Методика поканальных измерений коэффициента шума в ретрансляторах линейного DWDM-сигнала

Линейные сигналы магистральных DWDM-систем могут включать большое количество (несколько десятков) спектральных каналов, которые при этом могут иметь различные скорости и форматы модуляции, а следовательно, и разную ширину спектра. Поэтому в процессе разработки и пусковой настройки ретрансляторов таких систем важным практическим условием мониторинга качества передачи является корректное измерение поканальных шумовых характеристик усилителей-ретрансляторов в режиме, близком к эксплуатационному. Такой мониторинг особенно необходим в случаях высокой динамичности трафика, поскольку значительные изменения могут отражаться не только на работе ретрансляционного усилителя, но и на качестве передачи остающихся каналов.

Условие имитации плотного и неоднородного канального плана DWDM соответствующим набором лазерных излучателей представляется непростым на практике и довольно дорогостоящим требованием. В статье предлагается использовать при проведении указанных измерений методику, рассчитанную на применение достаточно доступных средств, поскольку спектрально-селективные коммутаторы (WSS) сейчас широко распространены в телекоммуникационных устройствах.

Для измерения коэффициентов шума в каналах линейного DWDM-сигнала целесообразно прибегнуть к методу замещения сигнала, предложенному в [1]. Он основан на местно однородной природе спектра усиления эрбиевых оптических усилителей (EDFA) и обеспечивает возможность проводить измерения на любых участках плотных канальных планов DWDM при работе EDFA в реальном эксплуатационном режиме, при подаче на вход полного состава линейного сигнала.

Идея метода состоит в том, что канальный сигнал на исследуемой длине волны выключается, в полосе канала остается только избыточный шум спонтанного излучения EDFA, а вклад мощности отключенного канала в насыщенное состояние усилителя компенсируется путем эквивалентного увеличения мощности соседних каналов. При этом входная мощность на EDFA остается постоянной согласно выбранному рабочему режиму, так что схемы стабилизации режимов усилителя (коэффициент усиления, выходная мощность) поддерживают этот режим в течение всего процесса измерения шумовых параметров.

Применительно к поставленной задаче измерительная установка имеет структурную схему, представленную на рис. 1. Здесь не показаны устройства электропитания, типы используемых стандартных промышленно выпускаемых КИА, элементов оптических соединений. При таком упрощении легче рассматривать собственно тракты оптических сигналов, образуемых в ходе проведения процедуры характеризации коэффициента шума усилителя-ретранслятора многоканального линейного DWDM-тракта, в условиях, близких к реальному эксплуатационному режиму.

Рис. 1. Укрупненная схема оптического тракта стенда для измерения коэффициента шума линейного усилителя-ретранслятора на EDFA

На вход исследуемого EDFA подается имитация линейного сигнала в полном составе частотного плана. Ее формирование осуществляется имитатором ИЛС [2], работающим на основе спектрально-селективного коммутатора WSS‑100-4 фирмы Santec [3], который позволяет реализовать в С‑диапазоне гребенчатый фильтр, обеспечивающий практически любой набор регулируемых по ширине (вплоть до 12,5 ГГц) и вносимому затуханию (до 20 дБ) спектральных каналов, соответствующий стандартам ITU-T (G.694.1), или произвольной комбинации спектральных полос, распределяемых по четырем выходным трактам. Таким образом, возможна имитация трафика DWDM практически с любой неоднородностью трафика и различными спектрами передаваемых сигналов. Структурная схема ИЛС с детализацией подключений к устройствам измерительного стенда приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема имитатора DWDM-сигнала на основе WSS 100-4

Изображение на мониторе OSA имитации 35‑канального DWDM-сигнала (сетка ITU-T G.694.1, через 100 ГГц), полученной с использованием широкополосного генератора WX ZTE (бродлайтера) спонтанного шума (ASE), имеет вид, представленный на рис. 3.

Рис. 3. Пример изображения имитации DWDM-сигнала на экране оптического спектр-анализатора OSA 160 (ONT 30)

Для реализации измерения коэффициента шума (NF) в любом из каналов методом замещения необходимо иметь устройство, позволяющее выполнить операции, характерные для этого метода. Они наглядно иллюстрируются рис. 4.

