SFP+光傳輸模塊電參數(shù)仿真測試方法研究

高 成，張宇亮，黃姣英，陳炳印

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

光傳輸模塊是一種用光作為載波傳輸電信號的器件模塊，具有體積微小、保密性高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、通信以及互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，在信息傳輸工作過程中發(fā)揮著重要作用。在實際使用中，存在使用數(shù)量巨大、工作參數(shù)不易統(tǒng)計、工作狀態(tài)難以監(jiān)測等問題，因此在光傳輸模塊投入使用之前，準(zhǔn)確地檢測光傳輸模塊的信號傳輸性能和質(zhì)量是一項必要的工作。

常規(guī)測試手段大多需要為被測模塊配套相對應(yīng)的測試夾具以及專業(yè)的測試設(shè)備，成本較高。特別是對于誤碼率的測試，往往需要建立一套合適的測試系統(tǒng)，同時，受限于硬件條件，測試過程中難以模擬實際工作環(huán)境。

OptiSystem軟件是一款光通信系統(tǒng)模擬軟件，利用該軟件可以完成對多種類型光通信系統(tǒng)的設(shè)計、測試和優(yōu)化等各種功能。利用該軟件可以對各類光傳輸系統(tǒng)進行仿真研究，在不同條件下對光傳輸模塊進行仿真測試。使用仿真的方法可以避免硬件條件的限制，在缺乏相應(yīng)的測試設(shè)備與測試夾具的條件下也能對光模塊進行測試。此外，在仿真中可以隨時對器件設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，在短時間內(nèi)獲得更大的數(shù)據(jù)量，并直觀地觀察到參數(shù)變動對結(jié)果的影響，據(jù)此分析設(shè)計參數(shù)對于信號傳輸質(zhì)量的影響。

1 SFP+光傳輸模塊電參數(shù)測試原理

本文選取一種小型熱插拔（Small Form-Factor Pluggable，SFP+）封裝的光傳輸模塊。最佳的光傳輸模塊設(shè)計通常需要滿足4個基本指標(biāo)：合適的光譜響應(yīng)范圍、合適的帶寬、盡可能低的噪聲和較大的動態(tài)范圍。

對于這四項基本指標(biāo)，一般采用誤碼率、眼圖和信號帶寬等電特性參數(shù)來進行衡量。其中，誤碼率用于衡量信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，眼圖用于衡量信號傳輸?shù)恼w質(zhì)量，信號用于帶寬衡量信號傳輸能力與動態(tài)范圍。

1.1 誤碼率測試原理

誤碼率即誤碼出現(xiàn)的頻率，在光傳輸系統(tǒng)中，誤碼率通常定義為在一定時間間隔內(nèi)，發(fā)生傳輸錯誤的脈沖數(shù)量和總傳輸脈沖數(shù)量的比值，具體計算公式為：

式中：為數(shù)據(jù)傳輸速率；1為脈沖寬度。

基本的誤碼率測試原理如圖1所示。通過外部信號源發(fā)送一段測試碼序列到光傳輸模塊，同時采集經(jīng)過傳輸?shù)妮敵鲂盘柡托盘栐串a(chǎn)生的測試碼序，對輸入信號與輸出信號進行逐位對比，統(tǒng)計發(fā)生誤碼的總數(shù)和傳輸?shù)拿}沖總數(shù)，進而通過計算即可得出光傳輸模塊的誤碼率。

圖1 誤碼率測試原理框圖

1.2 眼圖測試原理

眼圖是指將示波器的周期與傳輸?shù)碾S機序列周期調(diào)整一致后，示波器上采集到的不同隨機序列所疊加而形成的類似眼睛的圖形，故稱“眼圖”。眼圖的測試原理是將信號源、被測模塊以及眼圖儀依次相連，利用外部的信號源產(chǎn)生一系列隨機碼序發(fā)送到被測模塊，眼圖儀采集經(jīng)被測模塊接收再發(fā)射出的隨機碼序，將得到的不同隨機序列進行疊加，即可得到被測模塊的眼圖。

