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摘要 目前，在長(zhǎng)途干線和城域網(wǎng)中，密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，對(duì)DWDM系統(tǒng)的光接口測(cè)試要求也越來越高，其中包括光發(fā)送信號(hào)的眼圖測(cè)試。在實(shí)際進(jìn)行眼圖測(cè)試時(shí)，經(jīng)常遇到不符合標(biāo)準(zhǔn)模板的情況，在不斷實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，其中大部分是因?yàn)闇y(cè)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(cè)試眼圖的要點(diǎn)。
1、碼間串?dāng)_的形成
1.1 光纖線路碼
在光纖數(shù)字傳輸中，一般不直接傳輸由電端機(jī)傳送來的數(shù)字信號(hào)，而是經(jīng)過碼型變換，變換成適合在光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)中傳輸?shù)墓饫w線路碼（簡(jiǎn)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(jiǎn)單擾碼。在選擇線路碼時(shí)，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(jìn)制碼要方便得多。但是簡(jiǎn)單的二進(jìn)制信號(hào)有三個(gè)實(shí)際問題需要解決，否則無法取得良好效果。a）不能有長(zhǎng)連“0”或長(zhǎng)連“1”出現(xiàn)。因?yàn)殚L(zhǎng)連“0”和長(zhǎng)連“1”會(huì)使定時(shí)信息消失，給再生中繼器和終端接收機(jī)的定時(shí)提取帶來困難。b）簡(jiǎn)單的二進(jìn)制碼中含有直流成分，“0”、“1”碼出現(xiàn)個(gè)數(shù)的隨機(jī)變化會(huì)使直流成分的大小也隨機(jī)變化。目前，在光接收機(jī)中普遍采用交流耦合，直流成分的變化會(huì)引起信號(hào)基線浮動(dòng)，給判決再生帶來困難。c）簡(jiǎn)單的二進(jìn)制信號(hào)在業(yè)務(wù)狀態(tài)下無法監(jiān)測(cè)線路誤碼率。為此，在光纖傳輸之前，需將簡(jiǎn)單二進(jìn)制信號(hào)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(jiǎn)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(wǎng)絡(luò)的無失真?zhèn)鬏敆l件
密集波分復(fù)用（DWDM）的工作原理是：發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)通過光合波器合成一束光，送入光纖中進(jìn)行傳輸；在接收端由光分波器將這些不同波長(zhǎng)的光信號(hào)區(qū)分開來，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換送入線路終端設(shè)備。這個(gè)過程既包括光通道也包括電通道。
對(duì)于光通道來說，主要是光纖的色散和非線性效應(yīng)引起傳輸?shù)墓饷}沖展寬，導(dǎo)致“0”、“1”判決出錯(cuò)，增加了傳輸誤碼率。通過運(yùn)用色散補(bǔ)償光纖、色散斜率補(bǔ)償技術(shù)等色散管理來降低光纖的色散。對(duì)于光纖非線性效應(yīng)，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(fù)用等方法加以抑制。采用特殊的碼型調(diào)制技術(shù)也可有效提高光脈沖抵抗非線性效應(yīng)的能力，增加非線性受限傳輸距離，從而達(dá)到光通道的無失真?zhèn)鬏斶@種理想化的狀態(tài)。
對(duì)于電通道來說，實(shí)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(jīng)過傳輸后有明顯的上升時(shí)間和下降時(shí)間，會(huì)使波形有明顯展寬。每個(gè)符號(hào)（碼元）在時(shí)間上前后展寬會(huì)對(duì)其前后符號(hào)（碼元）造成干擾，通常把這類干擾稱為符號(hào)（或碼元）間干擾，它會(huì)引起傳輸系統(tǒng)的誤碼率惡化。
1.3 時(shí)域均衡
系統(tǒng)線性失真引起的符號(hào)間干擾是影響傳輸質(zhì)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(shù)偏離理想狀態(tài)。在不考慮噪聲影響時(shí)，大多數(shù)高、中速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸設(shè)備的判決可靠性都建立在消除取樣點(diǎn)的符號(hào)間干擾的基礎(chǔ)上，按此要求建立的線性失真補(bǔ)償系統(tǒng)稱為時(shí)域均衡器，其原理是利用接收波形本身進(jìn)行補(bǔ)償，消除取樣點(diǎn)的符號(hào)間干擾，提高判決的可靠性。
