פיתוח התקני תקשורת אופטית מהירים באמצעות אוסילוסקופים

25 אוקטובר, 2012

אוסילוסקופים למדידות זמן אמת ובעלי רוחב-פס גדול מהווים מרכיב חיוני בפיתוח ובדיקת מערכות אופטיות עתידיות המבוססות על אפנון Complex Phase Modulation. מה הם השיקולים בבניית מערכת הפיתוח והבדיקה?

שיקולים בבניית מערכת מעבדתית לבדיקת תקשורת אופטית בשיטת Complex Phase Modulation

מאת: Greg LeCheminant, Agilent Technologies

אג'ילנט Agilentשיטת אפנון מופע מורכב (Complex Phase Modulation) משמשת להגדלת הקיבולת של התקשורת האופטית. במקום להפעיל ולכבות את מקור האור, האפנון משמש להעברת מידע דיגיטלי. שיטה זו עושה שימוש יעיל יותר ברוחב הפס הזמין, אולם מחייבת משדרים ומקלטים מתוחכמים. ציוד הבדיקה המיועד להציג אותות NRZ מאופננים אינו מצליח לספק את המידע הדרוש לאימות ביצועי המשדרים במערכת כזו.

בדיקת המשדר האופטי דורשת יותר מאשר דיאגרמות עין פשוטות. במקומן, נעשה לעתים קרובות שימוש בדיאגרמות קונסטלציה לתיאור חזותי של ביצועי התקשורת, כאשר לכידת צורת הגל מתבצעת באמצעות מקלט אופטי קוהרנטי ולאחר מכן באוסילוסקופ זמן-אמת כמו N4931A Optical Modulation Analyzer.

אג'ילנט Agilent
איור 1: תפוקות I ו-Q של מקלט קוהרנטי

איור 1 מציג מבנה של מקלט המיועד לאות אופטי באפנון מופע  מורכב (CPM). מדובר ברעיון כללי שניתן להשתמש בו כבסיס למקלט ממשי (Receiver ) או למקלט במערכת מחקר. בשני המקרים, האות האופטי המאופנן מפוצל לרכיבי קוודרטורה (Quadrature Components) ולאחר הזיהוי, המתבצע באמצעות מתנד אופטי מקומי ופוטו-דיודה, מיוצרים רכיבי ה-in-phase החשמליים ורכיבי הקוודרטורה (I ו-Q).

הווקטור שנוצר מתוך אותות I ו-Q מייצג את הפאזה והעוצמה של האות האופטי (לרוב הנתונים מיוצגים באמצעות הפאזה. בסכימות מודולציה מורכבות יותר –  גם על-ידי הפאזה וגם על-ידי העוצמה. אחד היישומים הבסיסיים של סכימה זו הוא ה-Quadrature Phase Shift Key (QPSK). הגל הנושא האופטי מאופנן בארבעה מצבי פאזה שונים, כאשר כל אחד מהם מייצג שתי סיביות מידע. איור 1 מציג את האופן, שבו וקטורי I ו-Q מייצגים אחד מתוך ארבעת מצבי הפאזה.

דילמת מהירות התקשורת

במדידת משדרים יש להמיר את וקטורי I ו-Q החשמליים המתקבלים מן המקלט האופטי לצורת תצוגה כלשהי, המאפשרת לאמוד את איכות המשדר. במערכת תקשורת ממשית, נדרשים "זיהוי" של וקטורי I ו-Q והחזרתם לצורת המידע הדיגיטלי. בדרך כלל, המקלט מצריך שימוש בממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) מהיר בעל קצב דגימה גבוה משמעותית מקצב התקשורת.

