光纖通信系統中光信噪比的監測分析*

陳夢遲,賴貴珍,游善紅

(1.蘇州大學電子信息學院,江蘇蘇州215006;2.廈門城市職業學院,福建廈門361008)

光纖通信系統中光信噪比的監測分析*

陳夢遲1,賴貴珍2,游善紅1

(1.蘇州大學電子信息學院,江蘇蘇州215006;2.廈門城市職業學院,福建廈門361008)

在新一代高數據傳輸速率的智能化光網絡中,隨著密集波分復用技術與可重構光分插復用器的使用,傳統的帶外光信噪比的監測方式已不再滿足光性能監測技術的發展要求。文章根據測試技術原理,利用Optisystem軟件建立仿真模型,分別對帶外插值法以及帶內的信號關斷法與偏振光譜解析法進行評估。傳統帶外插值法的監測結果在動態密集波分復用網絡中已不準確。信號關斷法監測方法簡單準確,但是監測時需要中斷網絡服務,并不適合實時監測。偏振光譜解析法雖然有些復雜,但是可適用于新一代光網絡的實時動態監測。

光信噪比 插值法 信號關斷法 偏振解析法

0 引 言

目前,光纖通信正朝著智能化,高速度及基于密集波分復用(DWDM)的動態服務的全光網絡方向發展。然而,光信號在光纖中傳輸時,會遭受到各種因素的損傷,包括自發輻射噪聲,色散,偏振模色散以及非線性效應等,這些因素都會影響光纖中信號的質量。因此,實時的光性能監測對于光網絡來說就顯得尤為必要[1]。光網絡中網絡性能評估因子有光信噪比(OSNR)和Q因子[2],由于光信噪比與誤碼率存在直接關系,所以光信噪比是衡量光路性能的重要指標。

在密集波分復用網絡中,通常在點對點中繼鏈

路或環狀城域網的通道上測量光信噪比(OSNR)[3]。每個復用信號波長通常沿同一光徑傳播。在這些條件下,可以采用基于光譜分析儀(OSA)的方法來測量,這種方法也稱為插值法[4],可以對所有DWDM通道進行單光譜測量。

然而,隨著可重構型分插復用器(ROADM)[5]的部署以及網狀網絡拓撲結構越來越復雜,任意指定的DWDM信號波長可能經過不同的中間節點組合(每個節點通常有其各自的ROADM和光放大器)而不是經過相鄰通道。在這些情況下,插值法已不再適用,因為特定通道的固有噪聲級別與相鄰通道的噪聲級別沒有必然關聯。

此外,如果通道密度很高,在不同通道沿相同光纖通道傳播的放大點對點鏈路中,通常也無法使用插值法[6]。在這種背景下,研究不同OSNR測試方法的差異和適用范圍是很有必要的。

本文主要分為三個部分。第一個部分主要介紹三種光信噪比監測方法:帶外插值法以及帶內的信號關斷法和偏振光譜解析法。利用仿真軟件Optisystem進行仿真,第二部分將分析比較三種方法的測試結果。最后,第三部分進行總結,分析比較三種方法的優劣。

1 光信噪比的測試技術原理

光信噪比是指信道中光信號的功率和0.1 nm內光噪聲功率的比值,一般定義為:

式中,PS,PN分別表示光信號功率和0.1 nm噪聲功率。下面主要介紹三種比較成熟的OSNR測試技術和原理。

1.1 插值法原理

插值法[7]是通常假設在相鄰波峰之間和下方噪聲水平大致平坦,采用光譜分析儀(OSA),并對光譜分析儀(OSA)設置波長分辨率和光抑制比,通過獲取到的光譜數據得到相鄰波峰之間的噪聲水平,然后利用線性插值法計算出波峰下方噪聲功率,最后得到的信號功率就是信道總功率和波峰下方噪聲之間的差值,如圖1所示。

噪聲功率為:

式中,i用來標記波長,我們可以分別得到(λi-Δλ)和(λi+Δλ)處的噪聲功率。通過線性插值的方式得到i處的噪聲功率,從而得到OSNR。

圖1 插值法原理Fig.1 Schematic of interpolation

1.2 信號關斷法原理

信號關斷法是指在測試信道OSNR的過程中,先關斷所測試的信道波長的信號功率,通過光譜分析儀得到該信道0.1 nm內帶寬內的噪聲功率PN;然后加載所測試的信道波長的信號功率,通過OSA得到該信道相應帶寬內的信號功率和噪聲功率之和Psum,則

