摘要 目前，在長途干線和城域網中，密集波分復用（DWDM）系統(tǒng)的應用越來越多，對DWDM系統(tǒng)的光接口測試要求也越來越高，其中包括光發(fā)送信號的眼圖測試。在實際進行眼圖測試時，經常遇到不符合標準模板的情況，在不斷實踐中發(fā)現，其中大部分是因為測試方法不完善造成的誤判斷，只有小部分真正不符合ITU-T規(guī)范。文章介紹正確測試眼圖的要點。
1、碼間串擾的形成
1.1 光纖線路碼
在光纖數字傳輸中，一般不直接傳輸由電端機傳送來的數字信號，而是經過碼型變換，變換成適合在光纖數字傳輸系統(tǒng)中傳輸的光纖線路碼（簡稱線路碼）。
有多種線路碼型，最常用的有mBnB分組碼、插入比特碼和簡單擾碼。在選擇線路碼時，不僅要考慮光纖的傳輸特性，還要考慮光電器件的特性。一般來說，由于光電器件都有一定的非線性，因此采用脈沖的“有”、“無”來表示“1”和“0”的二進制碼要方便得多。但是簡單的二進制信號有三個實際問題需要解決，否則無法取得良好效果。a）不能有長連“0”或長連“1”出現。因為長連“0”和長連“1”會使定時信息消失，給再生中繼器和終端接收機的定時提取帶來困難。b）簡單的二進制碼中含有直流成分，“0”、“1”碼出現個數的隨機變化會使直流成分的大小也隨機變化。目前，在光接收機中普遍采用交流耦合，直流成分的變化會引起信號基線浮動，給判決再生帶來困難。c）簡單的二進制信號在業(yè)務狀態(tài)下無法監(jiān)測線路誤碼率。為此，在光纖傳輸之前，需將簡單二進制信號變換成適合光纖傳輸系統(tǒng)的光纖線路碼型。CCITT最終采用簡單擾碼方式（如RZ、NRZ碼），目前又有基于RZ碼新的編碼方式，如CS-RZ、DCS-RZ、CRZ、D-RZ、DPSK-RZ碼等。
1.2 線性網絡的無失真?zhèn)鬏敆l件
密集波分復用（DWDM）的工作原理是：發(fā)送端將不同波長的光信號通過光合波器合成一束光，送入光纖中進行傳輸；在接收端由光分波器將這些不同波長的光信號區(qū)分開來，再經過光電轉換送入線路終端設備。這個過程既包括光通道也包括電通道。
對于光通道來說，主要是光纖的色散和非線性效應引起傳輸的光脈沖展寬，導致“0”、“1”判決出錯，增加了傳輸誤碼率。通過運用色散補償光纖、色散斜率補償技術等色散管理來降低光纖的色散。對于光纖非線性效應，一般可通過降低入纖功率，采用新型大孔徑光纖、喇曼放大、奇偶信道偏振復用等方法加以抑制。采用特殊的碼型調制技術也可有效提高光脈沖抵抗非線性效應的能力，增加非線性受限傳輸距離，從而達到光通道的無失真?zhèn)鬏斶@種理想化的狀態(tài)。
對于電通道來說，實際傳輸中無法滿足無失真?zhèn)鬏敆l件，特別是由于信道頻率特性不理想，使矩形脈沖在經過傳輸后有明顯的上升時間和下降時間，會使波形有明顯展寬。每個符號（碼元）在時間上前后展寬會對其前后符號（碼元）造成干擾，通常把這類干擾稱為符號（或碼元）間干擾，它會引起傳輸系統(tǒng)的誤碼率惡化。
1.3 時域均衡
系統(tǒng)線性失真引起的符號間干擾是影響傳輸質量的主要因素。線性失真的主要原因是發(fā)送濾波器、接收濾波器及信道共同組成的波形形成系統(tǒng)的傳遞函數偏離理想狀態(tài)。在不考慮噪聲影響時，大多數高、中速數字數據傳輸設備的判決可靠性都建立在消除取樣點的符號間干擾的基礎上，按此要求建立的線性失真補償系統(tǒng)稱為時域均衡器，其原理是利用接收波形本身進行補償，消除取樣點的符號間干擾，提高判決的可靠性。
時域均衡系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 時域均衡系統(tǒng)結構
時域均衡系統(tǒng)的主體是橫截濾波器，它由多級抽頭延遲線、可變衰減器（或可變增益放大器）和求和器組成的線性系統(tǒng)。輸入信號x（t）經過2N節(jié)全通延遲線，每節(jié)的群時延T=（2fH）-1（fH為傳輸系統(tǒng)的奈氏頻率）。在每節(jié)延遲線的輸出端都引出相應的信號x（t-nT）（或簡寫成xn），分別經過增益系數為Ck（k=-N,…,N）的乘法器加權后在求和器中相加（代數和），形成輸出信號y（t）。其中加權系數Ck是可調的，可正可負。所有系數值都對中心抽頭系數Co歸一化。
