陈梦迟,赖贵珍,游善红

(1.苏州大学电子信息学院,江苏苏州215006;2.厦门城市职业学院,福建厦门361008)

光纤通信系统中光信噪比的监测分析*

陈梦迟1,赖贵珍2,游善红1

(1.苏州大学电子信息学院,江苏苏州215006;2.厦门城市职业学院,福建厦门361008)

在新一代高数据传输速率的智能化光网络中,随着密集波分复用技术与可重构光分插复用器的使用,传统的带外光信噪比的监测方式已不再满足光性能监测技术的发展要求。文章根据测试技术原理,利用Optisystem软件建立仿真模型,分别对带外插值法以及带内的信号关断法与偏振光谱解析法进行评估。传统带外插值法的监测结果在动态密集波分复用网络中已不准确。信号关断法监测方法简单准确,但是监测时需要中断网络服务,并不适合实时监测。偏振光谱解析法虽然有些复杂,但是可适用于新一代光网络的实时动态监测。

光信噪比 插值法 信号关断法 偏振解析法

0 引 言

目前,光纤通信正朝着智能化,高速度及基于密集波分复用(DWDM)的动态服务的全光网络方向发展。然而,光信号在光纤中传输时,会遭受到各种因素的损伤,包括自发辐射噪声,色散,偏振模色散以及非线性效应等,这些因素都会影响光纤中信号的质量。因此,实时的光性能监测对于光网络来说就显得尤为必要[1]。光网络中网络性能评估因子有光信噪比(OSNR)和Q因子[2],由于光信噪比与误码率存在直接关系,所以光信噪比是衡量光路性能的重要指标。

在密集波分复用网络中,通常在点对点中继链

路或环状城域网的通道上测量光信噪比(OSNR)[3]。每个复用信号波长通常沿同一光径传播。在这些条件下,可以采用基于光谱分析仪(OSA)的方法来测量,这种方法也称为插值法[4],可以对所有DWDM通道进行单光谱测量。

然而,随着可重构型分插复用器(ROADM)[5]的部署以及网状网络拓扑结构越来越复杂,任意指定的DWDM信号波长可能经过不同的中间节点组合(每个节点通常有其各自的ROADM和光放大器)而不是经过相邻通道。在这些情况下,插值法已不再适用,因为特定通道的固有噪声级别与相邻通道的噪声级别没有必然关联。

此外,如果通道密度很高,在不同通道沿相同光纤通道传播的放大点对点链路中,通常也无法使用插值法[6]。在这种背景下,研究不同OSNR测试方法的差异和适用范围是很有必要的。

本文主要分为三个部分。第一个部分主要介绍三种光信噪比监测方法:带外插值法以及带内的信号关断法和偏振光谱解析法。利用仿真软件Optisystem进行仿真,第二部分将分析比较三种方法的测试结果。最后,第三部分进行总结,分析比较三种方法的优劣。

1 光信噪比的测试技术原理

光信噪比是指信道中光信号的功率和0.1 nm内光噪声功率的比值,一般定义为:

式中,PS,PN分别表示光信号功率和0.1 nm噪声功率。下面主要介绍三种比较成熟的OSNR测试技术和原理。

1.1 插值法原理

插值法[7]是通常假设在相邻波峰之间和下方噪声水平大致平坦,采用光谱分析仪(OSA),并对光谱分析仪(OSA)设置波长分辨率和光抑制比,通过获取到的光谱数据得到相邻波峰之间的噪声水平,然后利用线性插值法计算出波峰下方噪声功率,最后得到的信号功率就是信道总功率和波峰下方噪声之间的差值,如图1所示。

噪声功率为:

式中,i用来标记波长,我们可以分别得到(λi-Δλ)和(λi+Δλ)处的噪声功率。通过线性插值的方式得到i处的噪声功率,从而得到OSNR。

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

1.2 信号关断法原理

信号关断法是指在测试信道OSNR的过程中,先关断所测试的信道波长的信号功率,通过光谱分析仪得到该信道0.1 nm内带宽内的噪声功率PN;然后加载所测试的信道波长的信号功率,通过OSA得到该信道相应带宽内的信号功率和噪声功率之和Psum,则

代入公式(1)计算得到OSNR。

1.3 偏振解析法原理

偏振解析光谱分析法[8]利用光信号和噪声之间偏振特性不同来测DWDM通道内的OSNR[9]。偏振解析光谱法示意图如图2所示。

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

信号经偏振分束器分为两路,分别记为PA,PB,并引入参数k表示对信号功率的分光比例,并利用信道光谱功率的极大点i=max获得参数k的初始值,由i=max点两侧i=R,i=L两点的数据,利用Matlab进行迭代。每次迭代计算出噪声值,则其相相应的光信噪比值可表示为:

2 仿真结果

2.1 插值法仿真结果

如前述原理,在Optisystem软件中设计仿真光通信系统,如图3所示。

在光系统中,用40 Gb/s的二进制伪随机码调制连续波激光信号,并设置信道间隔分别为50 GHz和100 GHz。通过光谱分析仪测得数据可以计算得到OSNR。首先,计算出信道内信号平均功率PS以及噪声总功率。然后,通过转换计算出中心信道左右0.1 nm范围内的噪声功率PN0.1nm。最后,根据公式(1)即可算的OSNR。

当信道间隔为50 GHz时,仿真测得噪声Ni与信号PS的总功率为2.88e-4W,0.1 nm范围内的噪声功率为5.04e-4W。中心信道波长λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.2 nm。将数据代入公式(2)和公式(1)中,可计算出OSNR=27.53 dB。而通过Optisystem仿真得到的OSNR=17.55 dB,两者误差为9.98 dB。

当信道间隔为100 GHz时,仿真测得噪声Ni与信号PS的总功率为2.87e-4W,0.1 nm范围内的噪声功率为1.60e-4W。中心信道波长λi= 1 551.720 8 nm,Δλ=0.4 nm。将数据代入公式(2)和公式(1)中,可计算出OSNR=32.54 dB。而通过Optisystem仿真得到的OSNR=31.52 dB,两者误差为1.02 dB。

2.2 信号关断法仿真结果

如前述原理,在Optisystem软件中设计仿真光通信系统,关断法仿真图与插值法仿真图相同如图3所示。

图3 插值法和信号关断法仿真Fig.3 Simulation chart of inter-polation and on-off signal

信道间隔为50 GHz时,当信号功率PS为-100 dBm(即信号功率约为0 W),由光谱仪测得噪声功率PN为7.49e-7W。通过转化得到中心信道0.1 nm范围内的噪声功率PN0.1nm为1.88e-7W。当信号功率PS为0 dBm时,由光谱仪测得信号功率与噪声功率的总功率为5.76e-7W,带入公式(3)、(1)计算得OSNR=24.81 dB,由Optisystem仿真得到的OSNR=17.55 dB,两者误差为7.26 dB。

信道间隔为100 GHz时,当信号功率PS为-100 dBm(即信号功率约为0W),由光谱仪测得噪声功率PN为1.45e-6W。通过转化得到中心信道0.1 nm范围内的噪声功率PN0.1nm为1.82e-7W。当信号功率PS为0 dBm时,由光谱仪测得信号功率与噪声功率的总功率为5.76e-7W,带入公式(3)、(1)计算得OSNR=35.07 dB,由Optisystem仿真得到的OSNR=31.16 dB,两者误差为3.91 dB。

2.3 偏振解析法仿真结果

如前述原理,在Optisystem软件中设计仿真光通信系统,如图4所示。

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

仿真过程中,发射机信号功率PS=0 dB,并且设置信道间隔为200 GHz以避免信道间干扰。使用Matlab进行迭代,线性插值参数设为α=0.6,迭代的终止条件为|OSNR1-OSNR2|≤0.01 dB.信号带宽CBWS=0.2 nm,噪声带宽CBWn=0.1 nm。

通过调整偏振控制器的角度可以改变参数分光比k的值,从而得到不同的OSNR。如表1所示。

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

3 仿真分析

3.1 插值法仿真结果

插值法的前提是假设不同光信道中的自发辐射噪声具有一个相对平坦的光频谱,噪声功率就不会根据光信号波长的变化而有所差异。基于这样的假设,就可以利用信道间的噪声功率通过线性插值的方式估算出信道内的噪声大小。然而,在高传输速率和信道间隔较小的光纤通信系统中,信号的混叠将导致噪声功率变大,从而使得插值法测得的OSNR偏小。如图5、图6所示,对于速率为40 Gb/s的光纤通信系统,信道间隔为100 GHz时,相邻信道间

隔足够宽,还不会发生混叠串扰。但是,对于间隔50 GHz或者更小的光系统,相邻信道的信号将会混叠。信道间隔的变小会导致信号的混叠,并且间隔越小混叠越严重。

带外插值法采用的线性内插技术对于点到点的光纤通信是有效的。插值法的主要问题在于随着网络节点的增加和网络拓扑结构越来越复杂以及ROADM等技术的使用,光纤通信系统中噪声的来源更加复杂化,更加难以测量。