אולם כיום קיימות בשוק מערכות אופטיות שקצב התמסורת שלהן מגיע לכ-60Gbaud, וקשה מאוד לבנות התקני ADC כל-כך מהירים. אחת מהאפשרויות היא לבצע את המרת ה-ADC באמצעות אוסילוסקופ זמן אמת רחב פס. אוסילוסקופים אלה יכולים לספק כיום רוחבי פס של 60GHz  וקצבי דגימה של עד 160GSamples/s. הדבר מרחיב דרמטית את טווח האותות שניתן למדוד ומגדיל את קצב השידור (Baud-rate) האפשרי של מערכות התקשורת המחקריות. ראוי לציין שהאוסילוסקופ במקרה זה אינו משמש ככלי מדידה, אלא מהווה חלק מן המקלט המשולב במערכת התקשורת המעבדתית.

אג'ילנט Agilent
איור 2: מקלט אפנון מורכב מלא והתוצאות המוצגות

תרשים המלבנים באיור 2 מתאר הוספת התקן ADC (אוסילוסקופ) למקלט המופיע באיור 1, ואת עיבוד נתוני ה-ADC ותצוגת האות לאחר דה-מודולציה. בדוגמה זו קיימים ארבעה מצבים לוגיים או מצבי פאזה אשר מסומנים באדום, בעוד שמסלולי האותות בין המצבים מופיעים בירוק. התיאור הזה מכונה בדרך-כלל בשם "דיאגרמת קונסטלציה".

כדי להבין את אופן ייצורה של דיאגרמת הקונסטלציה, יש לזכור שהאות האופטי המקורי היה גל נושא שהפאזה שלו הוסטה בכפוף לארבעה מצבי נתונים אפשריים. כאשר האות מזוהה על-ידי המקלט הקוהרנטי, נוצרים שני אותות חשמליים המייצגים את רכיבי ה-I וה-Q של פאזת גל הנושא האופטי. איור 3 מציג את האותות החשמליים הללו והאופן שבו ניתן למפות את וקטורי ה-I וה-Q לקונסטלציה.

אג'ילנט Agilent
איור 3: צורות הגל המתקבלות דרך אוסילוסקופ המשמש כ-ADC ומיפוי הווקטורים המשולב שלהם

צורת הגל הכחולה מייצגת את רכיב ה-I, והאדומה את רכיב ה-Q. למעט באזורי מעבר (קצוות של עלייה או ירידה), האותות מציינים כי נתוני המוצא של המקלט נמצאים ברמות לוגיות גבוהות (כ-+20mV) או נמוכות (-20mV). אם נתייחס לאותות אלה כאל רכיבי קוודרטורה של וקטור נתון, נוכל להבחין באופן כללי במעבר של הווקטור למצבים ארבע-פאזיים. אם הווקטור נדגם ומוצג פעם אחת לכל baud, מתקבלת דגימה בדידה וניתן לצפות לאשכול צפוף של נקודות בכל אחד מארבעת מצבי הפאזה. אם מיפוי הווקטור מתבצע באופן רציף, נראה גם את מעברי צורות הגל, המוצגים כמסלולים בין ארבעת מצבי הפאזה.

מהי דיאגרמת קונסטלציה?

איור 3 מהווה ייצוג אידיאלי של דיאגרמת קונסטלציה. אם נבחן אותו מקרוב, נוכל לראות כי צורות הגל המשמשות כבסיס לדיאגרמת הקונסטלציה אינן אידיאליות. במקרה זה מוצגות כ-20 סיביות עבור כל צורת גל, או מקטעים בני שתי סיביות על כל "משבצת זמן". האמפליטודות הלוגיות האפקטיביות מתאפיינות בשינוי ניכר. לדוגמה, צורת הגל הכחולה מציגה לעתים שתי אמפליטודות שונות עבור שני פרקי זמן סמוכים של סיביות, האמורים להימצא ברמות גבוהות וזהות זו לזו. אם נבחן את משבצת הזמן התשיעית,  נוכל לזהות כי האות מתקבע ברמה מסוימת, אולם לאחר מכן עובר לרמה גבוהה יותר עבור הסיבית הסמוכה – אף על פי שבשני המקרים האות מייצג רמה לוגית גבוהה.

