陳夢(mèng)遲,賴貴珍,游善紅

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院,江蘇蘇州215006;2.廈門城市職業(yè)學(xué)院,福建廈門361008)

光纖通信系統(tǒng)中光信噪比的監(jiān)測(cè)分析*

陳夢(mèng)遲1,賴貴珍2,游善紅1

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院,江蘇蘇州215006;2.廈門城市職業(yè)學(xué)院,福建廈門361008)

在新一代高數(shù)據(jù)傳輸速率的智能化光網(wǎng)絡(luò)中,隨著密集波分復(fù)用技術(shù)與可重構(gòu)光分插復(fù)用器的使用,傳統(tǒng)的帶外光信噪比的監(jiān)測(cè)方式已不再滿足光性能監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展要求。文章根據(jù)測(cè)試技術(shù)原理,利用Optisystem軟件建立仿真模型,分別對(duì)帶外插值法以及帶內(nèi)的信號(hào)關(guān)斷法與偏振光譜解析法進(jìn)行評(píng)估。傳統(tǒng)帶外插值法的監(jiān)測(cè)結(jié)果在動(dòng)態(tài)密集波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中已不準(zhǔn)確。信號(hào)關(guān)斷法監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確,但是監(jiān)測(cè)時(shí)需要中斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù),并不適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。偏振光譜解析法雖然有些復(fù)雜,但是可適用于新一代光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

光信噪比 插值法 信號(hào)關(guān)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(fù)用(DWDM)的動(dòng)態(tài)服務(wù)的全光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。然而,光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí),會(huì)遭受到各種因素的損傷,包括自發(fā)輻射噪聲,色散,偏振模色散以及非線性效應(yīng)等,這些因素都會(huì)影響光纖中信號(hào)的質(zhì)量。因此,實(shí)時(shí)的光性能監(jiān)測(cè)對(duì)于光網(wǎng)絡(luò)來說就顯得尤為必要[1]。光網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)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(guān)系,所以光信噪比是衡量光路性能的重要指標(biāo)。

在密集波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)中,通常在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)中繼鏈

路或環(huán)狀城域網(wǎng)的通道上測(cè)量光信噪比(OSNR)[3]。每個(gè)復(fù)用信號(hào)波長(zhǎng)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(cè)量,這種方法也稱為插值法[4],可以對(duì)所有DWDM通道進(jìn)行單光譜測(cè)量。

然而,隨著可重構(gòu)型分插復(fù)用器(ROADM)[5]的部署以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,任意指定的DWDM信號(hào)波長(zhǎng)可能經(jīng)過不同的中間節(jié)點(diǎn)組合(每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常有其各自的ROADM和光放大器)而不是經(jīng)過相鄰?fù)ǖ馈Ｔ谶@些情況下,插值法已不再適用,因?yàn)樘囟ㄍǖ赖墓逃性肼暭?jí)別與相鄰?fù)ǖ赖脑肼暭?jí)別沒有必然關(guān)聯(lián)。

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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(cè)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(gè)部分。第一個(gè)部分主要介紹三種光信噪比監(jiān)測(cè)方法:帶外插值法以及帶內(nèi)的信號(hào)關(guān)斷法和偏振光譜解析法。利用仿真軟件Optisystem進(jìn)行仿真,第二部分將分析比較三種方法的測(cè)試結(jié)果。最后,第三部分進(jìn)行總結(jié),分析比較三種方法的優(yōu)劣。

1 光信噪比的測(cè)試技術(shù)原理

光信噪比是指信道中光信號(hào)的功率和0.1 nm內(nèi)光噪聲功率的比值,一般定義為:

式中,PS,PN分別表示光信號(hào)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(cè)試技術(shù)和原理。

1.1 插值法原理

插值法[7]是通常假設(shè)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(duì)光譜分析儀(OSA)設(shè)置波長(zhǎng)分辨率和光抑制比,通過獲取到的光譜數(shù)據(jù)得到相鄰波峰之間的噪聲水平,然后利用線性插值法計(jì)算出波峰下方噪聲功率,最后得到的信號(hào)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(biāo)記波長(zhǎng),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(hào)關(guān)斷法原理

信號(hào)關(guān)斷法是指在測(cè)試信道OSNR的過程中,先關(guān)斷所測(cè)試的信道波長(zhǎng)的信號(hào)功率,通過光譜分析儀得到該信道0.1 nm內(nèi)帶寬內(nèi)的噪聲功率PN;然后加載所測(cè)試的信道波長(zhǎng)的信號(hào)功率,通過OSA得到該信道相應(yīng)帶寬內(nèi)的信號(hào)功率和噪聲功率之和Psum,則

代入公式(1)計(jì)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(hào)和噪聲之間偏振特性不同來測(cè)DWDM通道內(nèi)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(hào)經(jīng)偏振分束器分為兩路,分別記為PA,PB,并引入?yún)?shù)k表示對(duì)信號(hào)功率的分光比例,并利用信道光譜功率的極大點(diǎn)i=max獲得參數(shù)k的初始值,由i=max點(diǎn)兩側(cè)i=R,i=L兩點(diǎn)的數(shù)據(jù),利用Matlab進(jìn)行迭代。每次迭代計(jì)算出噪聲值,則其相相應(yīng)的光信噪比值可表示為:

2 仿真結(jié)果

2.1 插值法仿真結(jié)果

如前述原理,在Optisystem軟件中設(shè)計(jì)仿真光通信系統(tǒng),如圖3所示。

在光系統(tǒng)中,用40 Gb/s的二進(jìn)制偽隨機(jī)碼調(diào)制連續(xù)波激光信號(hào),并設(shè)置信道間隔分別為50 GHz和100 GHz。通過光譜分析儀測(cè)得數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到OSNR。首先,計(jì)算出信道內(nèi)信號(hào)平均功率PS以及噪聲總功率。然后,通過轉(zhuǎn)換計(jì)算出中心信道左右0.1 nm范圍內(nèi)的噪聲功率PN0.1nm。最后,根據(jù)公式(1)即可算的OSNR。

當(dāng)信道間隔為50 GHz時(shí),仿真測(cè)得噪聲Ni與信號(hào)PS的總功率為2.88e-4W,0.1 nm范圍內(nèi)的噪聲功率為5.04e-4W。中心信道波長(zhǎng)λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.2 nm。將數(shù)據(jù)代入公式(2)和公式(1)中,可計(jì)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(dāng)信道間隔為100 GHz時(shí),仿真測(cè)得噪聲Ni與信號(hào)PS的總功率為2.87e-4W,0.1 nm范圍內(nèi)的噪聲功率為1.60e-4W。中心信道波長(zhǎng)λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.4 nm。將數(shù)據(jù)代入公式(2)和公式(1)中,可計(jì)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(hào)關(guān)斷法仿真結(jié)果

如前述原理,在Optisystem軟件中設(shè)計(jì)仿真光通信系統(tǒng),關(guān)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(hào)關(guān)斷法仿真Fig.3 Simulation chart of inter-polation and on-off signal

信道間隔為50 GHz時(shí),當(dāng)信號(hào)功率PS為-100 dBm(即信號(hào)功率約為0 W),由光譜儀測(cè)得噪聲功率PN為7.49e-7W。通過轉(zhuǎn)化得到中心信道0.1 nm范圍內(nèi)的噪聲功率PN0.1nm為1.88e-7W。當(dāng)信號(hào)功率PS為0 dBm時(shí),由光譜儀測(cè)得信號(hào)功率與噪聲功率的總功率為5.76e-7W,帶入公式(3)、(1)計(jì)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(shí),當(dāng)信號(hào)功率PS為-100 dBm(即信號(hào)功率約為0W),由光譜儀測(cè)得噪聲功率PN為1.45e-6W。通過轉(zhuǎn)化得到中心信道0.1 nm范圍內(nèi)的噪聲功率PN0.1nm為1.82e-7W。當(dāng)信號(hào)功率PS為0 dBm時(shí),由光譜儀測(cè)得信號(hào)功率與噪聲功率的總功率為5.76e-7W,帶入公式(3)、(1)計(jì)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(jié)果

如前述原理,在Optisystem軟件中設(shè)計(jì)仿真光通信系統(tǒng),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(fā)射機(jī)信號(hào)功率PS=0 dB,并且設(shè)置信道間隔為200 GHz以避免信道間干擾。使用Matlab進(jìn)行迭代,線性插值參數(shù)設(shè)為α=0.6,迭代的終止條件為|OSNR1-OSNR2|≤0.01 dB.信號(hào)帶寬CBWS=0.2 nm,噪聲帶寬CBWn=0.1 nm。

通過調(diào)整偏振控制器的角度可以改變參數(shù)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(shù)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(jié)果

插值法的前提是假設(shè)不同光信道中的自發(fā)輻射噪聲具有一個(gè)相對(duì)平坦的光頻譜,噪聲功率就不會(huì)根據(jù)光信號(hào)波長(zhǎng)的變化而有所差異?；谶@樣的假設(shè),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(nèi)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(tǒng)中,信號(hào)的混疊將導(dǎo)致噪聲功率變大,從而使得插值法測(cè)得的OSNR偏小。如圖5、圖6所示,對(duì)于速率為40 Gb/s的光纖通信系統(tǒng),信道間隔為100 GHz時(shí),相鄰信道間

隔足夠?qū)?還不會(huì)發(fā)生混疊串?dāng)_。但是,對(duì)于間隔50 GHz或者更小的光系統(tǒng),相鄰信道的信號(hào)將會(huì)混疊。信道間隔的變小會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的混疊,并且間隔越小混疊越嚴(yán)重。

帶外插值法采用的線性內(nèi)插技術(shù)對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的光纖通信是有效的。插值法的主要問題在于隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜以及ROADM等技術(shù)的使用,光纖通信系統(tǒng)中噪聲的來源更加復(fù)雜化,更加難以測(cè)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(hào)關(guān)斷法仿真分析

