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Optische Kommunikationssysteme

Was beim Test kohärenter optischer Transceiver zu beachten ist

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Verschiedene Teststrategien im praktischen Einsatz

Den Mittelpunkt des Systems bildet der Digitalisierer. Auf Grund der hohen Datenraten von Lichtwellenleitern ist es wichtig, einen Digitalisierer mit höchster Genauigkeit und Empfindlichkeit sowie der größten verfügbaren Bandbreite zu verwenden. Die Oszilloskop-Hersteller entwickeln die Digitalisierer-Technologie entsprechend den Marktanforderungen stetig weiter. Die neusten Echtzeit Oszilloskop Modelle bieten mittlerweile eine Bandbreite von mehr als 20 GHz und Abtastraten von 50 GS/s über vier Kanäle.

Für mehr Leistung können mehrere Oszilloskope kombiniert werden, so dass eine Bandbreite von mehr als 30 GHz und eine Abtastrate von 100 GS/s über vier Kanäle erreicht werden. Vier OszilloskopKanäle sind wichtig, weil eine vollständige Charakterisierung beider Polarisationsebenen der Signale in der Faser dies erfordert: jeweils I (In-Phase) und Q (Quadrature) für die X- und die Y-Polarisation.

Die Kanaldaten im Burst-Modus werden dann von der Software verarbeitet, die auf dem Oszilloskop läuft (oder einem externen Computer). Damit lassen sich die Unterkanäle entsprechend dem jeweiligen Modulationssystem extrahieren, die Messergebnisse ausgeben und das extrahierte Signal in verschiedenen Formaten darstellen. Eine gute Software bietet zahlreiche zusätzliche Darstellungsmöglichkeiten für die Daten. Der Anwender kann außerdem mit MATLAB eigene Ausgabeformate erstellen.

Beim Übergang von Forschung und Entwicklung zu Qualifikation und Produktion ist es wichtig, den Unterschied zwischen einem kohärenten Instrument und einem kohärenten Empfänger zu verstehen. Ein Instrument wird speziell im Hinblick auf die größte Bandbreite und das bestmögliche kalibrierte Verhalten entwickelt. Im Gegensatz dazu verfügt ein Empfänger nur über die mindestens notwendige Bandbreite, um eine gewisse Bitfehlerrate bei einem vorgegebenen optischen Signal-Rausch-Verhältnis nicht zu überschreiten. Dies bedeutet, dass die Qualität des Auges geringer ist, als mit einem kalibrierten Instrument.

Zudem besteht keine Möglichkeit die Testtoleranz genau zu bestimmen oder die Ausfallursachen zu sehen. Die Rolle des Empfängers besteht darin, die Bandbreite so anzupassen und einzuengen, dass sich möglichst viele Störungen beseitigen lassen. Damit ist er aber ein schlechter Ersatz für ein Testinstrument - mit Ausnahme einfacher Pass/Fail-Tests.

In einer Fertigungsumgebung kann der kohärente Signalanalysator für automatische Tests konfiguriert werden und so eine erhebliche Zeitersparnis erreicht werden. . Durch den Einsatz von graphischen Benutzerschnittstellen können verschiedene Anwender mit unterschiedlichen Qualifikationen das System erlernen und nutzen. Zudem können Entzerrungs- und Phasenwiederherstellungsalgorithmen in einer interaktiven Umgebung live geprüft werden, um deren Verhalten zu optimieren. Da sich so die Auswirkungen von Bandbreitenbeschränkungen an unterschiedlichen Stellen in der Signalkette untersuchen lassen, hilft dies dabei, jene Stellen zu finden, an welchen diese Beschränkungen übermäßige Fehler verursachen.

Der Einfluss der Leistungsfähigkeit des Digitalisierers

Eine der wichtigsten Anforderungen für einen kohärenten optischen Signalanalysator ist die genaue Darstellung des die Faser durchlaufenden Signals auf einem Bildschirm. Die Genauigkeit lässt sich anhand der Empfindlichkeit, Linearität und Bandbreite des Digitalisierers abschätzen. Für ein vorgegebenes kohärentes optisches Frontend ist das Digitalisierungssystem eine entscheidende Variable für die Genauigkeit des gesamten Messsystems.

