CN102946275A - 一种实现高速dwdm系统中osnr监测的方法和装置 - Google Patents

一种实现高速dwdm系统中osnr监测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现高速密集型光波复用(DWDM)系统中光信噪比(OSNR)监测的方法，包括：将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。本发明还同时公开了一种实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，运用该方法和装置可克服现有内插法和偏振复用法的缺陷，实现对高速波分复用系统中OSNR的监测。

Description

一种实现高速DWDM系统中OSNR监测的方法和装置
技术领域
本发明涉及光通信技术中的光信噪比(Optical Signal to Noise Ratio，OSNR)监测技术，尤其涉及一种实现高速密集型光波复用(Dense Wavelength DivisionMultiplexing，DWDM)系统中OSNR监测的方法和装置。
背景技术
波分复用系统的OSNR是衡量波分系统传输性能的关键参数，其定义为通道的信号功率除以信号波长处0.1nm内的噪声功率。目前，随着波分复用系统单波速率向40Gb/s及以上的发展，对OSNR的监测越来越困难。
传统方法采用内插法以实现OSNR的监测，即：首先监测信号光谱之外的噪声功率，然后再用内插公式得到信号波长处的噪声功率，最后计算得到OSNR。内插法可以很好地满足单波速率为2.5Gb/s和10Gb/s波分复用系统的OSNR监测，因为10Gb/s信号的光谱宽度远小于系统通道间隔，有足够的光谱空间测量相邻信号之间的噪声功率，目前波分复用系统商用的光性能监测模块(Optical performance module，OPM)采用光谱扫描技术，扫描出工作波长范围内的光谱，从而得到通道功率和通道间的噪声功率，再采用内插法得出信号波长处的噪声功率，从而计算得出OSNR。但如果波分复用系统中有多级光滤波器，通道间的噪声不能反映出信号波长处的噪声，这种情况下内插法不再适用。此外，40Gb/s及以上速率信号的光谱宽度较大，接近于通道间隔，用内插法也无法准确测量到通道间的噪声功率，所以也无法得到信号波长处的噪声功率，因此，传统的内插法无法实现对40Gb/s及以上速率信号OSNR的监测。
近年来，一种新方法，即偏振消光法也已成功应用于OSNR监测技术，其原理为：利用信号偏振、噪声非偏振的特性实现信号和噪声的分离计算，从而实现OSNR的监测，这种方法适用于40Gb/s信号的非相干接收系统以及10Gb/s信号的直接探测系统。偏振消光法的实现原理非常复杂，成本较高，目前仅仅是仪表级商用。但对于偏振复用系统，无法用偏振消光的机制分离出信号和噪声，因而，无法用偏振消光法进行OSNR监测。
现有技术中，还提供了一种OSNR的测试方法，该方法基于调顶技术和窄带光可调滤波器分两次先后滤出正常频点和偏移频点的光信号，计算出其中的业务光信号的大小和自发辐射(ASE)噪声的大小，从而计算出OSNR值。但其实现技术复杂，校准算法不易确定，器件控制难度大，最重要的是，该方法需要考虑光业务信号的调制码型，从而在OSNR的计算中选择不同的算法策略，故不利于在可重构型光分插复用设备(ROADM)中广泛灵活使用。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高速DWDM系统中OSNR监测的方法和装置，可克服现有内插法和偏振复用法的缺陷，实现对高速波分复用系统中OSNR的监测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种实现高速WDM系统中OSNR监测的方法，该方法包括：
将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
其中，所述为每个波长的光信号加载波长标签时采用调顶技术。
其中，所述计算OSNR所依据的公式为：
OSNR＝10×log10((Pn-mean×M×K-Pw-mean×K)/(Pw-mean-Pn-mean×K))；
其中，所述Pw-mean为宽带可调光滤波器输出数据的平均值，所述Pn-mean为窄带可调光滤波器输出数据的平均值，所述M为宽带可调光滤波器的带宽与窄带可调光滤波器的带宽之比，所述K为宽带可调光滤波器输出光的波长标签光功率与窄带可调光滤波器输出光的波长标签光功率之比。
其中，所述波长标签光功率即为所述交流分量功率。
进一步地，该方法还包括：
在对OSNR进行监测前，将对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波的滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上。
本发明还提供了一种实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，该装置包括：波长标签加载模块和OSNR监测模块；其中，
所述波长标签加载模块，用于将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；
所述OSNR监测模块，用于对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
其中，所述OSNR监测模块包括：宽带可调光滤波器、窄带可调光滤波器和OSNR计算模块；其中，
所述宽带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波；
所述窄带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行窄带滤波；
OSNR计算模块，用于根据上述两个滤波器的输出数据，利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
