CN108880666A - 一种基于微波光子技术的串行通信分析仪及其波形重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微波光子技术的串行通信分析仪及其波形重构方法。本发明从待测信号中提取一参考信号输入移频器，对该参考信号进行移频后送入到光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波；将窄脉冲载波作为强度调制器的载波输入对待测信号进行信号点采样，将该待测信号调制到窄脉冲载波上；对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理后依次经过光电探测器、模数转换器转换为数字信号；数字信号处理单元根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值；然后根据幅值和相位信息，对待测信号的信号波形进行重构。本发明相对现有分析仪成本上有较大优势。

Description

一种基于微波光子技术的串行通信分析仪及其波形重构方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种基于微波光子技术的新型串行通信分析仪及其波形重构方法。

背景技术

随着世界范围内各种新型信息通信应用的迅猛发展，人们对数据传输速率的需求越来越高，相应信息通信产品对测量高速传输性能的电子测量设备的需求也越来越高。数据传输可分为串行传输和并行传输两种方式，目前串行传输方案由于时钟同步方案简单、成本低、功耗低、避免了并行传输信号线间的电磁干扰等优点，在各种短距离通信传输场景中占据了主导地位。例如消费电子产品中的PCI-E、SATA、USB、HDMI等板卡间互连总线或外设接口，高端FPGA的SERDES高速收发、数据中心和超级计算机的大容量互连、各类高速光纤通信传输系统和网络等。可以看出，针对高速串行通信的电子测量设备具有广泛的应用市场，除了面向大众消费产品的芯片、计算机、电子控制等市场，还在电信、航空航天、船舶、兵器等领域，以及各类科研院所和高等院校的各类电子设备的研发、生产、测试和维护中起到重要作用。

通信信号分析仪是高速串行通信最重要的测量设备之一，其基本原理是针对高速串行通信的信号特征，通过对信号波形的高带宽低速率的采样，遍历测量不同码元周期的不同相位点的幅度值，并按照相位关系将采样数据绘制到同一个码元周期内，由此得到一种叫做眼图的图形。眼图对分析高速串行通信系统的性能提供了丰富的信息，可直观地观察码间串扰的大小、抖动特性和噪声的强弱，实时高效的评价系统性能优劣。相比其他时域和频域测量方法，眼图方法是信号完整性分析的核心，具有十分重要的作用，不能被其他方式替代。

高速串行通信信号分析仪应用市场目前都被是德(Keysight，原名Agilent安捷伦)、泰克(Tektronix)等少数国外测量仪器公司垄断，国内在相关技术方面几乎是一片空白。根据调研，高速串行通信信号分析仪目前有三类实现方法：

i.低端的眼图分析仪

这种实现方法通过基于锁相环的时钟同步模块，提取时钟信息与接收的信号速率同步，再通过多次产生误差信号微调同步时钟相位，从而遍历不同测量相位得到。

低端通信信号分析仪产品中，典型代表为以色列的Multilane公司推出的ML4006产品系列。需要说明的是，这类通信信号分析仪虽然结构简单，且可以省掉外部同步输入，使用非常方便，但它的问题是严重受限于时钟同步模块的带宽特性，并且当信号质量较差，时钟提取性能也会变差，这是会造成测试性能严重下降。虽然标称可测量33G波特率的串行信号，但实测情况远低于是德科技的DCA 86100系列产品。

ii.基于高带宽低采样速率采样示波器原理的通信信号分析仪

这一类产品中典型代表为是德科技公司的DCA 86100系列数字通信分析仪，信号带宽高达80GHz，但由于技术本身特点，最高被测信号速率仅为43Gbps。它基于高带宽低采样速率的采样示波器原理，需要采用复杂的微波信号处理方法，将高频信号转换到中频进行测量，实现技术复杂，成本高昂，门槛极高。

iii.基于高速实时示波器的通信信号分析仪

由于近年来高速模数转换(ADC)技术的快速提高，采用极高速率ADC测量的实时示波器已经商用，通过对采集信号的高速数字信号处理(DSP)，也可以实现对高速串行通信信号的眼图分析能力。

泰克于2015年下半年推出的DSO 70000SX高速实时荧光示波器，带宽70GHz，采样速率200GS/s，再配合高速数字信号处理，可实现通信信号眼图分析功能，但其价格非常昂贵，示波器硬件再加上眼图分析软件，售价超过了200万人民币。是德科技对应的此类产品为Infiniium Z系列，最高采样速率160GS/s，带宽为63GHz，硬件和软件配置的价格超过150万人民币。由于高速串行信号的特点，以基带非归零调制NRZ码为例，它可以看成矩形脉冲信号的延时叠加，而从频域来看，它包含了基频信号及其各阶奇数倍频信号，频域分量非常丰富。因此，一般用实时存储示波器对高速串行信号进行采样时，示波器的频谱带宽应保证达到信号波特速率的1.5-2倍，而示波器的采样速率应达到5倍基频带宽(即要求至少测到NRZ码基波频率的5倍频分量，否则如果仅有基频和3倍频，则矩形调制信号将严重失真)。即使考虑采用数字信号预加重或其他数字域均衡算法，Infiniium Z系列仍只适用于50Gbps以下的串行信号的眼图分析。