אג'ילנט Agilent
איור 4: צורת הגל של פלט נתוני האוסילוסקופ/ADC ודיאגרמת קונסטלציה

השינויים ברמות הלוגיות מתבטאים כשינוי באמפליטודה ובפאזה של וקטור I/Q, אשר מיוצגים כשינוי בדיאגרמת הקונסטלציה. במקום לראות קו מסלול יחיד בין מצבי הווקטור הצפויים, אנו רואים מספר מסלולים. לצורך העברת המידע הדיגיטלי נדרשת דגימה של אות המקלט, בדרך כלל במרכז פרק הזמן שבו הסיבית נמצאת במצב נתון (bit period). באיור 4 ניתן לראות תצוגה רציפה של וקטור ה-I/Q (עקבות ירוקות מימין), המיוצרת על סמך צורות הגל I/Q המתקבלות מה-ADC של המקלט, שהינן זהות לאותות האדומים והכחולים משמאל. כאשר הווקטורים נדגמים, מצבי הווקטור מופיעים כנקודות אדומות.

אם הסטייה מהמצב האידיאלי הופכת משמעותית, מצטמצמת ההפרדה בין ארבע קבוצות הנקודות וגדל הסיכוי לזיהוי שגוי של דגימות וקטורים. במערכות תקשורת, זהו הגורם לשגיאות סיביות. אחת השאלות החשובות שיש לשאול היא "מה גרם לשינוי". ייתכן שהדבר נובע מפגם באות המקורי ששודר, מפגמים במקלט האופטי או מתגובה לא אידיאלית של האוסילוסקופ. ברוב המקרים, סטייה מווקטור ה-I/Q האידיאלי נובעת משילוב של כל שלושת הגורמים.

ניתן לאמוד את חומרת הבעיה באמצעות Error Vector Magnitude-EVM. תיאורטית יש פאזה ועוצמה וקטוריות אידיאליות. במקרה של דוגמת ה-QPSK, קיימים ארבעה מצבי וקטור אידיאליים המפוזרים בצורה אחידה בדיאגרמת הקונסטלציה. באיור 5 ניתן לראות כיצד מיוצר וקטור שגיאה מתוך וקטור ה-I/Q שנדגם בפועל וממיקום הווקטור האידיאלי. ניתן ליצור מדד EVM באמצעות שילוב וקטורי השגיאה מתוך כל הווקטורים שנדגמו.

אג'ילנט Agilent
איור 5: בדיקה באמצעות Error-Vector-Magnitude

חוסר-ודאות מובנית

תרומת האוסילוסקופ/ADC ל-EVM איננה ברורה. בעיקרון, עלינו לקבוע את האופן שבו צורת הגל אשר מיוצרת על-ידי האוסילוסקופ סוטה מנתוני המקלט בפועל וכיצד סטייה זו משפיעה על ה-EVM. למרבה הצער, אין בנמצא מדד פשוט אחד המעיד על איכות צורת הגל. במקום זאת, עלינו להעריך את האופן שבו ה-EVM מושפע משלל תכונות בסיסיות של האוסילוסקופ.

מפרטי האוסילוסקופ הנפוצים ביותר המתארים את מידת הדיוק של המכשיר בעת שהוא משמש כ-ADC, כוללים את רוחב הפס, הרעש והריצוד. "מספר הסיביות האפקטיבי" (ENOB) הוא מדד המתאר את רמת הדיוק הכוללת של ה-ADC ומושפע משלושת הפרמטרים שהוזכרו.

קשה להצביע על קשר ישיר בין פגם ספציפי הקשור באוסילוסקופ לבין EVM. ה-EVM עשוי להיות מושפע מכל פרמטרי האוסילוסקופ שנזכרו וקשה לבודד את השפעתה של בעיה יחידה. עם זאת, ניתן לספק הכוונה מסוימת בנוגע לאופן שבו ה-EVM מושפע, ולבצע ניתוח תיאורטי פשוט לאימות התוצאות.

