Измерение оптического отношения сигнал/шум в когерентных системах с использованием передачи с поляризационным мультиплексированием
Измерение оптического отношения сигнал/шум OSNR (Optical Signal-to-Noise-Ratio) в работающих системах DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), где не просто применяется высокоплотное мультиплексирование по длине волны, а используется передача с поляризационным мультиплексированием (Pol-Mux), представляет собой сложную задачу. В этой статье предлагается новый метод определения OSNR на основе анализа корреляционной зависимости между спектральными компонентами сигнала в оптическом диапазоне.
Введение
В современных высокоскоростных системах DWDM когерентное детектирование с цифровой обработкой сигнала и использование поляризационного мультиплексирования Pol-Mux стали стандартным решением. Качество модулированных оптических сигналов, передаваемых в волоконно-оптических системах на большие расстояния, обычно характеризуют параметром OSNR – оптическим отношением сигнал/шум.
Телекоммуникационные стандарты описывают несколько методов измерения OSNR в системах DWDM, однако до сего момента для систем, использующих в сетевой топологии поляризационное мультиплексирование Pol-Mux и перестраиваемые оптические мультиплексоры ввода-вывода ROADM, не существовало универсального метода измерения внутриполосного значения OSNR в работающих системах, без перерыва связи. 100-гигабитные и более производительные системы передачи задействуют при кодировании сигналов все возможные физические параметры – длину волны, амплитуду, фазу, состояние поляризации. Для выделения шума и расчета значения OSNR не остается какого-либо независимого физического показателя.
Определение OSNR дополнительно осложняется тем, что передаваемые сигналы могут в значительной степени искажаться из-за хроматической дисперсии CD (Chromatic Dispersion) и поляризационной модовой дисперсии PMD (Polarization Mode Dispersion). В этой статье мы рассмотрим новый метод, предложенный компания Viavi. Он основан на измерении спектральной корреляции, который позволяет определять внутриполосное значение OSNR в когерентных системах прямо в ходе работы систем.
Измерение оптического отношения сигнал/шум
Значение OSNR измеряется оптическими анализаторами спектра OSA (Optical Spectrum Analyzer). По определению оптическое отношение сигнал/шум – это частное от деления оптической мощности цифрового информационного сигнала Pсигнала на мощность оптического шума Pшума, вносимого в сигналы оптическими усилителями EDFA. В значении Pсигнала учтена полная мощность сигнала, передаваемого внутри полосы пропускания канала Bканала (ширина полосы обычно составляет 50 ГГц). Мощность шума нормируется относительно измерительной полосы Bшума = 0.1 нм. Расчет значения OSNR производится по формуле:
Традиционный метод определения OSNR по стандарту IEC 61280-2-9
Чаще всего для определения отношения OSNR используется интерполяция или внеполосный метод, описанный в стандарте IEC 61280-2-9. Эта методика предусматривает измерение мощности шума за пределами оптического канала и основывается на предположении о том, что сигнал имеет ограниченную оптическую полосу пропускания, в то время как для шума характерно широкополосное распределение.
Из этого предположения следует, что внеполосное измерение шума, выполненное на частотах вне оптических каналов (PNL для левой точки и PNR для правой, см. рис. 1), можно интерполировать и таким путем рассчитать мощность шума PN внутри оптического канала.
Рис. 1: Метод определения OSNR по стандарту IEC 61280-2-9
Для типовых систем с простыми оптическими сегментами от точки к точке, обслуживающими приложения до 10 Гбит/с, описанный метод дает вполне точные значения OSNR.
Методы определения OSNR для оптических сетей с ячеистой структурой
Если сетевая топология усложняется и становится динамически переконфигурируемой, построенной на ячеистой архитектуре, стандартным решением будет использование перестраиваемых оптических мультиплексоров ввода-вывода ROADM. Для разделения индивидуальных каналов ввода и вывода мультиплексоры ROADM используют демультиплексирование. Демультиплексорные схемы построены на оптических фильтрах, которые пропускают оптический сигнал, относящийся к конкретному каналу, но подавляют оптическую мощность на частотах за его пределами. В результате в среде, использующей мультиплексоры ROADM, нет широкополосного шума от усилителей EDFA. Характеристики шума на разных частотах меняются в зависимости от работы фильтров, поэтому параметры шума за пределами и внутри оптического канала в этом случае нельзя считать связанными общей зависимостью. Использованная ранее формула перестает быть корректной.
Приведенный далее график иллюстрирует эффекты, накладываемые на параметры шума в результате фильтрации, выполняемой устройствами ROADM.
