信息產業(yè)部電信研究院   張成良  張海懿

概述
    隨著國內多條干線WDM系統的開通，WDM系統測試和維護成為大家面臨的一個實際問題，WDM系統是一種光域的模擬系統，可看作平行許多光通路，每個采用稍微不同的光波長，共享一種傳輸媒質——光纖的系統。它與SDH系統在測試參數和方法上有較大差異，除了常規(guī)數字系統的誤碼和抖動外，模擬量特別是光域的模擬量測量大大增加，例如光通道功率、中心波長、串音、光信噪比等。另外WDM儀表，特別是光譜分析儀、多波長計的應用也有一些新參數。
WDM系統中測試的物理量 
    在常規(guī)SDH系統中，主要是進行數字信號的性能測量，如誤碼、抖動性能等，監(jiān)測的模擬量基本上限制在發(fā)送機的發(fā)送光功率和接收光功率等。而在WDM系統中，需要測試的模擬量就大大增加，如光信號波長、發(fā)送光功率、接收光功率和信號的光信噪比等，對光信號波長、光信噪比和串音的測試是WDM系統所特有的，而且在多個測試點還需要進行重復測試。WDM系統增加的主要測試參數有：
    波長中心頻率和波長間隔：測量每個通路波長的精確值，以確定DFB激光器的漂移，保證相鄰波長不發(fā)生串擾。
    光信噪比：確定光信號的傳輸質量，噪聲的測量必須基于通路之間的噪聲電平。
    串音：由于波分復用器／解復用器不完善帶來的串擾，確定器件帶來的通路間相互干擾。
    功率：各參考點合路的總功率、各路的功率。
    光監(jiān)控通路，光監(jiān)控通路的誤碼、抖動等。
    下面分別進行具體介紹，而對于與常規(guī)SDH系統類似或可參照的測試量則不再贅述。
2.1  通路中心頻率和中心頻率偏移
    WDM系統的一個重要特點是在光波分復用器處輸入的信號均為固定波長的光信號，各個通路的信號波長不同，而且對中心頻率偏移有嚴格規(guī)定，通路中心頻率偏移定義為通路實際的中心頻率與通路中心頻率標稱值的差值。如對于8×2.5Gb／s WDM系統，通路間隔選擇200GHz，到壽命終了時的波長偏移不大于±20GHz。理想情況下，光信號的脈沖寬度應無限接近于0，但實際產生的脈沖都有一定的寬度，相鄰兩個通路如果波長偏移過大，就會造成通路間的串擾過大，即一個通路的脈沖邊帶串到另一個通路的脈沖邊帶上，使被串通路的信號光特性和功率等發(fā)生變化，造成系統OSNR下降，產生誤碼影響傳輸性能，因此通路中心頻率成為WDM系統的一個重要的測量參數。通路中心頻率定義為在該參考點測得的光信號的實際中心頻率，在多個參考點都需要逐通路地進行測試。

    如圖1所示，在圖中的參考點已MPI-S、R'、S'、MPI-R和R都需要測量每個通路的中心波長，并與系統指標相比較是否相符。

——通路間隔指相鄰波長間的頻率差別（或波長差異），我國規(guī)范的WDM系統是等間距的系統。對于8×2.5Gb／s WDM系統，通道間隔為200GHz（1.6nm），而對于16×2.5Gb／s WDM系統，通道間隔為100GHz（0.8nm），相鄰兩波長中心頻率之差就為通路間隔。
2.2  光信噪比（OSNR）
    光放大器是WDM系統的一個重要組成部分。EDFA在1545～1560nm波長范圍的增益較平坦，EDFA輸出的放大信號中有ASE噪聲，即信號是疊加在ASE噪聲上的，因此單純測量每通路信號的光功率并不能完全反映系統的工作情況，有可能信號光功率很高，但ASE噪聲也與它相當，實際上信號的劣化已很明顯，但光功率反映不出來，所以在WDM系統中引入了光信噪比的概念。每通路信號的光信噪比定義為通路內信號功率與噪聲功率的比值，即，S與N均在光有效帶寬Δv內測量。光信噪比的定義是在Δv=0.1nm帶寬內光信號功率和噪聲功率的比值。光信號的功率一般取峰峰值，而噪聲的功率一般取兩相鄰通路的中間點的功率電平。光信噪比是一個十分重要的參數，對估算和測量系統的誤碼性能和實際工程設計和維護有著十分重要的意義。
    OSNR在多個參考點都需要逐通路地進行測試，如圖1所示，在圖中的參考點MPI-S、R’、S'、MPI-R都需要測量每個通路的OSNR，監(jiān)測其是否與系統指標相符。
2.3  光放大器和波分復用器件
    對光放大器需要進行測試的項目較多，主要有如下指標：
——輸入功率范圍；
——輸出功率范圍；
——工作帶寬；
——小信號增益；
——飽和輸出功率；
——噪聲系數；
——EDFA平坦度。

