DWDM系統(tǒng)光信噪比計算的改進方法

1、DWDM系統(tǒng)光信噪比計算的改進方法光放大器噪聲理論1.1光放大器的噪聲系數(shù)首先簡單介紹光放大器的噪聲系數(shù)的測量和計算，然后通過噪聲系數(shù)計算光放大器產(chǎn)生的噪聲。光放大器噪聲系數(shù)的完整公式為：PNF=ase+GhvB1+NF+NFGSP-SPMPI在一般情況下PNF=ASEGhvB后兩項都可忽略不計，于是有：+一G公式右邊第一項是信號和ASE噪聲的拍噪聲，第二項是散粒噪聲。這也是目前所有光譜分析儀在光域（內(nèi)插減源法、時域消光法、偏振消光法）進行光放大器噪聲系數(shù)測量的經(jīng)典公式。h為普朗克常數(shù)，v為光信號的頻率，B為噪聲帶寬O.lnm轉(zhuǎn)換為Hz單位，hvB對應(yīng)的dBm功率即為-58dBm。ASE噪聲包

2、含放大過程中產(chǎn)生的自發(fā)輻射噪聲P和放大的源噪聲GXP。為方便理解各物理量SSE的含義，下圖給出了相關(guān)示意圖。圖1光放大器噪聲示意圖為了精確測量光放大器的噪聲系數(shù)，需要采用內(nèi)插減源法計算出P，例如安藤的AQ6317ASE光譜分析儀。而安立的MS9720，在輸入信號的光信噪比較高時尚可精確測量光放大器的噪聲系數(shù),因為在光信噪比較高時可忽略放大的源噪聲GxP，但在輸入信號的光信噪比較低時其噪聲系數(shù)SSE測量結(jié)果就很離譜了。1.2光放大器的等效噪聲模型WDM系統(tǒng)光信噪比計算的中間步驟需要計算噪聲功率P,P=P+GxP，其中P可nnASESSESSE根據(jù)輸入信號功率及相應(yīng)的輸入光信噪比計算得出，而P可根

3、據(jù)光放大器的噪聲系數(shù)得出。ASE圖2光放大器的等效噪聲模型11因為通常情況下有：NF-，所以在P計算過程中省略散粒噪聲-，光放大器的等效GASEG噪聲簡化模型為下圖。注1）在增益較低的EDFA或DRA的噪聲計算中不能省略；注2）下圖G中GxP才是光放大器在放大過程中產(chǎn)生的ASE噪聲。ASEASE圖3光放大器的等效噪聲簡化模型下圖是后向泵浦DRA的等效噪聲模型，系統(tǒng)等效為一個增益為G的光纖損耗單元，和一個off增益為G、噪聲系數(shù)為NF的集中式光放大器單元。其中G是開關(guān)增益，G是對應(yīng)有on-offeqon-offoff1_eCL效光纖長度L=的增益（典型值為-5dB）。DRA的等效噪聲系數(shù)典型值為

4、-2.5dB。信號effC經(jīng)過任何光放大器放大，總會產(chǎn)生噪聲，降低信號的光信噪比。噪聲系數(shù)為負值是因為實際的分布式放大模型等效為集中式光放大模型引起的。DRA在放大過程中產(chǎn)生的噪聲會因為光纖損耗而衰減一部分，一定程度上降低了噪聲系數(shù)。如下圖，等效輸入點之前為光纖損耗，等效輸入點之后為光放大器。參考輸出平面和參考輸入平面之間的噪聲系數(shù)肯定為正值，即光信噪比降低，而參考輸出平面和等效輸入點之間的噪聲系數(shù)有可能為負值，即光信噪比提高。集中式光放大器圖4后向泵浦分布式喇曼光放大器的等效噪聲模型1.3典型子系統(tǒng)的噪聲系數(shù)在色散補償系統(tǒng)中，很多情況下需要配置2個光放大器以及色散補償模塊和衰減器組成2R光中

