光通信系統誤差矢量幅度測量分析

賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國信息通信研究院技術與標準研究所，北京100191）

光通信系統誤差矢量幅度測量分析

賴俊森，湯曉華，湯瑞，趙鑫，趙文玉，張海懿

（中國信息通信研究院技術與標準研究所，北京100191）

高速光傳輸引入矢量調制格式對信號質量測量和性能分析提出了新的挑戰和需求。誤差矢量幅度（EVM）是測試評估矢量調制信號的重要參數，在分析EVM參數定義、測試方法和設備的基礎上，討論EVM及其相關參數測量的應用現狀和標準化進展。

誤差矢量幅度；光信噪比；質量因子；誤碼率

1 引言

云計算、移動互聯和物聯網等新型業務的飛速發展提出了越來越高的網絡帶寬需求，從而推動高速大容量光傳輸技術不斷向前發展。在已獲廣泛部署的100 Gbit/s光通信系統中，基于相干檢測技術的偏振復用正交相移鍵控（DP-QPSK）碼型調制取代10 Gbit/s/40 Gbit/s時代的強度調制直接檢測成為主流，而超100 Gbit/s光通信系統為了進一步提升系統容量與頻譜效率，將會引入以多電平正交幅度調制（如DP-16QAM）碼型為代表的高階矢量調制。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統中引入的相干檢測技術和新型調制格式將會對系統性能的檢測評估提出新的挑戰和需求。

對于光通信系統而言，接收誤碼率（BER）是最本質的性能表征參數，BER測量需要解開信號封裝幀結構進行凈荷分析，隨著前向糾錯（FEC）技術的發展，光通信系統接收機的誤碼率通常極低，進行準確的BER測試十分耗時且無必要。對于強度調制光信號，由眼圖測量可定義質量因子：Q=(μ1-μ0)/(σ1+σ0)，其中，μi和 σi分別為 1 和 0 電平的均值與方差，系統糾錯前誤碼率（Pre-FEC BER）和Q值之間存在近似關系：Pre-FEC BER≈erfc(Q/2)/2。隨著相位調制和正交幅度調制格式的引入，基于線路側時域檢測的眼圖測量和Q值物理定義不再適用，但上述數學近似關系依然成立，所以通過統計Pre-FEC BER計算Q值也是系統性能測試常用參數，但其無法準確反映傳輸通道特性，也不能區分不同損傷來源帶來的影響。光信噪比（OSNR）是光層性能測試與評價的最重要指標之一，但其也無法全面反映光信號特性和損傷情況，例如在非線性受限的100 Gbit/s光通信系統中，提高入纖功率可以優化OSNR，但引入非線性損傷卻導致接收端信號質量劣化。在100 Gbit/s及以上速率的高速光通信系統中，由于調制速率的上升和偏振復用技術的引入，導致傳統線性內插和偏振歸零等OSNR測試方法難以使用，而研究準確的在線式OSNR監測技術也是目前光通信系統性能檢測領域的一個熱點和難點。

誤差矢量幅度（error vector magnitude，EVM）是矢量調制信號質量評估的重要參數，在無線通信領域已獲得廣泛應用。EVM測量能夠同時反映多種損傷對星座點幅度和相位的不同影響，較為全面地評估發射機調制質量和信號傳輸性能，具有對信號速率與調制格式透明的優點。在軟件定義網絡的物理層架構中，光物理層的波特率、調制格式和頻譜占用率等鏈路參數能夠根據網絡狀態和業務需求進行靈活配置和調整，在此背景下進行準確和全面的光層信號質量檢測與分析變得更加重要。國際標準化組織，例如IEC、ITU-T和OIF等已經對EVM的定義和測試方法及其在光通信領域的應用展開討論并取得了一定進展。本文分析EVM參數定義、測試方法和設備，討論EVM測量的應用和標準化進展。