代入公式(1)計算得到OSNR。

1.3 偏振解析法原理

偏振解析光譜分析法[8]利用光信號和噪聲之間偏振特性不同來測DWDM通道內的OSNR[9]。偏振解析光譜法示意圖如圖2所示。

圖2 偏振解析法Fig.2 Schematic of polarization diversity

信號經偏振分束器分為兩路,分別記為PA,PB,并引入參數k表示對信號功率的分光比例,并利用信道光譜功率的極大點i=max獲得參數k的初始值,由i=max點兩側i=R,i=L兩點的數據,利用Matlab進行迭代。每次迭代計算出噪聲值,則其相相應的光信噪比值可表示為:

2 仿真結果

2.1 插值法仿真結果

如前述原理,在Optisystem軟件中設計仿真光通信系統,如圖3所示。

在光系統中,用40 Gb/s的二進制偽隨機碼調制連續波激光信號,并設置信道間隔分別為50 GHz和100 GHz。通過光譜分析儀測得數據可以計算得到OSNR。首先,計算出信道內信號平均功率PS以及噪聲總功率。然后,通過轉換計算出中心信道左右0.1 nm范圍內的噪聲功率PN0.1nm。最后,根據公式(1)即可算的OSNR。

當信道間隔為50 GHz時,仿真測得噪聲Ni與信號PS的總功率為2.88e-4W,0.1 nm范圍內的噪聲功率為5.04e-4W。中心信道波長λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.2 nm。將數據代入公式(2)和公式(1)中,可計算出OSNR=27.53 dB。而通過Optisystem仿真得到的OSNR=17.55 dB,兩者誤差為9.98 dB。

當信道間隔為100 GHz時,仿真測得噪聲Ni與信號PS的總功率為2.87e-4W,0.1 nm范圍內的噪聲功率為1.60e-4W。中心信道波長λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.4 nm。將數據代入公式(2)和公式(1)中,可計算出OSNR=32.54 dB。而通過Optisystem仿真得到的OSNR=31.52 dB,兩者誤差為1.02 dB。

2.2 信號關斷法仿真結果

如前述原理,在Optisystem軟件中設計仿真光通信系統,關斷法仿真圖與插值法仿真圖相同如圖3所示。

圖3 插值法和信號關斷法仿真Fig.3 Simulation chart of inter-polation and on-off signal

信道間隔為50 GHz時,當信號功率PS為-100 dBm(即信號功率約為0 W),由光譜儀測得噪聲功率PN為7.49e-7W。通過轉化得到中心信道0.1 nm范圍內的噪聲功率PN0.1nm為1.88e-7W。當信號功率PS為0 dBm時,由光譜儀測得信號功率與噪聲功率的總功率為5.76e-7W,帶入公式(3)、(1)計算得OSNR=24.81 dB,由Optisystem仿真得到的OSNR=17.55 dB,兩者誤差為7.26 dB。

信道間隔為100 GHz時,當信號功率PS為-100 dBm(即信號功率約為0W),由光譜儀測得噪聲功率PN為1.45e-6W。通過轉化得到中心信道0.1 nm范圍內的噪聲功率PN0.1nm為1.82e-7W。當信號功率PS為0 dBm時,由光譜儀測得信號功率與噪聲功率的總功率為5.76e-7W,帶入公式(3)、(1)計算得OSNR=35.07 dB,由Optisystem仿真得到的OSNR=31.16 dB,兩者誤差為3.91 dB。

2.3 偏振解析法仿真結果

如前述原理,在Optisystem軟件中設計仿真光通信系統,如圖4所示。

圖4 偏振解析法仿真Fig.4 Simulation chart of polarization

仿真過程中,發射機信號功率PS=0 dB,并且設置信道間隔為200 GHz以避免信道間干擾。使用Matlab進行迭代,線性插值參數設為α=0.6,迭代的終止條件為|OSNR1-OSNR2|≤0.01 dB.信號帶寬CBWS=0.2 nm,噪聲帶寬CBWn=0.1 nm。

