《武汉工程大学学报》 2011年07期
98-103
出版日期：2011-08-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
DRZ和CSRZ的40G DWDM系统的性能测试
1光波分复用N×40Gbps系统发
展现状Broadband、IPTV、Triple Play、P2P等对传输速率和通信容量需求的不断增加极大地刺激了40Gbps传输速率、Tbps系统传输容量的密集波分复用（DWDM）光纤传输技术的发展.近几年的OFC和ECOC会议报道了40Gbps WDM系统的实验室或者现场传输实验，众多器件商不断推出支持40Gbps速率的各种模块，为配合40G接口的应用，一些领先的设备商也宣布可以提供40G接口的大容量WDM传输系统，40Gbps传输相关技术已经成熟，但缺乏与之对应的标准.据Heavy Reading调查数据显示，60%的运营商将会选择40G光网技术，到2010年，40G的市场规模将达到20亿美元.2光波分复用N×40Gbps系统的
关键技术 实现N×40Gbps系统需要考虑下面的关键技术：在40Gbps系统中，需要进一步增加光信号发射功率以满足系统光信噪比（OSNR）的要求.所以当传输信道数目较多并且传输距离较远时，光纤非线性效应将导致普通NRZ码光信号严重失真.而目前结合多种调制方式的新型调制码型，如ODB（光双二进制码）、CSRZ（载波抑制归零码）、DRZ（差分归零码）、DPSK（差分相移键控）、DQPSK（差分四相相移键控）等正以其优异的性能成为40G WDM系统的主要码型［4］. 同时40Gbps高速DWDM光纤传输系统中调制格式的选择又与整个系统的总体设计有关，其中包括光纤种类、传输系统间距、距离、信道数目和信道间隔等多方面的考虑.在传输物理效应方面，不仅仅要考虑色散和带间非线性效应，而且还要考虑PMD和带内非线性效应的影响.更高的滤波代价要求：在目前的10G WDM系统上实现40Gbps的平滑升级，需要考虑目前常规的50GHz或100GHz WDM系统中的滤波器,对于非常规的NRZ码有4倍光谱展宽40Gbps信号,而引起的系统滤波代价.更高的色散容限和非线性代价的要求：40Gbps信号,相对于10G信号将只有它的1/16的色散容限.更高的OSNR要求：4倍速率的提高将导致6dB OSNR容限要求的提高，OSNR成为40Gbps系统的重要限制因素.总之，40Gbps系统需要融合一个现有最新的码型调制技术、强色散管理技术、高OSNR容忍度、高灵敏度检测接收和编码纠错技术的复杂综合系统.40Gbps调制码型技术比较：表1是目前业界商用及研究较多的调制码型性能对比［2］.表140Gbps调制码型性能对比
Table 1Performance comparison of 40Gb/s modulation
性能参数NRZODBCSRZDRZDPSKRZDPSKRZDQPSKOSNR灵敏度++++++++++++++++色散容限+++++++++++++++++PMD容限+++++++++++++++++非线性容限++++++++++++++++50GHz间隔NYNNNNY技术复杂度+++++++++++OSNR预算光纤通信系统中，接收机输入端的光信噪比OSNR和信号畸变是决定系统误码特性的最重要的因素.以下由对光信噪比OSNR的要求出发，进一步讨论系统设计的某些重要原则［5］.接收端信道的光信噪比OSNR定义为
R=Psig/PASE其中，Psig=Pout-10logM 是某信道的平均光功率， Pout是EDFA的总(信号)输出功率，M是信道数；而PASE=F(G-1) hvB0(N+1)是EDFA内部被放大的自发辐射(ASE)，通过 N个光纤段即 (N＋1) 级级联EDFA后，在光滤波器带宽Bo内的噪声功率.通常定义B0=12.6 GHz (相当于 0.1 nm)，以分贝表示时，10log(hvB0)=-58 dBm，F和G分别是EDFA的噪声系数和放大倍数.假定每个EDFA的增益都相等，且正好抵消光纤段的损耗.且近似有
R=Pout-10logM+58-
［NF+G+10log(N+1)］(1)可见，由于PASE随光纤段的长度指数增长，而随放大器的级数线性增长，当系统总长度一定时，低增益、多级数比高增益、少级数方案有高得多的OSNR. 实际情况下，N个光纤段的损耗并不相同，但由于EDFA大多工作在(深)饱和状态，每级EDFA增益仍可认为恰好补偿前一个光纤段的线路损耗(Li=Gi+1).在工程设计中，考虑到各光放大器均大体工作在饱和状态，总输出功率一定，工作点处的增益会自动调整至前一光纤段的损耗，而与额定增益值有所差异.因此系统OSNR为
R=Pout-10logM+58-NF-
10logG(1)+∑N-1i=1L(i)(2)这样，根据线路损耗情况，即可估算出DWDM系统的光信噪比演化过程，对网络规划具有重要的工程指导意义. 第7期冯先成，等：DRZ和CSRZ的40G DWDM系统的性能测试
武汉工程大学学报第33卷
以等损耗光纤段为例，可求得EDFA应达到的总输出功率为
Pout=G+F+R+