Рис. 2: Влияние фильтрации на профиль шума в среде, использующей перестраиваемые оптические мультиплексоры ввода-вывода ROADM
В системах, основанных на перестраиваемых мультиплексорах ROADM, внеполосное измерение мощности шума по стандарту IEC на частотах между оптическими каналами не позволит получить корректное значение OSNR. В таких системах для определения отношения OSNR необходимо измерять опорное значение шума внутри спектрального диапазона сигнала – нужно проводить внутриполосное измерение OSNR. Для общепринятых оптических сигналов, использующих одиночную поляризацию – амплитудную или OOK-модуляцию (On-Off-Key, бинарный формат модуляции с двумя значениями амплитуды сигнала, соответствующими включенному и выключенному состоянию передатчика) – и обеспечивающих пропускную способность 2.5 Гбит/с, 10 Гбит/с, а иногда и 40 Гбит/с, применяются методы поляризационного подавления. Если исходить из того, что передаваемый сигнал поляризован, а шум – нет, то поляризационный фильтр позволит подавить поляризованный сигнал и измерить неполяризованный шум внутри оптического канала, чтобы получить таким путем внутриполосное значение OSNR.
Сложности с измерениями в высокоскоростных системах, использующих поляризационное мультиплексирование
В когерентных системах, обеспечивающих 100-гигабитную пропускную способность и выше, используется передача с поляризационным мультиплексированием Pol-Mux. Эта технология предусматривает одновременную передачу сигналов на одной и той же длине волны во встречных направлениях, однако излучение отличается поляризацией – волны используют взаимно ортогональные плоскости поляризации. Измерительным прибором (например, оптическим анализатором спектра) такое излучение воспринимается как неполяризованное. Поэтому для отделения сигнала от шума и определения внутриполосного значения OSNR в этом случае нельзя применить поляризационный фильтр и технологию поляризационного подавления.
Хотя для определения внутриполосного OSNR в сигналах Pol-Mux было предложено несколько методов, на практике они работают только в том случае, если оптические сигналы подаются с заранее известной битовой скоростью, типом модуляции и/или формой сигнала. Следовательно, такие методы могут быть пригодны для мониторинга параметра OSNR только в части телекоммуникационных систем. Их нельзя использовать как общую методику тестирования, пригодную для любых случаев. Более того, часть методов заведомо непригодна для определения внутриполосного значения OSNR в сигналах, которые существенно искажены вследствие хроматической дисперсии CD и поляризационной модовой дисперсии PMD.
Для проведения измерений внутриполосного OSNR при помощи типового спектрального анализа мощности оптических сигналов был разработан метод сравнения спектральных форм. К сожалению, для таких измерений характерны большие ошибки, в которые вносят свой вклад и спектральные фильтры мультиплексоров ROADM, и пульсация при передаче, и уровень воспроизводимости результатов, который может обеспечить оптический анализатор спектра OSA. Методы измерений во временной области требуют применения высокоскоростных фотоприемников, охватывающих всю полосу пропускания, используемую при передаче на скорости 100 Гбит/с или выше. На практике такое решение применить невозможно, поскольку точки мониторинга не могут обеспечить мощность, достаточную для таких высокоскоростных фотоприемников. Единственный известный в телекоммуникационной отрасли метод для измерения внутриполосного значения OSNR предусматривает временное отключение канала – метод On/Off. Этот метод нельзя применять «по живому», в ходе работы системы, поскольку для измерения шума в канале полезный сигнал приходится отключать.
В итоге можно констатировать, что до сего момента в телекоммуникационной отрасли не существовало коммерчески доступного способа измерения внутриполосного оптического отношения сигнал/шум в когерентных системах с использованием поляризационного мультиплексирования Pol-Mux – метода, который можно было бы применять в работающих системах.
Измерение корреляции – новый шаг в технологии измерений
В высокоскоростных когерентных системах, использующих мультиплексоры ROADM, привычные физические параметры – частоту, мощность, состояние поляризации – нельзя использовать для отделения модулированного сигнала от шума, вносимого усилителем, и последующего измерения внутриполосного значения OSNR. Необходим какой-то другой параметр, позволяющий выделить сигнал на фоне шума.
Как оказалось, для этой цели можно использовать корреляцию между замерами, выполненными внутри оптического канала, и такое решение дает вполне надежные результаты. Корреляционный анализ позволяет статистически оценить зависимость между двумя численными переменными – например, результатами замеров амплитуды оптического сигнала. Полученную корреляционную зависимость можно использовать для расчета отношения OSNR, основываясь на том факте, что замеры дискретных модулированных сигналов заведомо должны коррелировать между собой, в то время как параметры белого шума по определению ни с чем не коррелируют.