通過調整偏振控制器的角度可以改變參數分光比k的值,從而得到不同的OSNR。如表1所示。

表1 不同分光比參數k下的光信噪比Table 1 Simulation results at differentkvalues

3 仿真分析

3.1 插值法仿真結果

插值法的前提是假設不同光信道中的自發輻射噪聲具有一個相對平坦的光頻譜,噪聲功率就不會根據光信號波長的變化而有所差異?；谶@樣的假設,就可以利用信道間的噪聲功率通過線性插值的方式估算出信道內的噪聲大小。然而,在高傳輸速率和信道間隔較小的光纖通信系統中,信號的混疊將導致噪聲功率變大,從而使得插值法測得的OSNR偏小。如圖5、圖6所示,對于速率為40 Gb/s的光纖通信系統,信道間隔為100 GHz時,相鄰信道間

隔足夠寬,還不會發生混疊串擾。但是,對于間隔50 GHz或者更小的光系統,相鄰信道的信號將會混疊。信道間隔的變小會導致信號的混疊,并且間隔越小混疊越嚴重。

帶外插值法采用的線性內插技術對于點到點的光纖通信是有效的。插值法的主要問題在于隨著網絡節點的增加和網絡拓撲結構越來越復雜以及ROADM等技術的使用,光纖通信系統中噪聲的來源更加復雜化,更加難以測量。

圖5 信道間隔50 GHz光譜Fig.5 Spectrum transmissionsystem of 50 GHz

圖6 信道間隔100 GHz光譜Fig.6 Spectrum transmissionsystem of 100 GHz

3.2 信號關斷法仿真分析

信號關斷法由于需要逐一關斷每個測試通道波長的發送信號光功率,因而此種測試方法不能進行系統的在線測試,所需的測試時間也相對較長,測試過程非常麻煩,無法滿足未來動態實時監測的需求。此外,關斷信號對噪聲功率的測量可能會造成一定的影響,造成一定的測量誤差。

3.3 偏振解析法仿真分析

從表1可以看出,線性插值參數α與分光比參數k的選取對最終得到的OSNR都有影響。分光比k值越小,測試結果就越準確。

偏振解析光譜分析法不需要OSA內檢測到的兩個(正交分析)信號當中的任何一個被完全歸零,而是僅需要信號有幾分貝的差異,這比完全歸零能夠更快地實現。每個OSA通道內檢測到的光譜(包括不同的信號電平,但噪聲的貢獻值大致類似)會相減。這兩個噪聲的貢獻值相等,因此被抵消,從而獲得僅同偏振的信號(即無噪聲的信號)成比例的光譜差異。

偏振解析光譜分析法只需要從光纖中耦合出一小部分信號即可進行測試并且測試的過程中對光纖通信系統幾乎沒有影響,容易做成即插即用的測試模塊,因此具有廣泛的應用前景。偏振解析光譜分析法屬于典型的帶內OSNR測試方法,此類方法準確度更好,更能適應未來的高速率光纖通信系統。

偏振解析光譜分析法也存在其缺陷:第一,對于信號分光系數k的確定比較困難需要通過多次調整才能尋找到一個合適的k值以減少測量誤差;第二,偏振解析光譜分析法需要進行多次迭代才能計算出比較準確的噪聲值,對于后期信號的處理存在諸多不便。

4 結 語

本文主要介紹了3種光性能監測中OSNR的測量方法,對比仿真結果,可以得出以下結論:

插值法作為一種帶外光性能監測(OPM)技術,在高速率低信道間隔的情況下,誤差是相當大的,光纖通信系統無法接受;信號關斷法和偏振解析光譜分析法能適應高速率低信道間隔的情況,其誤差均在光纖通信系統可以接受的范圍內。

為了使得頻譜利用率提高,以后的發展方向是頻譜間隔越來越小(現在已經到25 GHz),并且更加靈活的光網絡,所以插值法(帶外的方法)不適應光網絡的發展。而關斷法也不適合實時監測,所以有必要研究實時的OSNR監測方法。偏振解析光譜分析法可以作為一種有效的實時的OSNR監測方法。

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陳夢遲(1994—),男,本科生,主要研究方向為通信技術;

CHENMeng-chi(1994-),male,B.Sc., majoring in communication technology.