時(shí)域均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 時(shí)域均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
時(shí)域均衡系統(tǒng)的主體是橫截濾波器，它由多級(jí)抽頭延遲線、可變衰減器（或可變?cè)鲆娣糯笃鳎┖颓蠛推鹘M成的線性系統(tǒng)。輸入信號(hào)x（t）經(jīng)過2N節(jié)全通延遲線，每節(jié)的群時(shí)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(yīng)的信號(hào)x（t-nT）（或簡(jiǎn)寫成xn），分別經(jīng)過增益系數(shù)為Ck（k=-N,…,N）的乘法器加權(quán)后在求和器中相加（代數(shù)和），形成輸出信號(hào)y（t）。其中加權(quán)系數(shù)Ck是可調(diào)的，可正可負(fù)。所有系數(shù)值都對(duì)中心抽頭系數(shù)Co歸一化。
設(shè)符合奈氏第一準(zhǔn)則要求的理想傳輸系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是h（t），實(shí)際系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是x（t）。由于信道等缺陷，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)通過實(shí)際傳輸系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生線性失真，使x（t）在各奈氏取樣點(diǎn)（t=k/2fH，k=±1,±2,…）的取樣值不再為0，其符號(hào)間干擾為（這里的求和符號(hào)表示求和時(shí)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(yīng)為：
其中，q（t）是橫截均衡器的沖激響應(yīng)。按圖1結(jié)構(gòu)，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(gè)經(jīng)過不同時(shí)延的x（t）的加權(quán)和。對(duì)于一個(gè)x（t），只要適當(dāng)選擇橫截均衡器的抽頭增益系數(shù)Ck（k=0,±1,±2,…±N），就可能使y（t）在除k=0外的各奈氏取樣點(diǎn)的取樣值趨于0，即。
雖然均衡的范圍只在k=±N之內(nèi)，但y（t）通常總是隨T的增加迅速衰減的，因此，只要抽頭數(shù)（2N+1）足夠，就能保證在k=±N之外的所有yk所 形成的符號(hào)間干擾足夠小，不會(huì)影響符號(hào)判決的可靠性。
根據(jù)以上分析，橫截均衡器要能消除控制長(zhǎng)度內(nèi)的符號(hào)間干擾（共包括2N個(gè)取樣點(diǎn)），關(guān)鍵在于選擇最佳各個(gè)抽頭增益系數(shù)Ck。對(duì)取樣點(diǎn)n來說，它前后N個(gè)符號(hào)（k=0,±1,±2,…±N）在n取樣時(shí)對(duì)第n個(gè)符號(hào)造成的符號(hào)間干擾應(yīng)為零（共有2N個(gè)方程），加上在n點(diǎn)，yn本身應(yīng)為1（規(guī)一化值），共可建立起長(zhǎng)度為2N的橫截均衡器的（2N+1）個(gè)獨(dú)立線性方程組：
這個(gè)聯(lián)立方程的解就是使符號(hào)間干擾極小的最佳橫截均衡器抽頭增益系數(shù)集合Ck（k=0,±1,±2,…±N）。由于建立最佳抽頭增益系數(shù)的方法不同，可把橫截均衡器分為手動(dòng)均衡器、自動(dòng)預(yù)置式均衡器和自適應(yīng)均衡器三大類。
2、眼圖測(cè)試方法
2.1 眼圖基本概念
眼圖（eye pattern）是一種直觀而實(shí)用的分析符號(hào)間干擾的手段。
在用余輝示波器觀察傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，使用被測(cè)系統(tǒng)的定時(shí)信號(hào)，通過示波器外觸發(fā)或外同步對(duì)示波器的掃描進(jìn)行控制，由于掃描周期此時(shí)恰為被測(cè)信號(hào)周期的整數(shù)倍，因此在示波器熒光屏上觀察到的就是一個(gè)由多個(gè)隨機(jī)符號(hào)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(shù)字信號(hào)的眼圖。二電平數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖如圖2所示。
圖2 二電平數(shù)據(jù)信號(hào)眼圖