信號(hào)關(guān)斷法由于需要逐一關(guān)斷每個(gè)測(cè)試通道波長(zhǎng)的發(fā)送信號(hào)光功率,因而此種測(cè)試方法不能進(jìn)行系統(tǒng)的在線測(cè)試,所需的測(cè)試時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng),測(cè)試過程非常麻煩,無法滿足未來動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。此外,關(guān)斷信號(hào)對(duì)噪聲功率的測(cè)量可能會(huì)造成一定的影響,造成一定的測(cè)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(shù)α與分光比參數(shù)k的選取對(duì)最終得到的OSNR都有影響。分光比k值越小,測(cè)試結(jié)果就越準(zhǔn)確。

偏振解析光譜分析法不需要OSA內(nèi)檢測(cè)到的兩個(gè)(正交分析)信號(hào)當(dāng)中的任何一個(gè)被完全歸零,而是僅需要信號(hào)有幾分貝的差異,這比完全歸零能夠更快地實(shí)現(xiàn)。每個(gè)OSA通道內(nèi)檢測(cè)到的光譜(包括不同的信號(hào)電平,但噪聲的貢獻(xiàn)值大致類似)會(huì)相減。這兩個(gè)噪聲的貢獻(xiàn)值相等,因此被抵消,從而獲得僅同偏振的信號(hào)(即無噪聲的信號(hào))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(hào)即可進(jìn)行測(cè)試并且測(cè)試的過程中對(duì)光纖通信系統(tǒng)幾乎沒有影響,容易做成即插即用的測(cè)試模塊,因此具有廣泛的應(yīng)用前景。偏振解析光譜分析法屬于典型的帶內(nèi)OSNR測(cè)試方法,此類方法準(zhǔn)確度更好,更能適應(yīng)未來的高速率光纖通信系統(tǒng)。

偏振解析光譜分析法也存在其缺陷:第一,對(duì)于信號(hào)分光系數(shù)k的確定比較困難需要通過多次調(diào)整才能尋找到一個(gè)合適的k值以減少測(cè)量誤差;第二,偏振解析光譜分析法需要進(jìn)行多次迭代才能計(jì)算出比較準(zhǔn)確的噪聲值,對(duì)于后期信號(hào)的處理存在諸多不便。

4 結(jié) 語

本文主要介紹了3種光性能監(jiān)測(cè)中OSNR的測(cè)量方法,對(duì)比仿真結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:

插值法作為一種帶外光性能監(jiān)測(cè)(OPM)技術(shù),在高速率低信道間隔的情況下,誤差是相當(dāng)大的,光纖通信系統(tǒng)無法接受;信號(hào)關(guān)斷法和偏振解析光譜分析法能適應(yīng)高速率低信道間隔的情況,其誤差均在光纖通信系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)。

為了使得頻譜利用率提高,以后的發(fā)展方向是頻譜間隔越來越小(現(xiàn)在已經(jīng)到25 GHz),并且更加靈活的光網(wǎng)絡(luò),所以插值法(帶外的方法)不適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。而關(guān)斷法也不適合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),所以有必要研究實(shí)時(shí)的OSNR監(jiān)測(cè)方法。偏振解析光譜分析法可以作為一種有效的實(shí)時(shí)的OSNR監(jiān)測(cè)方法。

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陳夢(mèng)遲(1994—),男,本科生,主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù);

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?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換、光網(wǎng)絡(luò)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?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)。

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

術(shù)語百科TechnicalTerms

頻譜聚合

目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的高系統(tǒng)帶寬要求與不連續(xù)的頻譜分配現(xiàn)狀之間存在著尖銳的矛盾,國際電信聯(lián)盟制訂的IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)要求新的系統(tǒng)能夠支持多種長(zhǎng)度的系統(tǒng)帶寬,除去2.3GHz到2.4GHz是傳統(tǒng)的通信頻段外,其他的頻段呈現(xiàn)往高低發(fā)展的趨勢(shì),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(dòng)性能不好的高頻段,高頻段只能提供不連續(xù)的的小容量頻譜資源給小面積的區(qū)域使用,低頻段可以給用戶提供服務(wù)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(yè)務(wù)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(tǒng)帶寬,提升頻率利用率。此外,對(duì)頻率相距較遠(yuǎn)的頻譜聚合能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)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(zhì)性,實(shí)現(xiàn)資源分配和利用的最優(yōu)化。

目前針對(duì)頻譜聚合的研究方案有很多,實(shí)現(xiàn)的難度主要在于幾個(gè)方面:一是硬件受限,目前接收機(jī)射頻前端的混頻器、濾波器,發(fā)射機(jī)的功率放大器,以及數(shù)字信號(hào)處理器等的技術(shù)水平都難以達(dá)到頻譜聚合的要求;二是異質(zhì)頻譜環(huán)境的約束,頻率相距較遠(yuǎn)的頻譜之間的異質(zhì)性既帶來系統(tǒng)層面的頻率選擇性分集,也使無線信道環(huán)境變得更加復(fù)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?shù)奈锢韺觽鬏敺桨?但是頻譜聚合傳輸?shù)男盘?hào)可能會(huì)對(duì)頻譜間隔處的其他通信系統(tǒng)造成干擾。上述限制條件是頻譜聚合的理論和應(yīng)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(xué)生見習(xí)進(jìn)修基金項(xiàng)目支持

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