基于python的EDFA瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)研究

向登鋒，余春平，趙建宜

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能［1］和萬物互聯(lián)等應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)以及即將來臨的5G時(shí)代都對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率的要求越來越高。波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplex，WDM）＋摻鉺光纖放大器（Erbium－doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）的大容量［2］、長(zhǎng)距離的傳輸方式已經(jīng)成為主要的發(fā)展方向，EDFA也因此成為高速光纖通信系統(tǒng)中至關(guān)重要且必不可少的器件［3］。在通信系統(tǒng)中，EDFA的功能就是實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的放大，要保證各信道的輸出功率恒定，如何測(cè)試和改善EDFA瞬態(tài)問題就成為一個(gè)難題。因此，在由EDFA構(gòu)成的通信系統(tǒng)中，只有抑制EDFA的瞬態(tài)效應(yīng)，才能夠真正實(shí)現(xiàn)光通道的動(dòng)態(tài)上下，從而使通信系統(tǒng)中的光路由得以靈活的配置［4－5］，充分發(fā)揮 WDM＋EDFA組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

本文根據(jù)EDFA的工作原理和速率方程分析了產(chǎn)生瞬態(tài)的原因以及在實(shí)際工程應(yīng)用中由瞬態(tài)引起的不利影響，通過模擬通信系統(tǒng)中信道波數(shù)的減少或增加，再結(jié)合軟件設(shè)計(jì)出了合理的瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，減少了人力資源和時(shí)間成本，縮減了不必要的誤差，使得測(cè)試更加方便精確。

1 EDFA瞬態(tài)增益特性產(chǎn)生的原因及影響

假設(shè)N1、N2和N3分別為EDFA的三能級(jí)結(jié)構(gòu)中E1基態(tài)、E2亞穩(wěn)態(tài)和E3泵浦激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)［6］，根據(jù)EDFA的工作原理和速率方程可知各能級(jí)在t＝0時(shí)的原子數(shù)為

式中：ai、bi和ci均為參數(shù)q＝Pp（0，t）／Psat（λp）和p＝Ps（0，t）／Psat（λs）的函數(shù)，λp為泵浦光波長(zhǎng)，λs為信號(hào)光波長(zhǎng)，Psat為飽和功率，Pp為泵浦功率，Ps為信號(hào)功率［6－7］；時(shí)間參數(shù)t1和t2為τ21和τ32的函數(shù)，τ21為鉺離子從E2躍遷到E1的時(shí)間常數(shù)，τ32為鉺離子從E3躍遷到E2的時(shí)間常數(shù)；。

在通信系統(tǒng)中，EDFA往往工作在飽和狀態(tài)，由式（1）可知，當(dāng)Ps或者Pp在傳輸過程中發(fā)生變化時(shí)（如上／下波長(zhǎng)通道、重新配置網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)倒換等）［8］，會(huì)導(dǎo)致EDFA的瞬時(shí)增益發(fā)生變化，從而引起輸出光功率抖動(dòng)產(chǎn)生過欠沖現(xiàn)象［6］。

瞬態(tài)效應(yīng)的主要影響有：（1）導(dǎo)致接收端光功率超出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍而產(chǎn)生誤碼，影響傳輸質(zhì)量［4－5］；（2）當(dāng)欠沖時(shí)功率過低，引起鉺離子數(shù)反轉(zhuǎn)水平發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的信噪比大幅降低；（3）當(dāng)過沖時(shí)功率過大，會(huì)引起光的非線性效應(yīng)（例如四波混頻）劣化傳輸性能［6－8］，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在過載的狀態(tài)下工作。

2 EDFA瞬態(tài)測(cè)試方法

圖1所示為瞬態(tài)響應(yīng)示意圖。瞬態(tài)響應(yīng)的主要參數(shù)有4個(gè)：恢復(fù)時(shí)間、過沖、欠沖和增益誤差。

