CN1305245C - 密集波分复用系统中光信噪比测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密集波分复用系统中光信噪比测量方法及其装置，涉及一种光性能检测模块，尤其涉及光信噪比的测量。本发明由于使信号和噪声分别测量，有效地解决了噪声测量过程中信号功率对噪声功率的影响问题，从而能够准确测量系统中的光信噪比。本装置由信号输入端口(1)、光路切换器(2)、周期性滤波器(2.1)、光学系统(3)、数据处理系统(4)组成；信号输入端口(1)、光路切换器(2)、光学系统(3)、数据处理系统(4)依次连接，周期性滤波器(2.1)安放于光路切换器(2)内的状态2的位置。本发明能够准确测量较大的信噪比，不需要对测试数据进行复杂的数据处理，大大降低对光学系统和电路系统的质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于密集波分复用(DWDM)系统的光性能检测模块，尤其涉及光信噪比(OSNR)的测量。
背景技术
高速大容量DWDM系统已经开始广泛应用。为保证系统稳定、可靠地运行及满足服务水平协议，系统需要使用光性能检测模块在光传输层实时检测系统中每个光信号的基本性能，包括光信号的中心波长、功率和光信噪比(OSNR)。
目前测试DWDM系统中传输光信号的波长、功率和光信噪比(OSNR)的光性能检测模块有不同的类型；不同的类型使用不同的技术。但无论哪种类型都是并行或串行对传输信号在频率域或空间域(与频率域相对应)进行离散采样，再用探测器对各离散频率光谱强度进行探测，经过数据处理系统得到光信号的中心波长、功率和信噪比的数值。通用的光性能检测模块可以精确地测量光信号的中心波长和功率，但在测试过程中由于受各种因素的影响，其OSNR的测量能力不高，而且测试准确度也较差。
在目前的光性能检测模块中，对信号功率和噪声功率的测量是一次测量完成，然后用软件从测量数据中找出信号点和噪声点分别计算其功率，再求得光信号的OSNR。当信号的信噪比较小时这种测量方法可以准确地测量信号的OSNR，对于较高的信噪比(＞25dB)，由于测试系统中分光元件的分辨率带宽、光学系统的象差、杂散光及探测器的动态范围、电路噪声等因素存在，使较弱的噪声不能准确测量。上述各种因素综合表现为：信号本身较强的信号功率对噪声的影响，相邻及非相邻信号功率对噪声的影响；即信号的信噪比越大，信道数越多，对噪声的影响也越大。这就使信号功率和噪声功率在一次扫描中都能准确测量变得非常困难。一般情况是，在大信噪比的情况下，噪声点频率处测得的噪声功率已经远远大于实际的噪声功率，此时OSNR的测试误差很大(参见图3，以衍射光栅和阵列探测器的测试系统为例)。而且，随着信号之间的频率间隔越来越小及系统中信道数的增多，误差也会随之越来越大。为解决信号对噪声影响的问题，在光性能检测模块中通常可采用的方法有：
1、改善光学处理系统，消除或减小光学处理系统的象差和杂散光。
2、改善色散元件的滤波器形状，减小其光谱带宽。
3、选择串扰小、动态范围大的探测器。
4、将探测器接收的信号数据进行算法处理，如信号恢复的数据处理算法。
上述1、2、3的方法是直接改善光学和电路系统，优化性能，技术难度很高且成本昂贵。4的方法是将接收的信号进行算法处理，如反卷积算法，它可以使信噪比的测量能力提高一些；但当信噪比较大时，误差也较大。由于以上种种问题的存在，目前的商用光性能检测模块的OSNR能力最大在25dB左右，而且准确度较差。
发明内容
本发明的目的就是针对信噪比测量中，噪声无法准确测量的问题，提供一种密集波分复用系统中光信噪比(OSNR)的测量方法及其装置。由于使信号和噪声分别测量，有效地解决了噪声测量过程中信号功率对噪声功率的影响问题，从而能够准确测量系统中的光信噪比(OSNR)。
本发明的目的是这样实现的。
其关键技术是采用一个光路切换器，通过两次测量，分别测量信号功率和噪声功率。在测量噪声功率时，用一周期性滤波器滤除光信号，而对噪声点功率影响很小，从而减少或消除有效光信号对噪声点功率的影响，得到准确的噪声点功率，从而获得准确的光信噪比(OSNR)。