Корреляционные свойства дискретных модулированных сигналов
Коэффициент корреляции Corr – безразмерный статистический показатель, характеризующий взаимную зависимость двух переменных. Значение коэффициента может варьироваться от 0 (взаимной зависимости между переменными нет) до 1 (полное совпадение = измерения идентичны).
На рис. 3 показан пример двоичного модулированного сигнала, на который накладывается белый шум.
Рис. 3: Измерения для определения корреляционной зависимости
Методика основана на сравнении замеров чистого сигнала (показан серым цветом) и чистого шума (показан оранжевым цветом) и определении корреляции между результатами. Точки замеров должны отстоять друг от друга на расстояние заведомо меньше, чем продолжительность двоичного импульса TB.
Корреляция сигнала:
Замеры, соответствующие сигналу (желтые отрезки) показывают высокую степень соответствия дискретным состояниям «1» или «0». Коэффициент корреляции равен единице: Corr = 1.
Корреляция шума:
Когда замеры соответствуют белому шуму (синие отрезки), вероятность того, что они окажутся одинаковыми, очень низка. Коэффициент корреляции в этом случае равен нулю: Corr = 0.
Смесь полезного сигнала и шума будет характеризоваться коэффициентом корреляции от 0 до 1, и поскольку этот параметр характеризует взаимную зависимость между сигналом и шумом, его можно использовать как основу для определения оптического отношения сигнал/шум OSNR.
Это пример рассуждений, справедливых для измерений во временной области. Как уже упоминалось ранее, методы измерений во временной области требуют применения очень высокоскоростных фотоприемников, которые на практике не смогут работать в точках мониторинга системы. Преобразование Фурье позволяет применить корреляционный анализ в частотной области, где выполнять измерения гораздо проще.
Метод спектральной корреляции (SCorM), предложенный компанией Viavi
Компания Viavi разработала новый метод спектральной корреляции, его сокращенное обозначение – SCorM, на него в США выдан патент US20160164599 A1. Метод применяется в частотной области, для его реализации нет нужды использовать высокоскоростные фотоприемники и функцию CDR (Clock and Data Recovery) для корректной синхронизации и распознавания сигналов. Методика основана на оценке корреляционной зависимости между компонентами сигнала в пределах оптического спектра канала передачи и том факте, что спектральные компоненты модулированных сигналов демонстрируют высокую корреляцию, в то время как для спектральных компонентов шума никакой корреляции нет. Значение OSNR можно рассчитать на основе оценки корреляционных зависимостей между спектральными компонентами на предварительно заданных парах отстоящих друг от друга длин волн. Компоненты имеют зависимость от времени, анализ охватывает оптический амплитудный спектр сигнала, и определенная сложность состоит в том, чтобы проанализировать и сравнить между собой весьма узкие интервалы частот в оптическом канале, причем в сигнале содержатся как компоненты сигнала, демонстрирующие высокую корреляцию, так и компоненты шума с нулевым уровнем корреляции. Ширина полосы при измерении должна быть гораздо меньше, чем при передаче целевого сигнала. В стандартных системах DWDM ширина обычно не превышает 50 ГГц. Для оценки корреляции спектральных компонентов необходимо использовать два независимо настраиваемых фотоприемника, обладающих сверхвысокой разрешающей способностью в диапазоне менее 50 МГц. Такая чувствительность более чем в 100 раз выше, чем у наиболее продвинутых оптических анализаторов спектра, основанных на технологиях оптики свободного пространства FSO (Free Space Optics). Столь высокого разрешения можно добиться только при использовании схем на основе когерентных детекторов, по принципам работы сходных с высокоскоростными когерентными фотоприемниками.
Рис. 4: Анализ спектральной корреляции компонентов сигнала
На рис. 4 показан спектр 100-гигабитного сигнала с поляризационным мультиплексированием Pol-Mux (квадратурная фазовая манипуляция PM-QPSK). Спектральные плотности SPL и SPR отображают измерения спектральных компонентов внутри оптического канала, содержащих как целевой сигнал, так и шум.
Коэффициент корреляции Corr можно выразить в виде функции от параметров SPL и SPR; он может принимать значения между 0 и 1.
Через коэффициент корреляции Corr может быть рассчитано внутриполосное значение отношения OSNR (OSNRC):
Близкие к нулю значения коэффициента корреляции Corr приводят к низким значениям отношения OSNR, близкие к единице – к высоким.