1.3 信號帶寬測試原理

信號帶寬的測試原理是將信號源、被測模塊以及頻譜分析儀依次相連，利用外部的信號源產(chǎn)生一系列隨機碼序發(fā)送到被測模塊，頻譜分析儀采集經(jīng)被測模塊接收再發(fā)射出的隨機碼序得到被測信號的頻譜圖，從而得到被測組件的信號帶寬。

2 基于OptiSystem的測試仿真建模與驗證

2.1 光傳輸模塊仿真模型搭建

使用光通信模擬分析軟件Opti System進行測試仿真，對誤碼率、眼圖以及信號帶寬的測試原理進行驗證，并預(yù)計測試結(jié)果，從中分析光傳輸模塊設(shè)計參數(shù)與電特性參數(shù)之間的關(guān)系。

研究選取深圳HYMX生產(chǎn)的SFP-10G-LR光傳輸模塊，其部分關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如表1所示，根據(jù)表中的參數(shù)在仿真軟件中搭建仿真模型，如圖2所示。其中各部件參數(shù)均與實際光傳輸模塊設(shè)計參數(shù)保持一致。

圖2 光模塊仿真模型

表1 被測模塊部分關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)表

在仿真模型中的光傳輸模塊各部件與實際器件中的各部分功能一一對應(yīng)，脈沖發(fā)射器與直接調(diào)制激光器構(gòu)成光傳輸模塊的發(fā)射機部分。其中脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與輸入信號一致的脈沖序列，直接調(diào)制激光器在產(chǎn)生光信號的同時也根據(jù)輸入信號對光信號進行直接調(diào)制，將輸入信號中的信息通過光信號發(fā)出。由探測器、放大器以及濾波器構(gòu)成光傳輸模塊的光接收機部分，其中探測器對光纖傳來的光信號進行探測，并發(fā)出微弱的電信號，通過放大器完成二級放大，最終經(jīng)過濾波器將傳輸?shù)男畔⒒謴?fù)為電信號的形式發(fā)出。在實際的測試實驗中，中間的傳輸光纖部分受到實驗室條件影響，可以選擇不同長度的傳輸光纖進行實驗。

2.2 光傳輸模塊仿真模型驗證

在完成光傳輸模塊仿真模型的搭建后，對仿真模型進行驗證，如圖3所示。采集的輸入與輸出信號如圖3a）所示，對圖中的輸入與輸出進行簡單對比可以發(fā)現(xiàn)，信號失真在合理范圍內(nèi)，能夠完成信號傳輸?shù)幕竟δ堋?/p>

圖3 光傳輸模塊輸入與輸出仿真

在光發(fā)射機后置一光譜分析儀，對發(fā)出的光信號進行測量，得到的測量結(jié)果如圖3b）所示。

由圖可知，其中心波長約為1 310 nm，符合如表1所示光模塊設(shè)計參數(shù)。綜上所述，光傳輸模塊的仿真模型搭建正確無誤，可以完成正常的信號傳輸功能，后續(xù)的仿真測試工作在此基礎(chǔ)上進行。

3 仿真測試分析

3.1 誤碼率仿真測試

首先，根據(jù)圖1所示的誤碼率測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實驗仿真模型，如圖4所示。

圖4 誤碼率仿真測試模型

圖4中偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生測試所需的偽隨機碼序列并輸入到光傳輸模塊中，誤碼率分析儀同時采集偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機序列、碼型發(fā)生器產(chǎn)生的序列以及最終光傳輸模塊的輸出信號，通過對比計算最終給出相應(yīng)的誤碼率。

由表1中的光傳輸模塊器件參數(shù)可知，光發(fā)射機的中心波長與發(fā)射功率在一定范圍內(nèi)波動，因此選取中心波長最大值、最小值以及標(biāo)稱值分別為1 350 nm，1 260 nm，1 310 nm，選取最大發(fā)射功率、最小發(fā)射功率以及平均發(fā)射功率分別為0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm，在此條件下進行對照實驗。對照實驗共分為兩組：第一組實驗條件為發(fā)射功率0.5 dBm，中心波長分別為1 355 nm，1 260 nm，1 310 nm；另一組實驗條件為中心波長1 310 nm，發(fā)射功率分別為0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm。最終仿真實驗結(jié)果如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為用比特周期表示的時間，縱坐標(biāo)為誤碼率的對數(shù)。圖3a）~圖3c）為發(fā)射功率0.5 dBm條件下，不同中心波長的實驗，圖3d）~圖3f）為中心波長1 310 nm條件下，不同發(fā)射功率的實驗，后續(xù)實驗條件均與此相同。由圖3可以看出：在發(fā)射功率一定的情況下，中心波長越大則誤碼率越低，且最低誤碼率的持續(xù)時間越長，意味著信號傳輸?shù)馁|(zhì)量越好；而在中心波長一定的情況下，隨著發(fā)射功率的降低，誤碼率升高，保持最低誤碼率的時間縮短，說明信號傳輸準(zhǔn)確度下降。