10log［M (N+1)］+ΔP-58(3)其中ΔP为各种因素(如EDFA及光路中各元件增益/损耗的波长特性、光纤中的非线性效应等)引起的信道功率差.由此也可求出EDFA总输出功率一定时信道数M和光纤段数N的综合考量应满足式（4）M(N+1)≤100.1(58+Pout-G-F-R-ΔP)(4)例如，信道数据率 40Gbps (OSNR 取下限20 dB)，EDFA总输出功率为23 dBm，F=8 dB， ΔP=3 dB，G=22 dB(0.275 dB/km ×80 km)时的计算结果：M(N+1)=631，M=40，则N=14.3N×40Gbps WDM系统光接口参
数的要求3.1参考点定义N×40Gbps WDM 系统的参考配置如图1所示［1］. 图1中 OTU 为光波长转换器实现 3R功能即再放大、再整形和再定时；OMU为光复用器单元，实现多个波长的复用功能；OA为光放大单元，实现信号的光域放大（包含色散补偿功能）；ODU 为光解复用器单元，实现多个波长的解复用功能，Tx/Rx 为客户侧光接口［4］.图1定义了6 个系统外参考点和2 个系统内参考点，即S、MPISM、RM、SM、MPIRM、R和Sn、Rn.其中S、R是MSULH WDM 系统与客户系统的接口参考点；MPISM、RM、SM、MPIRM 是MSULH WDM系统主光通道的参考点；Sn、Rn是MSULH WDM 系统内OTU分别与OMU和ODU之间的参考点.这些参考点具体含义如下：图140Gbps WDM 系统参考配置
Fig.1The reference configuration of 40G WDM systemS为客户信号发射机输出接口之后光纤连接处的参考点；Sn这OTU 连接到OMU 的输出接口之后光纤连接处的参考点；MPISM为OMU 后面OA（光功率放大器）光输出接口之后光纤连接处的参考点；RM为OA（光线路放大器）输入接口之前光纤连接处的参考点；SM为OA（光线路放大器）输出接口之后光纤连接处的参考点；MPIRM为ODU 前面OA（光前置放大器）输入接口之前光纤连接处的参考点；Rn为ODU 后面连接OTU 的输入接口之前光纤连接处的参考点；R为客户信号接收机输入接口之前光纤连接处的参考点.3.2主光通道接口参数要求主光通道接口参数要求如表2所示.表2N×40Gbps WDM系统主光通道参数
Table 2Main optical channel parameter of N × 40G WDM system
参数名称单位参数值基本参数应用代码——M80.40G508
A652(C)O(A)M40.40G10010
A652(C)C(A)M40.40G10012
A652(C)D(A)跨段损耗n×W dB8×2210×2212×22通路数个80/9640/4840/48调制格式ODBCSRZDRZ比特速率Gb·s-139.813~43.018MPISM/SM点参数每通路输出功率（平均功率）dBm+1+4+4最大dBm+3+7+7最小dBm-3+1+1MPISM点最大通路功率差dB666最大总发送功率dBm+23/23.8+23/23.8+23/23.8光通道（MPI-SM-MPISM）参数最大残余色散（1 dB OSNR代价）ps·nm-10~400300~7000~400最大差分群时延ps5.51012最大反射系数dB-27-27-27最小回损dB242424MPIRM/RM点参数每通路输入功率（平均功率）dBm-22-19-19最大dBm-18-15-15最小dBm-26-23-23MPIRM点最大通路功率差dB888MPIRM点每通路最小光信噪比dB202019最大总接收功率dBm+1+1+14光波分复用 N×40Gbps系统试验4.1试验研究配置 40Gbps OTU性能测试配置如图2所示. 其中：虚线代表的VOA是在进行眼图性能测试时加入合适的VOA，使其满足通信信号分析仪的输入光功率要求范围［9］.图240Gbps OTU 性能测试配置图
Fig.2Configuration diagram of 40Gb/s OTU performance test40G OTU BER和OSNR性能测试配置图如图3所示，40G OTU 采用FONST W1600 40Gbit/s OTN智能波分复用系统.图340Gbps OTU 背靠背BER和OSNR性能测试配置
Fig.3configuration of 40Gb/s OTU backtoback BER and OSNR performance test4.2DRZ码实现的波长转换器和系统试验
4.2.1DRZ码型 40Gbps波长转换器频谱与眼图DRZ码型40Gbps波长转换器典型光谱特性如图4所示，DRZ模块的典型-3dB 谱宽为0.6 nm.图4DRZ 码型 40Gbps OTU 典型光谱
Fig.4the typical spectrum of 40G OTU of DRZ code图5DRZ 码型 40Gbps OTU 典型眼图
Fig.5The typical eye diagram of 40Gb/s OTU of DRZ code从测试结果显示，DRZ码的40Gbps波长转换器可以沿用目前的 WDM系统的频率，但它的光谱谱宽比普通NRZ的谱宽要宽，同时它的占空比普通NRZ低.
