5.3. Измерение системного параметра восп-ср — q-фактора

Основным системным параметром, определяющим качественные характери­стики системы с цифровым методом передачи, является достоверность передаваемой информации. Для цифровых систем достоверность выражается через определение вероятности или коэффициента ошибок Р_ош, возникающих при передаче определенного количества символов или бит. В англоязычной литературе и документации (в том числе в документах МСЭ-Т) этот коэффициент обозначается аббревиатурой BER (bit-error-ratio). Для измерения этого параметра в системах передачи ПЦИ и СЦИ СТМ-1 были разработаны соответствующие измерительные средства — измерители коэффициента ошибок, широко применяющиеся в дейст­вующих системах связи. В настоящее время широкое распространение получили системы ВОЛС со скоростями передачи 622 Мбит/с и 2,5 Гбит/с и началось вне­дрение систем СЦИ 10 Гбит/с. Приборы для измерений Р_ош на таких скоростях передачи пока не существует. По этой причине тестирование ВОСП СЦИ с пере­численными скоростями по критерию коэффициента ошибок проводится для СЦИ более низких порядков вплоть до уровня Е1 ПЦИ (2,048 Мбит/с). По тако­му алгоритму работает, например, анализатор цифровых сигналов ПЦИ и СЦИ ANT-20 ACTERNA. Для ВОЛС со спектральным уплотнением тестирование по указанному критерию должно проводитбся для каждого спектрального канала. Такая методика измерений Р_ош занимает весьма большие промежутки времени — от десятков минут до нескольких часов в зависимости от скорости передачи в одном канале. Тестирование ВОСП-СР с числом каналов 16—160 потребует такой про­должительности, которая является полностью неприемлемой. Для решения проб­лемы было предложено использование однозначной функциональной зависимости Р_ош =/ — [70], в которой коэффициент ошибки является функцией отношения мощности сигнала к мощности шума. Для двоичных цифровых каналов такой функцией является функция Крампа [71], для которой существуют соответствующие таблицы. Таким образом, измерение коэффициента ошибок эквивалентно измерению отношения сигнал/шум. Для двоичных цифровых сигналов с по­стоянной тактовой частотой задача решается с помощью метода и устройства, предложенных в работе [72]. Измерение (С/Ш) проводится по схеме, представ­ленной на рис. 5.2.

Как видно из схемы, измеритель С/Ш состоит из двухполупериодного бези-нерционного детектора с характеристикой у = а|х|, осуществляющего преобразова­ние непрерывного спектра случайной последовательности импульсов; узкополос­ного фильтра, выделяющего первую гармонику из дискретной составляющей пре­образованного спектра сигнала; двух квадратичных инерционных детекторов с характеристиками у = ах², один из которых выпрямляет синусоидальное напряже ние первой гармоники, пропорциональное сигналу, второй — сумму сигнала v шума в полосе частот линейного тракта фотодетектора. Полученные напряжения вычитаются при помощи схемы разности, выходное напряжение которой однозначно связано с квадратом напряжения шума на выходе линейного усилителя фотодетектора. Это напряжение, а также напряжение с выхода квадратичного детектора, выпрямляющего первую гармонику в узкой полосе частот, подаются на логарифмирующие устройства с характеристиками 21. Выходные напряжения с выходов логарифмирующих устройств вычитаются с помощью второй схемы разности, выходное напряжение которой однозначно связано с отношением Р_с/Р_щ на выходе фотодетектора. Это отношение в свою очередь линейно связано с отношением оптической мощности сигнала к мощности оптического шума на входе фотодетектора (при условии малости темнового тока фотодетектора и тепловых шумов, которое обычно в оптических системах связи соблюдается). Эта однозначная связь позволяет проградуировать показания прибора в значениях отношения и_с/и_ш (Р_с/Р_ш) в децибелах и проводить измерения этого параметра без нарушения связи. По приведенной на рис. 5.2 структурной схеме была изготовлена неболь­шая партия приборов, с помощью которых были проведены измерения С/Ш в оп­тических линиях связи.

Аналогичный метод использования однозначной связи коэффициента ошибки Р_ош с отношением Р_с/Р_ш был использован сотрудником лаборатории Белл (США) С. Персоником в 1973 г. Им был предложен метод оценки коэффициента ошибки Р_ош с помощью анализа т. н. глаздиаграммы, которая получается естественным образом на экране осциллографа или дисплея и представляет собой наложение большого количества реализаций цифрового двоичного сигнала в пределах одного тактового интервала. На рис. 5.3а представлен образец глаздиаграммы реального сигнала СЦИ СТМ-16, который выделяется на выходе линейного электронного усилителя в цепи фотодетектора. На рис. 5.36 представлены диаграммы выходных напряжений сигнала и шума, где ц, ₀ — среднее значение напряжений электрического тока при битовых посылках, соответствующих 1 или 0; ст, ₀ — стандартное отклонение от среднего значения (шум или дисперсия), соответственно для 1 или 0.

Поскольку при допустимых уровнях оптического сигнала на входе фотодетектора ток 1_ФД вызванный оптическим излучением, пропорционален оптической мощности, то среднее значение ц, ₀ и дисперсии а, „ для электрического сигнала линейно связано с соответствующими характеристиками оптического сигнала. Линейная зависимость 1_ФД = f(P_onT) дает возможность с достаточно высокой точностью оценивать величину Р_ош, с помощью анализа глаз-диаграммы оптического цифрового сигнала без вмешательства в электронный тракт фотоприемного оборудования аппаратуры СЦИ, который в большинстве случаев выполняется интегрально с фотодиодом на одной подложке. На практике анализ глаз-диаграмм осуществляется с помощью измерительной оптической головки, входящей в состав измерительного прибора. Оптический сигнал на вход этой головки подается с выхода

1%-го (или 10%) оптического ответвителя, включаемого в оптический тракт линии передачи. При этом измеряются вышеупомянутые параметры ц, ₀ и ст, ₀, а коэффициент Р_ош (или BER) определяется посредством вычисления т. н. фактора Q (Q-фактор):

Вработе [73] получена аналитически и подтверждена экспериментально функциональная связь:

(5.1)

Коэффициент ошибок Р_ош в зависимости от Q равен [73]:

)

(5.2)

На рис. 5.4 представлена кривая зависимости коэффициента ошибок (BER) от фактора Q, выраженного как в дБ (нижняя горизонтальная ось), так и в разах [75].

Компания ACTERNA разработала прибор OQM-200 Opt. Q-Factor Meter для измерений Q-фактора. Прибор входит в состав измерительного комплекса ONT-30 [76]. Он позволяет проводить измерения Q-фактора в течение 30 сек. Аналогичный измеритель Q-фактора производит также японская фирма Fujitsu.