从高速串行信号目前的最大速率来看，用于数据中心和超级计算机互连的光模块目前已开始研发56Gbps NRZ或56G波特率的PAM4，迫切需要相匹配的极高速率测量仪器。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光-电-光微波光子技术的新型串行通信分析仪的实现结构，将被测的高频微波信号转换为光信号进行全光学处理和采样，以避开了复杂的高频微波信号的变换和均衡，之后通过多个时间段采样的数据，将完整的信号时域波形重现。本发明可以满足60G波特率高速串行信号的测量，相比市场同类型产品具有极大的成本优势。

本发明的技术方案为：

一种基于微波光子技术的串行通信分析仪，其特征在于，包括移频器、光窄脉冲发生器、强度调制器、脉冲展宽器、光电探测器、模数转换器和数字信号处理单元；其中，

所述移频器与所述光窄脉冲发生器连接，用于对输入的待测信号进行移频后送入到所述光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波；

所述光窄脉冲发生器与所述强度调制器连接，用于将产生的时域窄脉冲载波输入到所述强度调制器；

所述强度调制器与所述脉冲展宽器连接，用于利用窄脉冲载波对待测信号进行信号点采样，将待测信号调制到所述窄脉冲载波上，然后输入给所述脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器，用于对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理；

所述光电探测器与所述模数转换器连接，用于接收所述脉冲展宽器输出的脉冲展宽后的脉冲信号，并将其输入给所述模数转换器；

所述模数转换器与所述数字信号处理单元连接，用于将模拟信号转换为数字信号后输入给所述数字信号处理单元；

所述数字信号处理单元，用于根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值；然后根据获得的幅值和相位信息，对待测信号的信号波形进行重构。

进一步的，所述窄脉冲载波重复频率为待测信号波特率的整数倍上加一设定偏差值；根据所要绘制眼图的精细度点数确定该偏差值的大小。

进一步的，通过调制器级联产生所述窄脉冲载波。

进一步的，通过控制级联调制器的参数调节所述窄脉冲载波的幅度。

进一步的，所述光窄脉冲发生器为主动锁模激光器。

一种串行通信分析仪的波形重构方法，其步骤为：从待测信号中提取一参考信号输入移频器，移频器对该参考信号进行移频后送入到光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波；将得到的窄脉冲载波作为强度调制器的载波输入对待测信号进行信号点采样，将该待测信号调制到窄脉冲载波上；脉冲展宽器对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理；将脉冲展宽处理后的信号依次经过光电探测器、模数转换器转换为数字信号；数字信号处理单元根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值；然后根据获得的幅值和相位信息，对待测信号的信号波形进行重构。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明技术方案最大的优点是可以满足现有的高速串行通信系统中，对于信号波形和眼图的采集显示要求，并且可以降低采样示波器的成本。现有的采样示波器采用微波方案实现，价格昂贵，本方案选用的主要模块单元造价相对较低，成本上有较大优势。

附图说明

图1为新型通信信号分析仪结构图；

图2为窄脉冲到展宽后脉冲的脉冲全光处理图；

图3为波形重构原理图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

下面将参照附图对本发明的各个实施例进行详细描述。

本发明提出一种基于微波光子技术的新型通信分析仪方案，其基本结构如图1所示。待测信号送入通信信号分析仪，从待测信号中提取一个参考信号，使用移频器对参考信号进行移频，然后送入到光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波，将得到的窄脉冲载波作为强度调制器(IM)的载波输入对待测信号进行信号点采样，将待测信号调制到窄脉冲载波上，确保窄脉冲对待测信号采样到足够多的数据点信息。通过脉冲展宽器，对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理。脉冲展宽处理后的信号，经过光电探测器(PD)，再经过模数转换器将模拟信号转换为数字信号。之后进行数字信号处理，根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值。根据获得的幅值和相位信息，对信号波形进行重构，在显示屏上进行呈现。

当发送的待测信号是规律性的测试码，比如在试验测试中，本发明会采用PRBS码组，本项目提出的通信分析仪方案，可通过多个时间段采样的数据，将完整的PRBS码组的时域波形重现，这在一定程度上，可以满足类似实时示波器的时域波形分析的要求。因此本发明提出的这种串行通信分析仪的结构，相比价格昂贵的基于高速ADC实时采样的高端示波器，在串行通信信号分析方面具有很大的优势。