其中，所述OSNR监测模块还包括控制模块，用于控制宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上。
其中，所述OSNR监测模块包括：一个带宽和中心频率均能配置的光滤波器和OSNR计算模块；其中，
所述带宽和中心频率均能配置的光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波。本发明提供的高速DWDM系统中OSNR监测的方法和装置，将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。本发明可以克服内插法无法适用40Gb/s及以上DWDM系统中OSNR监测的问题，以及无法用偏振消光法进行OSNR监测的问题，本发明在波长标签技术的基础上利用可调光滤波器技术解决了高速DWDM系统中监测OSNR的技术难题，相对于偏振消光法，具有实现简单、成本低的突出优势。
此外，由于本发明使用了宽带可调光滤波器，可以完整地滤出通道内的光信号，所以与光业务信号的调制码型不相关，可以在OSNR的计算中使用统一的测量方法，这在广泛采用多种调制码型和多种传输速率的ROADM中是有很大的好处的。
附图说明
图1为本发明高速DWDM系统中OSNR监测的方法实现流程示意图；
图2为本发明高速DWDM系统中OSNR监测装置实施例的结构示意图；
图3为利用图2中所述高速DWDM系统中的OSNR监测装置进行OSNR监测的方法实现流程示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是：将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明高速DWDM系统中OSNR监测的方法实现流程示意图，如图1所示，包括如下步骤：
步骤101：将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；
具体为：将发送端光转发单元的发送部分输出的每个波长的光信号加载一个波长标签，不同波长光信号对应的波长标签不同。这里，所述波长标签的信息为低频频率信息，采用调顶技术，调顶技术不影响光信号的传输性能，因为调制深度很小，例如：调制深度为1％～8％，并采用反馈方式或定标方式使调制深度锁定在某个固定值，如5％。各波长标签的调制深度固定为一个常数。
步骤102：对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；
这里，可从光信号中分出一小部分光信号作为监测光信号进行相应的光滤波处理，得到相应通带内的光信号，即宽带光信号和窄带光信号，再将所述光信号经过O/E转换、采样、量化、数字变换等电信号处理技术的处理，最终输出可以表征光功率的数字电信号。
这里，可分别设置宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器分别对宽带光信号和窄带光信号进行滤波，也可以使用一个带宽和中心频率均可配置的光滤波器，分两次先后对光信号进行滤波，甚至使用其他的方式。
步骤103：利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率，根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR；
具体为：利用数字信号处理技术测量滤波器采集的宽带光信号的总功率，并计算交流分量功率，以及窄带光信号的总功率，并计算交流分量功率。下面以设置宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器两个滤波器为例说明OSNR的计算原理和方法。当然，对于滤波器的其他设置方法也适用，只要能对宽带和窄带分别进行滤波即可。
对于宽带可调光滤波器，其滤出的光信号的总功率由两部分构成，分别为：通带内的光信号功率和通带内的噪声功率，用方程式表示为：
Pw＝Pw-sig+Pw-ase    (1)
对于窄带可调光滤波器，其滤出的光信号的总功率也由两部分构成，分别为：通带内的光信号功率和通带内的噪声功率，用方程式表示为：
Pn＝Pn-sig+Pn-ase    (2)
其中，所述Pw和Pn为测量所得数值。
利用数字信号处理技术，可以根据测量数据计算出宽带可调光滤波器输出数据的平均值Pw-mean和交流分量值Pw-ac，以及窄带可调光滤波器输出数据的平均值Pn-mean和交流分量值Pn-ac。
所述平均值的物理含义是：宽/窄带可调光滤波器输出光的总光功率；所述交流分量值的物理含义是：宽/窄带可调光滤波器输出光的交流分量的光功率，也即波长标签的光功率。
也即：
Pw-mean＝Pw    (3)
Pn-mean＝Pn    (4)
波长标签的调制深度在某一时刻，光通道内各处都是确定一致的，也即：通带内的波长标签的光功率和通带内光信号功率具有一定的比例关系。所以，利用两个滤波器采集到的光信号具有不同的光功率值，那么，两个滤波器采集到的波长标签的光功率也具有不同的值。
利用两个滤波器的波长标签的光功率值的比值，可以知道两个滤波器的通带内光信号功率的比值。所以，我们可以得到如下方程：
Pw-sig＝Pn-sig×K  (5)
K＝Pw-ac/Pn-ac  (6)，
其中，所述Pw-ac和Pn-ac即为计算所得的宽/窄带可调光滤波器输出波长标签的光功率。
在波长通道内，光信号噪声可以认为是均匀分布的，所以宽带可调光滤波器滤出的光信号中含有的噪声功率和窄带可调光滤波器滤出的光信号中含有的噪声功率，只与滤波器的通带带宽相关。所以，我们可以得到如下方程：
Pw-ase＝Pn-ase×M  (7)
其中的M可以很方便的通过滤波器的特性计算得出，如果以宽带可调光滤波器的通带带宽0.32nm，即40GHZ，窄带滤波器带宽0.1nm，即12.5GHZ为例，则M为3.2。
利用上述方程进行联立，我们可以计算出Pw-sig和Pw-ase的值，以及Pn-sig和Pn-ase的值。
