01_40G100G测试挑战及安捷伦光复杂调制测试方案
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X/ I 偏置 X/Q 偏置 90o 偏置
激光源 RZ调制器
X偏振面I/Q调制器
π/2
可选
BS Y偏振面I/Q调制器
监测功率计
Polarization Rotator
偏振控制
X PBC
Y
Y/ I 偏置 Y/Q 偏置 90o 偏置
Y/ I 数据 Y/Q 数据 Y监测功率输出
π/2
监测功率计
Æ4 RF高速数据通道/4调制器偏置控制接口（直流）/ 2个相位控制接口（直流）/2个监测功率计输出 Æ 符号速率32G Baud 参考OIF MSA@2010-3
典型测试需求: ¾ 截止频率 ¾ 偏振特性 ¾EVM评估（应用级测试）
28
调制器频响测试
Agilent Restricted S800, November 2011
相干发射机Tx及板卡测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ Modula
tion
典型测试需求: ¾TX 调试研发
40G/100G 复杂调制信号的 安捷伦光调制分析仪N4391A 分析与探测
胡海洋 安捷伦科技高级应用工程师 021-38507731 haiyang_hu@agilent.com 2011/11/23
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
18 of 37
如何探测光调制信号
ωS 角频率（波长），ΦS 相位，AS 电场幅度
F1/Sig
F2/LO
接收机带宽 F2-F1 2F1-F2
20GHz
193THz
2F2-F1 F1+F2
193.02THz
频谱
相位参考源有2种： •时延干涉仪（delay line interferometer）[DLI接收机] •本振光源(Local Oscillator ) [相干接收机]
相干接收机Rx直流特性
解调器损耗谱测试
Delay
Photodiode Photodiode
I1
1) 测量波长相关插入损耗（或响应）和偏振相关损耗（或响应）
I2
I1-I2
Delay
1
I
I
0
Q
Signal
11
00
01
10
Æ 光I-Q 调制器具有和RF I-Q 调制器相同的架构
15 of 37
ÆQPSK调制信号的符号 (波 特) 速率是时钟速率的1/2
偏振复用
• 光信号可以被分解为2个正交的偏振态 • 每个偏振态可以独立的承载传输数据（可以将每个偏振态看成虚拟的
传输通道） • 这些信号可以采用偏振分离方法在接收机分解
解决方案: 新的调制类型以提高谱利用率
传输系统色散问题
光频率
ν 1
ν2
偏振模式
色散 偏振模式色散
信号各个组成成分 不同时间抵达
输入脉冲
输出脉冲
解决方案: 新的调制类型可以解决色散和PMD色散问题
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
预计2012开始
传输带宽需求在2007开 始急剧增长
广泛为 部署实施基于 相干通信的
为获得高灵敏度 相干传输开始研 究评估
EDFA 技术扼杀了相干通信
2008年开始 又一轮相干 通信研究兴 起
100G
Ciena.
Mike Hall, 开始研
究相干通信
80年代末
2002 2008
2012
光谱利用率问题
设备板卡 高速采样 DSP分析处理
•时钟恢复 •色散补偿(CD/PMD) •偏振同步 •均衡处理 •信号解调
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
测试面临挑战
Agilent Restricted
24
4 符号编码 １个时钟周期传输２比特
Æ其结果是即坐标中一个矢量位置代表２个比特，因此增加了２倍频谱利用率
传输速率和符号速率
数据速率: [bit/s]
0010 1110
原始数据 -> 8 比特
A
B
D
B
符号编码传输４个矢量-> 4 符号 符号速率: [符号/s ]
符号速率 (波特率) 不同于数据速率
Æ 符号速率或波特率定义为单位时钟周期传输的符号速率 - 不是数据速率
相干光通信历史
在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载
波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位，即应是相干光。激光就是一种相干光。所
谓外差检测，就是利用一束本振（LO）激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、
位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
Æ PDM 增加了带宽利用率 2倍
y-polarization
x-polarization
16 of 37
frequency
提高带宽利用率
112 Gb/s 光谱
Factor of 2 from SinglePol to PDM Factor of 2 from OOK to QPSK
50 GHz ITU通道
典型测试需求:
¾波长精度 ¾ 功率 ¾ 边模抑制, 高动态范围 ¾ 线宽 ¾ 高分辨率谱分析
27
应用测试
光谱波长测试
Agilent Restricted S800, November 2011
IQ调制器测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ modula
tion
调制信号质量测试分析
Agilent Restricted
26
S800, November 2011
载波/LO 激光器测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ Modula
tion
Local Laser
Optical Coherent
IQ det.
RX Signal Processing
Carrier Laser
PDL/PD-Lambda, PD-f
100G相干接收机
接收机模块 •偏振分离 •I/Q解调 •光电转换
接收机模块 •8个光电探测器/4个平衡接收机 •4个线性放大器（差分输出） •2个90o Hybrid •1各偏振分路器 •2个偏振合路器 •4个差分高速数据通道(AC交流耦合, GSGSG) •8个光电探测器偏置接口（DC） •4个增益控制接口（DC）
更多的矢量符号编码
Q
0000
0100 0011
1000
0001
0101 1011
1001
I
0011
0111 1111
1011
0010
0110 1111
1010
QAM 16
16 符号，每个符号编码４比特
Æ 符号 (波特) 速率是数据比特速率的1/4
新的调制技术
光强度调制 强度调制 (on-off keying): 广泛使用/调制技术简单/探测容易
BPSK 调制, 信息以成相位编码（幅度不变） 符号仍为２个（分别以相位０/180o表示１和０) !
Q
0
1
I
任意调制 幅度和相位都被调制（发生变化) 符号仍为２个.
Æ 调制幅度和／或相位不意味着相对OOK调制具有更高的传输效率
如何使信息具有更高的传输密度(效率)?
原始数据流
Q (quadrature)
光矢量调制相位调制:
•无线通信成熟应用，对于光信号还是新技术 •探测相对较复杂
偏振复用:
•相对比较新的技术 •探测复杂
相位调制(光I/Q调制)
Q
１１０００１１０
In-phase
1001
Quadrature
1010
1
0
0
1
0
1
I
光I/Q调制器
01
Q 11
QPSK Signal
I
π/2
00
10
Q
QPSK constellation map
Ix
Qx
通
道
间
时
延
Iy
S
k
e
w Qy
PBS: 偏振消光比（PER） 无源90oHybrid：
IL/Isolation/RL
光电探测器(平衡接收) 带宽(交流响应)
FSR & FSR error,
增益(直流/交流响应)
Tunning Range(FSR). Tunning Speed,
Optical Path Delay
什么是数字调制
载波
I
原始信息
0 模拟调制的目的是将模拟基带信号转换正模拟调 数字调制是原始信息(如IP流量)转换成数字比 制信号(如CATV信号),通过载波在模拟通带通道发 特流，通过载波在模拟通带通道发送出去． 送出去.
光波也是电磁波，其电场也有幅度和频率/相位
数字矢量调制信号
Q (Quadrature正交相位，或者虚部)
偏振复用 DQPSK QPSK
OOK
-200G
-100G
0G
100G
200G
Offset from Carrier
Æ 采用先进的调制和偏振复用，可以极大的提高频谱利用率
Æ在现有（ 50 GHz ITU通道间隔 ）系统中传输100 Gb/s 信号
17 of 37
100G DP-DQPSK发射机
X监测功率输出 X/ I 数据 X/Q 数据
I值
(I,Q)
Q值
相位 φ
电场幅度
相位 φ
I (In-phase同相，或者实部)
参考信号
幅度
距离
每一个载波信号可以通过两个参数描述： • 幅度 • 相位/频率
每一个参数都可以被调制以承载信息（参与调制）
Æ矢量端点的位置称为星座点（符号位置），多个符号点构成的图为星座图
矢量编码信息
Q
01
I
Q
0
1
I
传统的On-Off (OOK) 调制 信息以幅度编码（相位不变） ２种符号分别幅度强弱表示１和０
¾ TX 信号质量（EVM，相位误差，正交误差，等等） ¾ TX 同步 ¾ TX 终测定标 ¾ 调制格式研究 ¾ BER ¾星座图质量
29
新的测试指标 EVM
幅度误差 相位误差 频率误差 IQ Offset 正交误差 增益失衡…etc
Agilent Restricted S800, November 2011
S800, November 2011
测试面临挑战
• 如何测试复杂调制的发射机? • 如何测试复杂调制接收机? • 如何评估整个系统/链路特性? • DSP算法软件对信号质量的影响?