Оптический анализатор спектра OSA-710 компании Viavi для сетей с поляризационным мультиплексированием Pol-Mux, основанный на применении метода SCorM
Оптический анализатор спектра Viavi Pol-Mux OSA-710 – это первый измерительный прибор, основанный на методике SCorM. Он позволяет определять внутриполосное отношение OSNR в работающих системах при передаче сигналов с использованием как одиночной поляризации – амплитудной или OOK-модуляции (On-Off-Key) – так и сигналов с когерентной фазовой модуляцией xPSK и квадратурной амплитудной модуляцией xQAM в сетях с поляризационным мультиплексированием Pol-Mux на основе топологии ROADM. Метод нечувствителен к значительным искажениям сигнала из-за хроматической дисперсии CD и поляризационной модовой дисперсии PMD, не требует предварительной калибровки с использованием эталонного оптического сигнала, свободного от шумов.
Оптический анализатор спектра OSA включает в себя два независимо настраиваемых когерентных приемника, обладающих продвинутыми возможностями цифровой обработки сигналов. Это позволяет работать со всеми параметрами сигнала, включая амплитуду, частоту, фазу и поляризацию, независимо от используемого вида модуляции. Настройки прибора позволяют анализировать символьную или битовую скорость передачи, измерять в работающих системах хроматическую дисперсию в каждом канале. Стандартные измерения спектра выполняются со сверхвысоким разрешением – ширина полосы в C-диапазоне составляет 20 МГц. На рис. 5 показано принципиальное строение анализатора Viavi Pol-Mux OSA-710.
Рис. 5: Принципиальная схема анализатора OSA-710, тестовая платформа MTS/T-BERD-8000 с анализатором OSA-710
Результаты измерений
Далее приведены результаты измерений, выполненных прибором Viavi Pol-Mux OSA-710: внутриполосное оптическое отношение сигнал/шум OSNR было определено в работающих системах, передающих 100- и 200-гигабитные когерентные сигналы. Для сравнения также было выполнено измерение OSNR с отключением канала – применялся метод On/Off.
На рис. 6 показано соотношение между внутриполосными значениями OSNR (шкала OSNRC), определенными по методу SCorM, разработанному компанией Viavi, и используемыми для сопоставления измерениями OSNR по методу On/Off (шкала OSNROn/Off). Измерения проводились в оптическом сегменте длиной 400 км, по которому передавался 100-гигабитный сигнал с символьной скоростью 28 ГБод (использовалось поляризационное мультиплексирование, квадратурная фазовая манипуляция PM-QPSK).
Рис. 6: Сопоставление результатов определения OSNR разными методами в 100-гигабитной системе
Анализ показывает, что полученные по разным методикам значения отличаются не более чем на ±1 дБ – столь высокая воспроизводимость результатов обеспечена в диапазоне измерения OSNR между 10 и 22 дБ.
Методика SCorM, разработанная компанией Viavi, может применяться также для найквистовских импульсов – измерения обеспечивают получение корректных результатов.
На рис. 7 показано сопоставление результатов измерения OSNR, полученных в 200-гигабитной системе с передачей сигналов по Найквисту, квадратурная амплитудная модуляция 16 QAM (шкала OSNRC), и значений OSNR, определенных по методу On/Off (шкала OSNROn/Off).
Рис. 7: Сопоставление результатов измерения OSNR разными методами при использовании найквистовских импульсов
Заключение
Оптическое отношение сигнал/шум OSNR по-прежнему остается основным параметром, характеризующим качество передачи модулированных оптических сигналов. В этой статье компания Viavi показала, что обычно используемые методики измерения OSNR нельзя применять в высокоскоростных когерентных системах, основанных на сетевой топологии ROADM. Разработанный компанией Viavi прибор Pol-Mux OSA-710 – первый оптический анализатор спектра, основанный на новейшей методике определения спектральной корреляции и ее применении для получения внутриполосного значения OSNR. Новая методика позволяет оценивать хроматическую дисперсию для каждого канала при передаче когерентных сигналов со скоростями 40, 100, 200 и 400 Гбит/с в сетях, использующих мультиплексирование Pol-Mux, причем измерения производятся в работающих системах, без отключения. Разработанный метод может применяться независимо от вида модуляции и скорости передачи данных. На его использование не влияют значительные искажения сигналов из-за хроматической и поляризационной модовой дисперсии, ему не препятствует спектральная фильтрация, выполняемая мультиплексорами ROADM.
Метод SCorM, предложенный компанией Viavi, представляет собой первый и единственный на сегодня способ измерения внутриполосного значения OSNR в работающих когерентных системах с поляризационным мультиплексированием Pol-Mux. Оптический анализатор спектра Viavi Pol-Mux OSA-710 существенно упростит выполнение измерений в оптических системах при их монтаже, вводе в эксплуатацию и обслуживании, позволит свести к минимуму периоды простоя и количество человеко-часов, затрачиваемых на устранение неисправностей.
Видео
Приборы и инструменты для работы с ВОЛС
Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.
См. также:
