)查研究各參數(shù)的測試方法并總結(jié)測試原理。在此基礎(chǔ)上，使用Opti System軟件對各參數(shù)的測試進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測試原理的可行性，通過設(shè)計(jì)參數(shù)的變動能夠快速得出其對信號傳輸質(zhì)量的影響。同時(shí)，根據(jù)仿真測試的結(jié)果，分析了光傳輸模塊設(shè)計(jì)參數(shù)對信號傳輸性能的影響。