光通訊監(jiān)測論文：光通訊監(jiān)測方法探究

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本文作者：賴俊森楊愛英孫雨南作者單位：北京理工大學(xué)光電學(xué)院

異步延遲采樣（ADS）

ADS通過加入延遲線對光信號在一個比特周期內(nèi)進行兩次采樣，獲取信號的相圖［10］，即二維幅度直方圖，并進行傳輸損傷分析。采用ADS技術(shù)的OPM模塊結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，待測的WDM光信號以帶寬為1nm的光帶通濾波器（BPF）進行選通，濾除相鄰信道光信號功率，但不影響選通信道的被監(jiān)測光信號的波形狀態(tài)；光電探測器（PD）輸出電信號經(jīng)帶寬為0．8倍信號符號率的低通電濾波器（LPF）消除帶外噪聲干擾；再進行3dB分路，一路以可調(diào)電延遲線（VDL）引入Δt延遲；最后以外部圖1ADS原理。（a）ADS光性能監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖；（b）10Gb／sNRZ－OOK半比特ADS示意圖Fig．1PrincipleofADS．（a）StructureofthedelaytapsamplingOPMmonitor；（b）halfbitdelaytapsamplingof10Gb／sNRZ－OOK時鐘驅(qū)動的低采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對兩路電信號進行采樣并對采樣后數(shù)據(jù)做進一步處理。以10Gb／sNRZ－OOK信號為例說明半比特ADS原理，如圖1（b）所示。其中Tb＝100ps為信號比特周期；以可調(diào)電延遲線設(shè)定3dB分路之后的一路電信號延遲時間為Δt＝50ps，即半比特延遲；如采用80MSPS的14－bit分辨率雙輸入ADC，例如AD9644，進行異步降頻采樣，則采樣周期Ts＝12．5ns，Ts與Tb無關(guān)，且TsTb；雙路ADC的每次采樣包含兩個采樣點E（xi）和E（yi），對應(yīng)的時間差為Δt，將兩路采樣點進行幅度值的歸一化，之后再以X－Y模式做二維散點圖可得ADS相圖。在NRZ－OOK半比特ADS相圖中，沿45°對角線的兩端代表0、1電平的不同組合狀態(tài)（0，0）和（1，1）；其間的過渡點對應(yīng)眼圖中波形的上升和下降沿，沿－45°對角線的最大寬度反映其斜率。ADS相圖中包含被測信號相同或相鄰比特周期間的過渡態(tài)信息，能夠反映信號波形受傳輸損傷影響的狀態(tài)，可用作OPM。

OPM仿真驗證

對光信號速率、碼型調(diào)制格式透明，并能同時監(jiān)測多種傳輸損傷是OPM技術(shù)的核心要求。在10Gb／s及更低速率系統(tǒng)中，NRZ－OOK為代表的強度調(diào)制直接檢測（IM－DD）系統(tǒng)因調(diào)制和接收器件簡單、成本低而占據(jù)主導(dǎo)地位。但在40Gb／s及更高速率的系統(tǒng)中，由于CD和PMD容限的降低和對頻譜效率要求的提高，NRZ－OOK調(diào)制不再適用于長距離傳輸。而以相位輔助強度調(diào)制，如ODB，也稱相位整形二進制傳輸（PSBT）和相位調(diào)制，如RZ－DPSK等為代表的先進調(diào)制格式由于損傷閾值高、頻譜效率高而受到重視［20］。以上述三種碼型調(diào)制格式為監(jiān)測對象，基于OptiSIM4．0商業(yè)仿真軟件平臺構(gòu)建采用ADS和ANN技術(shù)的OPM仿真系統(tǒng)，驗證所提出方案的透明性和損傷參數(shù)集總監(jiān)測能力。

