基于python的EDFA瞬態測試系統研究

向登鋒，余春平，趙建宜

（1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205）

0 引 言

隨著科學技術的發展進步，虛擬現實、人工智能［1］和萬物互聯等應用場景的出現以及即將來臨的5G時代都對網絡速率的要求越來越高。波分復用（Wavelength Division Multiplex，WDM）＋摻鉺光纖放大器（Erbium－doped Optical Fiber Amplifier，EDFA）的大容量［2］、長距離的傳輸方式已經成為主要的發展方向，EDFA也因此成為高速光纖通信系統中至關重要且必不可少的器件［3］。在通信系統中，EDFA的功能就是實現對光信號的放大，要保證各信道的輸出功率恒定，如何測試和改善EDFA瞬態問題就成為一個難題。因此，在由EDFA構成的通信系統中，只有抑制EDFA的瞬態效應，才能夠真正實現光通道的動態上下，從而使通信系統中的光路由得以靈活的配置［4－5］，充分發揮 WDM＋EDFA組網的優勢。

本文根據EDFA的工作原理和速率方程分析了產生瞬態的原因以及在實際工程應用中由瞬態引起的不利影響，通過模擬通信系統中信道波數的減少或增加，再結合軟件設計出了合理的瞬態測試系統。該系統實現了自動控制，減少了人力資源和時間成本，縮減了不必要的誤差，使得測試更加方便精確。

1 EDFA瞬態增益特性產生的原因及影響

假設N1、N2和N3分別為EDFA的三能級結構中E1基態、E2亞穩態和E3泵浦激發態的粒子數［6］，根據EDFA的工作原理和速率方程可知各能級在t＝0時的原子數為

式中：ai、bi和ci均為參數q＝Pp（0，t）／Psat（λp）和p＝Ps（0，t）／Psat（λs）的函數，λp為泵浦光波長，λs為信號光波長，Psat為飽和功率，Pp為泵浦功率，Ps為信號功率［6－7］；時間參數t1和t2為τ21和τ32的函數，τ21為鉺離子從E2躍遷到E1的時間常數，τ32為鉺離子從E3躍遷到E2的時間常數；。

在通信系統中，EDFA往往工作在飽和狀態，由式（1）可知，當Ps或者Pp在傳輸過程中發生變化時（如上／下波長通道、重新配置網絡和保護倒換等）［8］，會導致EDFA的瞬時增益發生變化，從而引起輸出光功率抖動產生過欠沖現象［6］。

瞬態效應的主要影響有：（1）導致接收端光功率超出系統的動態范圍而產生誤碼，影響傳輸質量［4－5］；（2）當欠沖時功率過低，引起鉺離子數反轉水平發生變化，導致系統的信噪比大幅降低；（3）當過沖時功率過大，會引起光的非線性效應（例如四波混頻）劣化傳輸性能［6－8］，對信號產生影響，會導致系統在過載的狀態下工作。

2 EDFA瞬態測試方法

圖1所示為瞬態響應示意圖。瞬態響應的主要參數有4個：恢復時間、過沖、欠沖和增益誤差。

圖1 瞬態響應示意圖

恢復時間是指在上／下話路的沖擊下剩余信道增益瞬間發生變化到最后穩定的時間［9］。

過沖和欠沖是指在這個沖擊下剩余信道增益和目標增益穩定狀態相比的最大向上偏移量和最大向下偏移量。

增益誤差是指上下話路前后剩余信道的穩態增益之差。

EDFA瞬態測試即模擬實際通信過程中，通信系統在信道波數突然減少或增加的情況下，引起剩余信道光功率波動的情況［10］。該指標的大小在一定程度上反映了EDFA瞬態性能的好壞。光功率變化越大，恢復時間、過沖和欠沖也就越大。測試時，通常模擬系統從多個波長／滿波長工作突然減少至一個波長工作，或由一個波長工作突然增至多個波長／滿波長工作的最惡劣情況；另一個常規測試方案是模擬EDFA工作波長數減少至一半時的中間情況。

3 測試系統的實現

3.1 硬件的實現

隨著通信網絡和信息技術的日趨成熟，工業自動控制系統日漸采用以太網和傳輸控制協議／網際協議（TCP／IP）作為最主要的通信接口［11］，因此，本文測試系統也主要以網口通信方式建立各設備之間的連接。圖2所示為EDFA瞬態測試圖。電腦通過XPORT與單片機和波長選擇開關（Wavelength Selection Switch，WSS）進行通信，XPORT由美國Lantronix公司于2002年研發成功，它是目前最小、最完整的串行口到以太網的轉換方案［12］，其優點是簡單易用，連接方便，可以根據具體使用要求定制所需的功能［13］。其他一些內部集成光器件，如電可調光衰減器（Electrical Variable Optical Attenuator，EVOA），因接口和控制方式簡單，則由單片機標準接口直接控制。

