調(diào)頂信號(hào)對(duì)城域波分復(fù)用系統(tǒng)的影響

華 鋒，武成賓（中興通訊股份有限公司，北京100191）

0 前言

移動(dòng)通信正在深刻地改變?nèi)藗兊纳?，為了?yīng)對(duì)爆炸性的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，4G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球得到規(guī)模部署，而且從2015 年開始，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線技術(shù)正在成為新一輪的研究熱點(diǎn)。

隨著4G 無線應(yīng)用的普及和快速發(fā)展，帶寬快速增長(zhǎng)，LTE 的接入帶寬需求更高，且覆蓋密度更大，這些需求對(duì)前傳網(wǎng)絡(luò)提出了更高的需求。前傳網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)解決BBU 和RRU 的傳輸問題，而ITU-T SG15 正在制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G.metro 正是瞄準(zhǔn)解決這一問題。G.metro正在成為前傳網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)技術(shù)，而調(diào)頂技術(shù)是實(shí)現(xiàn)G.metro 系統(tǒng)TEE波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧的主要方案。

1 調(diào)頂技術(shù)的原理和應(yīng)用

調(diào)頂信號(hào)有時(shí)也叫導(dǎo)頻音、低頻微擾信號(hào)、過調(diào)制信號(hào)等，是指通過調(diào)頂?shù)姆绞絹砩梢粋€(gè)低速的光隨路信號(hào)，并加載在波長(zhǎng)通道的主信號(hào)上，用于實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的監(jiān)控以及傳輸光隨路開銷等。調(diào)頂信號(hào)具有全光性和與系統(tǒng)光信號(hào)的天然捆綁性，因此有時(shí)也被稱為波長(zhǎng)標(biāo)簽、光標(biāo)識(shí)、光標(biāo)記等。

所謂調(diào)頂，是指在發(fā)射機(jī)端的光信號(hào)上，疊加一個(gè)小幅度的低頻幅度調(diào)制作為標(biāo)識(shí)，在光信號(hào)上疊加的調(diào)頂信號(hào)一般采用正弦信號(hào)，如圖1 所示。與其他光隨路信號(hào)產(chǎn)生方法相比，由于調(diào)頂信號(hào)加在信息通道的低頻端，因此降低了在系統(tǒng)中應(yīng)用調(diào)頂技術(shù)的復(fù)雜度和成本，也避免了對(duì)系統(tǒng)信號(hào)碼率的限制。

圖1 調(diào)頂示意圖

關(guān)于調(diào)頂信號(hào)的應(yīng)用在業(yè)界早有研究。1993 年英國(guó)BT 實(shí)驗(yàn)室等多家單位提出了利用調(diào)頂信號(hào)實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用系統(tǒng)中故障管理所需的波長(zhǎng)通道的確認(rèn)和功率管理［1］。1994年加拿大Nortel公司的Kim B.Roberts申請(qǐng)的專利［2］提出了一種監(jiān)測(cè)光放大器性能的方法，即監(jiān)測(cè)已知調(diào)制深度的調(diào)頂信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光放大器的信號(hào)和噪聲分量的預(yù)估。1996 年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Fred Heismann 等人在ECOC’96 會(huì)議上發(fā)表的論文公開了一種波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線式波長(zhǎng)路由跟蹤的方案［3］，在光網(wǎng)絡(luò)中的任意站點(diǎn)監(jiān)測(cè)調(diào)頂信號(hào)，可以獲知全網(wǎng)的波長(zhǎng)路由信息。在我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)《可重構(gòu)的光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備技術(shù)要求》中提到的ROADM系統(tǒng)中的純光層的波長(zhǎng)蹤跡解決方案也可通過調(diào)頂技術(shù)來實(shí)現(xiàn)［4］。

