技术干货 | 光猫BOB功率调测误差分析与校验指南
发布时间：2024-07-08 16:15:01 热度：807
7/08/2024，光纤在线讯，DDM（Digital Diagnostic Monitoring）数字诊断监控技术，是光模块中使用的技术，以便用户能够监控光模块的实时参数。这些参数包括工作温度、工作电压、工作电流、发射和接收光功率等，还可以显示模块的常规波长、速率、传输距离、厂商名、出厂编号、型号、序列号、出厂日期、告警信息等等。其中RxDDMI/TxDDMI用于指示接收/发送光功率的大小，为现场问题定位，维护诊断提供方便。
RxDDMI/TxDDMI是ONU的BOB调测的关键指标,其实现原理及调测方案，如下图所示。
图1 RxDDMI实现原理及调测方案
图2 TxDDMI实现原理及调测方案
如图1是ONU的BOB的RxDDMI实现电路，当PIN接收光信号后产生光电流，经放大后，输入到ADC器件进行检测，这样就可以通过AD值反应输入功率的大小。如图2是BOB的TxDDMI实现电路，激光器LD发光时，固定比例的光送到背光MD探测器检测，产生光电流，放大后输入到ADC器件进行检测，AD值大小可反应MD接收光的大小， 由于MD接收光和LD发送光功率是固定比例，所以AD值也可反应LD发送功率的大小。
要实现RxDDMI/TXDDMI的功能，除硬件电路外，还需要有对应参数表，用于表征光功率和ADC读数之间的对应关系。在ONU产品上，上述功能多由ONU协议芯片上集成，属于ONU的一个基本功能。
ONU的RxDDMI/TXDDMI的调测首先就是要校准并生成RxDDMI/TXDDMI的参数表，也就是要建立接收/发送功率和ADC读数之间的换算关系。目前ONU的TxDDMI参数表标定采用两点（其中一个点可能是原点）拟合直线，RxDDMI参数表标定多数采用多个功率点拟合一条直线的方案，我们以RxDDMI为例，分析校准过程中的误差和校准方案。
图3 RxDDMI参数表校准方案：多点拟合直线
具体校准过程如下：
1、通过改变VOA的衰减，改变到被测ONU的输入光功率，测试多个不同输入功率PA1~PA5条件下的RxDDMI的ADC读数AD1~AD5；
2、将多个测试点数据(PA1,AD1) (PA2,AD2) (PA3,AD3) (PA4,AD4) (PA5,AD5)，拟合功率响应直线，计算斜率Slope及偏移量Offset；
3、将斜率Slope及偏移量Offset标定到被测光猫；
4、校准完成并生效后，光猫将检测RxDDMI的AD值， 根据标定好的Slope及Offset，计算RxDDMI的上报功率。
TxDDMI参数表校准方案与RxDDMI类似，只是拟合的测试点数量不同。
那么RxDDMI/TxDDMI校准过程中可能存在哪些偏差，又怎么预防或校验呢？
PD的功率响应的非线性偏差
如图3所示，这种偏差无法是无法通过测试流程和系统误差控制来完全消除的。此时，PD功率响应不适合用直线y=kx+b表征。在不同输入功率条件下，真实功率和上报功率会存在偏差，不同功率点的偏差值不同，且无规律。
· 预防：InGaAs等PD的功率响应是近似直线的（可能在动态范围的边缘会有一定非线性情况），同时在研发阶段都会对功率响应是否线性进行验证，从产品设计上保证PD响应的线性，所以这种PD功率响应存在明显非线性的概率是比较低的。
· 校验：对于此类偏差，可以在PD校准完成后，对拟合直线与真实功率响应的符合度进行校验。改变输入功率，在不同输入功率PAi时查询被测光猫的RxDDMI的上报功率PBi，(或利用校准时的几组测试数据(PAi,ADi)，将ADi数据代入y=Slope*Adi+Offset，计算得到相应RxDDMI的上报功率PBi)，并比较实际功率PAi与上报功率PBi偏差，均小于门限，可说明功率响应是符合线性的。该校验可以和校准在同一工位，也可在不同工位。
PD功率响应的Slope偏差
造成这种响应偏差的主要是测试系统的功率计的线性度和标准功率计出现明显偏差。如图4所示，当出现明显Slope偏差时，就会表现出不同输入功率情况下，真实功率和上报功率之间的偏差值会出现明显的差异，且偏差值会递增或递减。实际上，功率计一般都会定期计量，功率计线性度偏差的概率也应该是较小的。
图4 RxDDMI参数表Slope偏差
· 预防：可在测试系统光路校准时，利用商业功率计对测试系统功率计线性进行校验。如图5，在输入光功率动态范围内，挑选几个功率点，比较对应的测试系统功率读数和校准功率计读数偏差，判断测试系统功率计线性是否正确。