发射机 o 信号质量(EVM…) o 调试工具
接收信号
o 信号质量 (EVM…) o DSP算法开发 o 链路损伤造成的失真
偏振复用解调接收机[相干接收机]
I
1
−
I
2
∝
4⋅
Ax S
⋅
A R
⋅ cos(Δφ
−
Δω ⋅ t
)
Q 1
−
Q 2
∝
4⋅
Ax S
⋅
A R
⋅
sin(Δφ无−源Δω ⋅ t
)
有源
I
3
−
I
4
∝
4⋅
Ay S
⋅
A R
⋅ cos(Δφ
−
Δω ⋅ t
)
Q 3
−
Q 4
∝
4⋅
Ay S
⋅
A R
⋅Baidu Nhomakorabea
sin(Δφ
−
Δω ⋅
t
)
调制器 • S-参数, • 带宽 • 电口反射
相干接收器件 o 相位角度vs 波长 o 时滞Skew o S-参数 o 相对增益 o S-参数 CMRR（共模抑制比） o 偏振消光比
相干接收机 / 链路 o 通道内接收机压力测试 o 误码率BER o 频谱覆盖
基本测试手段
差分光波元件分析仪（光网络分析仪） 高速数字实时示波器 频谱分析仪 RF探头 测试夹具
拍频信号（Beating）包含相位信息
当Δω< 接收机带宽（光电探测器+采样电路带 宽），光生电流幅度会随着S或R信号的幅度/相位 变化而变化。如果S/R信号幅度不变， 则相位变化 得以探测
平衡接收机
差分放大器
2x2 耦合器
平衡接收机
耦合器的自身特性：在其不同输出端口的2个臂产生光波相移, 如果 2 x 2 耦合器在S和R输出端口的相对相移恰好是π, 则接收机I1/I2差 值就是拍频信号的2倍. 具有这种结构的接收机就是平衡接收机.
3种实现40G/100G通信的途径
今天我们讨 论的重点Æ 相干光通信
4光纤/1 波长 4x10, 或4x25Gbit/s速率,
On-Off 强度调制
1 光纤/ 4 波长 4x10, 或 4x 25Gbit/s速率,
On-Off 强度调制
50 GHz 50 GHz
1 光纤, 1波长 40/100Gbit/s速率 在ITU-T 标称通道(192通道), 偏振复用相位/调制
001011100101001011110010
A B D BCCABDDAB
10
00
符号编码
I (in phase)
01
A: B: C: D:
11
a sin(ωt+45) a sin(ωt+135) a sin(ωt+225) a sin(ωt+315)
-> 00 -> 10 -> 01 -> 11
Local Laser
o本振激光 o 线宽 o 相位噪声 o 相对噪声强度RIN
TX Data
Carrier Laser
TX Modula
tion
损耗, 偏振相关损耗 色散, 偏振模式色散
串扰
Optical Coherent
RX
RX Signal Detection
载波激光 o 线宽 o 相位噪声 o 相对强度噪声RIN
激光源 RZ调制器
X偏振面I/Q调制器
π/2
可选
BS Y偏振面I/Q调制器
监测功率计
Polarization Rotator
偏振控制
X PBC
Y
Y/ I 偏置 Y/Q 偏置 90o 偏置
Y/ I 数据 Y/Q 数据 Y监测功率输出
π/2
监测功率计
Æ4 RF高速数据通道/4调制器偏置控制接口（直流）/ 2个相位控制接口（直流）/2个监测功率计输出 Æ 符号速率32G Baud 参考OIF MSA@2010-3
典型测试需求: ¾ 截止频率 ¾ 偏振特性 ¾EVM评估（应用级测试）
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调制器频响测试
Agilent Restricted S800, November 2011
相干发射机Tx及板卡测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ Modula
tion
典型测试需求: ¾TX 调试研发
40G/100G 复杂调制信号的 安捷伦光调制分析仪N4391A 分析与探测
胡海洋 安捷伦科技高级应用工程师 021-38507731 haiyang_hu@agilent.com 2011/11/23
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
18 of 37
如何探测光调制信号
