10和100Gbit/s混傳OSNR測試方法研究＊

趙 鑫 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

程 華 北京鐵路通信技術中心高級工程師

湯 瑞 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

趙文玉 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

1 引言

在WDM（光波分復用）系統中，光信號以完全透明的模擬方式進行傳輸，監測OSNR（光信噪比）成為傳輸層中衡量光信號質量最常用的關鍵指標之一。隨著100Gbit/s等高速信號的出現，信號光譜展寬，相鄰波道光譜會發生重疊，這使得信道間噪聲不僅包含ASE噪聲功率，同時還含有部分串擾的信號功率，按照傳統OSNR測試方法測試的結果將低于真實的OSNR值。另外，隨著ROADM（可重構的光分插復用）節點和OEQ（光域均衡）技術的出現，濾波器件對噪聲譜進行了再次重構。經過濾波器后的信道間噪聲功率明顯降低，使得傳統OSNR測試方法測試得到的OSNR值偏低。這樣就給以信道間噪聲內插等效信道內噪聲測試為基本原理的傳統OSNR測試方法帶來了挑戰，而10和100Gbit/s信號混傳時OSNR測試面臨的問題則更為復雜。

現有實際網絡建設中，考慮到業務需求、應用成熟度、后續擴容和成本等綜合因素，10和100Gbit/s混傳系統已得到一定程度的應用。因此，非常有必要及時開展10和100Gbit/s混傳系統OSNR測試方法的研究，以解決實際混傳網絡中OSNR的精準測量問題。

2 傳統OSNR測量方法與限制

傳統的10Gbit/s系統采用帶外OSNR測試方法進行光信號傳輸質量的評判。由于10Gbit/s及以下速率信號的光譜寬度較窄，在標準通道頻譜間隔下光通道之間的光譜串擾很小，0.1nm的參考測量帶寬幾乎可包含信號的全部功率，因此傳統OSNR測試一般選擇0.1nm帶寬內光信號功率和噪聲功率的比值，而噪聲的功率取兩相鄰通路中間點的功率，如圖1所示。這種以通道間噪聲等效通道內噪聲的測試方法（即帶外OSNR測量方法），在10Gbit/s及以下速率WDM系統中能夠得到很高的測試精度。

根據下面公式計算出OSNR：

圖1 傳統測量OSNR原理

其中，Pi為第i通道內的信號功率，Br為光學參考帶寬0.1nm，Bm為光學測量帶寬，Ni為信號兩側ASE噪聲功率測量值的平均值。

在10和100Gbit/s混傳系統中，100Gbit/s信號采用與10Gbit/s信號不同的調制碼型，且光譜譜寬較寬，如圖2所示。因此，通道間功率不僅僅是ASE噪聲，而且還包含了部分信號功率的串擾，這將導致混傳系統中ASE噪聲功率測量不準確，從而使傳統OSNR測量方法測試的OSNR值明顯偏低，因此傳統OSNR測試方法不再適用于10和100Gbit/s混傳系統的OSNR測試。

圖2 10和100Gbit/s信號混傳時的光譜圖

另外，如果WDM系統中間級聯有OADM站點時，ASE噪聲被光濾波器整形和濾波，此時通道間的ASE噪聲功率要小于信號波長處實際ASE噪聲功率，使得傳統OSNR測試方法測試得到的OSNR值偏高，這也將導致傳統OSNR測量方法不再適用。

綜上所述，10Gbit/s信號常規采用的傳統OSNR測試方法已不適用于10和100Gbit/s混傳及存在濾波效應系統的OSNR測試和評判，需要采用新型OSNR測試方法獲得更為準確的OSNR測試結果。

3 10和100Gbit/s混傳OSNR測試方法

10和100Gbit/s信號混傳時，由于兩種信號編碼方式和光譜譜寬不同，因此系統配置中通常會將兩種類型的信號保持一定的通道間隔，也可將兩種信號分別自光譜的兩端開始分配。在混傳系統的OSNR測試過程中，對于通路間隔或信號光譜形狀不影響單通路信號功率計算的10Gbit/s信號的情形，仍可直接采用傳統OSNR測試方法進行測試，得到10Gbit/s信號的OSNR值。對于100Gbit/s信號則需要采用關閉光源法進行OSNR的測試，同時在通道波長較少且位于波段邊緣時，需要通過偏差校正方法對OSNR測試結果進行偏差校正，以提高混傳系統中100Gbit/s信號OSNR的測試精度。

3.1 關閉光源法測試OSNR的方法

關閉光源法測試OSNR的方法和傳統OSNR測試方法的主要區別是采用關閉光源的方式測試得到準確的信道內噪聲，其步驟如下：

（1）打開測試波道用積分法測試整個信號光譜范圍內的功率，計作P1。

（2）關閉信號波道，用積分法測試對應的信道內噪聲的功率，計作P2。

（3）保持信號波道關閉狀態，測試等效噪聲帶寬Br范圍內的功率，計作P3。

（4）根據公式（3）計算得到OSNR值。

本方法可以有效地解決傳統OSNR測試方法無法規避的問題，但測試時需要中斷被測試的波道，同時也需注意如下問題：

（1）采用信號光源關閉的方法將帶來一定測試偏差（關閉光源后ASE功率發生變化），尤其是當系統中配置的波長較少且位于波段邊緣時。需要對ASE功率相應變化值在測試中進行記錄，并校正OSNR的測試計算值。