2 EVM參數的定義

矢量調制可以同時利用光載波的幅度和相位變化來加載數字信號，對于矢量調制信號，通常采用能夠表征幅度與相位信息的復平面星座圖（僅含采樣判決點）或IQ圖（包含采樣過渡點）來顯示。在如圖1（a）所示的星座圖中，每個調制符號的采樣判決點對應一個星座點，該點與理想參考點之間的位置偏差可采用誤差矢量幅度進行描述：其 中，Imeans和Qmeans需要進行幅度歸一化處理。根據IEC標準，對于所有星座圖采樣點，EVM定義為其誤差矢量幅度的均方根值：以理想參考點中的最大矢量幅度為基準，表示為百分比值。在ITU-T的標準討論中，還引入了一種新的基于星座圖點命中率（hit ratio，HR）的EVM定義，即 EVMhitratio[1，2]。對于 n 個星座圖點，計算 EVM(n)并從大到小排序，以一定的命中率，如hr=5×10-5，排除其中部分極大值點：m=n-n·hr，則 EVMhitratio=max[EVM(m)]，同樣以理想參考點最大矢量幅度為基準表示為百分比值。如果在IQ圖中對包含采樣過渡點在內的所有IQ圖點計算EVMrms，則可以得到單個符號周期的時域解析EVM分布（TR-EVM），如圖1（b）[3]所示，其中，半符號周期處為理想采樣判決位置，TR-EVM可以定性地反映調制符號的信號質量，有廠商提出采用類似眼圖模板的TR-EVM模板進行矢量調制信號質量評價。

圖1 EVM定義與測量原理

3 EVM參數測試方法與設備

圖2 相干光通信中的EVM測量

對矢量調制信號進行EVM測試主要采用相干檢測和線性光采樣兩種方法，如圖2所示。其中相干檢測使用與信號光相同波長的窄線寬連續光源作為本振光 （LO），與信號光進行偏振與相位分集的相干混頻和平衡探測，完成矢量調制信號光場到電場的線性搬移，其實現過程與相干光通信系統接收機完全相同。線性光采樣在相干混頻與平衡探測部分與相干檢測一致，區別在于使用滿足采樣信號頻譜完全覆蓋信號光譜要求的低重復頻率的超短光脈沖采樣信號作為本振光源與信號光進行相干混頻，并同步觸發模數轉換進行峰值采樣，完成對于信號光場的等效時間采樣。線性光采樣的優點在于可以使用低帶寬的電域處理系統對高速光信號進行測量，可監測光信號的速率理論上僅受采樣光脈沖最小脈寬的限制，但其中的等效時間采樣相當于對光信號在單個符號周期內進行遍歷采樣，丟棄了時域信息無法進行數字信號碼流的解調和分析。相干檢測和線性光采樣的DSP算法解調過程基本一致，首先經過重采樣時鐘恢復，進行線性和非線性損傷補償，之后做偏振解復用與信號相位恢復，即可得兩個偏振態信號的星座圖（相干檢測）或IQ圖（線性光采樣）進行EVM測試。相比于BER和Q值測試，EVM無需對解調信號進行判決、糾錯和幀結構解析，DSP解調部分的處理相對簡單。

目前，基于相干檢測技術的光調制分析儀（OMA）主要包括是德科技 （原安捷倫）的N439x系列和泰克科技的OM4000系列等，而線性光采樣調制分析儀主要是EXFO公司的PSO-200系列，基于相干探測的OMA受電域采樣和處理器件的帶寬限制，最大模擬帶寬難以突破70 GHz瓶頸，而線性光采樣OMA則不存在模擬帶寬的電子瓶頸，但等效時間采樣方式無法獲得采樣判決點星座圖，也不能存儲和解調分析真實碼流，監測分析能力受限[4]。此外，由于相干探測OMA的LO光自身存在線寬和相位噪聲的影響，會使EVM檢測引入誤差，需要考慮EVM測量的不確定度并消除其影響，例如參考文獻[5]中采用將EVM參數溯源至已校準光源光功率的方法，能夠有效地進行EVM測試準確性的溯源和比對。