設符合奈氏第一準則要求的理想傳輸系統(tǒng)的脈沖響應是h（t），實際系統(tǒng)的脈沖響應是x（t）。由于信道等缺陷，數字數據信號通過實際傳輸系統(tǒng)后會產生線性失真，使x（t）在各奈氏取樣點（t=k/2fH，k=±1,±2,…）的取樣值不再為0，其符號間干擾為（這里的求和符號表示求和時不包括k=0的一次）。接入由橫截濾波器組成的均衡器后，輸出響應為：
其中，q（t）是橫截均衡器的沖激響應。按圖1結構，將
（2）式說明，接入橫截均衡器后，系統(tǒng)輸出波形y（t）為2N+1個經過不同時延的x（t）的加權和。對于一個x（t），只要適當選擇橫截均衡器的抽頭增益系數Ck（k=0,±1,±2,…±N），就可能使y（t）在除k=0外的各奈氏取樣點的取樣值趨于0，即。
雖然均衡的范圍只在k=±N之內，但y（t）通�？偸请ST的增加迅速衰減的，因此，只要抽頭數（2N+1）足夠，就能保證在k=±N之外的所有yk所 形成的符號間干擾足夠小，不會影響符號判決的可靠性。
根據以上分析，橫截均衡器要能消除控制長度內的符號間干擾（共包括2N個取樣點），關鍵在于選擇最佳各個抽頭增益系數Ck。對取樣點n來說，它前后N個符號（k=0,±1,±2,…±N）在n取樣時對第n個符號造成的符號間干擾應為零（共有2N個方程），加上在n點，yn本身應為1（規(guī)一化值），共可建立起長度為2N的橫截均衡器的（2N+1）個獨立線性方程組：
這個聯(lián)立方程的解就是使符號間干擾極小的最佳橫截均衡器抽頭增益系數集合Ck（k=0,±1,±2,…±N）。由于建立最佳抽頭增益系數的方法不同，可把橫截均衡器分為手動均衡器、自動預置式均衡器和自適應均衡器三大類。
2、眼圖測試方法
2.1 眼圖基本概念
眼圖（eye pattern）是一種直觀而實用的分析符號間干擾的手段。
在用余輝示波器觀察傳輸的數據信號時，使用被測系統(tǒng)的定時信號，通過示波器外觸發(fā)或外同步對示波器的掃描進行控制，由于掃描周期此時恰為被測信號周期的整數倍，因此在示波器熒光屏上觀察到的就是一個由多個隨機符號波形共同形成的穩(wěn)定圖形。這種圖形看起來象眼睛，稱為數字信號的眼圖。二電平數據信號眼圖如圖2所示。
圖2 二電平數據信號眼圖
二進制信號傳輸時的眼圖只有一只“眼睛”，當傳輸三元碼時，會顯示兩只“眼睛”。眼圖是由各段碼元波形疊加而成的，眼圖中央的垂直線表示最佳抽樣時刻，位于兩峰值中間的水平線是判決門限電平。
眼圖顯示了數據波形可能取得的所有瞬間值。在完全隨機輸入情況下，各個波形疊加后會在眼圖中形成若干眼孔。眼孔的開啟狀況能充分說明傳輸信號的質量。在有符號間干擾和噪聲的情況下，眼圖由許多有一定偏移的線條組成，看起來尤如構成眼圖的線條變寬了。這等效于眼圖聚焦點擴散，水平和垂方向眼睛的張開程度都減小了。為了便于說明，常把二電平信號的眼圖模式化。眼孔在水平軸上的交叉點稱為水平聚焦點，兩個聚焦點間的距離稱為眼圖的水平張開距離。眼孔的最大垂直距離稱為眼圖的垂直張開距離。
在無碼間串擾和噪聲的理想情況下，波形無失真，“眼”開啟得最大。當有碼間串擾時，波形失真，引起“眼”部分閉合。若再加上噪聲的影響，則使眼圖的線條變得模糊，“眼”開啟得小了，因此，“眼”張開的大小表示了失真的程度。由此可知，眼圖能直觀地表明碼間串擾和噪聲的影響，可評價一個傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用眼圖對接收濾波器的特性加以調整，以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)的傳輸性能。
ITU－T以發(fā)送眼圖模板的形式規(guī)定發(fā)送機的光脈沖形狀特性，它包括上升、下降時間、脈沖及振蕩。
2.2 測試框圖
眼圖測試框圖如圖3所示。
圖3 眼圖測試框圖
圖案發(fā)生器是一個統(tǒng)稱，接在被測設備的輸入口。使用的儀表與被測設備的輸入口等級有關。示波器也是一個統(tǒng)稱，實際使用的儀表可以是通信信號分析儀。光標準接收機可以是通信信號分析儀的一個附件，也可以是一臺獨立的儀表。
2.3 測試步驟