    對光放大器的測試比較復雜，需要集成化平臺，一般并不常見，而用分離設備搭設平臺測試則誤差過大，因此對光放大器的某些參數只能進行驗證，根據給定的輸入條件，觀察光放大器的輸出是否符合要求，這也是目前情況下較為現實的一種做法。其中實際測量較多的是EDFA的平坦度，因為級聯EDFA的WDM系統很大程度上決定于光放大器的平坦度，比較平坦的光放大器，容易實現各通路的增益均衡，反之則需要復雜的系統設計。光放大器噪聲系數也非常重要，對于WDM系統的光信噪比有著至關重要的影響。但該指標測量起來十分復雜，且隨著輸入功率的變化而改變，因而日常維護不需要測試。
    波分復用器件也是WDM系統引入的新器件，將不同光源波長的信號結合在一起的器件稱為合波器。反之，經同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為個別波長分別輸出的器件稱分波器，有時同一器件既可作分波器，又可以作合波器。對波分復用器的測試項目包括。
——插入損耗；
——隔離度；
——極化相關損耗；
——溫度特性；
——通帶特性（通路的3dB帶寬和1dB帶寬）。

    其中最為重要的指標是隔離度。該指標的大小對信道的串音水平有著直接影響。一般來說，相鄰通路的隔離度應在25dB以上，非相鄰通路的隔離度應在30dB以上。
    波分復用器和光放大器的測試相對來說比較復雜，涉及到器件的水平。一般的維護只對系統指標進行測試，而不會分離器件測試。
2.4  光監(jiān)控通路
    光監(jiān)控通路是WDM系統的一個重要部分，它傳送的是WDM系統網管信息，因此這個通路的運行狀況會直接影響到整個WDM系統的運行狀況，對該通路進行測試是必須的。對光監(jiān)控通路的測試項目主要包括發(fā)送光功率、發(fā)送波長、接收光功率、光譜特性和光監(jiān)控通路的誤碼性能等，監(jiān)控通路波長和監(jiān)控通路的誤碼性能是比較重要的兩個項目。其中對于采用G.704幀結構CRC-4校驗的系統，可以實現在線的誤碼檢測。
2.5 WDM系統的傳輸性能
    在WDM系統承載的SDH系統中，相對于WDM系統，SDH只是它的承載信號，因而當衡量WDM系統傳輸質量時，必須以SDH 2.5 Gb／s的信號作為標準，除了測試SDH支路155Mb／s電接口的指標外，系統必須增加對2.5Gb／s誤碼和抖動的測試。在電域上最好以2.5Gb／s的群路傳送信號為標準。配備的誤碼儀必須可以進行2.5Gb／s的誤碼和抖動測試。儀表具有2.5Gb／s的光口，輸出信號為滿負載的2.5Gb／s信號。HP37718A可以輸出16個VC-4級聯的2.5Gb／s滿負荷偽隨機序列，使我們衡量WDM系統傳輸性能時更有說服力。主要增加的指標有：
——2.5Gb／s的BER性能；
——2.5Gb／s的輸出抖動；
——2.5Gb／s的輸入抖動容限。