ωS 角频率（波长），ΦS 相位，AS 电场幅度
F1/Sig
F2/LO
接收机带宽 F2-F1 2F1-F2
20GHz
193THz
2F2-F1 F1+F2
193.02THz
频谱
相位参考源有2种： •时延干涉仪（delay line interferometer）[DLI接收机] •本振光源(Local Oscillator ) [相干接收机]
相干接收机Rx直流特性
解调器损耗谱测试
Delay
Photodiode Photodiode
I1
1) 测量波长相关插入损耗（或响应）和偏振相关损耗（或响应）
I2
I1-I2
Delay
1
I
I
0
Q
Signal
11
00
01
10
Æ 光I-Q 调制器具有和RF I-Q 调制器相同的架构
15 of 37
ÆQPSK调制信号的符号 (波 特) 速率是时钟速率的1/2
偏振复用
• 光信号可以被分解为2个正交的偏振态 • 每个偏振态可以独立的承载传输数据（可以将每个偏振态看成虚拟的
传输通道） • 这些信号可以采用偏振分离方法在接收机分解
解决方案: 新的调制类型以提高谱利用率
传输系统色散问题
光频率
ν 1
ν2
偏振模式
色散 偏振模式色散
信号各个组成成分 不同时间抵达
输入脉冲
输出脉冲
解决方案: 新的调制类型可以解决色散和PMD色散问题
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
预计2012开始
传输带宽需求在2007开 始急剧增长
广泛为 部署实施基于 相干通信的
为获得高灵敏度 相干传输开始研 究评估
EDFA 技术扼杀了相干通信
2008年开始 又一轮相干 通信研究兴 起
100G
Ciena.
Mike Hall, 开始研
究相干通信
80年代末
2002 2008
2012
光谱利用率问题
设备板卡 高速采样 DSP分析处理
•时钟恢复 •色散补偿(CD/PMD) •偏振同步 •均衡处理 •信号解调
内容安排
40G/100G的市场需求和挑战 数字调制基础&复杂调制信号的产生 新技术引入新的测试挑战 安捷伦N4391A光调制分析仪及应用
测试面临挑战
Agilent Restricted
24
4 符号编码 １个时钟周期传输２比特
Æ其结果是即坐标中一个矢量位置代表２个比特，因此增加了２倍频谱利用率
传输速率和符号速率
数据速率: [bit/s]
0010 1110
原始数据 -> 8 比特
A
B
D
B
符号编码传输４个矢量-> 4 符号 符号速率: [符号/s ]
符号速率 (波特率) 不同于数据速率
Æ 符号速率或波特率定义为单位时钟周期传输的符号速率 - 不是数据速率
相干光通信历史
在相干光通信中主要利用了相干调制和外差检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载
波的频率、相位和振幅，这就需要光信号有确定的频率和相位，即应是相干光。激光就是一种相干光。所
谓外差检测，就是利用一束本振（LO）激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、
位相和振幅按相同规律变化的中频信号。
Æ PDM 增加了带宽利用率 2倍
y-polarization
x-polarization
16 of 37
frequency
提高带宽利用率
112 Gb/s 光谱
Factor of 2 from SinglePol to PDM Factor of 2 from OOK to QPSK
50 GHz ITU通道
典型测试需求:
¾波长精度 ¾ 功率 ¾ 边模抑制, 高动态范围 ¾ 线宽 ¾ 高分辨率谱分析
27
应用测试
光谱波长测试
Agilent Restricted S800, November 2011
IQ调制器测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ modula
tion
调制信号质量测试分析
Agilent Restricted
26
S800, November 2011
载波/LO 激光器测试
TX electronic
Carrier Laser
IQ Modula
tion
Local Laser
Optical Coherent
IQ det.
