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摘要 首先簡(jiǎn)單介紹了OSNR及其傳統(tǒng)測(cè)試方法。然后闡述了傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)試新型DWDM系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的新問題。最后給出了解決方案并分析了方案的特點(diǎn)。
1、OSNR簡(jiǎn)介
在DWDM系統(tǒng)中，光信號(hào)以完全透明的方式進(jìn)行傳輸，傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)只能借助簡(jiǎn)單的模擬量，如光功率、OSNR（光信噪比）等，其中OSNR能夠比較準(zhǔn)確地反映信號(hào)質(zhì)量，成為最常用的性能指標(biāo)。
OSNR的定義如下：
其中：Pi是第i個(gè)通路內(nèi)的信號(hào)功率；Br是參考光帶寬，通常取0.1 nm；Bm是噪聲等效帶寬；Ni是等效噪聲帶寬Bm范圍內(nèi)竄入的噪聲功率。
2、傳統(tǒng)測(cè)試方法
ITU-T G.697給出了OSNR的測(cè)試方法，如圖1所示，中心波長(zhǎng)處的峰值功率是信號(hào)功率Pi與噪聲功率Ni之和，即Pi+Ni，由于Pi＞＞Ni，通常認(rèn)為Pi+Ni≈Pi；中心波長(zhǎng)左右△υ處的平均功率等效為信道內(nèi)噪聲功率，即為[N（υi+△υ）+N（υi-△υ）]÷2；兩者的比值即OSNR。這種以信道間噪聲等效信道內(nèi)噪聲的測(cè)試方法（即帶外噪聲測(cè)試法）簡(jiǎn)單且不失準(zhǔn)確性，而且不影響業(yè)務(wù)，因此得到了廣泛應(yīng)用，多數(shù)儀表廠商的OSA（光譜分析儀）都以此法為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。
圖1 傳統(tǒng)OSNR測(cè)試方法示意
3、傳統(tǒng)測(cè)試方法面臨的挑戰(zhàn)
業(yè)務(wù)需求和技術(shù)進(jìn)步都是無止境的，推動(dòng)DWDM技術(shù)繼續(xù)向以下幾個(gè)方向發(fā)展：第一，RZ（歸零碼）、相位調(diào)制碼等新型調(diào)制碼型不斷應(yīng)用，打破了NRZ（非歸零碼）一統(tǒng)天下的局面；第二，信道間隔不斷變窄，50 GHz間隔DWDM系統(tǒng)已經(jīng)大規(guī)模商用，25 GHz間隔的超密集波分（UDWDM）系統(tǒng)也已具備商用條件；第三，單信道傳輸速率不斷提高，40 Gbit/s系統(tǒng)正在逐步走向商用，100 Gbit/s系統(tǒng)也步入了人們的視野；第四，ROADM（可重構(gòu)光上下路節(jié)點(diǎn)）的引入實(shí)現(xiàn)了光域組網(wǎng)，特別是在歐洲和北美，ROADM已經(jīng)得到了規(guī)模應(yīng)用。這些發(fā)展給傳統(tǒng)測(cè)試方法帶來了挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在信號(hào)光譜的展寬和重疊、濾波效應(yīng)破壞噪聲譜等方面。
3.1 信號(hào)光譜的展寬
相同信號(hào)速率下，不同調(diào)制碼型的光譜寬度存在一定的差異，例如RZ和DSPK信號(hào)光譜寬度大于NRZ。速率越高，信號(hào)光譜越寬。
傳統(tǒng)測(cè)試方法一般將Br和Bm都簡(jiǎn)單取值為0.1 nm，這樣在工程測(cè)試中OSA以0.1 nm的RBW（分辨率帶寬）單次掃描即可得到所有波道的OSNR。在10 Gbit/s及以下速率NRZ DWDM系統(tǒng)中，這種方法可以獲得足夠高的測(cè)試精度，但是在RZ或者DSPK調(diào)制的10 Gbit/s系統(tǒng)以及40 Gbit/s系統(tǒng)中，由于0.1 nm的Br無法覆蓋絕大多數(shù)信號(hào)光功率，這種方法測(cè)得的結(jié)果明顯偏小，誤差可以達(dá)到2～3 dB。