    開放式WDM系統引入了波長變換器OTU，OTU應具有和SDH 2.5Gb／s再生中繼器一樣的抖動傳遞特性和輸入抖動容限。這兩項指標也是新增加的項目。
WDM系統測試儀表 
    WDM系統測試儀表有些與常規(guī)SDH系統是相同的，如誤碼儀用于測量單通路的誤碼性能和抖動性能等，示波器用于測量脈沖眼圖。但是WDM系統的有些測試項目與SDH系統不同，這就決定了儀表有其特殊性，如用光譜儀和多波長計來評估光信號的質量。在詳細介紹這兩種儀表之前，有必要介紹一些儀表參數的定義。
    動態(tài)范圍是指在強信號下測量弱信號的能力，即在特定帶寬下同時測量比較強的光信號功率和相鄰的比較低的ASE噪聲的能力。例如，對于間隔10GHz的系統，儀表在測量光信號波長功率的同時，可以測量間隔0.4nm處比信號低30dB或35dB的ASE噪聲電平。
    分辨率帶寬：一般定義儀表為對單色測試信號的3dB響應帶寬。分辨率帶寬決定了儀表處理光通路間隔的能力。
   光靈敏度：定義為能定量測量的最小光功率。主要取決于儀表光檢測器的水平。該值必須足夠低，以測量光電器件的插入損耗和評估整個網絡的信噪比。
　　3.1  多波長計
——多波長計多采用麥克爾遜干涉儀原理制造，它測量波長精度較高，絕對準確度可達0.005nm。特別適合于測量波長間隔�。�100GHz或更小）的密集WDM系統，多波長計可以精確地確定DFB激光器的中心波長，以確認激光器是否正常工作。同時可以測量多通路的中心頻率。它所測量的波長數目主要取決于干涉儀的物理精度和FFT（傅里葉變換）的能力，一般通路數在40～100左右，并且可以測量波長漂移。其缺點是動態(tài)范圍小，測量OSNR時精度稍差，誤差一般在1～2dB。但比起光譜分析儀一體積較小，操作比較方便。

——在WDM系統中測量通路中心頻率和中心波長漂移時多采用多波長計，測量信號光功率電平時也可以使用�，F在市場上商用化多波長計有HP 86120B和EXFO FTB-5320。表1是兩種多波長計的性能比較。

表1   兩種多波長計的性能比較

項   目
 HP86120B
 EXFO FTB-5320
 
波長范圍（nm）
 700～1650
 1450～1650
 
波長精度（nm）
 0.005
 0.005
 
OSNR測試范圍（0.1nm）（dB）
 ＞35
 ＞25
 
接收靈敏度（dBm）
 -40
 -30
 
電平測試范圍（dBm）
 -40～+10
 -30～+10
 
電平測試精度（dBm）
 ≤0.5
 ≤0.5
3.2  光譜儀
——光譜分析儀是在實驗室應用較多的儀表，它出現比較早，采用的技術比較多，有單光柵型、雙光柵型，本來并不是專為WDM系統設計的儀表，WDM系統剛出現時，多用它測試信號波長和光信噪比。它的主要特點是動態(tài)范圍高，一般廠家可達70 dB；靈敏度好，可以達到-90dBm；分辨率帶寬小，一般＜0．1nm。它比較適合于測試OSNR，另外測量波長范圍大，一般在600nm～1700nm。但測量中心波長時精度稍差；體積也較大，一般適合在實驗室、機房中使用，也適合在工程開通、驗收中使用。
——各參考點通路信號光功率、各參考點光信噪比、光放大器各個波長的增益系數和增益平坦度的測試可以采用光譜分析儀，它在測量單個波長的光功率時精度較高，而且測量光信噪比也更準確，但使用起來相對較復雜，需要設置的項目多一些，如在測量0SNR時需要設置濾波器的帶寬為0．1nm。另外它和寬帶光源相配合，還可以測量波分復用器的通帶特性。
——HP公司用于WDM系統測試的光譜分析儀為HP86143A，Anritsu公司為MS9710B，W＆G公司的光譜分析儀為OSA-155。
結  論
    本文著重論述了WDM系統所特有的一些測試項目，如通路中心頻率、光信噪比等，介紹了光譜儀和多波長計等新引入的測試儀表和相應的參數，并對各廠家的儀表性能進行了比較，但局限于篇幅，對具體的測量方法沒有介紹。相信隨著WDM系統在國內的廣泛使用，這方面的經驗會越來越多，人們也會越來越熟悉。