5、繼子系統(tǒng)。如下圖。GNF1NF2二LNF3圖5典型光中繼子系統(tǒng)面分析和計算上圖中繼子系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)。源自O(shè)A1產(chǎn)生的噪聲為：NF-XhvBXG2XG；3衰減單元不產(chǎn)生噪聲，因為NF-丄=0；2G2(1源自0A3產(chǎn)生的噪聲為：NF-xGxhvB。3G丿33等效噪聲系數(shù)為：NFeqASExhvBtotaltotalNFxGxhvBxGxG+NFxGxhvBNFNFNF從上式可見，GGGxhvBGGGNFNFGGGGGGGNFxL中繼子系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)與NF1、G1、NF3、L密切相關(guān)，在實際系統(tǒng)中很難保證各中繼子系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)、以及子系統(tǒng)總增益GGG相等。面再給出單個放大衰減子系統(tǒng)和多個

6、放大衰減子系統(tǒng)的等效噪聲系數(shù)的計算，供參考。圖6單個放大衰減子系統(tǒng)NFeqP1=ASE+GxhvBGtotaltotalNF-丄LGxhvB/L=IG丿1+G/LxhvB1=NF+1GG/L=NF-1/G+L/G圖7多個放大衰減子系統(tǒng)NFeqP1ASE+GxhvBGtotaltotalr1anxNF-xGxhvB/LIG丿G/Lx.xG/LxhvB1+G/Lx.xG/L=nxNF1.4噪聲功率vs信號功率近年來隨著電域信號處理技術(shù)的進步，如EDC技術(shù)、FEC技術(shù)，以及各種層出不窮的新型調(diào)制碼型技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的噪聲容忍能力。在未來的長距WDM系統(tǒng)中，10Gb/s系統(tǒng)的光信噪比最低標(biāo)準(zhǔn)有可能

7、達到10dB左右，所以越來越有必要考慮總功率中噪聲功率所占的分量。下面通過典型值估算信號功率和噪聲功率：40波C波段WDM系統(tǒng)，假設(shè)OA增益帶寬為40nm,信號的光信噪比為15dB，通道信號功率平坦，單通道信號功率為P?？偟男盘柟β蕿椋?0XP?？偟脑肼暪β蕿椋篜/lO-15/ioX(40/0.1)=12.649XP。單通道噪聲功率為：P1X10-15/10X(0.8/0.1)=0.253XP1。這樣總信號功率大約是總噪聲功率的3.16倍，單通道信號功率大約是單通道噪聲功率的3.95倍。所以本文建議光信噪比的分析和計算中應(yīng)該考慮噪聲功率。有人說，當(dāng)光信噪比較高時(20dB)，噪聲功率連信號功率

8、的1/100都不到，所以可以忽略噪P一P聲功率。在所有光譜分析儀的光信噪比測量計算中，采用的公式均為：OSNR=人丄対，其Pnoise中P是內(nèi)插法得出的0.1nm內(nèi)的噪聲功率，P是信號峰值功率。noiseTotal光信噪比計算的傳統(tǒng)方法噪聲、色度色散、非線性效應(yīng)和偏振模色散是目前DWDM系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的四大關(guān)鍵問題。ITU-T系列建議對WDM系統(tǒng)的光信噪比計算一直比較重視，但采用的是計算模型有很多不太符合工程實際且影響計算結(jié)果精度的假設(shè)。G.692ITU-TG.692(10/98)“OPTICALINTERFACESFORMULTICHANNELSYSTEMSWITHx+OPTICALAMP

9、LIFIERS：附錄I.l.l假設(shè)所有跨段的損耗是相同的，所有跨段的發(fā)送功率相等，所有節(jié)點的噪聲系數(shù)相等，給出的公式為：OSNR=POU-L-Nf-10LogN-10LoghvAvq。（注：單位均為dBm或dB）?？梢钥闯霎?dāng)系統(tǒng)的損耗或每跨段的發(fā)送功率稍微變動，由于平均效應(yīng)，OSNR變化并不大。但是，當(dāng)系統(tǒng)不是等距光中繼，且相差較大，這時就不能再采用這個公式計算系統(tǒng)接收端的光信噪比了。G.696.1ITU-TG.696.1（07/2005）“Longitudinallycompatibleintra-domainDWDMapplications,附錄I.l.l假設(shè)系統(tǒng)有x個跨段，含1個OBA，