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Das Bild 3 zeigt ein elektrisches Signal bei 28 Gbaud mit einer Polarisationsebene mit unterschiedlichen Digitalisierern erfasst. In dem Diagramm sind ganz links die Auswirkungen einer Bandbreitenbeschränkungen bei einem Oszilloskop mit einer Bandbreite von <20 GHz deutlich in der Abrundung des Auges und der nicht ganz flachverlaufenden oberen und unteren Signallinien zu erkennen. Obwohl das Auge in diesem Fall komplett offen ist, was sich als fehlerfreie Messung interpretieren lässt, wird das Eingangssignal trotzdem nicht vollständig genau dargestellt. Mit zunehmender Bandbreite wird auch die Qualität des Auges besser.. Die hohe Qualität des Auges – weite Öffnung bei geringem Rauschen bei 33GHz Bandbreite und 100 GS/s Abtastrate des Oszilloskops - verdeutlicht die Bedeutung eines genauen und empfindlichen Digitalisierers.

Der Vorteil eines Digitalisierers mit großer Bandbreite in Kombination mit einem kohärenten Analysator besteht darin, dass die Ursachen von Leistungseinbußen in einem optischen Übertragungssystem deutlich werden. Bild 4 zeigt eine andere Darstellung der Bandbreite, in diesem Fall als Signalspektrum. Bei einer Oszilloskopbandbreite von 20 GHz sind die Grenzen des Modulators und des Modulatortreibers nicht sichtbar, hier ist die Bandbreite des Oszilloskops selbst der limitierende Faktor. Bei 33-GHz-Bandbreite wird allerdings der Roll-Off des Modulators deutlich sichtbar, da hier die Bandbreite des Digitalisierers und des optischen Empfängers keine Rolle mehr spielen.

Verschiedene Messungen, um Fehler aufzuspüren

Der kohärente optische Signalanalysator bietet verschiedene Messungen, um an die Ursache der Probleme zu kommen und die verschiedenen Störquellen zu verstehen. Eine nützliche Messung ist die Betrachtung der Konstellationsfehler am Sender, einschließlich EVM, Q-Faktor und Phasenwinkel.

Die Ermittlung des EVM-Werts ist im Prinzip eine analoge Messung eines später digital modulierten Signals. Wie in Bild 5 dargestellt, ergibt sich der EVM-Wert aus der Messung des Abstands der erfassten Symbole von deren Idealposition. Der Wert kann als Mittelwert oder als eine Funktion der Zeit aufgelistet werden. Ein Vorteil des EVM-Werts ist, dass das Pattern nicht bekannt sein muss – im Gegensatz zur Messung des Q-Faktor.

Andererseits erlaubt die Q-Faktor-Messung eine realistischere und detailreichere Betrachtung der Symbole. Beim Q-Faktor verschiebt das System den Entscheidungsgrenzwert und zählt die Bitfehler in Abhängigkeit vom jeweiligen Entscheidungsgrenzwert. Mit Q-Plots, die quasi einer invertierten Badewannenkurve entsprechen, lassen sich die I- und Q-Komponenten eines kohärent modulierten Auges darstellen. Das Q-Plot liefert nicht nur die vorhergesagte Bitfehlerrate, sondern auch eine einzelne Messung der Augenqualität als Q-Faktor. Dies ermöglicht eine schnelle Bestimmung, ob Störungen in der Bandbreite durch die Optimierung von Q vorliegen.

Eine weitere Messung zur Ermittlung von Ursachen ist der Konstellationsphasenwinkel, der mit einem kalibrierten Instrument sehr genau ausgelesen werden kann. Bild 7 zeigt einen Phasenwinkel von 76° zwischen der I- und Q-Komponente eines modulierten Signals im Vergleich zum idealen Winkel von 90°. Solch ein Signal wäre in einem Back-to-Back-Szenario fehlerfrei. Mit zunehmenden Störungen würde allerdings die Fehlerrate wahrscheinlich schneller anwachsen, als bei einem genauer eingestellten System.

* Dean Miles ist bei Tektronix für das Technische Marketing verantwortlich.

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