（2）對于通路間隔或信號光譜形狀不影響單通路信號功率計算的情形，也可直接采用支持信號積分功率自動計算的光譜分析儀自動掃描光信噪比值。

3.2 關閉光源法測試OSNR方法的偏差矯正

采用關閉光源法測試OSNR時，由于關閉當前測試通路的光源以后，光放大器的ASE噪聲譜的分布將發生微小變化，而且當前主光通路配置的波長數較少（＜10波）或者處于C波段邊緣時變化更為明顯。因此，這種情況下測試得到的噪聲功率一般要大于被測通路光源關閉前實際的噪聲功率，導致OSNR的測試值與實際值存在一定偏差。目前，可以采用兩種OSNR測試偏差校正的方法，即絕對法校正和相對法校正。

（1）絕對法校正

絕對法校正是采用噪聲絕對變化量數值對于噪聲功率進行校正的方式來校正OSNR值，具體步驟為：

●在被測通路光源關閉前，分別在被測通路中心波長±a（50GHz通路間隔a為0.3nm，100GHz通路間隔a為0.5nm）的波長處測試A點和B點的功率值，記錄為PA和PB。

●在被測通路光源關閉后，再次在被測通路中心波長±a的波長處測試A’點和B’點的功率值，記錄為PA’和PB’。

●計算被測通路光源關閉前后ASE參考噪聲（0.1nm帶寬）的相對變化量D為：

公式（4）中，BO是ASE參考帶寬0.1nm，Bm是光譜分析儀功率測試帶寬。

根據ASE變化量D對OSNR計算公式進行校準，可得：

為了更進一步提高OSNR計算準確度，建議對于D值進行多次測試后取其幾何平均值。

（2）相對法校正

相對法校正是采用噪聲相對變化量數值對于噪聲功率進行校正的方式來校正OSNR值，具體步驟為：

●在被測通路光源關閉前，分別在被測通路中心波長±a（50GHz通路間隔a為0.3nm，100GHz通路間隔a為0.5nm）的波長處測試A點和B點的功率值，記錄為PA和PB；

●在被測通路光源關閉后，再次在被測通路中心波長±a的波長處測試A’點和B’點的功率值，記錄為PA’和PB’；

●被測通路光源關閉前后ASE參考噪聲（0.1nm帶寬）的絕對變化量R為：

根據ASE變化量R對OSNR計算公式進行校準，可得：

為了更進一步提高OSNR計算準確度，建議對R值進行多次測試后取其幾何平均值。

4 10和100Gbit/s混傳OSNR測試方法驗證

根據10和100Gbit/s混傳系統的OSNR測試方法，在鐵路OTN光通信系統中進行了現網測試驗證，具體過程如下。

本系統為10和100Gbit/s混傳系統，共傳輸5個跨段，距離全長322km，未采用ROADM和功率均衡技術。系統中共計18個信號波道，其中10Gbit/s波道共計16波，100Gbit/s波道共計2波，如圖3所示。OSNR測試過程中，10Gbit/s信道采用傳統OSNR測試方法進行測試。100Gbit/s信號則采用關閉光源法進行OSNR的測試，且通過偏差校正方法對OSNR測試結果進行偏差校正。同時，對100Gbit/s信號采用傳統OSNR測試方法和關閉光源法測試的結果進行了比較，具體見表1。

從表1可以看出，傳統OSNR測試方法與關閉光源法針對混傳系統中100Gbit/s信號測試得到的OSNR結果相比，存在2.60～2.83dB的偏差。測試結果同時也驗證了傳統OSNR測試方法測試得到的OSNR比真實的OSNR值偏低，采用關閉光源法測試且采用偏差校正后OSNR的測試結果能更準確地反映信號質量。

圖3 10和100Gbit/s信號混傳光譜圖

表1 混傳系統中100Gbit/s信號采用兩種OSNR測試方法的測試結果比較

5 結束語

隨著10和100Gbit/s混傳系統在現網的逐步部署和應用，如何準確測試混傳系統中的OSNR顯得非常重要。本文研究了10和100Gbit/s混傳系統的OSNR測量方法并進行了現網測試驗證。從測試結果來看，混傳系統中宜采用傳統帶外法和關閉光源法相結合的方法進行OSNR測試，以便更準確地實現對系統傳輸質量的監測和評判。

1 YD/T 2147-2010.N×40Gbit/s光波分復用（WDM）系統測試方法

2 吳慶偉等.100Gbit/s光傳輸設備及測試.泰爾測試.2012,10