信號(hào)光譜展寬往往同時(shí)帶來相鄰信道光譜重疊問題，單純的信號(hào)光譜展寬問題比較容易解決，解決信號(hào)光譜重疊問題要困難得多。
3.2 信號(hào)光譜的重疊
隨著信道間隔的減小和信號(hào)光譜的展寬，相鄰信道信號(hào)光譜開始發(fā)生重疊。這對(duì)以信道間噪聲等效信道內(nèi)噪聲測(cè)試為基本原理的傳統(tǒng)測(cè)試方法帶來了挑戰(zhàn)，原因是信道間不僅有噪聲功率，還有部分信號(hào)功率，這部分信號(hào)功率造成OSNR測(cè)試值偏小。
一般來說，采用較小的RBW掃描可以獲得更精細(xì)的光譜細(xì)節(jié)，相鄰信號(hào)光譜更容易分辨。例如50 GHz間隔的10 Gbit/s NRZ調(diào)制系統(tǒng)，如果用0.1 nm RBW掃描，存在一定的光譜重疊現(xiàn)象，但是將RBW降至0.01 nm，可以得到比較好的信道間隔光譜細(xì)節(jié)，此時(shí)結(jié)合積分法，可以獲得比較滿意的OSNR測(cè)試結(jié)果。
信號(hào)光譜重疊問題在信道間隔與信號(hào)譜寬非常接近的系統(tǒng)中尤為突出，例如25 GHZ間隔的10 Gbit/s DWDM系統(tǒng)、50 GHz間隔的40 Gbit/s DWDM系統(tǒng)。圖2所示為一個(gè)50 GHz間隔的40 Gbit/s和10 Gbit/s信號(hào)混傳的DWDM系統(tǒng)光譜圖，40 Gbit/s信號(hào)的高譜寬將信道間功率提高了10 dB以上，也就是說傳統(tǒng)OSNR測(cè)試方法的誤差將超過10 dB。
圖2 50 GHz間隔40 Gbit/s DWDM系統(tǒng)信號(hào)光譜重疊現(xiàn)象
3.3 濾波效應(yīng)破壞噪聲譜
隨著技術(shù)的發(fā)展，DWDM不再滿足于簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，光域組網(wǎng)已經(jīng)提上了議事日程。ROADM節(jié)點(diǎn)技術(shù)已經(jīng)成熟并得到規(guī)模應(yīng)用。此外，在超長(zhǎng)距DWDM系統(tǒng)中，通常需要采用一些OEQ（光域均衡）節(jié)點(diǎn)來保證各信道功率的穩(wěn)定性和一致性。
ROADM和OEQ的基本原理都是通過濾波器將全部或者部分波道分離后采取上下話路或者功率調(diào)整等操作，最后重新合為一路。濾波效應(yīng)的存在給傳統(tǒng)測(cè)試方法帶來了極大挑戰(zhàn)。如圖3所示，經(jīng)過濾波器件后，信道間的噪聲功率明顯降低，造成測(cè)得的噪聲功率低于實(shí)際值（虛線表示實(shí)際噪聲功率水平，實(shí)線表示測(cè)試結(jié)果），OSNR測(cè)試結(jié)果偏高。有文獻(xiàn)將這種濾波帶來的效應(yīng)稱為Shoulder Effect。在10 Gbit/s DWDM超長(zhǎng)距離傳輸測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過兩級(jí)OEQ節(jié)點(diǎn)，OSNR測(cè)試誤差可以達(dá)到6 dB以上，而根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道測(cè)試誤差甚至可能超過10 dB。
圖3 濾波效應(yīng)破壞噪聲譜示意
在濾波效應(yīng)破壞噪聲譜的條件下，通過測(cè)試信道間噪聲來等效信道內(nèi)噪聲的方式已經(jīng)行不通了，惟一的方法是直接或者通過其他方式間接測(cè)試信道內(nèi)噪聲，這也是目前傳統(tǒng)測(cè)試方法最難解決的問題之一。
