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(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

程 華 北京鐵路通信技術(shù)中心高級工程師

湯 瑞 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

趙文玉 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所高級工程師

1 引言

在WDM（光波分復(fù)用）系統(tǒng)中，光信號(hào)以完全透明的模擬方式進(jìn)行傳輸，監(jiān)測OSNR（光信噪比）成為傳輸層中衡量光信號(hào)質(zhì)量最常用的關(guān)鍵指標(biāo)之一。隨著100Gbit/s等高速信號(hào)的出現(xiàn)，信號(hào)光譜展寬，相鄰波道光譜會(huì)發(fā)生重疊，這使得信道間噪聲不僅包含ASE噪聲功率，同時(shí)還含有部分串?dāng)_的信號(hào)功率，按照傳統(tǒng)OSNR測試方法測試的結(jié)果將低于真實(shí)的OSNR值。另外，隨著ROADM（可重構(gòu)的光分插復(fù)用）節(jié)點(diǎn)和OEQ（光域均衡）技術(shù)的出現(xiàn)，濾波器件對噪聲譜進(jìn)行了再次重構(gòu)。經(jīng)過濾波器后的信道間噪聲功率明顯降低，使得傳統(tǒng)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(nèi)插等效信道內(nèi)噪聲測試為基本原理的傳統(tǒng)OSNR測試方法帶來了挑戰(zhàn)，而10和100Gbit/s信號(hào)混傳時(shí)OSNR測試面臨的問題則更為復(fù)雜。

現(xiàn)有實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，考慮到業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用成熟度、后續(xù)擴(kuò)容和成本等綜合因素，10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)已得到一定程度的應(yīng)用。因此，非常有必要及時(shí)開展10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)OSNR測試方法的研究，以解決實(shí)際混傳網(wǎng)絡(luò)中OSNR的精準(zhǔn)測量問題。

2 傳統(tǒng)OSNR測量方法與限制

傳統(tǒng)的10Gbit/s系統(tǒng)采用帶外OSNR測試方法進(jìn)行光信號(hào)傳輸質(zhì)量的評判。由于10Gbit/s及以下速率信號(hào)的光譜寬度較窄，在標(biāo)準(zhǔn)通道頻譜間隔下光通道之間的光譜串?dāng)_很小，0.1nm的參考測量帶寬幾乎可包含信號(hào)的全部功率，因此傳統(tǒng)OSNR測試一般選擇0.1nm帶寬內(nèi)光信號(hào)功率和噪聲功率的比值，而噪聲的功率取兩相鄰?fù)分虚g點(diǎn)的功率，如圖1所示。這種以通道間噪聲等效通道內(nèi)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(tǒng)中能夠得到很高的測試精度。

根據(jù)下面公式計(jì)算出OSNR：

圖1 傳統(tǒng)測量OSNR原理

其中，Pi為第i通道內(nèi)的信號(hào)功率，Br為光學(xué)參考帶寬0.1nm，Bm為光學(xué)測量帶寬，Ni為信號(hào)兩側(cè)ASE噪聲功率測量值的平均值。

在10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)中，100Gbit/s信號(hào)采用與10Gbit/s信號(hào)不同的調(diào)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(hào)功率的串?dāng)_，這將導(dǎo)致混傳系統(tǒng)中ASE噪聲功率測量不準(zhǔn)確，從而使傳統(tǒng)OSNR測量方法測試的OSNR值明顯偏低，因此傳統(tǒng)OSNR測試方法不再適用于10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)的OSNR測試。

圖2 10和100Gbit/s信號(hào)混傳時(shí)的光譜圖

另外，如果WDM系統(tǒng)中間級聯(lián)有OADM站點(diǎn)時(shí)，ASE噪聲被光濾波器整形和濾波，此時(shí)通道間的ASE噪聲功率要小于信號(hào)波長處實(shí)際ASE噪聲功率，使得傳統(tǒng)OSNR測試方法測試得到的OSNR值偏高，這也將導(dǎo)致傳統(tǒng)OSNR測量方法不再適用。

綜上所述，10Gbit/s信號(hào)常規(guī)采用的傳統(tǒng)OSNR測試方法已不適用于10和100Gbit/s混傳及存在濾波效應(yīng)系統(tǒng)的OSNR測試和評判，需要采用新型OSNR測試方法獲得更為準(zhǔn)確的OSNR測試結(jié)果。

3 10和100Gbit/s混傳OSNR測試方法

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

3.1 關(guān)閉光源法測試OSNR的方法

關(guān)閉光源法測試OSNR的方法和傳統(tǒng)OSNR測試方法的主要區(qū)別是采用關(guān)閉光源的方式測試得到準(zhǔn)確的信道內(nèi)噪聲，其步驟如下：

