SFP+光传输模块电参数仿真测试方法研究

高 成，张宇亮，黄姣英，陈炳印

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

0 引 言

光传输模块是一种用光作为载波传输电信号的器件模块，具有体积微小、保密性高等优点，被广泛应用于航空航天、通信以及互联网等领域，在信息传输工作过程中发挥着重要作用。在实际使用中，存在使用数量巨大、工作参数不易统计、工作状态难以监测等问题，因此在光传输模块投入使用之前，准确地检测光传输模块的信号传输性能和质量是一项必要的工作。

常规测试手段大多需要为被测模块配套相对应的测试夹具以及专业的测试设备，成本较高。特别是对于误码率的测试，往往需要建立一套合适的测试系统，同时，受限于硬件条件，测试过程中难以模拟实际工作环境。

OptiSystem软件是一款光通信系统模拟软件，利用该软件可以完成对多种类型光通信系统的设计、测试和优化等各种功能。利用该软件可以对各类光传输系统进行仿真研究，在不同条件下对光传输模块进行仿真测试。使用仿真的方法可以避免硬件条件的限制，在缺乏相应的测试设备与测试夹具的条件下也能对光模块进行测试。此外，在仿真中可以随时对器件设计参数进行调整，在短时间内获得更大的数据量，并直观地观察到参数变动对结果的影响，据此分析设计参数对于信号传输质量的影响。

1 SFP+光传输模块电参数测试原理

本文选取一种小型热插拔（Small Form-Factor Pluggable，SFP+）封装的光传输模块。最佳的光传输模块设计通常需要满足4个基本指标：合适的光谱响应范围、合适的带宽、尽可能低的噪声和较大的动态范围。

对于这四项基本指标，一般采用误码率、眼图和信号带宽等电特性参数来进行衡量。其中，误码率用于衡量信号传输的准确性，眼图用于衡量信号传输的整体质量，信号用于带宽衡量信号传输能力与动态范围。

1.1 误码率测试原理

误码率即误码出现的频率，在光传输系统中，误码率通常定义为在一定时间间隔内，发生传输错误的脉冲数量和总传输脉冲数量的比值，具体计算公式为：

式中：为数据传输速率；1为脉冲宽度。

基本的误码率测试原理如图1所示。通过外部信号源发送一段测试码序列到光传输模块，同时采集经过传输的输出信号和信号源产生的测试码序，对输入信号与输出信号进行逐位对比，统计发生误码的总数和传输的脉冲总数，进而通过计算即可得出光传输模块的误码率。

图1 误码率测试原理框图

1.2 眼图测试原理

眼图是指将示波器的周期与传输的随机序列周期调整一致后，示波器上采集到的不同随机序列所叠加而形成的类似眼睛的图形，故称“眼图”。眼图的测试原理是将信号源、被测模块以及眼图仪依次相连，利用外部的信号源产生一系列随机码序发送到被测模块，眼图仪采集经被测模块接收再发射出的随机码序，将得到的不同随机序列进行叠加，即可得到被测模块的眼图。

1.3 信号带宽测试原理

信号带宽的测试原理是将信号源、被测模块以及频谱分析仪依次相连，利用外部的信号源产生一系列随机码序发送到被测模块，频谱分析仪采集经被测模块接收再发射出的随机码序得到被测信号的频谱图，从而得到被测组件的信号带宽。

2 基于OptiSystem的测试仿真建模与验证

2.1 光传输模块仿真模型搭建

使用光通信模拟分析软件Opti System进行测试仿真，对误码率、眼图以及信号带宽的测试原理进行验证，并预计测试结果，从中分析光传输模块设计参数与电特性参数之间的关系。

研究选取深圳HYMX生产的SFP-10G-LR光传输模块，其部分关键设计参数如表1所示，根据表中的参数在仿真软件中搭建仿真模型，如图2所示。其中各部件参数均与实际光传输模块设计参数保持一致。

图2 光模块仿真模型

表1 被测模块部分关键设计参数表

在仿真模型中的光传输模块各部件与实际器件中的各部分功能一一对应，脉冲发射器与直接调制激光器构成光传输模块的发射机部分。其中脉冲发生器产生与输入信号一致的脉冲序列，直接调制激光器在产生光信号的同时也根据输入信号对光信号进行直接调制，将输入信号中的信息通过光信号发出。由探测器、放大器以及滤波器构成光传输模块的光接收机部分，其中探测器对光纤传来的光信号进行探测，并发出微弱的电信号，通过放大器完成二级放大，最终经过滤波器将传输的信息恢复为电信号的形式发出。在实际的测试实验中，中间的传输光纤部分受到实验室条件影响，可以选择不同长度的传输光纤进行实验。

2.2 光传输模块仿真模型验证

在完成光传输模块仿真模型的搭建后，对仿真模型进行验证，如图3所示。采集的输入与输出信号如图3a）所示，对图中的输入与输出进行简单对比可以发现，信号失真在合理范围内，能够完成信号传输的基本功能。