圖5 誤碼率仿真結(jié)果

3.2 眼圖仿真測試

完成誤碼率測試原理仿真之后，采用同樣的流程對眼圖進行仿真測試。

根據(jù)眼圖測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實驗仿真模型，如圖6所示。

圖6 眼圖仿真測試模型

與誤碼率測試相同，偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生測試所需的偽隨機碼序列并輸入到光傳輸模塊中，眼圖分析儀同時采集偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生的隨機序列、碼型發(fā)生器產(chǎn)生的序列以及光傳輸模塊的輸出信號，最終給出光傳輸模塊信號傳輸?shù)难蹐D。同時，選取與誤碼率測試仿真實驗中同樣的實驗條件進行對照實驗，獲得仿真實驗結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為比特周期表示的時間，縱坐標(biāo)為幅值。對兩組對照實驗結(jié)果進行分析可以得出，在發(fā)射功率一定的情況下，隨著中心波長的增大，信號傳輸?shù)难蹐D逐漸清晰，“眼睛”的張開程度越大，意味著信號傳輸總體質(zhì)量提升越明顯。而在中心波長固定的情況下，隨著發(fā)射功率的降低，眼圖則變得更模糊，意味著信號傳輸總體質(zhì)量有所下降。

圖7 眼圖仿真結(jié)果

3.3 信號帶寬仿真測試

最后，進行信號帶寬的仿真測試。根據(jù)信號帶寬測試原理，選擇測試方案所需的測試設(shè)備，在OptiSystem軟件中搭建對應(yīng)的實驗仿真模型，如圖8所示。

圖8 信號帶寬仿真測試模型

在與前述相同的對照實驗條件下進行仿真測試，得到的被測信號的頻譜圖結(jié)果如圖9所示，其中橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為強度。對仿真實驗結(jié)果進行分析可以得出，對信號帶寬影響較大的因素是光傳輸模塊的發(fā)射功率，而中心波長的影響較小。當(dāng)發(fā)射功率過低時，將出現(xiàn)信號傳輸失真、信號功率耗損嚴(yán)重等問題。

圖9 信號帶寬仿真結(jié)果

3.4 測試結(jié)果分析

基于上述仿真測試結(jié)果，可以分析光傳輸模塊工作中心波長和光發(fā)射機發(fā)射功率對傳輸信號質(zhì)量的影響。經(jīng)過在不同的實驗條件下對各電特性參數(shù)進行測試仿真得出的一系列測試結(jié)果，可以得出光傳輸模塊的信號傳輸質(zhì)量與中心波長以及發(fā)射功率呈正相關(guān)，即在設(shè)計范圍內(nèi)，信號傳輸性能隨中心波長和發(fā)射功率的增長而提高，反之則降低。選取最大中心波長1 355 nm、最大發(fā)射功率0.5 dBm與最小中心波長1 260 nm、最小發(fā)射功率-8.2 dBm進行對照實驗，實驗結(jié)果見圖10。

圖10 端點值條件下的信號傳輸性能對照實驗

4 結(jié) 語

本文主要針對一種SFP+光傳輸模塊，選擇誤碼率、眼圖以及信號帶寬作為主要測試參數(shù)，調(diào)查研究各參數(shù)的測試方法并總結(jié)測試原理。在此基礎(chǔ)上，使用Opti System軟件對各參數(shù)的測試進行仿真實驗，驗證了測試原理的可行性，通過設(shè)計參數(shù)的變動能夠快速得出其對信號傳輸質(zhì)量的影響。同時，根據(jù)仿真測試的結(jié)果，分析了光傳輸模塊設(shè)計參數(shù)對信號傳輸性能的影響。