圖1 瞬態(tài)響應(yīng)示意圖

恢復(fù)時(shí)間是指在上／下話路的沖擊下剩余信道增益瞬間發(fā)生變化到最后穩(wěn)定的時(shí)間［9］。

過沖和欠沖是指在這個(gè)沖擊下剩余信道增益和目標(biāo)增益穩(wěn)定狀態(tài)相比的最大向上偏移量和最大向下偏移量。

增益誤差是指上下話路前后剩余信道的穩(wěn)態(tài)增益之差。

EDFA瞬態(tài)測(cè)試即模擬實(shí)際通信過程中，通信系統(tǒng)在信道波數(shù)突然減少或增加的情況下，引起剩余信道光功率波動(dòng)的情況［10］。該指標(biāo)的大小在一定程度上反映了EDFA瞬態(tài)性能的好壞。光功率變化越大，恢復(fù)時(shí)間、過沖和欠沖也就越大。測(cè)試時(shí)，通常模擬系統(tǒng)從多個(gè)波長(zhǎng)／滿波長(zhǎng)工作突然減少至一個(gè)波長(zhǎng)工作，或由一個(gè)波長(zhǎng)工作突然增至多個(gè)波長(zhǎng)／滿波長(zhǎng)工作的最惡劣情況；另一個(gè)常規(guī)測(cè)試方案是模擬EDFA工作波長(zhǎng)數(shù)減少至一半時(shí)的中間情況。

3 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件的實(shí)現(xiàn)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的日趨成熟，工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)日漸采用以太網(wǎng)和傳輸控制協(xié)議／網(wǎng)際協(xié)議（TCP／IP）作為最主要的通信接口［11］，因此，本文測(cè)試系統(tǒng)也主要以網(wǎng)口通信方式建立各設(shè)備之間的連接。圖2所示為EDFA瞬態(tài)測(cè)試圖。電腦通過XPORT與單片機(jī)和波長(zhǎng)選擇開關(guān)（Wavelength Selection Switch，WSS）進(jìn)行通信，XPORT由美國(guó)Lantronix公司于2002年研發(fā)成功，它是目前最小、最完整的串行口到以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換方案［12］，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用，連接方便，可以根據(jù)具體使用要求定制所需的功能［13］。其他一些內(nèi)部集成光器件，如電可調(diào)光衰減器（Electrical Variable Optical Attenuator，EVOA），因接口和控制方式簡(jiǎn)單，則由單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口直接控制。

圖2 EDFA瞬態(tài)測(cè)試圖

放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源產(chǎn)生平坦的寬譜ASE光，經(jīng)過一個(gè)1×2 WSS1產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路為單波長(zhǎng)信號(hào)光源，作為剩余信道信號(hào)P1；另一路為多波長(zhǎng)信號(hào)光源，作為調(diào)制信道信號(hào)P2。采用ASE光源和WSS組合的方案，可以產(chǎn)生測(cè)試系統(tǒng)所需要的任意波長(zhǎng)單波＋多波光源，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化配置的基礎(chǔ)?？焖俾暪庹{(diào)制器通過信號(hào)發(fā)生器控制，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出高電平時(shí)，調(diào)制器使調(diào)制信道處于通光狀態(tài)；當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出低電平時(shí)，調(diào)制器使調(diào)制信道處于關(guān)斷狀態(tài)。通過設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的高點(diǎn)電平、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、周期和波形實(shí)現(xiàn)不同的瞬態(tài)測(cè)試條件用來模擬光信號(hào)的快速變化。通過耦合器將剩余信道信號(hào)和調(diào)制信道信號(hào)進(jìn)行耦合，并將耦合后的信號(hào)作為瞬態(tài)特性測(cè)試的信號(hào)光源。WSS2從待測(cè)模塊EDFA輸出的光信號(hào)中選擇出剩余信道光，由光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，連接到示波器等設(shè)備可得到瞬態(tài)變化波形和數(shù)據(jù)。EVOA分別用來調(diào)節(jié)剩余信道光功率、調(diào)制信道光功率以及進(jìn)入待測(cè)模塊總的輸入和輸出的光功率。

