NRZ眼圖的消光比(Extinction Ratio)測量測試---陡峭、粗線的原因

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用於高速數字通訊的光纖發射機，需要具備一些特定的參數條件。其中的一個參數，消光比被用來描述最優的偏置條件和雷射發射功率轉化成調製功率的效率。雖然行業內已經給出了一些特定的參數標準，並且給了一個規範的測量途徑，但近年來實現準確和可重複的消光比測試系統仍然很困難。

本文著力於解決，測量的意義，以及測量過程，測量方法，以實現最佳的測量結果。

第一部分主要講了消光比是什麼，並且應該怎麼去測量它？

第二部分主要講了測量消光比的過程？

第三部分主要講了測量消光比過程中準確度測量和可重複性測量的需求，以及怎麼去讓保證這兩項測量需求。

然後第四部分是結合了安捷倫86100a這台數字通訊分析儀裝置，怎麼具體操作測量消光比。（自己結合實驗裝置講,略）

第一部分

消光比的物理定義是用來描述，數字通訊系統中接收機接受功率水平的差異，其反映了發送訊號的抗雜訊能力，通常它的定義是由’1’功率水平和‘0’功率水平的比例值。如果再把這個比值進行進一步的劃分，可以分為線性比、百分比和對數比。百分比定義為低電平和高電平的比值。舉個例子，假如說，1電平的功率是1000毫瓦，0電平的功率值是50毫瓦，那麼能夠得到的消光比是5%，20，13dB。

      接下來我們再問這樣一個問題，為什麼消光比可以去影響一個系統的傳輸效能?首先在回答這個問題之前，我們有一個共識就是通訊系統的效能好壞，最簡單明白的辦法就是去衡量誤碼率。通常一個設計得很好的，沒有任何幹擾的數字通訊系統都能夠實現無誤碼的傳輸，這種系統發送功率高，並且沒有損耗。實際情況中，昂貴的效能好的放大器使用的少，並且一般還要延長傳輸距離，所以說這些所有因素都會最終通道幹擾上升以及效能有所下降，導致誤碼率的上升。同時呢，在誤碼率上升的時候，發射系統的消光比，也會通過系統傳輸後，受到相應的影響，最終導致在接收端的消光比有所降低。

圖2展示了一個最簡單的消光比圖和功率預算的反比關係曲線。可以看到，消光比在8.2，相對於要實現一個完美的無誤碼傳輸系統的話，那麼以提升大概1.2db的輸入功率為代價。對於另外一種效能的系統，如果是要達到同樣的誤碼率情況，可以提升消光比到13dB,但此時仍然距離理想傳輸還有0.2dB的功率代價，不過相對於之前的系統，已經提升了1dB的功率代價。所以這就解釋了功率預算和消光比的關係，大致構成的函數關係。然後接下來我們再描述下為什麼，消光比可以去影響訊號傳輸品質。通常一個好的通訊系統，能夠明顯地區分0電平和1電平的水平，如果這個區分度越大，功率差足夠大，區分能力越好，對應也就是說消光比好，此時具有好的傳輸效能。

第二部分

通常人對眼圖會再進行細化的話，它的0電平水平對應發射器發送0電平時候的最低功率，這部分功率通常是由探測器的暗電流和電器件的雜訊功率，然後1電平對應了發射器最高發射幅度的功率。其中，0電平和1電平之間那個功率差值叫做調製器調製功率，實際上這個調製功率和雷射器的發射功率直接相關，如果是雷射器的發射功率足夠大的話，我能夠獲得到的調製功率會上升，眼圖的眼距拉開。同時呢，如果是調製器的調製曲線越陡峭的話，也會使得我這個調製功率變大，使得0、1之間的分離程度變大，眼圖的眼距也能拉開。

現在考慮兩個同樣的發射系統不同接收機的系統，有一個真實系統的0電平對應的是100uw，1電平對應的是1000uw。另外一個接收系統，探測到的0電平水平是300uw，1電平水平是1200uw，這兩個傳輸系統的，調製功率都是900uw的差距，但是他們的平均水平一個是在500，另外一個是在750，就是說他們之間的直流位移是不一樣的。按照消光比的定義，這兩個直流位移不一樣的傳輸系統，計算出來的消光比分別是10和4。很顯然，由於接收系統的電流因素，導致了消光比的測量出現誤差，因此針對第二個傳輸系統的缺點，我們需要對第二個系統的位移水平進行一個校準，以保證測量誤差降低。

