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Optische Kommunikationssysteme Was beim Test kohärenter optischer Transceiver zu beachten ist

Autor / Redakteur: Dean Miles * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Signalanalysatoren für kohärente Lichtwellen sollen dabei helfen, optische Netzwerke besser zu verstehen und zu optimieren. Dabei kommt es darauf an, Fehler im Design zu erkennen und zu beheben.

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Bild 1: Architektur eines Signalanalysators für kohärente Lichtwellen
Bild 1: Architektur eines Signalanalysators für kohärente Lichtwellen
(Tektronix)

Langstreckennetze werden auf 100G-Lösungen umgestellt, die auf kohärente optische Multiplexverfahren basieren. Derzeit besteht die Lösung darin, die spektrale Effizienz der vorhandenen Lichtwellenleiter zu erhöhen. Dazu wollen die Betreiber vom konventionellen OOK-Verfahren (On-Off Keying) auf Modulationsverfahren, wie DP-QPSK, QAM und verschiedene Varianten von OFDM umstellen.

Diese kohärenten Lichtwellen-Verfahren werden inzwischen von der Forschung und Entwicklung in die Fertigung und den Produktiveinsatz überführt. Dabei begnügen sich viele Entwicklungslabore immer noch mit selbst erstellten kohärenten Empfängern und Analysesoftware, oft in Verbindung mit adaptiven Equalizern, um die Augenöffnung unter allen Bedingungen zu maximieren. Dieser Ansatz ist zwar wichtig für die Empfängerentwicklung, allerdings können kritische Ursachen für Signalverzerrungen im Übertragungssystem übersehen werden.

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Optische Netzwerke verstehen und optimieren

Mit einem Signalanalysator für kohärente Lichtwellen, wie dem OM4000 von Tektronix, lassen sich optische Netzwerke mit Modulationsverfahren wie DP-QPSK besser verstehen und optimieren. Das Signal kann analysiert werden und es lassen sich Konstellationsparameter, Quadratur- und Modulator-Bias-Werte, Symbolmaskierung, EVM, Signal- und Phasenspektrum, BER und Q vs. Entscheidungsgrenzwert messen.

Mit dem Übergang der 100G-Technologie von der Forschung und Entwicklung zur Qualifikation und Produktion wird die von einem kohärenten Signalanalysator ermöglichte Testautomatisierung zunehmend wichtiger. Zu den weiteren Möglichkeiten eines Signalanalysators gehören die Prüfung von Entzerrungs- und Phasenwiederherstellungsalgorithmen und die Fähigkeit, die verschiedenen Auswirkungen von Bandbreitenbeschränkung zu verstehen, ob am Sender, Digitalisierer oder Empfänger.

Abhilfe sollen charakterisierte, kalibrierte und wiederholbare Analysemethoden schaffen. Viele der für die Sicherstellung der Interoperabilität erforderlichen Teststandards, wie die meist für serielle Datenkommunikationssysteme verwendeten Augen-Diagramme, wurden noch nicht für das derzeit führende und von der OIF (Optical Internetworking Forum) spezifizierte DP-QPSK-Format definiert.

Ein Q-Faktor-Test erlaubt somit allenfalls eine Überprüfung des problemlosen Zusammenspiels von Komponenten. Die Konzeption einer Teststrategie, die auf die unterschiedlichen kohärenten Modulationssysteme der künftigen Standards und Technologien angepasst werden kann, ist damit dringend notwendig.

Bei der Entwicklung und dem Einsatz kohärenter faseroptischer Übertragungssysteme für Langstrecken muss sichergestellt werden, dass kohärente optische Transceiver ein voraussagbares Bitfehlerratenverhalten und wiederholbare Gütefaktoren erreichen.

Testherausforderungen und Ansätze zur Fehlererkennung

In einem Übertragungssystem ist die Fähigkeit, die Fehlerursache erkennen zu können, wenn ein Transceiver bei der Prüfung in der Produktion oder im Einsatz ausfällt, entscheidend für den Erfolg. Leider sind die gängigen Methoden für die Messung von Phasen-modulierten Signalen nicht ausreichend. Zum Beispiel liefert eine Fotodiode, die normalerweise als Empfänger für OOK- oder Amplitudenmodulierte Signale genutzt wird, bei einem Phasenmodulierten Signal nur Einsen am Ausgang. Konventionelle Augendiagrammanalysatoren sind in ihrer gegenwärtigen Konfiguration nicht geeignet, da sie diese Werte nicht darstellen können.