賴貴珍(1989—),男,碩士研究生,主要研究方向為光電轉換、光網絡性能傳輸;

LAIGui-zhen(1989-),male,postgraduate,mainly engaged in photoelectric conversion and optical performancemonitor(OPM).

游善紅(1975—),女,博士研究生,副教授,主要研究方向為光通信技術。

You Shan-hong(1975-),female,Ph.D.,associate professor, mainly engaged in optical fiber communication technology.

術語百科TechnicalTerms

頻譜聚合

目前移動通信系統的高系統帶寬要求與不連續的頻譜分配現狀之間存在著尖銳的矛盾,國際電信聯盟制訂的IMT-Advanced標準要求新的系統能夠支持多種長度的系統帶寬,除去2.3GHz到2.4GHz是傳統的通信頻段外,其他的頻段呈現往高低發展的趨勢,尤其是3.4GHz以上的頻段屬于覆蓋范圍小、穿透能力差和移動性能不好的高頻段,高頻段只能提供不連續的的小容量頻譜資源給小面積的區域使用,低頻段可以給用戶提供服務的帶寬資源有限。所以提高頻帶資源利用率和最大可能的利用高頻段的資源成為需要解決的問題。頻譜聚合可以將分散的、信道容量難以支撐高帶寬需求業務的頻譜段聚合為完整的、信道容量較大的頻譜,從而支持更高的系統帶寬,提升頻率利用率。此外,對頻率相距較遠的頻譜聚合能夠實現系統層面的頻率選擇性分集,即充分利用不同頻譜的路徑損耗和衰落的異質性,實現資源分配和利用的最優化。

目前針對頻譜聚合的研究方案有很多,實現的難度主要在于幾個方面:一是硬件受限,目前接收機射頻前端的混頻器、濾波器,發射機的功率放大器,以及數字信號處理器等的技術水平都難以達到頻譜聚合的要求;二是異質頻譜環境的約束,頻率相距較遠的頻譜之間的異質性既帶來系統層面的頻率選擇性分集,也使無線信道環境變得更加復雜;三是離散頻譜的物理層傳輸問題,離散頻譜要求選擇可以支持分段傳輸的物理層傳輸方案,但是頻譜聚合傳輸的信號可能會對頻譜間隔處的其他通信系統造成干擾。上述限制條件是頻譜聚合的理論和應用研究中必須考慮的問題,如果可以解決和克服,頻譜聚合在未來移動通信網絡演進中將起十分重大的作用。

Monitoring Analysis of OSNR in Optical Fiber Communication System

CHEN Meng-chi1,LAIGui-zhen2,YOU Shan-hong1
(1.School of Electronic and Information Engineering,Soochow University,Suzhou Jianggsu 215006,China;
2.Xiamen City University,Xiamen Fujian 361008,China)

In the new-generation intelligentoptical networkswith data transmission rates,with the applications of dense wavelength divisionmultiplexing(DWDM)and reconfigurable optical add-dropmultiplexer (ROADM),the monitoring techniques of traditional out-band optical signal-to-noise ratio(OSNR)become not so suitable for themonitoring development reqirements.Simulation models are set up in the software Optisystem according to the principle of themonitoring technology,and traditional out-band interpolation,in-band on-off signal,and in-band polarization analyticalmethods are evaluated respectively.The traditional out-band interpolation is not very accurate in the dynamic DWDM networks.The on-off signal method is simple and accurate but itwould interrupt the service and so notsuitable for the real-timemonitoring.The polarization analyticalmethod is a bit complicated butapplicable for real-time in-band OSNR monitoring in the next-generation optical networks.

optical signal-to-noise ratio(OSNR);interpolation;on-off signal;polarization analytical method

TN911.4

A

1002-0802(2014)12-1464-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.12.024

2014-08-21;

2014-11-13 Received date：2014-08-21;Revised date：2014-11-13

秦惠莙與李政道中國大學生見習進修基金項目支持

Foundation Item:Hui-Chun Chin and Tsung-Dao Lee Chinese Undergraduate Research Endowment(CURE)