10、x-1個OLA，1個OPA,且假設(shè)跨段損耗均為、且L等于OLA的增益gla，所有光放大器的噪聲系數(shù)相同，OLA和OBA的輸出功率相同，給出的計算公式為（注:單位均為dBm或dB）：OSNR=PLNF10-logouteff(G-)BA1010 x+1010丿10-logth-vvr經(jīng)過分析，上式在計算過程中采用的是簡化模型，僅考慮信號和ASE噪聲之間的拍噪聲，忽略散粒噪聲，試推導(dǎo)如下：G源自發(fā)送端的OBA產(chǎn)生的噪聲為:NF+10-logth-vv+G-L+G.+G=NF+10-logth-vv+G-L+GeffrBALAPAeffrBAPA源自第1個OLA產(chǎn)生的噪聲為：=NF+10-logh-

11、v-v+GeffrPANF+10-logh-vv+G-L.+GeffrLAPA源自第x-1個OLA產(chǎn)生的噪聲為NF+10-logh-v-v+G-L+GeffrLAPANF+10-logh-v-v+GeffrPA源自接收端的OPA產(chǎn)生的噪聲為:rPANF+10-logh-v-v+Geff這樣接收端輸出的總噪聲為：NF+10-logh-v-v+G+10-logrPAeffG)BA1010-L-1010接收端輸出的總信號功率為：PL+G+.+G=PL+GoutLAPAoutPA所以最終的光信噪比為：OSNR=(P-L+G)-outPANFeff+10-logth-v-v+G+10-logPA(GBA

12、1010 x+-L-、1010丿丿=P-L-NF-10-logouteffGABA1010 x+1時，上式可簡化為:OSNR=outN.-N-NF-G-hvB九ampr試推導(dǎo)如下：源自發(fā)送端OBA產(chǎn)生的噪聲為：ri)NF-IG丿xhvBxGx(N+1)=PANFXGXNPAamp接收端輸出的總信號功率為：P-ou/LxG/.xGNPANxxoutx/丿PA所以最終的光信噪比為：OSNRoutxG/LPAr1)NF-IG丿XhvBXGXNPAampNNampIPout(1)NF_GG丿2.5ZTE以下適用于ZTE北研各種版本的光信噪比EXCEL計算軟件。北研EXCEL計算均采用簡化模型，忽略散粒

13、噪聲1。將系統(tǒng)中各節(jié)點OA產(chǎn)生的噪聲功率折G算到系統(tǒng)的接收端，從而計算出信號的光信噪比。r1)r1)NF-xhvBxG/Lx.xGNFxhvBxGIG丿rPAG丿rPA源自第1個OLA產(chǎn)生的噪聲為:r1)rrNF1)NF-一xhvBxG/Lx.xGxhvBxG1G丿rPAG丿rPA源自第N-1個OLA產(chǎn)生的噪聲為：r1)r1)NF-一xhvBxG/LxGNF-一xhvBxG1G丿rPA1G丿rPA源自接收端OPA產(chǎn)生的噪聲為：r1r1)NF-xhvBxG沁NF-1G.rPAIG丿PA這樣接收端輸出的總噪聲為：XhvBXGPA面圖及說明引用自北研內(nèi)部技術(shù)文檔一種計算不同跨距的光信噪比的方法。Pa

14、se=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBm圖8采用簡化模型計算累積的噪聲功率第1點折算到接收端的噪聲（dB）=Pase+Gl+Ll+G2+L2+G3+L3+G4第2點折算到接收端的噪聲（dB）=Pase+G2+L2+G3+L3+G4第3點折算到接收端的噪聲（dB）=Pase+G3+L3+G4第4點折算到接收端的噪聲（dB）=Pase+G4將4個折算到接收端的噪聲求和,等于Pase+10Lg10（G1+L1+G2+L2+