4、現(xiàn)有解決方案介紹及評(píng)估
4.1 傳統(tǒng)測(cè)試方法的修正
通過對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法進(jìn)行修正，可以在一定程度上解決信號(hào)光譜展寬引發(fā)的測(cè)試誤差問題。
修正方法一：信號(hào)和噪聲測(cè)試使用不同的RBW。測(cè)試信號(hào)光功率時(shí)選擇較大的RBW，保證能夠覆蓋絕大多數(shù)信號(hào)光，10 Gbit/s RZ信號(hào)建議采用0.2 nm，40 Gbit/s信號(hào)可以適當(dāng)采用更大一點(diǎn)的RBW；測(cè)試信道間噪聲光功率時(shí)選擇較小的RBW，注意如果RBW＜0.1 nm，計(jì)算OSNR時(shí)需要將噪聲功率換算成0.1 nm等效噪聲帶寬的功率值。
修正方法二：積分法。采用OSA所能提供的最小RBW掃描待測(cè)光譜，用積分的方法計(jì)算中心頻率左右Br范圍內(nèi)的功率為信號(hào)功率，信道中間Bm范圍內(nèi)的功率為噪聲功率，兩者相比得到OSNR。信號(hào)光功率的積分范圍可以取大一點(diǎn)（100 GHz間隔最大可取0.8 nm，50 GHz間隔系統(tǒng)最大可取0.4 nm）；噪聲功率的積分范圍可以取小一點(diǎn)，但是注意最后要換算到0.1 nm內(nèi)的功率。目前有些OSA具備自動(dòng)積分計(jì)算功能，如不具備該功能，只能手工計(jì)算。
以上修正方法，尤其是積分法，可以有效應(yīng)對(duì)單純的信號(hào)光譜展寬問題，也可以在一定程度上改善信號(hào)光譜重疊條件下的測(cè)試精度，但是對(duì)濾波效應(yīng)引發(fā)的噪聲譜改變無能為力。
4.2 信道內(nèi)噪聲測(cè)試法
信道內(nèi)噪聲測(cè)試法的原理非常簡(jiǎn)單，就是關(guān)閉信號(hào)光直接測(cè)試對(duì)應(yīng)波道的信道內(nèi)噪聲。為了提高測(cè)試準(zhǔn)確性，建議采用積分法測(cè)試信號(hào)和噪聲功率。具體步驟如下。
●打開測(cè)試波道OTU，用積分法測(cè)試整個(gè)信號(hào)光譜范圍內(nèi)的功率，記作P1。
●關(guān)閉測(cè)試波道OTU，用積分法測(cè)試整個(gè)信號(hào)光譜范圍內(nèi)的功率，記作P2。
●保持OTU的關(guān)閉狀態(tài)，用積分法測(cè)試等效噪聲帶寬Br范圍內(nèi)的功率，記作P3。為了方便，工程測(cè)試也可以將P2值換算到Bm范圍的P3。
●計(jì)算OSNR，OSNR=（P1-P2）÷P3。
這種方法可以有效解決上述新問題，但是測(cè)試時(shí)需要中斷被測(cè)波道的業(yè)務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)無損測(cè)試，而且測(cè)試短波長(zhǎng)波道時(shí)存在一定的誤差（受增益競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)的影響，關(guān)閉信號(hào)光測(cè)得的噪聲功率高于實(shí)際值，這種誤差大多數(shù)情況下可以忽略，但是對(duì)最邊緣的短波長(zhǎng)波道，噪聲功率相對(duì)較高，無法忽略測(cè)試誤差。從測(cè)試結(jié)果來看，這種誤差在0.5～1 dB）。
4.3 噪聲功率譜擬合法
噪聲功率譜擬合法的基本思路是采用信道內(nèi)噪聲測(cè)試法測(cè)試一些不承載業(yè)務(wù)波道的信道內(nèi)噪聲，擬合出整個(gè)光譜范圍內(nèi)的噪聲功率譜，從而得到其他被測(cè)波道的噪聲功率。