רוחב הפס של האוסילוסקופ הוא בעל חשיבות מרובה בכל הנוגע להשגת תוצאות EVM טובות. הוא קובע את המהירות שבה צורת הגל תוכל לעבור בין מצבים נמוכים לגבוהים. אם רוחב הפס אינו מספיק, צורות הגל עלולות שלא להגיע לעוצמתן המלאה ווקטור ה-I/Q שיתקבל לא יהיה בעל עוצמה ופאזה מספיקות.

כיצד לבחור את רוחב הפס המתאים

המחקרים העוסקים כיום במערכות תמסורת קוהרנטיות שואפים להגיע לניצול מרבי של ספקטרום הערוצים הזמין. תיאורטית, רוחב הפס המינימלי הנדרש לקבלה מדויקת של אותות אלה, שווה למחצית קצב הסימנים. מערכת הפועלת בקצב של 28GBaud תוכל לתפקד ברוחב פס המתקרב ל-14GHz. מדובר ברוחב הפס של המערכת כולה ולא רק של האוסילוסקופ/ADC. אם רוחב הפס של המקלט ללא ה-ADC הוא 40GHz, הרי שיידרש ל-ADC רוחב פס של 15GHz – בקירוב בתקרת הפעולה התיאורטית.

אג'ילנט Agilent
אוסילוסקופ מסדרת Infiniium 90000 X. כולל יכולת ביצוע של פונקציית ה-ADC

חשוב להותיר "מרווח" מסויים מעבר לתקרת ה-15GHz. מידול מתימטי מלמד כי שגיאת ה-EVM הנובעת מרוחב פס היא כ-3% ב-GHz15, ויורדת ל-0.5% כאשר רוחב הפס של האוסילוסקופ גבוה מ-30GHz. מכאן שבמערכת הפועלת בקצב של 56GBaud, נזדקק למקלט של 80GHz ולאוסילוסקופ של 60GHz כדי להבטיח שיעור נמוך של שגיאות EVM. למזלנו יש אוסילוסקופים זמן אמת בעלי רוחב פס גבוה מ-60GHz.

מקורות נוספים לשגיאות EVM

נודעת חשיבות גם להיענות התדר של האוסילוסקופ. בתיאוריה, תנודות האמפליטודה יכולות להגיע ל-3dB ב-Passband של האוסילוסקופ ועדיין לעמוד במפרט נתון של רוחב הפס. הדבר יכול לגרום לשגיאות משמעותיות בצורת הגל וכתוצאה מכך גם לשגיאת EVM. תכנון טוב של האוסילוסקופ יכול לשמור על היענות תדר שטוחה ולהבטיח תנודות פחותות מ-dB, כאמצעי להשגת דיגיטציה ברמת נאמנות גבוהה.

גם הריצוד (jitter) של האוסילוסקופ עלול להשפיע על שגיאת ה-EVM. מערכת המקלט אינה מצוידת ברוחב פס אינסופי והמעבר בין הרמות הלוגיות מצריך כמות סופית של זמן. חוסר יציבות בתזמון ובעקבותיו מיקום שגוי בזמן של "קצה" צורת הגל, יכול לגרום לדגימה של הסיביות לפני שהאותות ישלימו את המעברים שלהם. התוצאה היא שעוצמת האות הנמדד, ועוצמת ופאזת הווקטורים, יהיו שגויים. גם במקרה זה קשה להעריך את השפעת הריצוד בנפרד מן הפרמטרים האחרים.

קחו בחשבון מצב שבו רוחב הפס נמוך ומהירות הקצה הנה איטית. השפעת הריצוד עלולה להפוך חמורה עוד יותר. מידול פשוט של מערכת של 28GBaud מלמד ש-500 fs של ריצוד עלול לגרום לשגיאה של כ-1.5% ב-EVM, אולם שיעור זה מופחת בכמחצית בעת שהריצוד יורד לרמה של 250fs.