調(diào)頂信號(hào)可用低成本的方法實(shí)現(xiàn)［5］，加載在波分復(fù)用系統(tǒng)光發(fā)送端的波長(zhǎng)信號(hào)上，每個(gè)波長(zhǎng)上疊加不同頻率的調(diào)頂信號(hào)，則在接收端可以通過檢測(cè)調(diào)頂信號(hào)的頻率獲取波長(zhǎng)信息。同時(shí)因?yàn)樵诎l(fā)送端疊加的調(diào)頂信號(hào)具有特定的調(diào)制深度，即調(diào)頂信號(hào)與波長(zhǎng)信號(hào)的分量比是恒定的，因此可以通過檢測(cè)調(diào)頂信號(hào)的功率檢測(cè)出對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)信號(hào)的功率。波長(zhǎng)跟蹤和光功率監(jiān)測(cè)是調(diào)頂信號(hào)在波分復(fù)用系統(tǒng)中的基本應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，在波分復(fù)用系統(tǒng)中比較重要的OSNR 性能監(jiān)測(cè)［6-8］和光放大器增益控制［9］等應(yīng)用，也可以用調(diào)頂技術(shù)來實(shí)現(xiàn)［10-12］。此外，對(duì)調(diào)頂信號(hào)進(jìn)行幅移鍵控、頻率或者相移鍵控的方法進(jìn)行數(shù)字編碼，也可以傳遞簡(jiǎn)單的隨路開銷的信道［13-14］。由于調(diào)頂信號(hào)處在低頻端，利用調(diào)頂信號(hào)所形成的監(jiān)視信道的容量就不會(huì)非常高，通常在kbit/s 的水平，這對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)管開銷可能是不夠的，但如果只是用來做波長(zhǎng)路由標(biāo)記等簡(jiǎn)單開銷的話，還是綽綽有余的。

2 調(diào)頂信號(hào)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

由于調(diào)頂信號(hào)是在信息通道的頻帶內(nèi)，不可避免地會(huì)發(fā)生信息通道對(duì)調(diào)頂信號(hào)的干擾。因此對(duì)于調(diào)頂信號(hào)的頻率和調(diào)制深度的選擇，既要考慮光通信系統(tǒng)的性能不因?yàn)榀B加了調(diào)頂信號(hào)而引起不能接受的劣化；同時(shí)又要考慮到調(diào)頂信號(hào)可以在光通信系統(tǒng)中透?jìng)鳎⒛鼙徽_接收。

一般來說，在選擇調(diào)頂信號(hào)的頻率時(shí)，首先是將調(diào)頂信號(hào)的頻率定得足夠低，使得調(diào)頂信號(hào)不會(huì)對(duì)信息通道產(chǎn)生明顯的干擾。因?yàn)樾畔⒋a率通常是Gbit/s水平的，而且由于擾碼系統(tǒng)的作用，其低頻分量很少，因此一般選擇調(diào)頂信號(hào)的頻率小于1 MHz。同時(shí)，在含光放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號(hào)的頻率必須足夠高，以便能夠?qū)ο到y(tǒng)中的光放大器透明，當(dāng)放大器是EDFA 類型時(shí)更是如此。當(dāng)調(diào)頂信號(hào)的頻率過低時(shí)，EDFA 會(huì)平滑其放大的信號(hào)，導(dǎo)致調(diào)頂信號(hào)無法被正確接收。因此為了使調(diào)頂信號(hào)能夠通過EDFA 傳輸，一般會(huì)選擇調(diào)頂信號(hào)的頻率大于10 kHz。此外，調(diào)頂信號(hào)的頻率太低也是有害的，因?yàn)樵赪DM+EDFA 系統(tǒng)中，由于EDFA的非線性作用，不同信息通道間的調(diào)頂信號(hào)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。因此，在WDM+EDFA 系統(tǒng)中，通常調(diào)頂信號(hào)所選用的低頻頻率范圍為10 kHz～1 MHz。

調(diào)頂信號(hào)的調(diào)制深度簡(jiǎn)稱調(diào)頂深度，是調(diào)頂信號(hào)光功率調(diào)制幅度的峰峰值與“1”碼平均光功率之比，即

式中：

m——調(diào)頂深度

Pt（1）——調(diào)頂信號(hào)“1”碼光功率

Pt（0）——調(diào)頂信號(hào)“0”碼光功率

P（1）——信號(hào)的“1”碼平均光功率

確定合適的調(diào)頂深度m對(duì)調(diào)頂技術(shù)在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的意義，因?yàn)檎{(diào)頂深度m太小會(huì)影響調(diào)頂信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)；而調(diào)頂深度m太大會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能造成較大的影響。在參考文獻(xiàn)［15］中，通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在2.5G波分復(fù)用系統(tǒng)中，在誤碼率1×10-12的情況下，調(diào)頂深度小于5%時(shí)，調(diào)頂對(duì)系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度的影響小于0.5 dB；當(dāng)調(diào)頂深度達(dá)到13%時(shí)，系統(tǒng)接收機(jī)的靈敏度下降達(dá)到1 dB。因此，波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)的調(diào)頂深度一般選取范圍為1%～15%。

