相干测量的质量评定 - 复合光调制方案

复合光调制方案需要在发射机和接收机侧采用新方法。前一章表明，相干传输并不比传统的 OOK 更复杂。数字信号处理 (DSP) 是相干接收器的组成部分，可以减轻色散带来的减损影响。这是相干概念带来的额外好处。

然而，相干系统同样会产生其他失真，因此全面的误差分析必不可少。现在的问题在于，这里是否也需要新的概念？

传统质量参数

我们来看看 OOK 已知的质量指标。这里有比特误码率 (BER) 和 Q 因子，它们可以从假设高斯噪声分布的眼图来进行估算。

以 100-Gbps 传输系统常用的复合调制制式—QPSK 调制为例，我们可以绘制眼图来推导上述质量参数。尽管相位是 QPSK 中唯一的变量参数，有一种更为实用的方法是使用两个独立的眼图，将 I 分量和 Q 分量分别映射到两个独立眼图中。

图 1 的 I 眼图中，0 到 1 跳变用紫色表示 ；在 Q 眼图中，1 到 0 跳变用红色表示。由于 I 和 Q 分量已解耦，我们无法明确对应上述信息与 IQ 图的符号转换。左侧实例可能是01 或 00 到 11 或 10 的跳变，存在 4 种可能的跳变。Q 跳变映射存在同样的可能。

图 1. QPSK 信号中 I 分量和 Q 分量的眼图（单偏振）。IQ 图的符号跳变映射始终不清晰。 I 和 Q 路径的时序偏差只能通过 IQ 图显示

缺乏明确的映射并不一定会导致问题。但是，IQ 图中包含独立眼图无法显示的失真。 图 1 中，量个 IQ 图中的弯曲斜线跳变（参见图 53）显示调制器 I 和 Q 路径之间存在计时偏移。I 明显早于 Q，但在两个独立眼图中看不到这一点。

如果采用更先进的制式，事情将变得更加复杂。图 2 所示为一种特殊的 16-QAM 制式。如何将其映射到眼图？

图 2. 特殊 16-QAM 制式的测量星座图

这个图也告诉我们，复合调制会在 IQ 平面上决定接收比特的序列。因此在同一幅图中判断质量更为便利。在这个视图中，有一些失真更为明显。

误差矢量幅度 (EVM)

我们再次通过射频社区了解到，早在几年之前工程师就采用直观的方法从最近的理想星座点获取测量点距离，妥善解决了这个问题。这个概念不会产生歧义，并且适用于可以在星座图中表示的各种调制制式。

图 3. 误差矢量和误差矢量幅度的定义

图 3 所示为是某个测得点的误差矢量幅度。误差矢量幅度 EVM[n] 是测得点与理想参考点之间的欧几里德距离：

标准均平方根平均误差矢量幅度定义为：

除以峰值参考矢量的幅度可以实现归一化。其他定义使用所有参考矢量的平均幅度或平均功率，在比较 EVM 值时可能导致混淆。

图 4 所示 QPSK 信号实例中，四个星座图点周围的测得红点具有 5％ 的误差矢量幅度。

图 4. 在 QPSK 信号上测得的 EVM

信噪比 (SNR)

从 EVM 中还可以导出信噪比 (SNR)。它也称为调制误差率 (MER)，其定义是发射信号的平均符号功率与噪声功率之比。这包括导致符号偏离理想状态的各种项 ：

BER 估算

如果只存在高斯噪声，则可以直接从 EVM（归一化到所有参考矢量的平均幅度）来预测 BER。

N symbols 是星座图中符号的数量，erfc 表示互补误差函数，log2 是以 2 为底的对数。如果EVM 同时包括其他失真，预测将更为复杂。测得的 BER 并未升至使用简单模型时的预期水平，因此预期 BER 提供的是上限。在信号不包括任何噪声但星座图失真时，上述情形尤其明显。此时，EVM 会有一个值，预测 BER 也非零，但实际的比特误码值可能为零。

借助误差矢量幅度获得深入见解

目前为止，我们只了解了符号时间的误差矢量幅度。观测 IQ 图中的跳变并绘制随时间或频率变化的 EVM 图，可以帮助我们找到失真的根源。

图 5 中有两个例子。左侧的例子将测量信号与“无限”带宽的参考信号进行比较；右侧的例子将相同的测量值与使用升余弦滤波器创建的参考信号进行比较。两个实例在符号时间上的 EVM 值相同。

图 5. 决定时间上的 EVM 相同，但 EVM 时间趋势图显示“无限”带宽有问题（左侧），而升余弦滤波器没有问题（右侧）。

但是，查看 EVM 时间趋势图（下方右侧各个窗口）可以发现，测得信号偏离“无限”带宽参考信号，表现为高 EVM 值。如果发射机使用的升余弦滤波器与参考信号使用的滤波器具有相同特征，我们可以看到符号跳变时 EVM 值较低（右侧）。这一分析有助于在从一个符号到下一个符号的跳变阶段发现发射机信号中的无用特性，除了 EVM 之外，IQ 图还可以推导出其他误差参数，帮助我们找到光学系统中各种问题的根本原因。