Рис. 4. Операции, выполняемые с помощью метода замещения:
а) спектр входных DWDM-каналов, требуется измерить параметр NF для канала λm;
б) тестируемый канал удален, соседние каналы λ_m–1 и λ_m+1 получают соответствующие приращения мощности ΔP

В положении, показанном на рис. 4б, измеряется уровень спектральной плотности спонтанного излучения ρ_ASE собственно EDFA в рабочем режиме в полосе В_е канала λ_m. Тестируемый канал удален, соседние каналы λ_m–1 и λ_m+1 получают соответствующие приращения мощности ΔP:

ΔP_m–1, ΔP_m+1 = (P_mG_m)/(G_m–1+G_m+1),

где P_m и G_m — мощность и коэффициент усиления тестируемого канала.

В общем случае коэффициент шума NF определяется как логарифмическое представление шум-фактора F (дБ):

NF = 10 log₁₀(F),                                       (1)

а сам шум-фактор в соответствии с терминологией IEC (IEC 61291-1):

F(v, f) = SNR_IN/SNR_OUT(v, f).                            (2)

Значения SNR на входе и выходе оптического усилителя, определяемые по токам  фотодетектора, выражаются соотношениями:

SNR_in = ‹i_in›²/‹Δ²i_in› = R²P²/2qRP_inB_e = hP_in/2hvB_e,         (3)

где i_in — фототок, генерируемый оптическим сигналом с уровнем мощности P_in. Чувствительность фотодетектора R (A/Вт):

R = ηq/hν,

где η — квантовая эффективность фотодетектора, q — заряд электрона, h — постоянная Планка, ν — оптическая частота.

Член <i_in>² в числителе (3) пропорционален мощности детектированного электрического сигнала, а <Δ²i_in> в знаменателе есть среднеквадратичная величина одностороннего спектра шумовой мощности. Отношение сигнал/шум на выходе усилителя:

SNR_out = ‹i_out›2/‹Δ2i_out›,             (4)

где ‹i_out›² = R²G²P_in.

В общем случае в знаменатель (4) могут входить спектральные плотности шумовой мощности всех шумовых источников. Выходное SNR тогда будет иметь вид (5).

Здесь G — коэффициент усиления оптического усилителя, B_e — шумовая полоса сигнала, а S_sig-sp, S_sp-sp, SMPI, S_pump и S_shot — спектральные плотности шумовых биений в полосе сигнала: биения сигнала со спонтанным шумом, биения спонтанного шума с самим собой, шум многолучевой интерференции, шум накачки и дробовой шум соответственно. Коэффициент шума определяется в терминах идеального приемника, в котором квантовая эффективность равна единице. Так что в дальнейшем при вычислении шум-фактора необходимо скорректировать измеренное SNR_out с учетом не единичности квантовой эффективности.

Можно упростить общее выражение (5), разделив все шумовые члены на группу всех избыточных шумов и дробовый шум. Выражение для SNR_out примет тогда вид [4]:

Здесь спектральная плотность S_e(ν, f) включает все вклады избыточного шума в выходной шум. Теперь шум-фактор (2), используя (3) и (6), можно записать в виде:

F(ν, f) = S_e(ν, f)/2hνG²P_in+S_shot/2hνG²P_in,

F = F_excess+F_shot,                     (7)

где S_e(ν, f) (Вт²/Гц) — это полная плотность избыточного шума, генерируемого усилителем, hν (Дж) — энергия фотона; G — усиление и P_in (Вт) — входная мощность сигнала. Стандартный оптический шум-фактор, используемый в отрасли волоконно-оптической связи, есть специальный случай уравнения (7), где все источники ухудшения SNR обычно игнорируются, за исключением биений сигнал-спонтан и дробового шума от принятого сигнала. Это представляет наилучшую шумовую характеристику, поскольку характеристики современных EDFA с высоким усилением и высококачественными компонентами оптического тракта усилителя позволяют достигнуть уверенного соблюдения данного приближения. На частотах видеодиапазона, ниже приблизительно 50 ГГц, плотность шума биений сигнал-спонтан равна:

S_sig-sp = 4ρ_ASEGP_in = S_e.                 (8)

Плотность дробового шума, обусловленного детектированной мощностью сигнала P_in, равна:

S_shot = 2hνGP_in.                        (9)

Подставляя (8) и (9) в общую формулу (7), получим, что искомый шум-фактор:

F = F_sig-sp+F_shot = 2ρ_ASE/Ghν+1/G    (10)

при G >> 1,  F = F_sig-sp = 2ρ_ASE/Ghν.