110Gb／sNRZ－OOK

10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖3（a）所示，1550nm連續(xù)光源（CW）經(jīng)工作于正交傳輸點的無啁啾馬赫－曾德爾調(diào)制器（MZM）進行外調(diào)制產(chǎn)生NRZ信號，數(shù)據(jù)源為10Gb／s偽隨機二進制序列（PRBS），其序列長度為27－1。級聯(lián)的摻鉺光纖放大器（EDFA）和可調(diào)光衰減器（VOA）用于調(diào)整系統(tǒng)的OSNR值，通過設(shè)置不同單模光纖（SMF）的傳輸距離和CD、PMD系數(shù)來模擬不同程度的CD和DGD傳輸損傷，入纖光功率保持為0以消除非線性效應(yīng)影響。包含損傷的光信號一部分經(jīng)PD光電轉(zhuǎn)換后以示波器（OSC）顯示眼圖作為參考，另一部分經(jīng)ADS監(jiān)測器進行Δt＝50ps，即半比特延遲采樣和數(shù)據(jù)采集，最后通過提取相圖特征參量對ANN模型進行多損傷監(jiān)測的訓(xùn)練和測試。光通信性能監(jiān)測系統(tǒng)圖中的細實線代表電路連接，粗實線代表光路，而虛線代表信號數(shù)據(jù)，下同。NRZ信號在不同損傷條件下的眼圖與相圖如圖3（b）所示，OSNR導(dǎo)致信號1電平和過渡點幅度分布展寬；CD和DGD均導(dǎo)致信號時域展寬，但CD導(dǎo)致信號消光比降低，相圖點沿45°對角線外擴，而DGD導(dǎo)致信號波形三角化，相圖出現(xiàn)非對稱性。根據(jù)不同損傷參數(shù)特點，提取相圖特征參數(shù)，其中珡m和σm分別為相圖采樣點到原點距離的均值和標準差；珋θ為相圖采樣點角度平均值；Qd＝（μ1－μ0）／（σ1＋σ0）類似眼圖中Q值的定義，以相圖中沿45°對角線上采樣點區(qū)分0、1電平，求其均值和標準差得對角線Q值。以上述4個參數(shù)構(gòu)成如圖3（c）所示ANN模型的輸入向量，OSNR，CD，DGD參數(shù)構(gòu)成輸出向量，MLP－3包含26個隱元，采用擬牛頓（Quasi－Newton）算法作為訓(xùn)練算法，ANN的訓(xùn)練使用張齊軍教授開發(fā)的NeuroModeler軟件包。為了驗證ANN模型監(jiān)測傳輸損傷的性能，以125組不同損傷條件下相圖參數(shù)構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中OSNR分別為40，36，32，28，24dB；CD分別為0，200，400，600，800ps／nm；DGD分別為0，12，24，36，48ps，對ANN進行訓(xùn)練。在訓(xùn)練完成后，以另外的64組不同損傷參數(shù)，其中OSNR分別為38，34，30，26dB；CD分別為100，300，500，700ps／nm；DGD分別為6，18，30，42ps，構(gòu)成測試樣本對ANN的預(yù)測輸出進行測試。10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，其中ANN模型在200次迭代之后的訓(xùn)練誤差Etrain＝0．008，ANN模型預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝99．3％，損傷參數(shù)監(jiān)測的均方根誤差分別為EOSNR＝0．1dB，ECD＝8．34ps／nm和EDGD＝0．92ps，在監(jiān)測損傷參數(shù)的測量范圍內(nèi)，監(jiān)測誤差小于5％。

240Gb／sODB

40Gb／s光通信系統(tǒng)與10Gb／s系統(tǒng)相比，CD容限減小16倍，PMD容限減小4倍，NRZ－OOK調(diào)制的無電中繼再生可傳輸距離大大縮短。ODB調(diào)制格式采用三電平調(diào)制，非連續(xù)的相鄰1電平之間相位相差π，在CD、PMD或濾波器效應(yīng)引入波形展寬時，產(chǎn)生干涉相消，使0電平保持低電位，從而大幅提高其對色散損傷的閾值，而且其頻譜較NRZ－OOK調(diào)制更窄，有利于窄信道間隔的WDM傳輸［20］。同時，ODB調(diào)制格式只需改動發(fā)射機，而接收機不變，在性能和復(fù)雜度之間實現(xiàn)折中。40Gb／sODB光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖5（a）所示，信號源產(chǎn)生40Gb／sPRBS，其序列長度為27－1，首先進行雙二進制預(yù)編碼，之后經(jīng)帶寬為10GHZ的低通濾波器產(chǎn)生三電平驅(qū)動信號，在工作于傳輸零點的MZM中對1550nm的CW光源進行外調(diào)制得ODB信號，入纖功率保持為0，消除非線性效應(yīng)影響。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與眼圖監(jiān)測部分與4．1中相同，ADS監(jiān)測器的延遲為半比特，即Δt＝12．5ps。不同損傷條件下的ODB信號眼圖與ADS相圖如圖5（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致0、1電平和過渡點幅度值均勻展寬；CD導(dǎo)致波形三角化，相圖中第3象限采樣點外擴；DGD導(dǎo)致波形斜率降低，消光比減小，相圖點沿對角線方向閉合。根據(jù)相圖變化特點提取特征參數(shù)，其中珡m、σm、珋θ和Qd與4．1中相同，σm3為相圖第3象限采樣點到原點距離的標準差。以相圖特征參數(shù)為輸入向量，監(jiān)測損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖5（c）所示，采用擬牛頓訓(xùn)練算法，隱元數(shù)目為32個。以125組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中有OSNR分別為42，38，34，30，26dB；CD分別為0，40，80，120，160ps／nm；DGD分別為0，4，8，12，16ps，對ANN進行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測試樣本對訓(xùn)練完成的ANN模型進行預(yù)測輸出的檢驗，其中有OSNR分別為40，36，32，28dB；CD分別為20，60，100，140ps／nm；DGD分別為2，6，10，14ps。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．031，預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝97．6％，損傷監(jiān)測均方根誤差為EOSNR＝0．72dB，ECD＝3．24ps／nm和EDGD＝0．49ps，測量范圍內(nèi)的監(jiān)測誤差小于5％。