3 調(diào)頂信號(hào)對(duì)光通信系統(tǒng)性能影響的測(cè)試

圖2 4波10G系統(tǒng)調(diào)頂信號(hào)測(cè)試框圖

為了評(píng)估調(diào)頂信號(hào)對(duì)于10G波分復(fù)用系統(tǒng)的性能影響，搭建4 波長(zhǎng)強(qiáng)度調(diào)制10G 測(cè)試系統(tǒng)，如圖2 所示。圖2中，在系統(tǒng)的發(fā)送端，共有4個(gè)光模塊，輸出波長(zhǎng)分別是194.0、194.05、194.1和194.15 THz，在這4個(gè)波長(zhǎng)上分別疊加了頻率為190.4、192.4、188.5 和186.5 kHz的4個(gè)調(diào)頂信號(hào)，調(diào)制深度約為5%。

圖2所示測(cè)試系統(tǒng)中，改變其中的波長(zhǎng)1上疊加的調(diào)頂信號(hào)的調(diào)制深度，測(cè)試不同調(diào)制深度的調(diào)頂信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。在誤碼率為1×10-4的情況下，調(diào)頂深度由m=0增加到m=6%時(shí)，導(dǎo)致的OSNR 代價(jià)小于0.1 dB，幾乎可忽略不計(jì)；當(dāng)m增加到11%時(shí)，OSNR代價(jià)約為0.2 dB；當(dāng)m為15%時(shí)，OSNR代價(jià)約為0.4 dB；當(dāng)m增加到22.5%時(shí)，OSNR代價(jià)約為0.8 dB?？梢姡S著調(diào)頂信號(hào)調(diào)制深度的增加，所導(dǎo)致的系統(tǒng)OSNR代價(jià)也在不斷增加。

圖2所示測(cè)試系統(tǒng)中，分別測(cè)試4個(gè)波長(zhǎng)在添加調(diào)頂信號(hào)前后的系統(tǒng)OSNR，在BER=1×10-4時(shí)，系統(tǒng)中疊加調(diào)頂信號(hào)所導(dǎo)致的OSNR代價(jià)小于0.3 dB，如圖4所示。

在圖2 所示的測(cè)試系統(tǒng)中，將系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的光模塊更換成100G PM-DQPSK 光模塊，調(diào)頂信號(hào)頻率不變，改變波長(zhǎng)1 上所疊加調(diào)頂信號(hào)的調(diào)制深度，測(cè)試系統(tǒng)OSNR 變化，測(cè)試結(jié)果見圖5。當(dāng)調(diào)制深度從0 變化到15%時(shí)，所導(dǎo)致的100G 系統(tǒng)OSNR 代價(jià)很小，幾乎可忽略不計(jì)。之所以調(diào)頂信號(hào)對(duì)100G波分系統(tǒng)的性能影響比對(duì)10G 系統(tǒng)的要小，應(yīng)該是因?yàn)?00G系統(tǒng)的波分信號(hào)是相位調(diào)制信號(hào)，對(duì)于調(diào)頂信號(hào)所導(dǎo)致的光信號(hào)強(qiáng)度變化不敏感。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在10G波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號(hào)的調(diào)制深度控制在15%以內(nèi)時(shí)，其導(dǎo)致的10G 系統(tǒng)的OSNR 代價(jià)小于0.5 dB，而因?yàn)?00G 系統(tǒng)采用相位調(diào)制，調(diào)頂信號(hào)所導(dǎo)致的系統(tǒng)性能劣化更小。

圖3 調(diào)頂深度對(duì)10G系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

在城域波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號(hào)除了可實(shí)現(xiàn)TEE波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)諧之外，還可用于實(shí)現(xiàn)功率檢測(cè)、隨路開銷承載等多種有用的功能。調(diào)頂信號(hào)可用于短距離和含光放大器的長(zhǎng)距系統(tǒng)，以及10G 系統(tǒng)和更高速的100G 系統(tǒng)，能滿足G.metro 系統(tǒng)的后續(xù)升級(jí)需求。G.metro作為前傳網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，隨著4G、5G時(shí)代的到來，未來會(huì)得到大規(guī)模的應(yīng)用。

圖4 10G系統(tǒng)的2波長(zhǎng)通道添加調(diào)頂信號(hào)前后的性能

圖5 調(diào)頂信號(hào)調(diào)制深度對(duì)100G系統(tǒng)性能的影響

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