RX Signal Processing
Carrier Laser
PDL/PD-Lambda, PD-f
100G相干接收机
接收机模块 •偏振分离 •I/Q解调 •光电转换
接收机模块 •8个光电探测器/4个平衡接收机 •4个线性放大器（差分输出） •2个90o Hybrid •1各偏振分路器 •2个偏振合路器 •4个差分高速数据通道(AC交流耦合, GSGSG) •8个光电探测器偏置接口（DC） •4个增益控制接口（DC）
更多的矢量符号编码
Q
0000
0100 0011
1000
0001
0101 1011
1001
I
0011
0111 1111
1011
0010
0110 1111
1010
QAM 16
16 符号，每个符号编码４比特
Æ 符号 (波特) 速率是数据比特速率的1/4
新的调制技术
光强度调制 强度调制 (on-off keying): 广泛使用/调制技术简单/探测容易
BPSK 调制, 信息以成相位编码（幅度不变） 符号仍为２个（分别以相位０/180o表示１和０) !
Q
0
1
I
任意调制 幅度和相位都被调制（发生变化) 符号仍为２个.
Æ 调制幅度和／或相位不意味着相对OOK调制具有更高的传输效率
如何使信息具有更高的传输密度(效率)?
原始数据流
Q (quadrature)
光矢量调制相位调制:
•无线通信成熟应用，对于光信号还是新技术 •探测相对较复杂
偏振复用:
•相对比较新的技术 •探测复杂
相位调制(光I/Q调制)
Q
１１０００１１０
In-phase
1001
Quadrature
1010
1
0
0
1
0
1
I
光I/Q调制器
01
Q 11
QPSK Signal
I
π/2
00
10
Q
QPSK constellation map
Ix
Qx
通
道
间
时
延
Iy
S
k
e
w Qy
PBS: 偏振消光比（PER） 无源90oHybrid：
IL/Isolation/RL
光电探测器(平衡接收) 带宽(交流响应)
FSR & FSR error,
增益(直流/交流响应)
Tunning Range(FSR). Tunning Speed,
Optical Path Delay
什么是数字调制
载波
I
原始信息
0 模拟调制的目的是将模拟基带信号转换正模拟调 数字调制是原始信息(如IP流量)转换成数字比 制信号(如CATV信号),通过载波在模拟通带通道发 特流，通过载波在模拟通带通道发送出去． 送出去.