4 EVM測量應用及標準化進展

EVM參數可以表征矢量調制信號的電場信息，包含了發射機、傳輸信道和接收機的影響，同時與DSP數字解調算法關系密切。對于同為電層性能參數的Q值，在加性高斯白噪聲（AWGN）信道和忽略接收機熱噪聲與散彈噪聲影響的情況下，EVM和 Q有關系近似為：Qm-QAM≈1/其中，m為矢量調制格式的階數。在同樣的近似條件下，對于光層性能參數OSNR，可以得 到 EVM和 OSNR間 的 近 似 關 系 ：EVMrms=1/其中，k與矢量調制階數和接收機電層噪聲基底有關。在采用SHF46215B+N4391A的實驗平臺EVM測試和多廠商發射機EVM測試中，EVM和Q值的近似關系基本吻合，在低 OSNR區間（＜22 dB），EVM和 OSNR測量結果與近似關系式基本吻合，但在高OSNR區間，由于接收機噪聲影響明顯，上述近似關系不再成立。

對于矢量信號IQ調制而言，多種發射機損傷均會對調制信號質量產生影響。EVM及相關參數監測可以對IQ調制發射機性能進行全面測試評價。如圖3所示，低頻的驅動電壓幅度噪聲引入EVM幅度誤差，激光器線寬和相位噪聲引入EVM相位誤差，IQ調制器兩路輸入電壓不同導致IQ增益不平衡，相位調制器偏置電壓誤差引入正交誤差，數據調制器偏置電壓誤差導致整個星座圖的IQ偏移，IQ驅動信號之間的定時誤差產生IQ時延，影響過渡采樣點分布。對包含損傷的發射機光信號進行EVM測試，需要對損傷進行算法預補償以消除其影響，例如IQ偏移、增益不均衡和正交誤差等，才能夠保證EVM參數測量結果的有效性。通過補償算法對上述損傷相關參數進行定量分析并與EVM參數測量結果相結合，可以對IQ調制發射機性能進行較為全面的評估。

在發射機EVM相關參數測試中，需要考慮在不同損傷情況下，EVM參數變化與引入的OSNR代價之間的關系，同時分析不同損傷疊加情況下EVM參數的變化規律以及EVM不同定義和參數選擇的問題。其中，圖4（a）所示OSNR劣化導致兩種不同定義的EVM參數變化的趨勢較為一致，但EVMhitratio參數中的命中率選擇對測試結果存在影響，根據第2節中的定義可知，由于EVMhitratio測試關注的是星座圖點分布的邊界狀態而非統計狀態，所以不同命中率的選擇直接關系排除星座圖極值點的數量以及最終的測試結果，命中率選擇越小，則極值點的影響越明顯，EVMhitratio的穩定性越差，但命中率選擇過大則有可能導致EVMhitratio對于信號損傷變化的不敏感，需要折中考慮。圖4（b）為IQ不均衡和正交誤差并存時的EVM參數測量結果，在無正交誤差的情況下，EVM參數隨IQ不均衡的劣化而增大，但是在星座圖點存在正交誤差時，IQ不均衡的劣化對EVM參數的影響是先減小后增大，說明IQ不均衡和正交誤差兩種損傷之間存在一定的相互補償關系而非簡單的線性疊加。此外，由圖4（b）可見，在多損傷并存的條件下，EVMrms參數相較于EVMhitratio參數具有更大的測試結果動態范圍和更優的變化趨勢一致性，所以參數能夠更加準確反應并存損傷的影響。

在標準化方面，IEC在2013年公布了TR 61282-10:2013標準，定義了使用EVM參數進行矢量調制信號質量分析的方法、EVM參數的測試手段以及EVM參數與其他相關參數，例如幅度誤差、相位誤差和正交誤差等的關系和影響。ITU-T SG15 Q6在2012年開始修訂面向城域波分互聯的G.698.2標準，對矢量調制信號的EVM參數進行討論，在和兩種參數定義之間進行評估和選擇，進一步提出關于EVM、IQ偏移、正交誤差、增益不均衡等損傷的測量計算式。由于EVM及相關參數的定義和賦值需要大量的測試驗證和結果分析討論，測試模型中某些損傷條件難以在商用產品中模擬，并且通用EVM測試環境中的具體硬件配置和補償算法尚未達成一致，所以該標準的推進較為緩慢，目前新版本推出尚無明確時間節點。