如图1所示，本装置由信号输入端口1、光路切换器2、周期性滤波器2.1、光学系统3、数据处理系统4组成；信号输入端口1、光路切换器2、光学系统3、数据处理系统4依次连接，周期性滤波器2.1安放于光路切换器2内的状态2的位置。
光信号由输入端口1进入光路切换器2，由光路切换器2出来的光信号进入光学系统3进行光信号的分离与检测，检测数据送入数据处理系统4进行数据处理。在光路切换器2中，光信号可以经过状态1输出，也可以经过状态2，再经过周期滤波器2.1后输出。
本装置的工作原理是：
光路切换器2是一种提供两个光路切换的部件。
测量时，光学切换器2首先处于状态1的位置测试光信号功率。测试光信号直接进入光学系统3，光学系统3对光信号进行分离与检测，并把检测结果送入数据处理系统4进行数据处理，从而得到光信号的有效信号功率。
然后光路切换器2切换到状态2的位置测试噪声功率。测试光信号经过周期性滤波器2.1后，再进入光学系统3。同样，由数据处理系统4接收并处理数据。由于周期性滤波器2.1滤除了有效光信号，减小了光信号功率对噪声点功率的影响，因此在每个传输信号的噪声点可以得到准确的噪声功率。
按照信噪比的定义，信噪比是信号功率和噪声功率的比值，即：
OSNR＝10*Log(信号功率/噪声功率)，从而得到光信号的信噪比值。
如图2所示，本办法的步骤依次为：
①光路切换器置于状态1A；
②检测、处理信号功率B，即检测、处理信号功率B的数据并存储该数据；
③光路切换器置于状态2C；
④检测、处理噪声功率D，即检测、处理噪声功率D的数据并存储该数据；
⑤计算光信噪比E，即在数据处理系统4中对信号功率数据和噪声功率数据进行处理得到信噪比数据。
本发明的优点和积极效果有：
1、能够准确测量较大的信噪比，最大可以达到大于40dB；
2、不需要对测试数据进行复杂的数据处理；
3、大大降低对光学系统和电路系统的质量要求。
附图说明
图1是本装置组成方框图；
图2是本方法步骤方框图；
图3是100GHz间隔的DWDM系统光谱信号和噪声频率点示意图；
图4是信号对噪声测试影响示意图；
图5a是周期性滤波器对传输光信号的滤波示意图；
图5b是周期性滤波器对传输光信号的滤波效果示意图。
其中：
1-信号输入端口；
2-光路切换器，
状态1和状态2是光路切换器中的两种通光状态；
2.1-周期性光滤波器；
3-光学系统；
4-数据处理系统；
6-信号测试点；
7-噪声测试点；
8-为两信号中间处信号叠加的光强；
9-周期性滤波器的光谱轮廓；
10-信号光谱；
11-经周期性滤波器滤波后的信号；
A-光路切换器置状态1；
B-检测、处理信号功率；
C-光路切换器置状态2；
D-检测、处理噪声功率；
E-计算光信噪比。
具体实施方式
以基于光栅加阵列探测器的光性能检测模块为例。
图3是100GHz间隔的DWDM系统光谱信号和噪声频率点示意图。
在DWDM系统中，噪声点有不同的选取方式，常用的标准是以ITU(国际电信联盟)频率为中心，左右偏移标准频率间隔一半的频率处的噪声作为信号频率处的噪声进行噪声功率计算。
1、关于周期性滤波器2.1的选择
见图5.a。周期性滤波器2.1的周期与标准的DWDM系统的传输光信号频率间隔相同(如DWDM系统的波长间隔是100GHz，则周期性滤波器的周期也是100GHz)，且周期性滤波器2的光谱波谷位置与传输光信号的光谱波峰位置相重合，周期性滤波器2.1的光谱波峰位置与传输光信号的光谱波谷位置相重合。每个信道的传输光信号都位于周期性滤波器损耗最大的位置，而相应的噪声点在周期性滤波器的损耗最小的位置。
当传输光信号经过周期性滤波器2.1的时候，见图5.b，有效信号的强度被大幅衰减，而噪声点的强度衰减得很小，因而减弱了有效信号对于噪声点强度的影响。
假设在DWDM系统中有N个信号，其信号中心频率分别为f1，f2，…fi，…fN，信号频率间隔为Δf。中心频率为fi的信号功率为Psfi，Psfi为fi频率处有效信号的功率，Pnfi为fi频率处系统噪声的功率。频率为fi+1/2Δf的噪声点功率为Pn(fi+1/2Δf)(Pnfi和Pn(fi+1/2Δf)近似相等)