15、G3+L3+G4）/10+10（G2+L2+G3+L3+G4）/10+10（G3+L3+G4）/10+10G4/10.（注意這里的Pase、G、L單位dBm或dB,L為負數(shù)）下面5條結(jié)論引用自北研新員工培訓(xùn)資料DWDM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計噪聲可等效與在EDFA的輸入點引入，噪聲大小為固定值=Pase=10Lg（hvAvO）+NF=-58+6=-52dBm。即在EDFA的放大過程中不再引入新的噪聲，且線路衰減中也不引入新的噪聲。噪聲是加性噪聲。4最后測試點的噪聲是各個EDFA輸入點引入噪聲的貢獻之和。5引入噪聲與之在最后測試點的貢獻之比二兩點之間的增益。2.6傳統(tǒng)方法的局限性ITU-T系列的光信噪比計算均假

16、設(shè)跨段損耗相同，這在DWDM實際工程，尤其在陸地傳輸系統(tǒng)很難做到?，F(xiàn)實中各跨段的入纖功率可能不一致。ZTE現(xiàn)有計算方法能滿足較高光信噪比系統(tǒng)上的理論計算，在較低光信噪比系統(tǒng)上精度較差，因為該方法的前提是認為每個OA輸出的信號功率恒定，更符合實際的假設(shè)應(yīng)該是OA的輸出總功率恒定。光信噪比計算的改進方法改進方法的核心是對系統(tǒng)中每個光放大器計算輸出信號的光信噪比，認為光放大器輸出總功率恒定，需要考慮輸入、輸出功率中噪聲功率所占的分量。圖9光信噪比計算的改進模型下面根據(jù)OPA輸入信號的光信噪比，OPA的噪聲系數(shù)，OPA.的單通道輸出功率，推導(dǎo)出OPAiiii輸出信號的光信噪比。為方便描述，所有參數(shù)均為

17、線性單位。認為OPA的輸出功率恒定，C波段i40波系統(tǒng)有POPAi_Total_Out=40 xPOPAi_out，而非信號功率輸出恒定。OPA產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射噪聲為:iPOPAi_ASENFOPAiGOPAiXGXhvBOPAiOPA的單通道輸入功率為：PiOPAi_inOPAiout-POPAiASEGOPAiOPA的單通道輸入噪聲功率為：PiPOPAi_inOPAi_SSEOSNR+1OPAi_inOPA的輸出噪聲功率為：PiOPAi_noisePOPAi_SSE+POPAiOPAi_ASEOPA的單通道輸出信號功率為：PiOPAi_sigOPAiout-POPAi_noise所以O(shè)P

18、A的輸出信號的光信噪比為：OSNROPAi_outPOPAisigPOPAi_noise在節(jié)點內(nèi)，光信噪比滿足：OSNR=OSNROPAi_outOBAi_in；類似OPA，同理求出OBA.的輸ii出信號的光信噪比OSNROOBAi_out在相鄰節(jié)點之間，光信噪比滿足：OSNR=OSNR；這樣，可依次求出后續(xù)節(jié)OPAi+1_inOBAi_out點的輸出信號的光信噪比。下面考慮噪聲功率在總功率中所占的分量。仍認為OPA的輸出總功率恒定。C波段40波系統(tǒng)1有P=40 xP，通道帶寬為0.8nm，所以通道內(nèi)的噪聲功率應(yīng)為0.1nm帶寬內(nèi)噪聲OPAi_Total_OutOPAi_out功率的8倍。那么

19、有：OPA產(chǎn)生的放大自發(fā)輻射噪聲不變，仍為:iPOPAi_ASENFOPAiGOPAiXGOPAiXhvBOPA的單通道輸入功率，修正為:iP-8xPp=OPAi_outOPAi_ASEOPAi_inGOPAiPOPA的單通道輸入噪聲功率，O.lnm帶寬內(nèi)為：P=iOPAi_ssEOSNR+8OPAi_inOPA的輸出噪聲功率，O.lnm帶寬內(nèi)為：P=PxG+PiOPAi_noiseOPAi_SSEOPAiOPAi_ASEOPA的單通道輸出信號功率，修正為：P=P-8xPiOPAi_sigOPAi_outOPAi_noisePOPA的輸出信號的光信噪比為：OSNR=oPAi_sigiOPAi_