二進(jìn)制信號(hào)傳輸時(shí)的眼圖只有一只“眼睛”，當(dāng)傳輸三元碼時(shí)，會(huì)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(shí)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(shù)據(jù)波形可能取得的所有瞬間值。在完全隨機(jī)輸入情況下，各個(gè)波形疊加后會(huì)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(hào)的質(zhì)量。在有符號(hào)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(gòu)成眼圖的線條變寬了。這等效于眼圖聚焦點(diǎn)擴(kuò)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(hào)的眼圖模式化。眼孔在水平軸上的交叉點(diǎn)稱為水平聚焦點(diǎn)，兩個(gè)聚焦點(diǎn)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?dāng)_和噪聲的理想情況下，波形無失真，“眼”開啟得最大。當(dāng)有碼間串?dāng)_時(shí)，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?dāng)_和噪聲的影響，可評(píng)價(jià)一個(gè)傳輸系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。另外也可以用眼圖對(duì)接收濾波器的特性加以調(diào)整，以減小碼間串?dāng)_，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(jī)的光脈沖形狀特性，它包括上升、下降時(shí)間、脈沖及振蕩。
2.2 測(cè)試框圖
眼圖測(cè)試框圖如圖3所示。
圖3 眼圖測(cè)試框圖
圖案發(fā)生器是一個(gè)統(tǒng)稱，接在被測(cè)設(shè)備的輸入口。使用的儀表與被測(cè)設(shè)備的輸入口等級(jí)有關(guān)。示波器也是一個(gè)統(tǒng)稱，實(shí)際使用的儀表可以是通信信號(hào)分析儀。光標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)可以是通信信號(hào)分析儀的一個(gè)附件，也可以是一臺(tái)獨(dú)立的儀表。
2.3 測(cè)試步驟
a）按圖3接好電路。b）按輸入口的速率等級(jí)，圖案發(fā)生器選擇適當(dāng)?shù)亩皇絺坞S機(jī)信號(hào)（PRBS），接入輸入口。c）調(diào)整光衰減器，使光/電轉(zhuǎn)換器有合適的輸入光功率。d）調(diào)整示波器，調(diào)用相應(yīng)模板，獲得穩(wěn)定的波形，并由人工調(diào)整或由儀器自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，使波形與模板之間位置最佳。
2.4 測(cè)試參數(shù)
光發(fā)送信號(hào)眼圖�？蛉鐖D4所示，參數(shù)見表1。
圖4 光發(fā)送信號(hào)眼圖模框
表1 光發(fā)送信號(hào)眼圖�？騾�(shù)
對(duì)于STM-16，直角眼圖模板的X2和X3相對(duì)于0UI和1UI處縱軸不一定等距離，偏差范圍有待進(jìn)一步研究�？紤]到STM-16系統(tǒng)的頻率及相應(yīng)的濾波器實(shí)現(xiàn)的困難性，用于STM-16的參數(shù)值需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)稍做調(diào)整。
3、主要測(cè)試儀表及疑難問題
3.1 主要測(cè)試儀表
光發(fā)送信號(hào)眼圖的測(cè)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(jù)筆者對(duì)上述儀表的使用經(jīng)驗(yàn)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。
1）儀表的組成結(jié)構(gòu)不同
安捷倫公司的83480A、86100B和泰克公司的CSA8000、CSA7154只有一臺(tái)主機(jī)，它們的光/電轉(zhuǎn)換器集成在主機(jī)的測(cè)試模塊中，儀表緊湊，相對(duì)體積較小。泰克公司的CSA803A包括一臺(tái)主機(jī)和多個(gè)外接式光/電轉(zhuǎn)換器，相對(duì)體積較大。
2）測(cè)試方案不同