该方案中的关键点有以下三点：

(1)高精度的窄脉冲的获取

现有的技术方案可以通过两种方式获得窄脉冲信号，一种是主动锁模激光器，另一种是调制器级联产生光窄脉冲；相比较之下，调制器级联的方式获得的窄脉冲载波拥有可调的重复频率，可以通过控制级联调制器的参数来调节脉冲的幅度，并且实现难度相对较小，稳定性更好；主动锁模激光器的方式实现难度较高，但不会受到调制器非线性效应的影响，产生的窄脉冲谱宽较大。本项目拟采用调制器级联的方式，对参考信号进行移频后使其作为窄脉冲发生器的射频驱动信号，即可产生窄脉冲信号。

(2)窄脉冲光信号的全光处理

由于窄脉冲发生器产生的窄脉冲信号其时域波形非常窄，瞬时功率很大，这样对光电探测器的要求很高。本发明提出一种窄脉冲信号全光处理方案，可以降低对光电探测器的测量精度要求，如图2所示。经过一个全光处理单元后，极窄的光脉冲可以大大展开，在此过程中，各脉冲的功率因为是线性变化，所以相对功率保持不变，通过计算展宽后脉冲的平均功率，就可以完成对调制到上面的信号幅度的测量。

(3)波形重构

窄脉冲的重复频率需要根据待测信号的波特率来设置，窄脉冲的重复频率需要在待测信号波特率整数倍关系上加微小偏差。例如待测信号为20G波特率时，窄脉冲可以采用100.001M的重复频率。添加偏差的大小取决于所要绘制眼图的精细度点数，当所绘制眼图所需要的点数较多时，对应的偏差值应更小，保证采集到足够多的信号数据点，从而计算出每个信号数据点的相位信息并存储。根据获得的幅值和相位信息，对信号波形进行重构，在显示屏上进行呈现，如图3所示。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种基于微波光子技术的串行通信分析仪，其特征在于，包括移频器、光窄脉冲发生器、强度调制器、脉冲展宽器、光电探测器、模数转换器和数字信号处理单元；其中，

所述移频器与所述光窄脉冲发生器连接，用于对输入的待测信号进行移频后送入到所述光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波；

所述光窄脉冲发生器与所述强度调制器连接，用于将产生的时域窄脉冲载波输入到所述强度调制器；

所述强度调制器与所述脉冲展宽器连接，用于利用窄脉冲载波对待测信号进行信号点采样，将待测信号调制到所述窄脉冲载波上，然后输入给所述脉冲展宽器；

所述脉冲展宽器，用于对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理；

所述光电探测器与所述模数转换器连接，用于接收所述脉冲展宽器输出的脉冲展宽后的脉冲信号，并将其输入给所述模数转换器；

所述模数转换器与所述数字信号处理单元连接，用于将模拟信号转换为数字信号后输入给所述数字信号处理单元；

所述数字信号处理单元，用于根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值；然后根据获得的幅值和相位信息，对待测信号的信号波形进行重构。

2.如权利要求1所述的串行通信分析仪，其特征在于，所述窄脉冲载波重复频率为待测信号波特率的整数倍上加一设定偏差值；根据所要绘制眼图的精细度点数确定该偏差值的大小。

3.如权利要求1或2所述的串行通信分析仪，其特征在于，通过调制器级联产生所述窄脉冲载波。

4.如权利要求3所述的串行通信分析仪，其特征在于，通过控制级联调制器的参数调节所述窄脉冲载波的幅度。

5.如权利要求1所述的串行通信分析仪，其特征在于，所述光窄脉冲发生器为主动锁模激光器。

6.一种基于权利要求1所述串行通信分析仪的波形重构方法，其步骤为：从待测信号中提取一参考信号输入移频器，移频器对该参考信号进行移频后送入到光窄脉冲发生器中产生时域窄脉冲载波；将得到的窄脉冲载波作为强度调制器的载波输入对待测信号进行信号点采样，将该待测信号调制到窄脉冲载波上；脉冲展宽器对调制后的信号进行全光的脉冲展宽处理；将脉冲展宽处理后的信号依次经过光电探测器、模数转换器转换为数字信号；数字信号处理单元根据窄脉冲载波的重复频率与待测信号波特率之间的偏差，计算出每个信号数据点的相位信息；根据脉冲展宽后的脉冲信号的平均功率计算出待测信号的幅值；然后根据获得的幅值和相位信息，对待测信号的信号波形进行重构。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述窄脉冲载波重复频率为待测信号波特率的整数倍上加一设定偏差值；根据所要绘制眼图的精细度点数确定该偏差值的大小。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，通过调制器级联产生所述窄脉冲载波。

9.如权利要求8所述的串行通信分析仪，其特征在于，通过控制级联调制器的参数调节所述窄脉冲载波的幅度。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光窄脉冲发生器为主动锁模激光器。