這種方法目前只是在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中采用的一種替代方法。一般來說，采樣點(diǎn)數(shù)量越多，擬合結(jié)果越優(yōu)。但是，在現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)中每一個(gè)采樣點(diǎn)就意味著一個(gè)波道的業(yè)務(wù)中斷，因此很難保證有很多采樣點(diǎn)。由于噪聲功率譜在長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域比較平坦，因此線性擬合方法具有比較高的準(zhǔn)確性，同樣在短波長(zhǎng)區(qū)域存在一定的誤差。
實(shí)際系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)波道滿配置的情況，此時(shí)雖然可以通過關(guān)閉冗佘波道OTU等方式獲得采樣點(diǎn)，但是終究會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此噪聲功率譜擬合法嚴(yán)格意義上說不是一種完全的無損測(cè)試方法。
4.4 偏振分離法
偏振分離法可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的無損在線測(cè)試。偏振分離法的基本思路是將噪聲看成是無偏振的光源，而信號(hào)是具有任意偏振態(tài)的偏振光，因此可以把具有偏振態(tài)的信號(hào)光從無偏振的噪聲光中分離出來，單獨(dú)測(cè)試信號(hào)和噪聲功率，從而得到真正的信道內(nèi)OSNR，如圖4所示。
圖4 偏振分離法實(shí)現(xiàn)原理
至于具體的偏振分離技術(shù)，各儀表廠商都有自己的專利。目前，JDSU推出了采用偏振分離法進(jìn)行OSNR測(cè)試的OSA，并與Tellabs合作進(jìn)行了深入的論證性測(cè)試，研究了PMD、濾波器級(jí)聯(lián)數(shù)量、調(diào)制格式、信號(hào)速率等不同因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，相關(guān)結(jié)果在OFC/NFOEC 2007會(huì)議上公布。
圖5所示為采用偏振分離測(cè)試法和傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)試不同調(diào)制格式的40 Gbit/s DWDM系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，可以看出，偏振分離法的測(cè)試結(jié)果與理論值非常接近，誤差在1 dB以內(nèi)，而傳統(tǒng)OSNR測(cè)試方法的結(jié)果總是大大超出理論值，誤差可以達(dá)到9～10 dB。
圖5 偏振分離法與傳統(tǒng)OSNR測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果比較
5、結(jié)論
綜上所述，對(duì)于新型DWDM系統(tǒng)，傳統(tǒng)OSNR測(cè)試方法面臨了巨大的挑戰(zhàn)，雖然一些修正方案可以在一定程度上提高測(cè)試準(zhǔn)確性，但是其固有缺陷決定了無法解決信道光譜重疊和濾波器破壞噪聲譜等問題。信道內(nèi)噪聲測(cè)試法、噪聲功率譜擬合法等在研發(fā)和工程實(shí)踐中總結(jié)出來的替代方法可以在現(xiàn)有儀表?xiàng)l件下獲得更加準(zhǔn)確的OSNR測(cè)試結(jié)果，但是存在方法復(fù)雜、無法實(shí)現(xiàn)無損測(cè)試等缺點(diǎn)，難以在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)維中大規(guī)模推廣。偏振分離法是目前惟一能夠真正實(shí)現(xiàn)信道內(nèi)OSNR無損在線測(cè)試的有效方法，不影響系統(tǒng)工作，操作簡(jiǎn)單，但是現(xiàn)有的OSA都無法支持，需要進(jìn)行儀表更新，成本昂貴。