以宽带可调光滤波器通带带宽0.32nm，窄带带宽0.1nm为例，根据OSNR的定义，可以得到当前通道内的OSNR计算公式为：
OSNR＝10×log10(Pw-sig/Pn-ase)    (8)
利用上述联立的方程所计算出Pw-sig和Pw-ase的值，我们可以对上式进行变换，最后得到如下公式：
OSNR＝10×log10((Pn-mean×M×K-Pw-mean×K)/(Pw-mean-Pn-mean×K))  (9)
其中，所述M可根据宽/窄带可调光滤波器的带宽计算得到，即：宽带可调光滤波器的带宽与窄带可调光滤波器的带宽之比，如上文所述；所述K通过上述公式(6)计算得到，即宽带可调光滤波器输出光的波长标签光功率与窄带可调光滤波器输出光的波长标签光功率之比；所述Pw-mean和Pn-mean可通过测量两个滤波器的输出数据得到。
在实际使用时，所述滤波器并不限于上述示例的参数，如果滤波器具有不同的参数，只需要进行相应的折算，便可以求出对应的OSNR值。此时的OSNR值，只需要在上述式(9)的基础上，增加一个偏移量作为修正，便可得到实际的OSNR值。该偏移量可以根据滤波器的具体特性来确定。
进一步地，该方法还包括：在对OSNR进行监测前，将对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波的滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上。
本发明还提供了一种高速DWDM系统中OSNR监测的装置，包括：波长标签加载模块和OSNR监测模块；其中，
所述波长标签加载模块，用于将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；
所述OSNR监测模块，用于对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
图2为本发明高速DWDM系统中OSNR监测装置实施例的结构示意图，该图以单纤单向高速DWDM系统为例进行说明，如图2所示，包括光发射单元1～k以及光发射单元n，光接收单元1～k以及光接收单元n；光合波单元、光分插复用单元、光分波单元、光放大单元1～2和传输光纤。
上述各模块为现有已知模块，该装置还包括：波长标签加载模块1～k以及波长标签加载模块n和OSNR监测模块；其中，所述OSNR监测模块包括：宽带可调光滤波器、窄带可调光滤波器和OSNR计算模块，还包括控制模块。
如图2所示，所述波长标签加载模块1位于发送端光发射单元1和光合波单元之间，所述波长标签加载模块k位于发送端光发射单元k和光合波单元之间，波长标签加载模块n位于发送端光发射单元n和光分插复用单元之间。光信号经过波长标签加载模块时，就加载一个波长标签信息，采用调顶技术，调顶技术不影响光信号的传输性能，因为调制深度很小，例如1％～8％，采用反馈方式或定标方式使得调制深度锁定在某个固定值。图1仅示例性地给出了3个波长通道。
图2中所示的OSNR监测模块位于光分波单元之前，仅用于示例性说明，OSNR监测模块可位于高速DWDM系统中的任意网元，当然，所述任意网元不包括波长标签加载模块以及光发射单元。OSNR监测模块分别从主光信号中分出一小部分光信号，例如1％、5％或其他合适值的光信号作为监测光信号。
图2中给出的宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器，仅用于示例性说明，在实际使用中，既可以如同本示例中所述一样，同时使用宽带和窄带两个滤波器，也可以使用一个带宽和中心频率均能配置的光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波，即：分两次进行光信号的采集，或者使用其他的方式。无论使用哪一种实现方式，只要是使用了宽带和窄带两种带宽的可调光滤波器，就可以利用本发明中的方法测量出OSNR。
所述宽带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波；具体的，在控制模块的控制下，调谐到所需测量OSNR的通道的中心频率上，滤出该通道的光信号，例如：0.4nm宽度，并利用O/E转换、采样、量化、数字变换等电信号处理技术的处理，输出可以表征滤波器处理后的通道光功率的数字电信号。
这里，所述宽带可调光滤波器的通带带宽要能够刚好覆盖整个光通道的带宽范围，对于本例中的DWDM系统，其带宽是通道间隔的80％～90％，本例中取40GHz。
所述窄带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行窄带滤波；具体的，在控制模块的控制下，调谐到所需测量OSNR的通道的中心频率上，滤出该通道的一部分光，例如0.1nm宽度，并利用O/E转换、采样、量化、数字变换等电信号处理技术的处理，输出可以表征光功率的数字电信号。
这里，所述窄带可调光滤波器的通带带宽要显著小于宽带可调光滤波器的带宽的光滤波器，对于本例中的窄带可调光滤波器，其通道带宽是宽带可调光滤波器的30％～40％，本例中取12.5GHz。
所述OSNR计算模块，用于根据上述两个滤波器的输出数据，利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
其中，所述数字信号处理可以使用，例如频率分析技术快速傅里叶变换(FFT)算法或CZT等技术，也可以直接计算平均值和交流均方根(AC-RMS)值。
所述控制模块，用于控制宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上；控制OSNR计算模块的启动和停止；另外，控制模块还用于存储OSNR计算结果，并控制该结果的传输或者显示。
利用本发明图2中所述实现高速DWDM系统中的OSNR监测装置进行OSNR监测的方法如图3所示，包括以下步骤：
步骤301：控制模块对宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器进行控制，使两个滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上；