a）按圖3接好電路。b）按輸入口的速率等級，圖案發(fā)生器選擇適當的二位式偽隨機信號（PRBS），接入輸入口。c）調整光衰減器，使光/電轉換器有合適的輸入光功率。d）調整示波器，調用相應模板，獲得穩(wěn)定的波形，并由人工調整或由儀器自動對準，使波形與模板之間位置最佳。
2.4 測試參數
光發(fā)送信號眼圖模框如圖4所示，參數見表1。
圖4 光發(fā)送信號眼圖�？�
表1 光發(fā)送信號眼圖�？騾�
對于STM-16，直角眼圖模板的X2和X3相對于0UI和1UI處縱軸不一定等距離，偏差范圍有待進一步研究�？紤]到STM-16系統(tǒng)的頻率及相應的濾波器實現的困難性，用于STM-16的參數值需要根據經驗稍做調整。
3、主要測試儀表及疑難問題
3.1 主要測試儀表
光發(fā)送信號眼圖的測試工具光示波器主要有安捷倫公司（Agilent）的83480A、86100B和泰克公司（Tektronix）的CSA803A、CSA8000、CSA7154等。據筆者對上述儀表的使用經驗，它們各有優(yōu)缺點。
1）儀表的組成結構不同
安捷倫公司的83480A、86100B和泰克公司的CSA8000、CSA7154只有一臺主機，它們的光/電轉換器集成在主機的測試模塊中，儀表緊湊，相對體積較小。泰克公司的CSA803A包括一臺主機和多個外接式光/電轉換器，相對體積較大。
2）測試方案不同
安捷倫公司的83480A、86100B對被測光發(fā)送信號進行光/電轉換，獲得穩(wěn)定的測試信號顯示后，從儀表程序中調出標準模板，再進行人工調整，看被測試信號是否落入標準模板之內。由于儀表響應速度慢，而操作人員手動調整過快，可能造成測試困難，特別是當被測信號不符合模板時，會使測試時間延長。但是采用這種方案不會對被測光發(fā)送信號的眼圖是否符合眼圖模板做出誤判斷。
泰克公司的光示波器對被測光發(fā)送信號進行光/電轉換，獲得穩(wěn)定的測試信號顯示后，從儀表程序中調出標準模板，儀表能自動對被測光信號進行調整，使其適應模板的比例，測試速度快，操作人員易于操作。但是由于是自動測試，對那些被測光信號的眼圖位于標準模板臨界位置時，可能會造成誤判斷，此時需要人工進行微調，看被測光信號的眼圖是否超出標準模板。
3.2 測試疑難問題
1）被測光信號的強度對測試準確度的影響
光示波器的接收端配有一個光/電轉換器，將被測光信號轉換成電信號，此電信號又分成兩路，一路作為觸發(fā)信號對光示波器的掃描進行控制，另一路作為被測信號。由于掃描周期與被測信號的周期是相同的，因此，在示波器熒光屏上能觀察到穩(wěn)定的眼圖。從光示波器的測試過程可見，光示波器接收端的光/電轉換的準確與否對眼圖的正確測試有很大影響。眾所周知，光強度的強弱對光器件的正常工作有一定影響，光強度太強會使光接收機產生“飽和”，時間一長甚至會損壞光器件。光強度太弱，會使光接收機無法正常工作。所以光接收機有工作范圍，在此范圍內又有一段光/電轉換最佳區(qū)域。經過筆者多次試驗得出最佳區(qū)域為－6dBm～－10dBm。測試人員也可以對自己的光示波器進行同樣的試驗，找出光/電轉換的最佳輸入光功率范圍。
2）被測光信號眼圖調整對測試準確度的影響
通過對多個電信運營商的DWDM干線設備、城域網設備的眼圖測試，發(fā)現絕大多數接口板的光發(fā)送信號眼圖垂直聚焦點失真，具體表現為眼圖的上水平線變寬，甚至有分叉現象。在用泰克光示波器進行自動模板匹配測試時，眼圖的上水平線太寬，不符合標準模板要求。出現這一問題的主要原因有：a）二進制碼中含有直流成分，“0”、“1”碼出現個數的隨機變化會使直流成分的大小也隨機發(fā)生變化。直流成分的變化會使眼圖的下水平線變寬，并使示波器的眼圖觸發(fā)電平不穩(wěn)定，致使在進行自動模板匹配測試時信號基準線浮動，造成誤判決。b）被測設備接口板本身的線性失真補償系統(tǒng)不合適。
對由于第一個原因造成的被測光信號無法通過眼圖標準模板測試，可以通過垂直移動被測信號，看被測信號的垂直張開距離是否足夠大。如果被測信號的垂直張開距離足夠大，并且不影響標準模板的判決，仍然可以認為此光發(fā)送信號眼圖符合ITU－T規(guī)范，這樣可以避免絕大部分由光示波器自動測試造成的誤判斷。
對于由于第二個原因造成光發(fā)送信號眼圖測試不符合標準模板的情況，只能通過更換被測設備的光接口板來解決。