图5 信道间隔50 GHz光谱Fig.5 Spectrum transmissionsystem of 50 GHz

图6 信道间隔100 GHz光谱Fig.6 Spectrum transmissionsystem of 100 GHz

3.2 信号关断法仿真分析

信号关断法由于需要逐一关断每个测试通道波长的发送信号光功率,因而此种测试方法不能进行系统的在线测试,所需的测试时间也相对较长,测试过程非常麻烦,无法满足未来动态实时监测的需求。此外,关断信号对噪声功率的测量可能会造成一定的影响,造成一定的测量误差。

3.3 偏振解析法仿真分析

从表1可以看出,线性插值参数α与分光比参数k的选取对最终得到的OSNR都有影响。分光比k值越小,测试结果就越准确。

偏振解析光谱分析法不需要OSA内检测到的两个(正交分析)信号当中的任何一个被完全归零,而是仅需要信号有几分贝的差异,这比完全归零能够更快地实现。每个OSA通道内检测到的光谱(包括不同的信号电平,但噪声的贡献值大致类似)会相减。这两个噪声的贡献值相等,因此被抵消,从而获得仅同偏振的信号(即无噪声的信号)成比例的光谱差异。

偏振解析光谱分析法只需要从光纤中耦合出一小部分信号即可进行测试并且测试的过程中对光纤通信系统几乎没有影响,容易做成即插即用的测试模块,因此具有广泛的应用前景。偏振解析光谱分析法属于典型的带内OSNR测试方法,此类方法准确度更好,更能适应未来的高速率光纤通信系统。

偏振解析光谱分析法也存在其缺陷:第一,对于信号分光系数k的确定比较困难需要通过多次调整才能寻找到一个合适的k值以减少测量误差;第二,偏振解析光谱分析法需要进行多次迭代才能计算出比较准确的噪声值,对于后期信号的处理存在诸多不便。

4 结 语

本文主要介绍了3种光性能监测中OSNR的测量方法,对比仿真结果,可以得出以下结论:

插值法作为一种带外光性能监测(OPM)技术,在高速率低信道间隔的情况下,误差是相当大的,光纤通信系统无法接受;信号关断法和偏振解析光谱分析法能适应高速率低信道间隔的情况,其误差均在光纤通信系统可以接受的范围内。

为了使得频谱利用率提高,以后的发展方向是频谱间隔越来越小(现在已经到25 GHz),并且更加灵活的光网络,所以插值法(带外的方法)不适应光网络的发展。而关断法也不适合实时监测,所以有必要研究实时的OSNR监测方法。偏振解析光谱分析法可以作为一种有效的实时的OSNR监测方法。

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陈梦迟(1994—),男,本科生,主要研究方向为通信技术;

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

赖贵珍(1989—),男,硕士研究生,主要研究方向为光电转换、光网络性能传输;

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

游善红(1975—),女,博士研究生,副教授,主要研究方向为光通信技术。

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

术语百科TechnicalTerms

频谱聚合

目前移动通信系统的高系统带宽要求与不连续的频谱分配现状之间存在着尖锐的矛盾,国际电信联盟制订的IMT-Advanced标准要求新的系统能够支持多种长度的系统带宽,除去2.3GHz到2.4GHz是传统的通信频段外,其他的频段呈现往高低发展的趋势,尤其是3.4GHz以上的频段属于覆盖范围小、穿透能力差和移动性能不好的高频段,高频段只能提供不连续的的小容量频谱资源给小面积的区域使用,低频段可以给用户提供服务的带宽资源有限。所以提高频带资源利用率和最大可能的利用高频段的资源成为需要解决的问题。频谱聚合可以将分散的、信道容量难以支撑高带宽需求业务的频谱段聚合为完整的、信道容量较大的频谱,从而支持更高的系统带宽,提升频率利用率。此外,对频率相距较远的频谱聚合能够实现系统层面的频率选择性分集,即充分利用不同频谱的路径损耗和衰落的异质性,实现资源分配和利用的最优化。

目前针对频谱聚合的研究方案有很多,实现的难度主要在于几个方面:一是硬件受限,目前接收机射频前端的混频器、滤波器,发射机的功率放大器,以及数字信号处理器等的技术水平都难以达到频谱聚合的要求;二是异质频谱环境的约束,频率相距较远的频谱之间的异质性既带来系统层面的频率选择性分集,也使无线信道环境变得更加复杂;三是离散频谱的物理层传输问题,离散频谱要求选择可以支持分段传输的物理层传输方案,但是频谱聚合传输的信号可能会对频谱间隔处的其他通信系统造成干扰。上述限制条件是频谱聚合的理论和应用研究中必须考虑的问题,如果可以解决和克服,频谱聚合在未来移动通信网络演进中将起十分重大的作用。

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

秦惠莙与李政道中国大学生见习进修基金项目支持

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