安捷倫公司的83480A、86100B對(duì)被測(cè)光發(fā)送信號(hào)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，獲得穩(wěn)定的測(cè)試信號(hào)顯示后，從儀表程序中調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)模板，再進(jìn)行人工調(diào)整，看被測(cè)試信號(hào)是否落入標(biāo)準(zhǔn)模板之內(nèi)。由于儀表響應(yīng)速度慢，而操作人員手動(dòng)調(diào)整過快，可能造成測(cè)試?yán)щy，特別是當(dāng)被測(cè)信號(hào)不符合模板時(shí)，會(huì)使測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)。但是采用這種方案不會(huì)對(duì)被測(cè)光發(fā)送信號(hào)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(duì)被測(cè)光發(fā)送信號(hào)進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換，獲得穩(wěn)定的測(cè)試信號(hào)顯示后，從儀表程序中調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)模板，儀表能自動(dòng)對(duì)被測(cè)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，使其適應(yīng)模板的比例，測(cè)試速度快，操作人員易于操作。但是由于是自動(dòng)測(cè)試，對(duì)那些被測(cè)光信號(hào)的眼圖位于標(biāo)準(zhǔn)模板臨界位置時(shí)，可能會(huì)造成誤判斷，此時(shí)需要人工進(jìn)行微調(diào)，看被測(cè)光信號(hào)的眼圖是否超出標(biāo)準(zhǔn)模板。
3.2 測(cè)試疑難問題
1）被測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度的影響
光示波器的接收端配有一個(gè)光/電轉(zhuǎn)換器，將被測(cè)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此電信號(hào)又分成兩路，一路作為觸發(fā)信號(hào)對(duì)光示波器的掃描進(jìn)行控制，另一路作為被測(cè)信號(hào)。由于掃描周期與被測(cè)信號(hào)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(cè)試過程可見，光示波器接收端的光/電轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確與否對(duì)眼圖的正確測(cè)試有很大影響。眾所周知，光強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)光器件的正常工作有一定影響，光強(qiáng)度太強(qiáng)會(huì)使光接收機(jī)產(chǎn)生“飽和”，時(shí)間一長(zhǎng)甚至?xí)䲟p壞光器件。光強(qiáng)度太弱，會(huì)使光接收機(jī)無法正常工作。所以光接收機(jī)有工作范圍，在此范圍內(nèi)又有一段光/電轉(zhuǎn)換最佳區(qū)域。經(jīng)過筆者多次試驗(yàn)得出最佳區(qū)域?yàn)椋?dBm～－10dBm。測(cè)試人員也可以對(duì)自己的光示波器進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，找出光/電轉(zhuǎn)換的最佳輸入光功率范圍。
2）被測(cè)光信號(hào)眼圖調(diào)整對(duì)測(cè)試準(zhǔn)確度的影響
通過對(duì)多個(gè)電信運(yùn)營(yíng)商的DWDM干線設(shè)備、城域網(wǎng)設(shè)備的眼圖測(cè)試，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)接口板的光發(fā)送信號(hào)眼圖垂直聚焦點(diǎn)失真，具體表現(xiàn)為眼圖的上水平線變寬，甚至有分叉現(xiàn)象。在用泰克光示波器進(jìn)行自動(dòng)模板匹配測(cè)試時(shí)，眼圖的上水平線太寬，不符合標(biāo)準(zhǔn)模板要求。出現(xiàn)這一問題的主要原因有：a）二進(jìn)制碼中含有直流成分，“0”、“1”碼出現(xiàn)個(gè)數(shù)的隨機(jī)變化會(huì)使直流成分的大小也隨機(jī)發(fā)生變化。直流成分的變化會(huì)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(jìn)行自動(dòng)模板匹配測(cè)試時(shí)信號(hào)基準(zhǔn)線浮動(dòng)，造成誤判決。b）被測(cè)設(shè)備接口板本身的線性失真補(bǔ)償系統(tǒng)不合適。
對(duì)由于第一個(gè)原因造成的被測(cè)光信號(hào)無法通過眼圖標(biāo)準(zhǔn)模板測(cè)試，可以通過垂直移動(dòng)被測(cè)信號(hào)，看被測(cè)信號(hào)的垂直張開距離是否足夠大。如果被測(cè)信號(hào)的垂直張開距離足夠大，并且不影響標(biāo)準(zhǔn)模板的判決，仍然可以認(rèn)為此光發(fā)送信號(hào)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(dòng)測(cè)試造成的誤判斷。
對(duì)于由于第二個(gè)原因造成光發(fā)送信號(hào)眼圖測(cè)試不符合標(biāo)準(zhǔn)模板的情況，只能通過更換被測(cè)設(shè)備的光接口板來解決。