在实际测量系统中，由于信号功率的影响，噪声功率表示为：
Pn(fi+1/2Δf)＝Pnfi+a·Psfi
a为有效信号功率对噪声点功率的影响系数。在理想光谱分析模块中，有效信号对噪声点功率的影响很小，a近似为0。在实际光性能分析模块中，由于测试模块的非理想性，a不为0。
在本装置中，当信号通过周期性滤波器2.1的时候，在上面公式的基础上，再增加周期性滤波器2.1对信号功率和对噪声功率的影响。
Pn(fi+1/2Δf)＝c·Pnfi+a·b·Psfi
b为周期性滤波器2.1对信号功率的衰减系数。0＜b＜1，衰减越大，b值越小。
c为周期性滤波器2.1对噪声点功率的衰减系数。0＜c＜1，同样衰减越大，c值越小。
当测试信号功率时，光切换装置处于状态1，光信号直接进入光学系统3，通过数据处理系统4获得光信号的功率；
当测试噪声功率时，光路切换器2处于状态2，光信号通过周期性滤波器2.1，由于周期性滤波器2.1的滤波特性，它对噪声点功率的衰减很小，对信号的衰减很大，即c接近1，b很小(0.01~0.0001)。这样可以有效的减小了测量过程中信号功率对噪声功率的影响以及相邻信道的信号功率对噪声的影响，从而使测试的噪声值Pn(fi+1/2Δf)更接近真实的噪声值Pnfi。
通过两次测量，分别得到了某一信号频率的有效信号功率Psfi，以及噪声功率Pnfi，通过计算，容易得到信号的信噪比Psfi/Pnfi。
通过本发明实现了高信噪比(＞30dB)的精确测量(精度＜+/-1dB)。本发明是针对DWDM系统中光信号性能的检测而提出的，由于装置中的滤波器的光谱通带带宽和光谱阻带带宽是有一定宽度的，它只适用于波长确定且偏移不大的应用中。
本周期性滤波器2.1为一种标准具，或为光梳状分波器(Interleaver)，或为其它具有周期性滤波功能的器件。
2、关于光路切换器2的选择
光路切换器2为一种基于任何技术的光开关，或为1×1光开关，或为1×2光开关。
3、关于光学系统3的选择
光学系统3或为基于光栅和探测器阵列的光学系统，或为基于调谐滤波器和探测器的光学系统，或为薄膜滤光片或阵列波导光栅(AWG)分波器加探测器的光学系统。
4、关于数据处理系统4的选择
数据处理系统可以是任何以微处理器(MCU)为核心的数据输入输出嵌入式系统。
本发明不但适用于基于光栅加阵列探测器的光性能检测模块的OSNR测量，同样也适用于其它光性能检测模块的OSNR测量。
Claims (5)
1、一种密集波分复用系统中光信噪比测量装置，包括信号输入端口(1)、光学系统(3)、数据处理系统(4)；
其特征在于：还包括光路切换器(2)，它是一种提供状态1和状态2的两个光路切换的部件；
输入端口(1)、光路切换器(2)、光学系统(3)、数据处理系统(4)依次连接，周期性滤波器(2.1)安放于光路切换器(2)内的状态2的位置；
测量时，首先光学切换器(2)处于状态1的位置测试光信号功率，光信号直接进入光学系统(3)进行分离与检测，再送入数据处理系统(4)进行数据处理，得到光信号的有效信号功率；
然后光路切换器(2)切换到状态2的位置测试噪声功率，光信号经过能滤除有效光信号的周期性滤波器(2.1)后，再依次进入光学系统(3)和数据处理系统(4)，得到准确的噪声功率；
信噪比是信号功率和噪声功率的比值。
2、按权利要求1所述的光信噪比测量装置，其特征在于：
周期性滤波器(2.1)为一种标准具，或为光梳状分波器，或为其它具有周期性滤波功能的器件。
3、按权利要求1所述的光信噪比测量装置，其特征在于：
光路切换器(2)为一种基于任何技术的光开关，或为1x2光开关，或为2x2光开关。
4、按权利要求1所述的光信噪比测量装置，其特征在于：
光学系统(3)或为基于光栅和探测器阵列的光学系统，或为基于调谐滤波器和探测器的光学系统，或为薄膜滤光片或阵列波导光栅分波器加探测器的光学系统。
5、按权利要求1所述的光信噪比测量装置，其特征在于：
数据处理系统(4)为任何以微处理器为核心的数据输入输出嵌入式系统。
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