光通信系統(tǒng)誤差矢量幅度測量分析

賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所，北京100191）

光通信系統(tǒng)誤差矢量幅度測量分析

賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所，北京100191）

高速光傳輸引入矢量調(diào)制格式對信號質(zhì)量測量和性能分析提出了新的挑戰(zhàn)和需求。誤差矢量幅度（EVM）是測試評估矢量調(diào)制信號的重要參數(shù)，在分析EVM參數(shù)定義、測試方法和設(shè)備的基礎(chǔ)上，討論EVM及其相關(guān)參數(shù)測量的應用現(xiàn)狀和標準化進展。

誤差矢量幅度；光信噪比；質(zhì)量因子；誤碼率

1 引言

云計算、移動互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務的飛速發(fā)展提出了越來越高的網(wǎng)絡帶寬需求，從而推動高速大容量光傳輸技術(shù)不斷向前發(fā)展。在已獲廣泛部署的100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，基于相干檢測技術(shù)的偏振復用正交相移鍵控（DP-QPSK）碼型調(diào)制取代10 Gbit/s/40 Gbit/s時代的強度調(diào)制直接檢測成為主流，而超100 Gbit/s光通信系統(tǒng)為了進一步提升系統(tǒng)容量與頻譜效率，將會引入以多電平正交幅度調(diào)制（如DP-16QAM）碼型為代表的高階矢量調(diào)制。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統(tǒng)中引入的相干檢測技術(shù)和新型調(diào)制格式將會對系統(tǒng)性能的檢測評估提出新的挑戰(zhàn)和需求。

對于光通信系統(tǒng)而言，接收誤碼率（BER）是最本質(zhì)的性能表征參數(shù)，BER測量需要解開信號封裝幀結(jié)構(gòu)進行凈荷分析，隨著前向糾錯（FEC）技術(shù)的發(fā)展，光通信系統(tǒng)接收機的誤碼率通常極低，進行準確的BER測試十分耗時且無必要。對于強度調(diào)制光信號，由眼圖測量可定義質(zhì)量因子：Q=(μ1-μ0)/(σ1+σ0)，其中，μi和 σi分別為 1 和 0 電平的均值與方差，系統(tǒng)糾錯前誤碼率（Pre-FEC BER）和Q值之間存在近似關(guān)系：Pre-FEC BER≈erfc(Q/2)/2。隨著相位調(diào)制和正交幅度調(diào)制格式的引入，基于線路側(cè)時域檢測的眼圖測量和Q值物理定義不再適用，但上述數(shù)學近似關(guān)系依然成立，所以通過統(tǒng)計Pre-FEC BER計算Q值也是系統(tǒng)性能測試常用參數(shù)，但其無法準確反映傳輸通道特性，也不能區(qū)分不同損傷來源帶來的影響。光信噪比（OSNR）是光層性能測試與評價的最重要指標之一，但其也無法全面反映光信號特性和損傷情況，例如在非線性受限的100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，提高入纖功率可以優(yōu)化OSNR，但引入非線性損傷卻導致接收端信號質(zhì)量劣化。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統(tǒng)中，由于調(diào)制速率的上升和偏振復用技術(shù)的引入，導致傳統(tǒng)線性內(nèi)插和偏振歸零等OSNR測試方法難以使用，而研究準確的在線式OSNR監(jiān)測技術(shù)也是目前光通信系統(tǒng)性能檢測領(lǐng)域的一個熱點和難點。

誤差矢量幅度（error vector magnitude，EVM）是矢量調(diào)制信號質(zhì)量評估的重要參數(shù)，在無線通信領(lǐng)域已獲得廣泛應用。EVM測量能夠同時反映多種損傷對星座點幅度和相位的不同影響，較為全面地評估發(fā)射機調(diào)制質(zhì)量和信號傳輸性能，具有對信號速率與調(diào)制格式透明的優(yōu)點。在軟件定義網(wǎng)絡的物理層架構(gòu)中，光物理層的波特率、調(diào)制格式和頻譜占用率等鏈路參數(shù)能夠根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)和業(yè)務需求進行靈活配置和調(diào)整，在此背景下進行準確和全面的光層信號質(zhì)量檢測與分析變得更加重要。國際標準化組織，例如IEC、ITU-T和OIF等已經(jīng)對EVM的定義和測試方法及其在光通信領(lǐng)域的應用展開討論并取得了一定進展。本文分析EVM參數(shù)定義、測試方法和設(shè)備，討論EVM測量的應用和標準化進展。