（1）打開測試波道用積分法測試整個(gè)信號(hào)光譜范圍內(nèi)的功率，計(jì)作P1。

（2）關(guān)閉信號(hào)波道，用積分法測試對應(yīng)的信道內(nèi)噪聲的功率，計(jì)作P2。

（3）保持信號(hào)波道關(guān)閉狀態(tài)，測試等效噪聲帶寬Br范圍內(nèi)的功率，計(jì)作P3。

（4）根據(jù)公式（3）計(jì)算得到OSNR值。

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

（1）采用信號(hào)光源關(guān)閉的方法將帶來一定測試偏差（關(guān)閉光源后ASE功率發(fā)生變化），尤其是當(dāng)系統(tǒng)中配置的波長較少且位于波段邊緣時(shí)。需要對ASE功率相應(yīng)變化值在測試中進(jìn)行記錄，并校正OSNR的測試計(jì)算值。

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

3.2 關(guān)閉光源法測試OSNR方法的偏差矯正

采用關(guān)閉光源法測試OSNR時(shí)，由于關(guān)閉當(dāng)前測試通路的光源以后，光放大器的ASE噪聲譜的分布將發(fā)生微小變化，而且當(dāng)前主光通路配置的波長數(shù)較少（＜10波）或者處于C波段邊緣時(shí)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(guān)閉前實(shí)際的噪聲功率，導(dǎo)致OSNR的測試值與實(shí)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(shù)值對于噪聲功率進(jìn)行校正的方式來校正OSNR值，具體步驟為：

●在被測通路光源關(guān)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(diǎn)和B點(diǎn)的功率值，記錄為PA和PB。

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

●計(jì)算被測通路光源關(guān)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(jù)ASE變化量D對OSNR計(jì)算公式進(jìn)行校準(zhǔn)，可得：

為了更進(jìn)一步提高OSNR計(jì)算準(zhǔn)確度，建議對于D值進(jìn)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(shù)值對于噪聲功率進(jìn)行校正的方式來校正OSNR值，具體步驟為：

●在被測通路光源關(guān)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(diǎn)和B點(diǎn)的功率值，記錄為PA和PB；

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

●被測通路光源關(guān)閉前后ASE參考噪聲（0.1nm帶寬）的絕對變化量R為：

根據(jù)ASE變化量R對OSNR計(jì)算公式進(jìn)行校準(zhǔn)，可得：

為了更進(jìn)一步提高OSNR計(jì)算準(zhǔn)確度，建議對R值進(jìn)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(yàn)證

根據(jù)10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)的OSNR測試方法，在鐵路OTN光通信系統(tǒng)中進(jìn)行了現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證，具體過程如下。

本系統(tǒng)為10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)，共傳輸5個(gè)跨段，距離全長322km，未采用ROADM和功率均衡技術(shù)。系統(tǒng)中共計(jì)18個(gè)信號(hào)波道，其中10Gbit/s波道共計(jì)16波，100Gbit/s波道共計(jì)2波，如圖3所示。OSNR測試過程中，10Gbit/s信道采用傳統(tǒng)OSNR測試方法進(jìn)行測試。100Gbit/s信號(hào)則采用關(guān)閉光源法進(jìn)行OSNR的測試，且通過偏差校正方法對OSNR測試結(jié)果進(jìn)行偏差校正。同時(shí)，對100Gbit/s信號(hào)采用傳統(tǒng)OSNR測試方法和關(guān)閉光源法測試的結(jié)果進(jìn)行了比較，具體見表1。

從表1可以看出，傳統(tǒng)OSNR測試方法與關(guān)閉光源法針對混傳系統(tǒng)中100Gbit/s信號(hào)測試得到的OSNR結(jié)果相比，存在2.60～2.83dB的偏差。測試結(jié)果同時(shí)也驗(yàn)證了傳統(tǒng)OSNR測試方法測試得到的OSNR比真實(shí)的OSNR值偏低，采用關(guān)閉光源法測試且采用偏差校正后OSNR的測試結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映信號(hào)質(zhì)量。

圖3 10和100Gbit/s信號(hào)混傳光譜圖

表1 混傳系統(tǒng)中100Gbit/s信號(hào)采用兩種OSNR測試方法的測試結(jié)果比較

5 結(jié)束語

隨著10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)在現(xiàn)網(wǎng)的逐步部署和應(yīng)用，如何準(zhǔn)確測試混傳系統(tǒng)中的OSNR顯得非常重要。本文研究了10和100Gbit/s混傳系統(tǒng)的OSNR測量方法并進(jìn)行了現(xiàn)網(wǎng)測試驗(yàn)證。從測試結(jié)果來看，混傳系統(tǒng)中宜采用傳統(tǒng)帶外法和關(guān)閉光源法相結(jié)合的方法進(jìn)行OSNR測試，以便更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的監(jiān)測和評判。

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

2 吳慶偉等.100Gbit/s光傳輸設(shè)備及測試.泰爾測試.2012,10