具体为：控制模块根据监测的需要，控制宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器调谐到某个光通道λi的中心频率上。这里，控制模块可以在目标中心频率附近测量几次，找到光功率的峰值点，具有峰值的频率点，就是待测光通道的中心频率。
步骤302：利用宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器对光信号进行处理，并对相应的光信号功率进行数据采集；
具体为：主光信号中的一小部分分光平均输入到宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器中，两个滤波器首先对输入的合光进行滤波，得到相应的通带内的光信号，然后再将经过滤波的光信号功率转换成数字电信号。
步骤303：利用数字信号处理技术采集两个滤波器各自对应的总功率和交流分量功率，并利用采集到的总功率和交流分量功率，根据相应的公式，计算OSNR；
这里，OSNR计算模块利用宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器输出的数字电信号，按照上文所述的OSNR计算原理，计算出该通道的OSNRi，并被控制模块存储。
步骤304：控制模块根据监测需要决定是否继续进行另一通道λj的OSNR监测，如果是，则回到步骤301；否则，执行步骤305；
这里，控制模块可以继续发送控制命令，使宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器的调谐频率调整到其他的通道，然后重复步骤302和步骤303，计算另一个通道的OSNRj。
步骤305：控制模块利用显示技术或者通信技术，输出各通道的OSNR计算结果；
这里，控制模块可以通过通信手段或者显示手段，输出之前计算并存储下来的OSNR计算结果。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实现高速密集型光波复用DWDM系统中光信噪比OSNR监测的方法，其特征在于，该方法包括：
将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
2.根据权利要求1所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的方法，其特征在于，所述为每个波长的光信号加载波长标签时采用调顶技术。
3.根据权利要求1或2所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的方法，其特征在于，所述计算OSNR所依据的公式为：
OSNR＝10×log10((Pn-mean×M×K-Pw-mean×K)/(Pw-mean-Pn-mean×K))；
其中，所述Pw-mean为宽带可调光滤波器输出数据的平均值，所述Pn-mean为窄带可调光滤波器输出数据的平均值，所述M为宽带可调光滤波器的带宽与窄带可调光滤波器的带宽之比，所述K为宽带可调光滤波器输出光的波长标签光功率与窄带可调光滤波器输出光的波长标签光功率之比。
4.根据权利要求3所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的方法，其特征在于，所述波长标签光功率即为所述交流分量功率。
5.根据权利要求3所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的方法，其特征在于，该方法还包括：
在对OSNR进行监测前，将对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波的滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上。
6.一种实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，其特征在于，该装置包括：波长标签加载模块和OSNR监测模块；其中，
所述波长标签加载模块，用于将发送端所输出的每个波长的光信号各加载一个波长标签；
所述OSNR监测模块，用于对已加载波长标签的光信号分别进行宽带滤波和窄带滤波；利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
7.根据权利要求6所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，其特征在于，所述OSNR监测模块包括：宽带可调光滤波器、窄带可调光滤波器和OSNR计算模块；其中，
所述宽带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波；
所述窄带可调光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行窄带滤波；
OSNR计算模块，用于根据上述两个滤波器的输出数据，利用数字信号处理技术测量经滤波的光信号的总功率，并计算交流分量功率；根据光信号的总功率、交流分量功率及滤波器的特性参数计算OSNR。
8.根据权利要求7所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，其特征在于，所述OSNR监测模块还包括控制模块，用于控制宽带可调光滤波器和窄带可调光滤波器调谐到待监测的光通道的中心频率上。
9.根据权利要求7或8所述的实现高速DWDM系统中OSNR监测的装置，其特征在于，所述OSNR监测模块包括：一个带宽和中心频率均能配置的光滤波器和OSNR计算模块；其中，
所述带宽和中心频率均能配置的光滤波器，用于对已加载波长标签的光信号进行宽带滤波和窄带滤波。
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