4.2.2DRZ码型 40Gbps波长转换器背靠背情况下OSNR与BER的性能从测试结果图6显示，DRZ码40Gbps的波长转换器在E-03误码率下可容忍的最低OSNR在14 dB左右.
图640G DRZ系统背靠背BER和OSNR的测试图
Fig.6Testing of backtoback, BER and
OSNR of 40G DRZ system4.2.3DRZ码型 40Gbps波长转换器系统传输性能a.DRZ码型 40Gbps波长转换器系统传输 OSNR 性能.图7中1 600 km 长纤传输系统进行了色散预补偿，单通道的发送光功率为 4 dBm/ch.由图7可见传输1 600 km长纤后的最低OSNR为18.6 dB 左右.b.DRZ码型 40Gbps波长转换器系统传输色散容限.图8是DRZ码型40G系统传输1 600 km以后的色散窗口，可以看出，色散窗口大约40 ps/nm,色散窗口很小，需要配置TDC以增大色散窗口.4.3CSRZ码实现的波长转换器和系统试验
4.3.1CSRZ码型40Gbps波长转换器频谱与眼图CSRZ码型40Gbps波长转换器频谱与眼图如图9和图10所示.图740G系统1 600 km传输后的BER与OSNR曲线
Fig.7The curve of BER and OSNR of 1 600 km
transmission of 40G system图840G系统传输1 600 km后的色散曲线
Fig.8The curve of Dispersion of 1 600 km
transmission of 40G system图9CSRZ 码型40Gbps OTU典型光谱
Fig.9Typical spectrum of 40G OTU of CSRZ code图10CSRZ码型40Gbps OTU典型眼图
Fig.10Typical eye diagram of 40G OTU of CSRZ code从测试结果显示CSRZ码的40Gbps波长转换器可以沿用目前WDM系统的频率，但它的光谱谱宽比普通NRZ的谱宽要宽，同时它的占空比普通 NRZ低.
4.3.2CSRZ 码型40Gbps波长转换器背靠背情况下OSNR与BER的性能测试结果如图11所示，CSRZ码40Gbps的波长转换器在E03误码率下可容忍的最低OSNR在14 dB 左右.图11CSRZ 码型40Gbps OSNR与BER的性能
Fig.1140G OSNR and BER performance of CSRZ code5结语通过40G OTU BER和OSNR性能测试，对40Gbps调制码型技术进行性能参数比较如表3.因此，40G 编码调制的主要选择：a.适用于40G长距离(LH)传输的编码 (NRZ or ODB)的特征：典型传输数百公里、色散容限好、适用于50 GHz间隔系统、最大600 km~800 km的传输距离.b.适用于40G长距离(ULH)传输的编码 (sDPSK or DPSK):差分相移键控调制格式,适用于50/100 GHz间隔系统、传输更远的距离、信噪比富余更大、1 000 km以上传输距离、可支持50 GHz间隔.长距离系统传输后的实验研究结果，包括可容忍的最低OSNR、色散容限等数据来看，基于ODB、CSRZ、DRZ等调制编码技术的N×40G DWDM系统已经成熟,可以满足商业应用信息传输需求，并将产生巨大的社会效益和经济效益.表340G优选码型系统性能对比
Table 3Performance comparison of 40G modulation code
项目参数值系统规格40×40G80×40G80×40G80×40G80×40G波长间隔100 GHz50 GHz50 GHz50 GHz50 GHz传输调制码型NRZODBsDPSKRZDQPSKPMQPSK系统OSNR17 dB16.5 dB15.5 dB14 dB11.5 dB传输跨段规格8×22 dB
3×30 dB
1×35 dB10×22 dB
3×30 dB
1×35 dB12×22 dB
4×30 dB
1×38 dB16×22 dB
5×30 dB
1×40 dB22×22 dB
6×30 dB
1×44 dBOADM/ROADM
级联数量最大支持
4级 最大支持
6级 最大支持
10级 最大支持
10级 最大支持