圖3 不同發射機損傷的星座圖

圖4 發射機損傷EVM測試結果

5 結束語

EVM是矢量調制信號質量測試和性能評價的關鍵參數，既能夠包含信號光層的調制信息和傳輸信道狀態，也能夠體現接收機電層的模擬前端性能和信號解調算法，同時無需對信號幀格式進行解析，能夠較為全面地反映信號質量信息，對于高速光通信系統的測試評估和運維管理具有重要價值。EVM測試的參數定義、測試方法和測試手段基本明確，但在實際應用中面臨相干檢測與系統接收機差異以及解調算法一致性等方面的問題，就目前的標準化情況而言，EVM是保證異廠商互操作性的關鍵性能指標參數，需要進一步的實驗驗證與分析，在光通信系統中作為性能監測評價的標準依據正式推廣應用還需一定時間。

[1]ITU-T G.698.2[S/OL]. [2016-03-05].https://www.itu.int/rec/T-REC-G.698.2/en.

[2]SCHMOGROWR,NEBENDAHLB,WINTERM,etal.Errorvector magnitude as a performance measure for advanced modulation formats[J].IEEE Photonics Technology Letters,2012,24(1):61-63.

[3]IEC TR 61282-10[S/OL].[2016-03-05].https://webstore.iec.ch/publication/5100.

[4]沈世奎,滿祥錕,簡偉,等.100G系統中的誤差矢量幅度參數應用[J].郵電設計技術，2014(4):9-12.SHEN S K,MAN X K,JIAN W,et al.The application of error vector magnitude parameters in 100G system[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunication,2014(4):9-12.

[5]孫小強,陳龍泉,周峰,等.相干光傳輸系統中光調制信號分析儀溯源方法研究[J].計測技術,2015(S1):1-3.SUN X Q,CHEN L Q,ZHOU F,et al.Research on the optical modulation analyzer traceable measurement technology in coherent optical transmission systems[J].Metrology & Measurement Technology,2015(S1):1-3.

Error vector magnitude measurement and analysis in optical communication system

LAI Junsen,TANG Xiaohua,TANG Rui,ZHAO Xin,ZHAO Wenyu,ZHANG Haiyi
Technology and Standard Research Institute,China Academy of Information and Communication Technology(CAICT),Beijing 100191,China

Vector modulation format of high speed optical communication system calls for new measurement and analysis scheme.Error vector magnitude (EVM)is one of the most important parameters in vector modulation evaluation.The definition of EVM parameters,its test methods and instruments were analyzed,and application of EVM related parameter in transmitter measurement and its standardization progress were also discussed.

EVM,OSNR,Q factor,BER

s:The National Natural Science Foundation of China (No.61171076,No.61201260,No.61471128),The National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2013AA013402,No.2015AA015502)

TP913

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016159

2015-10-08；

2016-06-06

國家自然科學基金資助項目（No.61171076，No.61201260，No.61471128）；國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金資助項目（No.2013AA013402，No.2015AA015502）

賴 俊 森（1983-），男 ，博 士 ，中 國 信 息 通 信研究院技術與標準研究所高級工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網絡技術。

湯曉華（1981-），女，中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網絡技術。

湯瑞（1984-），男，中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網絡技術。

趙鑫（1984-），男，中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師，主要研究方向為高速光傳輸與光網絡技術。

趙文玉（1973-），男，博士，中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師，主要研究方向為40 Gbit/s/100 Gbit/s/WDM、OTN等光傳送網新技術研究、標準制訂以及系統測試評估。

張海懿（1974-），女，中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師、部門主任，主要研究方向為光傳輸系統、OTN、PTN、WDM 系統、SDH 系統、MSTP、自動交換光網絡以及電信傳送網絡體制標準、運營商技術咨詢。