אם נקדם את המערכת עד לקצב של 56GBaud, זמן ה-baud מתקצר במחצית והשפעת כמות הריצוד הקבועה מוכפלת. כמו במקרה של רוחב הפס, טכנולוגיות האוסילוסקופים המתקדמות ביותר משיגות Residual Jitter נמוך בהרבה מ-100fs והדבר תורם לשיעור EVM נמוך גם ברמה של 56GBaud.

דרישות מממיר ה-ADC

אחת מהשיטות הנפוצות להערכת הדיוק הכולל של ה- Digitizer מבוססת על הגדרה של מספר הסיביות האפקטיבי שלו (ENOB). דיגיטייזר של 8 סיביות מסוגל להתמודד עם רזולוציית אות של 256 רמות, בעוד שדיגיטייזר של 4 סיביות מגיע ל-16 רמות בלבד. ברור שככל שרזולוציית ה-ADC גבוהה יותר, משתפרת רמת הדיוק של מדידת עוצמת האות. בדרך כלל, אוסילוסקופים זמן אמת בעלי רוחב פס גבוה מצויידים בדיגיטייזרים של 8 סיביות, אולם בגין רוחב הפס המוגבל, הריצוד והרעש, מידת הדיוק של פעולת הדיגיטייזר מופחתת במידה ניכרת ואף משפיעה על ה-ENOB.

אג'ילנט Agilent
איור 6: מספר התקני אוסילוסקופ/ADC מאפשרים מערכות מרובות ערוצים

אם נחזור למודל, שגיאת ה-EVM עומדת על שיעור של 4% כאשר ה-ENOB הינו 5 ומופחתת לכמחצית כאשר ה-ENOB הוא 6. כפי שניתן לצפות, השפעת ה-ENOB על שגיאת ה-EVM גדולה ביותר כאשר מדובר במספר פגמים צבורים של האוסילוסקופ. ככל שקצבי ה-Baud גדלים, קשה יותר לשמור על ENOB גבוה כיוון שהרעש גדל במקביל לרוחב הפס. למרבה המזל, גם ברוחב הפס גבוה מ-60GHz, ניתן עדיין לשמור על ENOB ברמה קרובה ל-5. הדבר ממחיש את החשיבות ברמות רעש וריצוד נמוכות.

כדי לאפשר לערוץ אופטי קוהרנטי לבצע מדידה של רכיבי הווקטורים I ו-Q, נדרשים שני ערוצי ADC של האוסילוסקופ. ניתן להגדיל עוד יותר את קיבולת המערכות על-ידי אפנון פולריזציות אורתוגונאליות ו/או מספר Core Fibers. עבור כל נשא אפקטיבי נוסף, נדרש צמד נוסף של ערוצי אוסילוסקופ. כיום יש בשוק אוסילוסקופים זמן אמת בעלי ארבעה ערוצים, שלכל אחד מהם רוחב פס של 33GHz. בשני ערוצים ניתן להשיג יותר מ-60GHz. כדי להגדיל את מניין הערוצים, או כדי ליצור יותר משני ערוצים בעלי רוחב פס של מעל 60GHz, ניתן גם לשלב ביחד מספר אוסילוסקופים. באמצעות קישור של כל אוסילוסקופ לייחוס משותף של 10MHz, ניתן לסנכרן את המערכת כולה, כאשר חוסר הוודאות של התזמון בין ערוץ לערוץ פחותה מ-200fs.

מערכות קוהרנטיות העושות שימוש בטכניקות אפנון מורכבות ממלאות תפקיד מרכזי בהגדלת הקיבולת של תקשורת אופטית. אוסילוסקופים גבוהי ביצועים בזמן אמת הפכו לאמצעי מפתח בבניית כלים לאפיון מערכות ואותות. ההתפתחויות בתחום ביצועי האוסילוסקופים מבטיחים התקדמות משמעותית והישגים בזירת התקשורת האופטית הקוהרנטית.

 

Share via Whatsapp

פורסם בקטגוריות: חדשות , צב"ד , ציוד בדיקה