3.2 軟件的實(shí)現(xiàn)

本文所介紹的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)界面是用PyCharm軟件基于python語言的PyQt5模塊編寫的，該系統(tǒng)主要包括測(cè)試裝置模塊、測(cè)試條件模塊和測(cè)試報(bào)告模塊，圖3所示為軟件設(shè)計(jì)流程圖。首先初始化硬件（如光源和信號(hào)發(fā)生器等），然后讀取模塊的基本信息數(shù)據(jù)，設(shè)置測(cè)試條件開始測(cè)試，如果測(cè)試條件有遺漏可以重新設(shè)置測(cè)試條件再次測(cè)試。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

在PyQt5模塊中，每一個(gè)對(duì)象和控件都支持“信號(hào)與槽”的機(jī)制，當(dāng)控件發(fā)射信號(hào)時(shí)，連接的槽函數(shù)將會(huì)自動(dòng)執(zhí)行［14］。利用“信號(hào)與槽”的機(jī)制可以使界面程序與儀器的控制和功能程序文件相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了“角色分離”，提升系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性。利用python是一種面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)類型語言的特性，將測(cè)試裝置模塊中的各個(gè)儀器設(shè)備都封裝成單獨(dú)類，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試儀器腳本模塊化，方便進(jìn)行調(diào)用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為測(cè)試系統(tǒng)主界面。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)窗口控制豐富、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人機(jī)操作界面十分友好；可自由、靈活地設(shè)置測(cè)試條件，系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用設(shè)置好的條件參數(shù)并且能夠自動(dòng)保存測(cè)試數(shù)據(jù)和波形圖；不需要人為過多的參與，節(jié)省了人力資源，提高的測(cè)試效率節(jié)約了測(cè)試時(shí)間。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)主界面圖

按照測(cè)試要求配置好瞬態(tài)測(cè)試的參數(shù)指標(biāo)，在測(cè)試系統(tǒng)主界面勾選“自動(dòng)獲取參數(shù)，”點(diǎn)擊“開始”按鈕，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取測(cè)試的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存當(dāng)前測(cè)試樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)到指定位置，如表1所示，測(cè)試結(jié)束后可導(dǎo)出分析測(cè)試樣品瞬態(tài)性能。

表1 瞬態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

如果需要示波器截圖，可在測(cè)試系統(tǒng)主界面選擇 “打開示波器設(shè)備面板”，出現(xiàn)如圖5所示的示波器界面，點(diǎn)擊“示波器拷屏”按鈕，系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)可將示波器截屏保存在指定的位置。圖6所示為示波器的截屏圖，是在待測(cè)模塊增益為15dB、輸入功率為10.5 dB和瞬態(tài)為16dB的條件下測(cè)得的瞬態(tài)圖，黃色線為剩余信道波長(zhǎng)功率變化，綠色線為調(diào)制信道波長(zhǎng)功率變化。由圖可知，當(dāng)調(diào)制信道功率突然增加16dB時(shí)，剩余信道功率產(chǎn)生了抖動(dòng)（也就是過欠沖現(xiàn)象），持續(xù)100μs左右后恢復(fù)正常。

圖5 示波器界面圖

圖6 示波器截屏圖

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)和瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)基于python語言編寫，充分利用了面向?qū)ο蟮奶匦?，具有高?nèi)聚和低耦合的特點(diǎn)；采用分層模塊化的設(shè)計(jì)思想，具有良好的人機(jī)交互功能，操作方便，可自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。軟件上代碼維護(hù)簡(jiǎn)單，可重用性、可嵌入性和可擴(kuò)展性強(qiáng)；硬件上各儀器設(shè)備采用統(tǒng)一的接口控制，線路連接簡(jiǎn)單，一次搭建可重復(fù)使用。該系統(tǒng)不僅可以有效節(jié)約光路切換、光功率調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集及處理的時(shí)間，而且可以很大程度上減少人為操作引起的誤差，節(jié)省了時(shí)間成本和人力資源，可在無人值守的情況下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)測(cè)試。