浅析DWDM系统信噪比测试

恋々风

随着通信信息量的迅猛增长，传输容量、传输设备也不断地增加，DWDM技术的应用越来越广泛，从点-点的传输乃至可自愈的环网都充分利用了光纤的带宽，各种速率、各种数据格式的不同厂商的设备，通过增加新的波长和特性满足对传输容量和传输距离的各种要求。
    DWDM系统是一种光域的模拟系统，主要包括光中继站、光终端站、光分插复用器等。DWDM传输系统的主要对象包括光传送段、光复用段和光通道。其维护测试指标主要是误码性能和光信号波长、光功率、光信噪比等。
    波长的测量：主要用来衡量中心波长光信道的间隔、DFB激光器稳定性、掺铒放大器放大范围、频谱偏移（波长随时间的偏移）等关键问题。功率测量：主要衡量激光器输出功率、光纤衰减、可能产生的非线性效应、EDFA增益的斜率影响功率的均衡等情况。信噪比的测量：主要衡量放大器的噪声、光通道之间的串扰、光纤的色散等系统性能。在实际的DWDM系统的安装和验收中，一般的网元测试主要在工厂验收时完成，例如：激光器的参数、EDFA增益、噪声系数、增益平坦度、合波器/分波器的插入损耗、每个信道的回波损耗、串扰、平均中心波长、每个信道的带宽、每个信道的PDL（极化相关损耗）以及DWDM终端设备光接口指标等。而系统测试则是工程验收和维护工作中经常实际测试的项目，主要包括：每个信道波长及其稳定度和信道间隔；每个信道的信噪比；每个信道的功率及其稳定度；光接口的发送和接收功率测试。

一、光信噪比的定义
    在实际DWDM系统网络中，不论是朗讯、北电、还是华为的DWDM设备，由于人为因素会影响线路衰耗、尾纤、法兰盘以及温度，影响放大器输出功率等原因都直接反映在信噪比上，所以信噪比测试指标变化较大。光信噪比OSNR是一项重要指标（信噪比SNR=Pout/Pnoise，即光输出功率与噪声输出功率的比），往往系统建成后全网调测时需要反复调整优化光功率，才能达到理想的信噪比。被放大的噪声信号的输出功率Pnoise=2×n×hv×(G-1)×B。式中，n代表噪声指数，hv代表光子能量，G代表增益，B代表带宽。如果系统有N个光放大器，则Pnoise=N×2×n×hv×(G-1)×B。噪声功率主要来自放大的自发发射噪声、增益、光纤色散引起的码间干扰、光纤的非线性效应等因素。除了自发发射噪声，其余可变因素能够使信噪比的变化情况反映出系统的变化情况。
    已知给定的信噪比OSNR的简单化模型为：
    固定的跨距衰减  OSNRn=58＋P总∕M－Nf－L－LgN
    公式中OSNRn表示N个跨距后的光信噪比，M代表波分复用的光信道数量，P总∕M表示每信道的输出光功率，Nf为光放大器（OA）的噪声指数，L为跨距衰减。
    最坏情况信道的可变跨距衰减 OSNRk=58＋P坏－Nf－Langk－LgK
    上式中OSNRk表示K个跨距后的光信噪比，M表示波分复用的光信道数量，P坏表示最坏情况信道的输出光功率，Nf表示光放大器（OA）的噪声系数，Langk表示渐增的跨距衰减。

二、光信噪比的测试与系统调整
    对于一个已建成的网络来说，跨距衰减、波分复用的光信道数等都是常量，从简单模型可见，OSNR的变化主要受信道的输出光功率影响，这和平时系统测试的情况基本吻合。通常，系统的信噪比不理想时往往通过改变OTU盘所加衰耗器来达到要求，事实上也就是改变了OTU的输出光功率。另外，线路割接、法兰接触不良所带来的影响，一方面使跨距衰减加大，另一方面也使光放大器的输出功率下降，对信噪比的影响很大。
    为了认识OTU输出功率下降对OSNR的影响和光纤衰减对OSNR的影响，我们分别做了以下测试：（1）在系统调测完成后，测试一组MpI-s点的光功率和信噪比。（2）把中心频率为192.2THz的OTU盘的衰耗器增加5dB，仍然测试一组MpI-s点的光功率和信噪比。（3）把该OTU盘的衰耗器增加10dB，仍然测试一组MpI-s点的光功率和信噪比。
    测试结果表明，OTU输出增加5dB时，中心频率为192.2THz的波长在MpI-s点的光功率下降了近8dB，信噪比降低5dB，而其它中心频率的波几乎没有大的变化，这主要因为放大器具有自动增益均衡，当16路信号中的某些信号失去时，不影响其它通路的正常运行，没有突发误码产生；光功率降低和信噪比降低的趋势基本一致但不具有完全的线性关系；OTU输出增加10dB时中心频率为192.2THz的波长就可能超出了OA的接收灵敏度的范围而测不到光功率和信噪比，而其余各波基本没有大的变化，原理同上。如果在极限情况下，15个波同时超出OA的接收灵敏度的范围，剩下的一个通路还能正常无误码工作。
    虽然线路衰耗或连接器引起的衰耗对光输出功率和噪声都有衰减，但从简单模型看，OSNRk与Nf不具有完全线性关系，这是因为DWDM系统的信号大多数是经过多个光放大器OA自动增益控制的再生和放大，有些噪声可能减弱或被抵消；另一方面，光信号被衰减后，色散、非线性效应等因素也难以预料，因此设备和线路的衰减情况难以进行直观的区别，而要通过对各个光中继段的光功率、误码性能的监测来判断设备或线路的故障。在实际工程中，就有因为法兰盘不好而影响好几个波的信噪比的情况。
    信噪比的测试目前是取光输出功率的十分之一来进行监测的，其精确度也不能完全准确的反映信噪比的各种特性，因此，光输出功率、光纤衰减和信噪比之间的内在联系以及定性、定量的关系，还需要通过模拟各个光中继段线路衰减的各种情况来摸索、分析，找出规律。