图5 利用商用功率计校验测试系统功率计线性
如果能确保测试系统功率计线性满足要求，理论上应可保证光猫RxDDMI校准的线性Slope的结果是正确的，无需在后续测试环节进行此参数校验。
· 校验：可以在校准工位校验，也可在独立的校验环节进行校验，校验必须覆盖两个功率点，功率点的功率差异尽可能大。
PD功率响应的Offset偏差
这种情况主要是校准或测试环节因为光纤脏污或操作原因引起。校准和测试环节的误差形成及影响也是存在差异的，下面我们分别描述：
A. 光路校准时，光纤脏污或光路操作问题，如光纤未插拔到位，光纤弯折等，会导致Rx/Tx方向光路插损不准（通常会偏大），从而导致Rx/Tx方向光路补偿值偏大，从而导致测试时的Tx/Rx功率偏大。因为在后续测试过程中，都需要使用Tx/Rx补偿值计算Tx/Rx光功率，所以校准环节的误差就是系统误差，影响后续每一次测试结果。在光路校准时，一般Tx/Rx光路校准是分开进行的，光纤插拔也是分开的，每次操作引入的误差也是不同的，所以Tx/Rx光路校准的误差一般也是独立的，不存在必然的关联性。
B. 光路测试时，光纤脏污或光路操作问题，如光纤未插拔到位，光纤弯折等，会导致导致Rx/Tx方向光路插损偏大，从而导致测试时的Tx/Rx功率偏小。测试时，每次光纤脏污和操作问题仅仅影响当前DUT的测试结果，下个DUT测试时，光纤清洁或插拔到位后，测试结果可能就恢复正常。ONU光猫是单纤双向的工作模式，Tx/Rx测试一般就是一次光纤连接，所以脏污或操作引起的误差会同时影响Tx/Rx的测试结果。
上述原因都会导致Rx/TxDDMI校准的的Offset出现明显偏差，且是导致校准问题的主要因素。如图6所示，当出现此类误差时，不同输入/输出功率情况下，真实功率和上报功率会有明显偏差，但是不同输入功率点的偏差值基本一致。
图6 RxDDMI参数表Offset偏差
· 预防：光路校准前和正常测试环节中保证测试环境光纤清洁，通过校准参数波动监测预警，可减少该类故障发生，无法完全消除。
· 校验：对于光纤脏污及操作原因如插拔不到位，光纤弯折等原因导致的校准系统误差或测试误差，因为都和操作人员强相关，无法彻底预防，所以必须通过独立的校验环节进行校验。由于校准环节引入的校准误差，Tx/Rx方向是独立的，校验也必须覆盖Tx/Rx两个方向。但是对于上述原因引起的Offset偏差，因为他对不同功率点的测试结果相同，所以只需要在校验环节校验一个功率点即可。
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产品咨询热线：010-82349338
RxDDMI/TxDDMI是ONU的BOB调测的关键指标,其实现原理及调测方案，如下图所示。
图1 RxDDMI实现原理及调测方案
图2 TxDDMI实现原理及调测方案
如图1是ONU的BOB的RxDDMI实现电路，当PIN接收光信号后产生光电流，经放大后，输入到ADC器件进行检测，这样就可以通过AD值反应输入功率的大小。如图2是BOB的TxDDMI实现电路，激光器LD发光时，固定比例的光送到背光MD探测器检测，产生光电流，放大后输入到ADC器件进行检测，AD值大小可反应MD接收光的大小， 由于MD接收光和LD发送光功率是固定比例，所以AD值也可反应LD发送功率的大小。
要实现RxDDMI/TXDDMI的功能，除硬件电路外，还需要有对应参数表，用于表征光功率和ADC读数之间的对应关系。在ONU产品上，上述功能多由ONU协议芯片上集成，属于ONU的一个基本功能。
ONU的RxDDMI/TXDDMI的调测首先就是要校准并生成RxDDMI/TXDDMI的参数表，也就是要建立接收/发送功率和ADC读数之间的换算关系。目前ONU的TxDDMI参数表标定采用两点（其中一个点可能是原点）拟合直线，RxDDMI参数表标定多数采用多个功率点拟合一条直线的方案，我们以RxDDMI为例，分析校准过程中的误差和校准方案。
图3 RxDDMI参数表校准方案：多点拟合直线
具体校准过程如下：
1、通过改变VOA的衰减，改变到被测ONU的输入光功率，测试多个不同输入功率PA1~PA5条件下的RxDDMI的ADC读数AD1~AD5；
2、将多个测试点数据(PA1,AD1) (PA2,AD2) (PA3,AD3) (PA4,AD4) (PA5,AD5)，拟合功率响应直线，计算斜率Slope及偏移量Offset；
3、将斜率Slope及偏移量Offset标定到被测光猫；
4、校准完成并生效后，光猫将检测RxDDMI的AD值， 根据标定好的Slope及Offset，计算RxDDMI的上报功率。