Stattdessen wird ein Signalanalysator für kohärente Lichtwellen benötigt, der die Phaseninformation ableiten kann. Hierzu wird das eingehende zu prüfende Feld oder Signal mit einem integrierten Laser gemischt, der mit einer festen Wellenlänge arbeitet. Mit dem kohärenten Analysator lässt sich das optische Signal in der komplexen Ebene betrachten. Das Testsystem sollte auch Störungen kompensieren können. Direkte Methoden arbeiten begrenzt per Hardware, während ein kohärenter Ansatz das per Software realisiert. Die benutzte Firmware für Phasen- und Taktrückgewinnung, Polarisationsauflösung und Entzerrung wird emuliert. Die Bitfehler verursachenden Probleme werden sichtbar.

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Die kohärenten Testinstrumente können in der Fertigung für einen Funktionstest eingesetzt werden und um mögliche Fehlerquellen zu finden. Abgeglichen werden Sendermodulator, Loop Tracking, Quellenleistung und Linienbreite sowie Einstellungen am Laser, die Bestimmung der Treiberleistung des Modulators und dessen Signalqualität. Weitere mögliche Fehlerquellen und Ausfallursachen sind Funktionsgrenzwerte und Toleranzreserven des Empfängers und die hybride Kalibrierungsmatrix des Empfängers im optischen Pfad.

Die kohärenten Signalanalysatoren

Bei kohärenter Detektion hat die komplexe (Quadratur~) Modulation mit Polarisations-Diversität den Vorteil, dass das gesamte elektrische Feld des optischen Trägers ausgenutzt werden kann. Neben einer höheren spektralen Effizienz ermöglicht der Zugang zu diesen Feldgrößen am kohärenten Empfänger eine mathematische Filterung, um Störungen wie die chromatische Dispersion und eine Polarisationsmoden-Dispersion auszugleichen. Die Signalqualität kann dann mit Hilfe einer Metrik wie dem Q-Faktor oder dem EVM-Wert gemessen werden. Damit lassen sich Sender, Transceiver, Transponder, Laser, Modulatoren und Halbleiterbauteile charakterisieren und debuggen.

Ein Kohärenz- oder Konstellationsanalysator besteht aus einem optischen Frontend und unterstützt DualPolarisation. Hinzu kommt ein ein voll integriertes Echtzeit- oder Sampling-Oszilloskop mit großer Bandbreite und niedrigem Grundrauschen. Damit lässt sich der Ausgang von vier symmetrischen Fotoempfängern digitalisieren und das Ergebnis verarbeiten, um die Phase und den Takt wieder zu gewinnen. Das Gerät liefert eine stabile Konstellation sowohl für die X- als auch die Y-Polarisationen der kohärent modulierten Signale in der Faser. Der kohärente Analysator kalibiert vollständig den Fasereingang bis zum elektrischen Ausgang.

Wird ein Oszilloskop mit der größten Bandbreite, der höchsten Taktfrequenz und der besten Empfindlichkeit eingesetzt, dann kann der kohärente optische Analysator das optische Feld im Lichtwellenleiter vollkommen kalibrieren und originalgetreu darstellen. Kalibriert werden außerdem die Pfadverstärkung, der Phasenwinkel und der Frequenzgang sowie der Synchronisationsfehler und der Pfadverzögerung des analogen Frontends.

Als optisches Frontend des Digitalisierers verfügt der kohärente Referenzempfänger über einen Eingang für zwei Singlemode-Fasern - der eine für das Signal und der andere für die Phasenreferenz oder den lokalen Oszillator. Im Empfänger wird die Phasenreferenz gleichmäßig in eine X- und eine Y-Polarisationen aufgeteilt und mit dem Signal in zwei Zweige (I und Q) gemischt. Die vier Kanäle werden durch symmetrische Fotodetektoren umgewandelt und als elektrische Ausgangssignale bereitgestellt, die dann in ein Oszilloskop mit ausreichender Bandbreite eingespeist werden, um den Signalverlauf der Differenzfrequenz zu erfassen.

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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