Это определение IEC. Для более точного измерения шум-фактора необходимо учесть и добавку к избыточному шуму, которую дает собственное спонтанное излучение лазерного источника λ_m, с плотностью ρ_SSEm. Зависимость ошибки при измерении F от величины SSE характеризуется графиком (рис. 5), указанным в [4], и может при определенных условиях вносить значительную погрешность в результаты измерений. Поскольку спектральная плотность SSE инвариантна во времени, в принципе она может быть вычтена из полного шума на выходе EDFA, чтобы получить ASE, генерируемую в усилителе.

Рис. 5. Ошибка в измерении шум-фактора, вносимая спонтанным излучением лазерного источника

Для выполнения такого вычитания уравнение (10) преобразуется к виду:

F = 2ρ_total/Ghv+1/G–2ρ_sse/hv.         (11)

Смысл уравнения (11) очевиден: точное значение шум-фактора равно измеренному значению с поправкой на удаление собственного спонтанного шума лазерного источника.

В уравнении (11) ρ_total есть полная плотность ASE от оптического усилителя, включая усиленную SSE. Измеряя плотность шума ρ_ASEm в полосе В_е канального сигнала λ_m, следует учесть, что при включенных соседних каналах (рис. 4б) мы измеряем в полосе В_е уровень ρ_ASEm+ρ_SSEm–1+ρ_SSEm+1, так что для определения уровня ρ_SSEm предлагается [5] метод интерполяции (рис. 6) при работе только m‑го канала. Полная мощность шумов РN_m = P_ASEm+P_SSEm = ρ_ASEm×В_е+Gρ_SSEm×B_e. Таким образом, мощность спонтанного шума, вносимого в канал собственно лазером, равна разности полной мощности шума в канале и мощности спонтанного излучения усилителя в полосе канала, P_SSEm = РN_m–P_ASEm.

Рис. 6. Пояснение метода интерполяции ρASE в m ном канале

Последовательность операций при проведении измерений коэффициента шума в m‑ном канале:

1. Включение и настройка рабочих режимов входных зонд-сигналов:

• ИЛС + Santec → формирование имитации линейного сигнала в соответствии с заданием; MEMS 2×2 → cross; индикация по OSA;
• настройка БПЛ + AWG; индикация по OSA;
• замена группы ASE-каналов в составе зонд-сигнала на группу измерения (λ_m–1, λ_m, λ_m+1); индикация по OSA;
• измерение уровней P_in входных канальных сигналов (ИМО).

2. Включение и настройка рабочего режима EDFA — DUT:

• EDFA → установка аварийных пределов и рабочих значений накачки и параметров усилителя; MEMS 2×2 → bar; индикация по OSA и ИМО;
• предварительная оценка G = P_out/P_in (ИМО);
• установка режима метода замещения сигнала (выключение канала λ_m; добавление ΔP_m–1, ΔP_m+1), проверка тождественности режима EDFA предыдущему.

3. Измерение шумовых характеристик EDFA:

• измерение спектральной плотности ASE→ P_ASEm = ρ_ASEm×В_е (ИМО); В_е — полоса канала m (AWG);
• уточнение коэффициента усиления в канале λ_m → G_m = (P_out–P_ASEm)/P_in;
• оценка уровня спонтанного излучения лазера λ_m по результатам интерполяции уровня выходного шума в канале РN_m = P_ASEm+P_SSEm = ρ_ASEm×В_е+Gρ_SSEm×B_e;
• расчет шум-фактора в измеряемом канале по (11) F_m = P_ASEm/(G_mhνВ_е)+1/G_m–P_SSEm/hνВ_е ← ← коррекция на SSEm;
• вычисление коэффициента шума NF в измеряемом канале NF_m = 10 lg₁₀(F_m), дБ.

Изменяя настройку перестраиваемых лазеров в блоке DWDM в любых сочетаниях по три соседних канала в частотном плане системы, то есть

2 ≤ m ≤ N–1,

где N — число спектральных каналов в составе линейного сигнала, можно с помощью данной методики провести измерения коэффициента шума каждого канала в рабочем режиме ретранслятора.