光波也是电磁波，其电场也有幅度和频率/相位
数字矢量调制信号
Q (Quadrature正交相位，或者虚部)
偏振复用 DQPSK QPSK
OOK
-200G
-100G
0G
100G
200G
Offset from Carrier
Æ 采用先进的调制和偏振复用，可以极大的提高频谱利用率
Æ在现有（ 50 GHz ITU通道间隔 ）系统中传输100 Gb/s 信号
17 of 37
100G DP-DQPSK发射机
X监测功率输出 X/ I 数据 X/Q 数据
I值
(I,Q)
Q值
相位 φ
电场幅度
相位 φ
I (In-phase同相，或者实部)
参考信号
幅度
距离
每一个载波信号可以通过两个参数描述： • 幅度 • 相位/频率
每一个参数都可以被调制以承载信息（参与调制）
Æ矢量端点的位置称为星座点（符号位置），多个符号点构成的图为星座图
矢量编码信息
Q
01
I
Q
0
1
I
传统的On-Off (OOK) 调制 信息以幅度编码（相位不变） ２种符号分别幅度强弱表示１和０
¾ TX 信号质量（EVM，相位误差，正交误差，等等） ¾ TX 同步 ¾ TX 终测定标 ¾ 调制格式研究 ¾ BER ¾星座图质量
29
新的测试指标 EVM
幅度误差 相位误差 频率误差 IQ Offset 正交误差 增益失衡…etc
Agilent Restricted S800, November 2011
S800, November 2011
测试面临挑战
• 如何测试复杂调制的发射机? • 如何测试复杂调制接收机? • 如何评估整个系统/链路特性? • DSP算法软件对信号质量的影响?
发射机 o 信号质量(EVM…) o 调试工具
接收信号
o 信号质量 (EVM…) o DSP算法开发 o 链路损伤造成的失真
偏振复用解调接收机[相干接收机]
I
1
−
I
2
∝
4⋅
Ax S
⋅
A R
⋅ cos(Δφ
−
Δω ⋅ t
)
Q 1
−
Q 2
∝
4⋅
Ax S
⋅
A R
⋅
sin(Δφ无−源Δω ⋅ t
)
有源
I
3
−
I
4
∝
4⋅
Ay S
⋅
A R
⋅ cos(Δφ
−
Δω ⋅ t
)
Q 3
−
Q 4
∝
4⋅
Ay S
⋅
A R
⋅Baidu Nhomakorabea
sin(Δφ
−
Δω ⋅
t
)
调制器 • S-参数, • 带宽 • 电口反射
相干接收器件 o 相位角度vs 波长 o 时滞Skew o S-参数 o 相对增益 o S-参数 CMRR（共模抑制比） o 偏振消光比
相干接收机 / 链路 o 通道内接收机压力测试 o 误码率BER o 频谱覆盖
基本测试手段
差分光波元件分析仪（光网络分析仪） 高速数字实时示波器 频谱分析仪 RF探头 测试夹具
拍频信号（Beating）包含相位信息
当Δω< 接收机带宽（光电探测器+采样电路带 宽），光生电流幅度会随着S或R信号的幅度/相位 变化而变化。如果S/R信号幅度不变， 则相位变化 得以探测
平衡接收机
差分放大器
2x2 耦合器
平衡接收机
耦合器的自身特性：在其不同输出端口的2个臂产生光波相移, 如果 2 x 2 耦合器在S和R输出端口的相对相移恰好是π, 则接收机I1/I2差 值就是拍频信号的2倍. 具有这种结构的接收机就是平衡接收机.
3种实现40G/100G通信的途径
今天我们讨 论的重点Æ 相干光通信
4光纤/1 波长 4x10, 或4x25Gbit/s速率,
On-Off 强度调制
1 光纤/ 4 波长 4x10, 或 4x 25Gbit/s速率,
On-Off 强度调制
50 GHz 50 GHz
1 光纤, 1波长 40/100Gbit/s速率 在ITU-T 标称通道(192通道), 偏振复用相位/调制
001011100101001011110010
A B D BCCABDDAB
10
00
符号编码
I (in phase)
01
A: B: C: D:
11
a sin(ωt+45) a sin(ωt+135) a sin(ωt+225) a sin(ωt+315)
-> 00 -> 10 -> 01 -> 11
Local Laser
o本振激光 o 线宽 o 相位噪声 o 相对噪声强度RIN
TX Data
Carrier Laser
TX Modula
tion
损耗, 偏振相关损耗 色散, 偏振模式色散
串扰
Optical Coherent
RX
RX Signal Detection
载波激光 o 线宽 o 相位噪声 o 相对强度噪声RIN