圖2 EDFA瞬態測試圖

放大自發輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光源產生平坦的寬譜ASE光，經過一個1×2 WSS1產生兩路信號，一路為單波長信號光源，作為剩余信道信號P1；另一路為多波長信號光源，作為調制信道信號P2。采用ASE光源和WSS組合的方案，可以產生測試系統所需要的任意波長單波＋多波光源，具有成本低廉、結構簡單和操作方便等優點，是實現整個測試系統自動化和智能化配置的基礎。快速聲光調制器通過信號發生器控制，當信號發生器輸出高電平時，調制器使調制信道處于通光狀態；當信號發生器輸出低電平時，調制器使調制信道處于關斷狀態。通過設置信號發生器的高點電平、上升沿時間、下降沿時間、周期和波形實現不同的瞬態測試條件用來模擬光信號的快速變化。通過耦合器將剩余信道信號和調制信道信號進行耦合，并將耦合后的信號作為瞬態特性測試的信號光源。WSS2從待測模塊EDFA輸出的光信號中選擇出剩余信道光，由光電探測器將光信號轉換為電信號，連接到示波器等設備可得到瞬態變化波形和數據。EVOA分別用來調節剩余信道光功率、調制信道光功率以及進入待測模塊總的輸入和輸出的光功率。

3.2 軟件的實現

本文所介紹的自動測試系統界面是用PyCharm軟件基于python語言的PyQt5模塊編寫的，該系統主要包括測試裝置模塊、測試條件模塊和測試報告模塊，圖3所示為軟件設計流程圖。首先初始化硬件（如光源和信號發生器等），然后讀取模塊的基本信息數據，設置測試條件開始測試，如果測試條件有遺漏可以重新設置測試條件再次測試。

圖3 軟件設計流程圖

在PyQt5模塊中，每一個對象和控件都支持“信號與槽”的機制，當控件發射信號時，連接的槽函數將會自動執行［14］。利用“信號與槽”的機制可以使界面程序與儀器的控制和功能程序文件相互獨立，實現了“角色分離”，提升系統的通用性和擴展性。利用python是一種面向對象的動態類型語言的特性，將測試裝置模塊中的各個儀器設備都封裝成單獨類，實現了測試儀器腳本模塊化，方便進行調用。

4 實驗結果

圖4所示為測試系統主界面。整個測試平臺窗口控制豐富、結構簡單，人機操作界面十分友好；可自由、靈活地設置測試條件，系統在測試時會自動調用設置好的條件參數并且能夠自動保存測試數據和波形圖；不需要人為過多的參與，節省了人力資源，提高的測試效率節約了測試時間。

圖4 測試系統主界面圖

按照測試要求配置好瞬態測試的參數指標，在測試系統主界面勾選“自動獲取參數，”點擊“開始”按鈕，測試系統會自動獲取測試的參數指標進行測試，每次測試結束后系統會自動保存當前測試樣品的測試數據到指定位置，如表1所示，測試結束后可導出分析測試樣品瞬態性能。

表1 瞬態測試數據

如果需要示波器截圖，可在測試系統主界面選擇 “打開示波器設備面板”，出現如圖5所示的示波器界面，點擊“示波器拷屏”按鈕，系統在測試時可將示波器截屏保存在指定的位置。圖6所示為示波器的截屏圖，是在待測模塊增益為15dB、輸入功率為10.5 dB和瞬態為16dB的條件下測得的瞬態圖，黃色線為剩余信道波長功率變化，綠色線為調制信道波長功率變化。由圖可知，當調制信道功率突然增加16dB時，剩余信道功率產生了抖動（也就是過欠沖現象），持續100μs左右后恢復正常。

圖5 示波器界面圖

圖6 示波器截屏圖

5 結束語

本文所設計和瞬態測試系統基于python語言編寫，充分利用了面向對象的特性，具有高內聚和低耦合的特點；采用分層模塊化的設計思想，具有良好的人機交互功能，操作方便，可自動存儲測試數據。軟件上代碼維護簡單，可重用性、可嵌入性和可擴展性強；硬件上各儀器設備采用統一的接口控制，線路連接簡單，一次搭建可重復使用。該系統不僅可以有效節約光路切換、光功率調節和數據采集及處理的時間，而且可以很大程度上減少人為操作引起的誤差，節省了時間成本和人力資源，可在無人值守的情況下進行長時間自動測試。