图3 光传输模块输入与输出仿真

在光发射机后置一光谱分析仪，对发出的光信号进行测量，得到的测量结果如图3b）所示。

由图可知，其中心波长约为1 310 nm，符合如表1所示光模块设计参数。综上所述，光传输模块的仿真模型搭建正确无误，可以完成正常的信号传输功能，后续的仿真测试工作在此基础上进行。

3 仿真测试分析

3.1 误码率仿真测试

首先，根据图1所示的误码率测试原理，选择测试方案所需的测试设备，在OptiSystem软件中搭建对应的实验仿真模型，如图4所示。

图4 误码率仿真测试模型

图4中伪随机码发生器产生测试所需的伪随机码序列并输入到光传输模块中，误码率分析仪同时采集伪随机码发生器产生的随机序列、码型发生器产生的序列以及最终光传输模块的输出信号，通过对比计算最终给出相应的误码率。

由表1中的光传输模块器件参数可知，光发射机的中心波长与发射功率在一定范围内波动，因此选取中心波长最大值、最小值以及标称值分别为1 350 nm，1 260 nm，1 310 nm，选取最大发射功率、最小发射功率以及平均发射功率分别为0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm，在此条件下进行对照实验。对照实验共分为两组：第一组实验条件为发射功率0.5 dBm，中心波长分别为1 355 nm，1 260 nm，1 310 nm；另一组实验条件为中心波长1 310 nm，发射功率分别为0.5 dBm，-8.2 dBm，-3.7 dBm。最终仿真实验结果如图5所示，图中横坐标为用比特周期表示的时间，纵坐标为误码率的对数。图3a）~图3c）为发射功率0.5 dBm条件下，不同中心波长的实验，图3d）~图3f）为中心波长1 310 nm条件下，不同发射功率的实验，后续实验条件均与此相同。由图3可以看出：在发射功率一定的情况下，中心波长越大则误码率越低，且最低误码率的持续时间越长，意味着信号传输的质量越好；而在中心波长一定的情况下，随着发射功率的降低，误码率升高，保持最低误码率的时间缩短，说明信号传输准确度下降。

图5 误码率仿真结果

3.2 眼图仿真测试

完成误码率测试原理仿真之后，采用同样的流程对眼图进行仿真测试。

根据眼图测试原理，选择测试方案所需的测试设备，在OptiSystem软件中搭建对应的实验仿真模型，如图6所示。

图6 眼图仿真测试模型

与误码率测试相同，伪随机码发生器产生测试所需的伪随机码序列并输入到光传输模块中，眼图分析仪同时采集伪随机码发生器产生的随机序列、码型发生器产生的序列以及光传输模块的输出信号，最终给出光传输模块信号传输的眼图。同时，选取与误码率测试仿真实验中同样的实验条件进行对照实验，获得仿真实验结果如图7所示，其中横坐标为比特周期表示的时间，纵坐标为幅值。对两组对照实验结果进行分析可以得出，在发射功率一定的情况下，随着中心波长的增大，信号传输的眼图逐渐清晰，“眼睛”的张开程度越大，意味着信号传输总体质量提升越明显。而在中心波长固定的情况下，随着发射功率的降低，眼图则变得更模糊，意味着信号传输总体质量有所下降。

图7 眼图仿真结果

3.3 信号带宽仿真测试

最后，进行信号带宽的仿真测试。根据信号带宽测试原理，选择测试方案所需的测试设备，在OptiSystem软件中搭建对应的实验仿真模型，如图8所示。

图8 信号带宽仿真测试模型

在与前述相同的对照实验条件下进行仿真测试，得到的被测信号的频谱图结果如图9所示，其中横坐标为频率，纵坐标为强度。对仿真实验结果进行分析可以得出，对信号带宽影响较大的因素是光传输模块的发射功率，而中心波长的影响较小。当发射功率过低时，将出现信号传输失真、信号功率耗损严重等问题。

图9 信号带宽仿真结果

3.4 测试结果分析

基于上述仿真测试结果，可以分析光传输模块工作中心波长和光发射机发射功率对传输信号质量的影响。经过在不同的实验条件下对各电特性参数进行测试仿真得出的一系列测试结果，可以得出光传输模块的信号传输质量与中心波长以及发射功率呈正相关，即在设计范围内，信号传输性能随中心波长和发射功率的增长而提高，反之则降低。选取最大中心波长1 355 nm、最大发射功率0.5 dBm与最小中心波长1 260 nm、最小发射功率-8.2 dBm进行对照实验，实验结果见图10。

图10 端点值条件下的信号传输性能对照实验

4 结 语

本文主要针对一种SFP+光传输模块，选择误码率、眼图以及信号带宽作为主要测试参数，调查研究各参数的测试方法并总结测试原理。在此基础上，使用Opti System软件对各参数的测试进行仿真实验，验证了测试原理的可行性，通过设计参数的变动能够快速得出其对信号传输质量的影响。同时，根据仿真测试的结果，分析了光传输模块设计参数对信号传输性能的影响。