20、outPOPAi_noise如果是C波段80波或C+L波段160波，將上述的8倍更換為4倍即可。具體實施首先設(shè)計單個OA的輸出光信噪比計算函數(shù)，輸入變量包括OA的輸出總功率、OA的增益、OA的噪聲系數(shù)、系統(tǒng)的滿配置通道數(shù)、輸入信號的光信噪比。然后開始計算第一個OA,給定相應(yīng)的輸入變量，得出第一個OA的輸出光信噪比。根據(jù)節(jié)點內(nèi)和相鄰節(jié)點的光信噪比關(guān)系，依次計算出后續(xù)OA的輸出光信噪比。在通常情況下，OA的輸出功率即OA的飽和輸出功率。在某些情況下，尤其是OPA的應(yīng)用中,實際的輸出功率可能小于飽和輸出功率，則應(yīng)該輸入實際的OA輸出功率。已考慮某些節(jié)點只有1個OA；已考慮后向泵浦DRA的集中式等效噪

21、聲模型。下面是計算結(jié)果舉例說明。系統(tǒng)配置見下圖，40波系統(tǒng)考慮8倍噪聲功率時，系統(tǒng)的光信噪比為16.93dB。打WDM系編光信噪出計算軟件R1.0-!x|節(jié)點OPAOBA節(jié)點1|1717|2220|節(jié)點21717I|2220|節(jié)點317172220節(jié)點417172220節(jié)點5171722201717222017172220171722201717222017172220節(jié)點1117172220節(jié)點1217172220節(jié)點1317172220節(jié)點1417172220節(jié)點1512220節(jié)點OPAOBA節(jié)點“I|節(jié)點1”7f2220DRA配置位置増益功率節(jié)點13節(jié)點19節(jié)點2Q212226?29節(jié)點

22、30171717171717222022202220*JOPANF=5.5dB4OBANF=6dB4Id系純可選配一OSNR=50dB選擇結(jié)果顯示|節(jié)點孔寸SbuAOSNR：17.09cIB中間汨輸出0SNR：16.93dBZTE中興1717|22201717|222017V7p22|22201717|2220|22201717|22201|22202220171750454035302520網(wǎng)元系統(tǒng)配置同上圖，不考慮噪聲功率時，系統(tǒng)的光信噪比為17.26dB。斗WDM系編光信噪比計算軟件R1.0節(jié)點OPA0BA節(jié)點1|節(jié)點217172220節(jié)點317172220節(jié)點417172220節(jié)點56

23、17172220171722201717222017172220節(jié)點11171722201717222017172220節(jié)點1217172220節(jié)點1317172220節(jié)點1417172220節(jié)點1512220節(jié)點171717節(jié)點13節(jié)點19節(jié)點2Q節(jié)點211717節(jié)點221717節(jié)點2311717節(jié)點24Vm7節(jié)點11717節(jié)點2611717節(jié)點271717節(jié)點281717節(jié)點29117172220222022202220222022202220222022202220|2220222022202220節(jié)點3011717小。一系統(tǒng)可選配4OSNR=50dBJOPANF=5.5dBOBANF=

24、6dB4IdDRA配置選擇位置増益功率結(jié)果顯示SbuAOSNR：17.41cIB中rOSNR：17.36dB輸出0SNR:17.26dBZTE中興50454035302520網(wǎng)元可見，在實際系統(tǒng)的光信噪比較高時，總功率中的噪聲功率對最終光信噪比的計算結(jié)果影響較系統(tǒng)配置見下圖，40波系統(tǒng)考慮8倍噪聲功率時，系統(tǒng)的光信噪比為6.91dB。斗WDM系編光信噪比計算軟件R1.0節(jié)點OPAOBA節(jié)點1|2210|2220|節(jié)點222102220節(jié)點322102220節(jié)點422102220節(jié)點52210222062210222022102220221022202210222022102220節(jié)點11221