2 EVM參數(shù)的定義

矢量調(diào)制可以同時利用光載波的幅度和相位變化來加載數(shù)字信號，對于矢量調(diào)制信號，通常采用能夠表征幅度與相位信息的復平面星座圖（僅含采樣判決點）或IQ圖（包含采樣過渡點）來顯示。在如圖1（a）所示的星座圖中，每個調(diào)制符號的采樣判決點對應一個星座點，該點與理想?yún)⒖键c之間的位置偏差可采用誤差矢量幅度進行描述：其 中，Imeans和Qmeans需要進行幅度歸一化處理。根據(jù)IEC標準，對于所有星座圖采樣點，EVM定義為其誤差矢量幅度的均方根值：以理想?yún)⒖键c中的最大矢量幅度為基準，表示為百分比值。在ITU-T的標準討論中，還引入了一種新的基于星座圖點命中率（hit ratio，HR）的EVM定義，即 EVMhitratio[1，2]。對于 n 個星座圖點，計算 EVM(n)并從大到小排序，以一定的命中率，如hr=5×10-5，排除其中部分極大值點：m=n-n·hr，則 EVMhitratio=max[EVM(m)]，同樣以理想?yún)⒖键c最大矢量幅度為基準表示為百分比值。如果在IQ圖中對包含采樣過渡點在內(nèi)的所有IQ圖點計算EVMrms，則可以得到單個符號周期的時域解析EVM分布（TR-EVM），如圖1（b）[3]所示，其中，半符號周期處為理想采樣判決位置，TR-EVM可以定性地反映調(diào)制符號的信號質(zhì)量，有廠商提出采用類似眼圖模板的TR-EVM模板進行矢量調(diào)制信號質(zhì)量評價。

圖1 EVM定義與測量原理

3 EVM參數(shù)測試方法與設(shè)備

圖2 相干光通信中的EVM測量

對矢量調(diào)制信號進行EVM測試主要采用相干檢測和線性光采樣兩種方法，如圖2所示。其中相干檢測使用與信號光相同波長的窄線寬連續(xù)光源作為本振光 （LO），與信號光進行偏振與相位分集的相干混頻和平衡探測，完成矢量調(diào)制信號光場到電場的線性搬移，其實現(xiàn)過程與相干光通信系統(tǒng)接收機完全相同。線性光采樣在相干混頻與平衡探測部分與相干檢測一致，區(qū)別在于使用滿足采樣信號頻譜完全覆蓋信號光譜要求的低重復頻率的超短光脈沖采樣信號作為本振光源與信號光進行相干混頻，并同步觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換進行峰值采樣，完成對于信號光場的等效時間采樣。線性光采樣的優(yōu)點在于可以使用低帶寬的電域處理系統(tǒng)對高速光信號進行測量，可監(jiān)測光信號的速率理論上僅受采樣光脈沖最小脈寬的限制，但其中的等效時間采樣相當于對光信號在單個符號周期內(nèi)進行遍歷采樣，丟棄了時域信息無法進行數(shù)字信號碼流的解調(diào)和分析。相干檢測和線性光采樣的DSP算法解調(diào)過程基本一致，首先經(jīng)過重采樣時鐘恢復，進行線性和非線性損傷補償，之后做偏振解復用與信號相位恢復，即可得兩個偏振態(tài)信號的星座圖（相干檢測）或IQ圖（線性光采樣）進行EVM測試。相比于BER和Q值測試，EVM無需對解調(diào)信號進行判決、糾錯和幀結(jié)構(gòu)解析，DSP解調(diào)部分的處理相對簡單。

目前，基于相干檢測技術(shù)的光調(diào)制分析儀（OMA）主要包括是德科技 （原安捷倫）的N439x系列和泰克科技的OM4000系列等，而線性光采樣調(diào)制分析儀主要是EXFO公司的PSO-200系列，基于相干探測的OMA受電域采樣和處理器件的帶寬限制，最大模擬帶寬難以突破70 GHz瓶頸，而線性光采樣OMA則不存在模擬帶寬的電子瓶頸，但等效時間采樣方式無法獲得采樣判決點星座圖，也不能存儲和解調(diào)分析真實碼流，監(jiān)測分析能力受限[4]。此外，由于相干探測OMA的LO光自身存在線寬和相位噪聲的影響，會使EVM檢測引入誤差，需要考慮EVM測量的不確定度并消除其影響，例如參考文獻[5]中采用將EVM參數(shù)溯源至已校準光源光功率的方法，能夠有效地進行EVM測試準確性的溯源和比對。

4 EVM測量應用及標準化進展

EVM參數(shù)可以表征矢量調(diào)制信號的電場信息，包含了發(fā)射機、傳輸信道和接收機的影響，同時與DSP數(shù)字解調(diào)算法關(guān)系密切。對于同為電層性能參數(shù)的Q值，在加性高斯白噪聲（AWGN）信道和忽略接收機熱噪聲與散彈噪聲影響的情況下，EVM和 Q有關(guān)系近似為：Qm-QAM≈1/其中，m為矢量調(diào)制格式的階數(shù)。在同樣的近似條件下，對于光層性能參數(shù)OSNR，可以得 到 EVM和 OSNR間 的 近 似 關(guān) 系 ：EVMrms=1/其中，k與矢量調(diào)制階數(shù)和接收機電層噪聲基底有關(guān)。在采用SHF46215B+N4391A的實驗平臺EVM測試和多廠商發(fā)射機EVM測試中，EVM和Q值的近似關(guān)系基本吻合，在低 OSNR區(qū)間（＜22 dB），EVM和 OSNR測量結(jié)果與近似關(guān)系式基本吻合，但在高OSNR區(qū)間，由于接收機噪聲影響明顯，上述近似關(guān)系不再成立。

對于矢量信號IQ調(diào)制而言，多種發(fā)射機損傷均會對調(diào)制信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。EVM及相關(guān)參數(shù)監(jiān)測可以對IQ調(diào)制發(fā)射機性能進行全面測試評價。如圖3所示，低頻的驅(qū)動電壓幅度噪聲引入EVM幅度誤差，激光器線寬和相位噪聲引入EVM相位誤差，IQ調(diào)制器兩路輸入電壓不同導致IQ增益不平衡，相位調(diào)制器偏置電壓誤差引入正交誤差，數(shù)據(jù)調(diào)制器偏置電壓誤差導致整個星座圖的IQ偏移，IQ驅(qū)動信號之間的定時誤差產(chǎn)生IQ時延，影響過渡采樣點分布。對包含損傷的發(fā)射機光信號進行EVM測試，需要對損傷進行算法預補償以消除其影響，例如IQ偏移、增益不均衡和正交誤差等，才能夠保證EVM參數(shù)測量結(jié)果的有效性。通過補償算法對上述損傷相關(guān)參數(shù)進行定量分析并與EVM參數(shù)測量結(jié)果相結(jié)合，可以對IQ調(diào)制發(fā)射機性能進行較為全面的評估。

在發(fā)射機EVM相關(guān)參數(shù)測試中，需要考慮在不同損傷情況下，EVM參數(shù)變化與引入的OSNR代價之間的關(guān)系，同時分析不同損傷疊加情況下EVM參數(shù)的變化規(guī)律以及EVM不同定義和參數(shù)選擇的問題。其中，圖4（a）所示OSNR劣化導致兩種不同定義的EVM參數(shù)變化的趨勢較為一致，但EVMhitratio參數(shù)中的命中率選擇對測試結(jié)果存在影響，根據(jù)第2節(jié)中的定義可知，由于EVMhitratio測試關(guān)注的是星座圖點分布的邊界狀態(tài)而非統(tǒng)計狀態(tài)，所以不同命中率的選擇直接關(guān)系排除星座圖極值點的數(shù)量以及最終的測試結(jié)果，命中率選擇越小，則極值點的影響越明顯，EVMhitratio的穩(wěn)定性越差，但命中率選擇過大則有可能導致EVMhitratio對于信號損傷變化的不敏感，需要折中考慮。圖4（b）為IQ不均衡和正交誤差并存時的EVM參數(shù)測量結(jié)果，在無正交誤差的情況下，EVM參數(shù)隨IQ不均衡的劣化而增大，但是在星座圖點存在正交誤差時，IQ不均衡的劣化對EVM參數(shù)的影響是先減小后增大，說明IQ不均衡和正交誤差兩種損傷之間存在一定的相互補償關(guān)系而非簡單的線性疊加。此外，由圖4（b）可見，在多損傷并存的條件下，EVMrms參數(shù)相較于EVMhitratio參數(shù)具有更大的測試結(jié)果動態(tài)范圍和更優(yōu)的變化趨勢一致性，所以參數(shù)能夠更加準確反應并存損傷的影響。

在標準化方面，IEC在2013年公布了TR 61282-10:2013標準，定義了使用EVM參數(shù)進行矢量調(diào)制信號質(zhì)量分析的方法、EVM參數(shù)的測試手段以及EVM參數(shù)與其他相關(guān)參數(shù)，例如幅度誤差、相位誤差和正交誤差等的關(guān)系和影響。ITU-T SG15 Q6在2012年開始修訂面向城域波分互聯(lián)的G.698.2標準，對矢量調(diào)制信號的EVM參數(shù)進行討論，在和兩種參數(shù)定義之間進行評估和選擇，進一步提出關(guān)于EVM、IQ偏移、正交誤差、增益不均衡等損傷的測量計算式。由于EVM及相關(guān)參數(shù)的定義和賦值需要大量的測試驗證和結(jié)果分析討論，測試模型中某些損傷條件難以在商用產(chǎn)品中模擬，并且通用EVM測試環(huán)境中的具體硬件配置和補償算法尚未達成一致，所以該標準的推進較為緩慢，目前新版本推出尚無明確時間節(jié)點。

圖3 不同發(fā)射機損傷的星座圖

圖4 發(fā)射機損傷EVM測試結(jié)果

5 結(jié)束語

EVM是矢量調(diào)制信號質(zhì)量測試和性能評價的關(guān)鍵參數(shù)，既能夠包含信號光層的調(diào)制信息和傳輸信道狀態(tài)，也能夠體現(xiàn)接收機電層的模擬前端性能和信號解調(diào)算法，同時無需對信號幀格式進行解析，能夠較為全面地反映信號質(zhì)量信息，對于高速光通信系統(tǒng)的測試評估和運維管理具有重要價值。EVM測試的參數(shù)定義、測試方法和測試手段基本明確，但在實際應用中面臨相干檢測與系統(tǒng)接收機差異以及解調(diào)算法一致性等方面的問題，就目前的標準化情況而言，EVM是保證異廠商互操作性的關(guān)鍵性能指標參數(shù)，需要進一步的實驗驗證與分析，在光通信系統(tǒng)中作為性能監(jiān)測評價的標準依據(jù)正式推廣應用還需一定時間。

[1]ITU-T G.698.2[S/OL]. [2016-03-05].https://www.itu.int/rec/T-REC-G.698.2/en.

[2]SCHMOGROWR,NEBENDAHLB,WINTERM,etal.Errorvector magnitude as a performance measure for advanced modulation formats[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(1):61-63.

[3]IEC TR 61282-10[S/OL].[2016-03-05].https://webstore.iec.ch/publication/5100.

[4]沈世奎,滿祥錕,簡偉,等.100G系統(tǒng)中的誤差矢量幅度參數(shù)應用[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2014(4):9-12.SHEN S K,MAN X K,JIAN W,et al.The application of error vector magnitude parameters in 100G system[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunication,2014(4):9-12.

[5]孫小強,陳龍泉,周峰,等.相干光傳輸系統(tǒng)中光調(diào)制信號分析儀溯源方法研究[J].計測技術(shù),2015(S1):1-3.SUN X Q,CHEN L Q,ZHOU F,et al.Research on the optical modulation analyzer traceable measurement technology in coherent optical transmission systems[J].Metrology & Measurement Technology,2015(S1):1-3.

Error vector magnitude measurement and analysis in optical communication system

LAI Junsen,TANG Xiaohua,TANG Rui,ZHAO Xin,ZHAO Wenyu,ZHANG Haiyi
Technology and Standard Research Institute,China Academy of Information and Communication Technology(CAICT),Beijing 100191,China

Vector modulation format of high speed optical communication system calls for new measurement and analysis scheme.Error vector magnitude (EVM)is one of the most important parameters in vector modulation evaluation.The definition of EVM parameters,its test methods and instruments were analyzed,and application of EVM related parameter in transmitter measurement and its standardization progress were also discussed.

EVM,OSNR,Q factor,BER

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61171076,No.61201260,No.61471128),The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2013AA013402,No.2015AA015502)

TP913

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016159

2015-10-08；

2016-06-06

國家自然科學基金資助項目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2013AA013402，No.2015AA015502）

賴 俊 森（1983-），男 ，博 士 ，中 國 信 息 通 信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網(wǎng)絡技術(shù)。

湯曉華（1981-），女，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網(wǎng)絡技術(shù)。

湯瑞（1984-），男，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網(wǎng)絡技術(shù)。

趙鑫（1984-），男，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網(wǎng)絡技術(shù)。

趙文玉（1973-），男，博士，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所主任工程師，主要研究方向為40 Gbit/s/100 Gbit/s/WDM、OTN等光傳送網(wǎng)新技術(shù)研究、標準制訂以及系統(tǒng)測試評估。

張海懿（1974-），女，中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所高級工程師、部門主任，主要研究方向為光傳輸系統(tǒng)、OTN、PTN、WDM 系統(tǒng)、SDH 系統(tǒng)、MSTP、自動交換光網(wǎng)絡以及電信傳送網(wǎng)絡體制標準、運營商技術(shù)咨詢。