340Gb／sRZ－DPSK

在RZ－DPSK調(diào)制格式中，由于采用了平衡光電探測（BPD），其達到相同誤碼率所需的OSNR值要求比OOK調(diào)制格式要低3dB，即接收機靈敏度提高一倍。對于受到光放大器自發(fā)輻射噪聲限制的長距傳輸系統(tǒng)而言，使用RZ－DPSK調(diào)制可使無電再生中繼可傳輸距離增加一倍，2003年以后的陸基和海纜長距大容量光通信系統(tǒng)中，DPSK和差分四相移鍵控（DQPSK）調(diào)制逐漸取代OOK而成為主流［21］。40Gb／sRZ－DPSK光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖7（a）所示，序列長度為27－1的40Gb／sPRBS經(jīng)差分預(yù)編碼后在工作于傳輸零點的MZM1中對CW光源進行相位信息加載，再采用40GHz正弦時鐘信號在工作于正交傳輸點的MZM2中進行RZ碼型調(diào)制，最終獲得50％占空比的RZ－DPSK信號。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與4．1中相同，在加入傳輸損傷之后，部分光信號經(jīng)過延遲干涉儀（DLI）解調(diào)和BPD平衡探測后，在OSC1中顯示解調(diào)信號眼圖；部分光信號直接PD檢測，在OSC2中顯示線路傳輸眼圖；部分光信號進入ADS監(jiān)測器，其延遲量設(shè)置為1bit，即Δt＝25ps。不同損傷條件下的RZ－DPSK信號的解調(diào)后眼圖、線路傳輸傳輸眼圖和ADS相圖如圖7（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致信號波形和相圖點幅度值的展寬；CD導(dǎo)致波形幅度值和消光比降低，相圖點局部外擴；DGD導(dǎo)致兩偏振態(tài)的信號產(chǎn)生相位差，在PD檢測中干涉相消，使信號波形幅度值降低，相圖點沿對角線方向縮短。根據(jù)相圖變化的特點，提取與傳輸損傷變化有關(guān)的特征參量，其中珡m和σm與4．1中相同，珋θhalf為相圖45°對角線以上采樣點到原點的角度平均值，σθ為全部采樣點到原點角度值的標準差，M為采樣點到原點幅度最大值與最小值之差。以上述特征參數(shù)為輸入向量，損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖7（c）所示，隱元數(shù)目為30，采用擬牛頓訓(xùn)練算法。以125組傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，包括OSNR分別為36，32，28，24，20dB；CD分別為0，12，24，36，48ps／nm；DGD分別為0，3，6，9，12ps，對ANN進行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測試樣本對訓(xùn)練完成的ANN模型進行預(yù)測輸出的檢驗，包括OSNR分別為34，30，26，22dB；CD分別為6，18，30，42ps／nm；DGD分別為1．5，4．5，7．5，10．5ps。監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．06，預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝95．8％，監(jiān)測均方根誤差為EOSNR＝0．15dB、ECD＝1．74ps／nm和EDGD＝0．61ps，測量范圍內(nèi)的監(jiān)測誤差小于5％。

結(jié)論

通過將異步延遲采樣相圖分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練相結(jié)合，提出了一種能夠?qū)Χ喾N傳輸損傷參數(shù)進行集總監(jiān)測的光性能監(jiān)測方法。該方法通過對高速光信號進行異步延遲采樣，并構(gòu)造相圖來反映多種信道傳輸損傷，再結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計學(xué)習(xí)算法對不同損傷的特征進行提取和訓(xùn)練，從而實現(xiàn)多損傷參數(shù)的集總監(jiān)測。構(gòu)建了10Gb／sNRZ－OOK（IM－DD），40Gb／sODB（多電平調(diào)制）和RZ－DPSK（相位調(diào)制）三種光通信性能監(jiān)測仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該方法對于多種信號速率和多種碼型調(diào)制格式的監(jiān)測具有透明性，并具有對以及多種傳輸損傷的集總監(jiān)測能力；同時具有電信號處理帶寬要求低，損傷監(jiān)測準確度高的優(yōu)點。該方法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，可在光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點進行分布式和非侵入式的光纖通信性能的在線監(jiān)測。