TxDDMI参数表校准方案与RxDDMI类似，只是拟合的测试点数量不同。
那么RxDDMI/TxDDMI校准过程中可能存在哪些偏差，又怎么预防或校验呢？
PD的功率响应的非线性偏差
如图3所示，这种偏差无法是无法通过测试流程和系统误差控制来完全消除的。此时，PD功率响应不适合用直线y=kx+b表征。在不同输入功率条件下，真实功率和上报功率会存在偏差，不同功率点的偏差值不同，且无规律。
· 预防：InGaAs等PD的功率响应是近似直线的（可能在动态范围的边缘会有一定非线性情况），同时在研发阶段都会对功率响应是否线性进行验证，从产品设计上保证PD响应的线性，所以这种PD功率响应存在明显非线性的概率是比较低的。
· 校验：对于此类偏差，可以在PD校准完成后，对拟合直线与真实功率响应的符合度进行校验。改变输入功率，在不同输入功率PAi时查询被测光猫的RxDDMI的上报功率PBi，(或利用校准时的几组测试数据(PAi,ADi)，将ADi数据代入y=Slope*Adi+Offset，计算得到相应RxDDMI的上报功率PBi)，并比较实际功率PAi与上报功率PBi偏差，均小于门限，可说明功率响应是符合线性的。该校验可以和校准在同一工位，也可在不同工位。
PD功率响应的Slope偏差
造成这种响应偏差的主要是测试系统的功率计的线性度和标准功率计出现明显偏差。如图4所示，当出现明显Slope偏差时，就会表现出不同输入功率情况下，真实功率和上报功率之间的偏差值会出现明显的差异，且偏差值会递增或递减。实际上，功率计一般都会定期计量，功率计线性度偏差的概率也应该是较小的。
图4 RxDDMI参数表Slope偏差
· 预防：可在测试系统光路校准时，利用商业功率计对测试系统功率计线性进行校验。如图5，在输入光功率动态范围内，挑选几个功率点，比较对应的测试系统功率读数和校准功率计读数偏差，判断测试系统功率计线性是否正确。
图5 利用商用功率计校验测试系统功率计线性
如果能确保测试系统功率计线性满足要求，理论上应可保证光猫RxDDMI校准的线性Slope的结果是正确的，无需在后续测试环节进行此参数校验。
· 校验：可以在校准工位校验，也可在独立的校验环节进行校验，校验必须覆盖两个功率点，功率点的功率差异尽可能大。
PD功率响应的Offset偏差
这种情况主要是校准或测试环节因为光纤脏污或操作原因引起。校准和测试环节的误差形成及影响也是存在差异的，下面我们分别描述：
A. 光路校准时，光纤脏污或光路操作问题，如光纤未插拔到位，光纤弯折等，会导致Rx/Tx方向光路插损不准（通常会偏大），从而导致Rx/Tx方向光路补偿值偏大，从而导致测试时的Tx/Rx功率偏大。因为在后续测试过程中，都需要使用Tx/Rx补偿值计算Tx/Rx光功率，所以校准环节的误差就是系统误差，影响后续每一次测试结果。在光路校准时，一般Tx/Rx光路校准是分开进行的，光纤插拔也是分开的，每次操作引入的误差也是不同的，所以Tx/Rx光路校准的误差一般也是独立的，不存在必然的关联性。
B. 光路测试时，光纤脏污或光路操作问题，如光纤未插拔到位，光纤弯折等，会导致导致Rx/Tx方向光路插损偏大，从而导致测试时的Tx/Rx功率偏小。测试时，每次光纤脏污和操作问题仅仅影响当前DUT的测试结果，下个DUT测试时，光纤清洁或插拔到位后，测试结果可能就恢复正常。ONU光猫是单纤双向的工作模式，Tx/Rx测试一般就是一次光纤连接，所以脏污或操作引起的误差会同时影响Tx/Rx的测试结果。
上述原因都会导致Rx/TxDDMI校准的的Offset出现明显偏差，且是导致校准问题的主要因素。如图6所示，当出现此类误差时，不同输入/输出功率情况下，真实功率和上报功率会有明显偏差，但是不同输入功率点的偏差值基本一致。
图6 RxDDMI参数表Offset偏差
· 预防：光路校准前和正常测试环节中保证测试环境光纤清洁，通过校准参数波动监测预警，可减少该类故障发生，无法完全消除。
· 校验：对于光纤脏污及操作原因如插拔不到位，光纤弯折等原因导致的校准系统误差或测试误差，因为都和操作人员强相关，无法彻底预防，所以必须通过独立的校验环节进行校验。由于校准环节引入的校准误差，Tx/Rx方向是独立的，校验也必须覆盖Tx/Rx两个方向。但是对于上述原因引起的Offset偏差，因为他对不同功率点的测试结果相同，所以只需要在校验环节校验一个功率点即可。
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