通常這種辦法了，對於直調雷射器而言，有兩種，一種是把雷射器保持在零電平輸出獲得它的最低功率，就是接收器的最低功率。然後在獲得這個功率之後通過，通過示波器的校準，讓AB系統在同樣的位移水平，以保證消光比測量的準確性。另外再說一點剛才說的1200uw，它們的調製功率一樣，但是位移水平上升了，也就是說我在雷射器發射的時候存在功率浪費的功率，還對這個系統的接收器件造成損耗，在實際系統中同樣也應該避免。然後這個地方在說一個消光比的一般經驗值，通常在9db上是比較好的。

然後剛才說了了一下消光比的理論計算過程，但實際過程中，應該由實驗觀測資料得到，相關協會給出了實驗測量方案。關於消光比的測量不同的組織給了不同的方法和建議的標準。ITU.T,TIA/EIA,iEEE等相關機構都提出了他們的消光比測量方案和建議水平。不管是在8.2到10db建議範圍，還是9db以上的建議範圍，他們共同擁有的實驗測試系統，如所示。

這個系統圖從左至右依次是光源，訊號調製器，光纖，光電轉換器以及電濾波器，然後再將這所有訊號送入示波器，最終3R重現獲得眼圖。

其中圖5給出了一個SDH和SONET的測試容忍頻響曲線，這個頻響曲線的上下限保證了所接受到的眼圖並不受到示波器的滾降因子影響。現在要說一下一個平常的實驗時所沒有關注到的低通濾波器。這個低通濾波器，它具有四階貝塞爾低通特性。它的作用是，濾出實驗中的高頻成分，以獲得與實際通訊過程中相同的低頻特性。如果是沒有這個濾波器的話，在圖7上看到一個過沖特性，這個過沖是由於未加低通濾波器時多餘的高頻成分導致的。同時呢，界定眼圖的0電平和1電平，業界一般的做法是在眼圖中間的位置，取20%的擴充，然後對他做一個，統計長條圖，取中間最靠那個值就是0電平或者是1電平的值。如果1電平獲得兩個的話，就是說我在做統計長條圖的時候1電平聽附近有兩個峰值，就意味著這個眼圖的分離程度不好，又高頻或者其他雜散成分沒有濾掉。

第三部分

第三部分人就開始講消光比的精確可重複形測量的必要性和方案。通常在做一個實驗項目之前我們需要考慮到以下3個因素，一個是器件所帶來的直流位移或者是雜散訊號，另外是器件對于波形失真的擾動，還有一個是器件的測量精確度問題。通常對於這3個方案的話，示波器在測量眼圖的過程中，會一一去解決。第一種方式能是基於統計長條圖的形式，來保證我能夠獲得一個最佳的1電平和0電平，另外在瞭解到波形失真的原因之後我去改其他效能更好的器件，然後接下來，最後一個分析到器件的測量精度問題之後，我就僅僅估摸一個大致的測量範圍，而不去定值。

然後，考慮第一種直流位移，減少接收功率位移所帶來的對於功率帶來的影響，一種方法就是進行校準，就是當你在使用示波器的時候不要發送光功率，或者是發生過很小的光功率，然後送到示波器。將此時的值通過示波器校準按鈕記錄下來之後，等會兒計算系統會減去這參考值進行計算消光比，完成了校正過程。對於校準步驟而言，示波器它本身的光口內建放大器和暗電流測算值，是不用自己去校準的。但是你如果是真的要使用電口的話，那麼除了應該加上低通濾波器外，還要進行手工校準。然後還需要考慮頻率響應抖動的問題。一般的光接收機的頻率響應不是一個平坦的、低頻低通的特性，特別是在低頻過渡到高頻的時候。特別是在低頻範圍內優先內建有放大器，使低頻段有一些小的增益，而高頻斷還有一些隨機的抖動。特別是低頻段，如果超出在SDH的容許範圍內，那麼在眼圖上就能夠看到被線比較厚重、粗。解決的辦法有好幾種，一種使用不帶內建放大器的接收機，然後你再使用一個更好平坦效能的放大器實現，其具有在低頻和高頻之間比較好的平坦度和頻率響應。通常呢？示波器內建的光口具有很好的頻響和放大器，如果是沒有什麼其他情況的話還是建議使用示波器內建光口。另外再說一個現象，器件的雜訊的對於測量眼圖所引起的消光比問題，通常在器件的雜訊對於訊號的眼圖測量並沒有太大的影響，因為在測量消光比的時候，是以統計的方式擷取分布的最大可能性兩點，平坦的雜訊也會被埋沒在其中，均勻地散開並不會影響取1.0和0.0中間的最可能值。舉一個一般的例子，如果示波器接收到一個40uw張開的眼圖，其中示波器內建正負8uw，總共16uw的雜訊水平，那麼仍然能按照正常的測量方法計算消光比。

——《Measuring Extinction Ratio of Optical Transmitters》 Agilent

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