25、02220節(jié)點1222102220節(jié)點1322102220節(jié)點1422102220節(jié)點152：2220節(jié)點OPAOBA節(jié)點1elHTioOzzoDRA配置位置増益功率結(jié)果顯示節(jié)點仃2210p2222202210222022102220221022102220節(jié)點18節(jié)點2。221221022202210節(jié)點2223225節(jié)包2829節(jié)點兀222022?22202210型I22202210221022102210222022202220222022104JOPANF=5.5liB4OBANF=6dB4Id系統(tǒng)可選配一OSNR=50dB選擇SbuAOSNR：7.14cIB中間0SNR：6.93dB

26、輸出0SNR:6.91dBTZTE中興50403L20OJ125205元1網(wǎng)30系統(tǒng)配置同上圖，不考慮噪聲功率時，系統(tǒng)的光信噪比為9.24dB。打WDM系編光信噪出計算軟件R1.0-!x|節(jié)點節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4節(jié)點5節(jié)點9OPAOBA節(jié)點OPAOBA節(jié)點1E|j210p220節(jié)點1o節(jié)點11節(jié)點12節(jié)點13節(jié)點142210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220節(jié)點1”|云1Q.22疔節(jié)點1環(huán)節(jié)點1幼節(jié)點2l：i|

27、節(jié)點節(jié)點22|!210p22ri節(jié)點2專221022202622102220節(jié)點酉22102220節(jié)點2322102220節(jié)點西22102220節(jié)點3(2：2220節(jié)點2422102220一系純可選配4OSNR=50dBJOPANF=5.5dBOBANF=6(iB4Id選擇DRA配置位置10増益功率50403L20OT節(jié)點151015網(wǎng)元結(jié)果顯示一|節(jié)點孔?輸AOSNR：9.38dB中rBjOSNR：9.25dB輸出0SNR：9.24dBZTE中興A網(wǎng)西輸入點CiENRO網(wǎng)西中間點其NRV網(wǎng)元輸出點OENR可見，在實際系統(tǒng)的光信噪比較低時，總功率中的噪聲功率對最終光信噪比的計算結(jié)果影響較大，計

28、算值比實際值偏大。F圖是1140km系統(tǒng)的接收端光信噪比。2006Nay1014:26REFCH：HIGHESTREFTBL：ITU-TNOISEPOI：0.40nmTH：10.00dBNAXNUN：80MODEDIFF：3.00dBNO.01020304050607080910111213WAUELENGTHCnm1530.3741531.9171533.4991535.7731542.1231544.1061545.7121547.3221548.5421549.3521550.0921550.9511558.157LEUELdBm-26.27-27.95-26.11-26.17-26.0

29、4-25.76-25.68-25.94-25.07-25.04-26.50-25.49-25.54OFFSETWLnmlOFSTLULdBNOISE(/BW)dBmSNRdBJ-18.978-17.435-15.853-13.579-7.229-5.246-3.640-2.030-0.810(REF)0.7401.5998.805-1.23-2.91-1.07-1.13-1.00-0.72-0.64-0.90-0.03(REF)-1.46-0.45-0.50-44.84-45.04-44.83-44.32-45.19-45.05-44.64-45.01-44.33-44.57-44.81-44.36-44.1718.5717.0918.7218.1519.1519.2918.9619.0719.2619.5318.3018.8718.63F圖是根據(jù)1140km系統(tǒng)的實際配置的計算結(jié)果。寸wdmSE光信異比計算軟件rio-.Inilx|節(jié)點OPAOBA節(jié)點1|2520節(jié)點21717節(jié)點317172220節(jié)點422172220節(jié)點5171720202217202017172220171720202217202017172020節(jié)點1117172020節(jié)點1222172020節(jié)點1322172020節(jié)點142217252