增益失衡

增益失衡比较的是 I 信号的幅度和 Q 信号的幅度，以 dB 表示。

图 6 所示为一个大约 2dB 的增益失衡，表明存在问题。I 和 Q 的幅度相差 1.26 倍。

图 6. 增益失衡 ：IQ 平面中的 I 幅度大于 Q 幅度。

增益失衡可能源于发射机端 Mach-Zehnder 调制器的射频驱动幅度失衡。

IQ 偏移

IQ 偏移（也称为 IQ 原点偏移）表示相对于原点的星座图（图 7）偏移（中心频率功率与平均信号功率的比值）。

图 7 .IQ 偏移：IQ 图已偏离原点

这一结果指示的是载波馈通信号的幅度。当不存在载波馈通时，IQ 偏移为零（-无限 dB），表示为信号与偏移比 ：

IQ 偏移通常是由调制器 I 或 Q 路径中的直流偏置或是由微小的射频驱动幅度和错误偏移点导致的。

正交误差

正交误差量化确定了 I 和 Q 之间正交性的像差。在理想的情况下，I 和 Q 应该为正交（相隔 90 度）。

图 8 所示的例子中，可以看到约 10 度的正交误差，意味着 I 和 Q 相交角度为 80 度。

图 8. 正交误差 ：I 和 Q 相位非正交。

正交误差通常表示发射机存在问题，IQ 90 度移相器可能存在错误偏移点。本例中同样包括眼图失真。

通过调整 Mach-Zehnder 干涉仪的偏置电压可以实现 I 和 Q 路径正交。

频率误差

频率误差表示载波频率和本地振荡器频率之间的频率差。这个误差数据的单位为 Hz，表示 为了实现载波锁定必须在数字域中添加的频偏量。可以补偿的最大频率误差取决于使用的调制制式（对比图 9）。

图 9. 不同调制制式的频率误差和最大频率误差示例。注意 ：频率误差不会影响误差矢量幅度测量。

IQ 幅度误差

IQ 幅度误差表示测得信号与理想参考信号之间的幅度差异（对比图 3 和图 10）：

图 10. 误差幅度示例

例如，发射机激光源的低频率强度噪声可能导致幅度误差。

IQ 相位误差和激光源线宽

相位误差是理想 IQ 参考信号与在符号时间测得的 IQ 测量信号之间的相位差（见图 3 和图 11）：

图 11. 相位误差示例

相位误差可能是由载波或本地振荡器激光源产生的相位噪声引起。它还可能导致时变频率误差。激光源的相位误差通常使用激光源线宽来量化。以下程序可以用来估算激光源线宽。使用 Kalman 滤波器相位跟踪算法（参见《基于 Kalman 滤波器的复杂信号估算和解调》），可以评估不同时间及经过傅里叶变换的相位误差，获得相位误差谱。将模型与相位误差谱拟合，可以将激光源线宽估算为自由拟合参数之一。

图 12. 激光线宽估算（左）及其与载波相位谱的拟合（右）

IQ 偏差

IQ 偏差测量发射机每个偏振的 I 信号和 Q 信号之间的时序偏差。这可以通过使用以下公式来测量符号时钟的相位差完成 ：

IQ 偏差会导致 IQ 曲线失真并使得 EVM 增加。在查看相应的 I 和 Q 眼图的叠加时，可以看出它们相对于彼此有位移。如果星座图非常干净，那么还可以观察到，向上和向下的45°跳变会采用不同的路径。

图 12. IQ 偏差示例

X-Y 偏振偏斜和失衡

x 偏振和 y 偏振之间也可能存在时序偏差。它的计算公式与 IQ 偏差相同。x-y 偏振偏差不是用于信号质量测量的关键参数，但是，在各个比特流失去同步之前，实际网络接收机可能只能容忍一定量的 x-y 偏差。请注意，是德科技 OMA 软件只会报告 x-y 偏差的数值。由于应用了时序校正，相应眼图不会显示偏差。

图 13. 失衡偏差示例

x-y 偏振失衡是由 x 偏振和 y 偏振功率电平的差异造成的。光功率电平 Px 和 Py 的最大功率变化 ΔPpol 使用以下公式计算 ：

相干数据传输的未来

复合光学调制不仅仅是在数学意义上具有复杂性。但是，它的频谱效率比其他直接传输制式都高，因此尤其适用于较长距离和较高数据速率的传输。然而，即使是在诸如城域网和数据中心互连 (DCI) 这样的短距离中，相干调制也取代了一部分传统的直接检测传输制式。一般来说，数据速率越高，在短距离上使用直接检测技术也就越困难，而另一方面，在针对短距离进行优化时，相干传输技术可以简化。这意味着，随着数据速率提高，相干检测越来越有可能成为首选的技术。未来将会告诉我们，相干检测将会通过哪些应用在价格、尺寸和功耗方面赶上直接检测。