DWDM系统光信噪比计算的改进方法

1、DWDM系统光信噪比计算的改进方法光放大器噪声理论1.1光放大器的噪声系数首先简单介绍光放大器的噪声系数的测量和计算，然后通过噪声系数计算光放大器产生的噪声。光放大器噪声系数的完整公式为：PNF=ase+GhvB1+NF+NFGSP-SPMPI在一般情况下PNF=ASEGhvB后两项都可忽略不计，于是有：+一G公式右边第一项是信号和ASE噪声的拍噪声，第二项是散粒噪声。这也是目前所有光谱分析仪在光域（内插减源法、时域消光法、偏振消光法）进行光放大器噪声系数测量的经典公式。h为普朗克常数，v为光信号的频率，B为噪声带宽O.lnm转换为Hz单位，hvB对应的dBm功率即为-58dBm。ASE噪声包

2、含放大过程中产生的自发辐射噪声P和放大的源噪声GXP。为方便理解各物理量SSE的含义，下图给出了相关示意图。图1光放大器噪声示意图为了精确测量光放大器的噪声系数，需要采用内插减源法计算出P，例如安藤的AQ6317ASE光谱分析仪。而安立的MS9720，在输入信号的光信噪比较高时尚可精确测量光放大器的噪声系数,因为在光信噪比较高时可忽略放大的源噪声GxP，但在输入信号的光信噪比较低时其噪声系数SSE测量结果就很离谱了。1.2光放大器的等效噪声模型WDM系统光信噪比计算的中间步骤需要计算噪声功率P,P=P+GxP，其中P可nnASESSESSE根据输入信号功率及相应的输入光信噪比计算得出，而P可根

3、据光放大器的噪声系数得出。ASE图2光放大器的等效噪声模型11因为通常情况下有：NF-，所以在P计算过程中省略散粒噪声-，光放大器的等效GASEG噪声简化模型为下图。注1）在增益较低的EDFA或DRA的噪声计算中不能省略；注2）下图G中GxP才是光放大器在放大过程中产生的ASE噪声。ASEASE图3光放大器的等效噪声简化模型下图是后向泵浦DRA的等效噪声模型，系统等效为一个增益为G的光纤损耗单元，和一个off增益为G、噪声系数为NF的集中式光放大器单元。其中G是开关增益，G是对应有on-offeqon-offoff1_eCL效光纤长度L=的增益（典型值为-5dB）。DRA的等效噪声系数典型值为

4、-2.5dB。信号effC经过任何光放大器放大，总会产生噪声，降低信号的光信噪比。噪声系数为负值是因为实际的分布式放大模型等效为集中式光放大模型引起的。DRA在放大过程中产生的噪声会因为光纤损耗而衰减一部分，一定程度上降低了噪声系数。如下图，等效输入点之前为光纤损耗，等效输入点之后为光放大器。参考输出平面和参考输入平面之间的噪声系数肯定为正值，即光信噪比降低，而参考输出平面和等效输入点之间的噪声系数有可能为负值，即光信噪比提高。集中式光放大器图4后向泵浦分布式喇曼光放大器的等效噪声模型1.3典型子系统的噪声系数在色散补偿系统中，很多情况下需要配置2个光放大器以及色散补偿模块和衰减器组成2R光中

5、继子系统。如下图。GNF1NF2二LNF3图5典型光中继子系统面分析和计算上图中继子系统的等效噪声系数。源自OA1产生的噪声为：NF-XhvBXG2XG；3衰减单元不产生噪声，因为NF-丄=0；2G2(1源自0A3产生的噪声为：NF-xGxhvB。3G丿33等效噪声系数为：NFeqASExhvBtotaltotalNFxGxhvBxGxG+NFxGxhvBNFNFNF从上式可见，GGGxhvBGGGNFNFGGGGGGGNFxL中继子系统的等效噪声系数与NF1、G1、NF3、L密切相关，在实际系统中很难保证各中继子系统的等效噪声系数、以及子系统总增益GGG相等。面再给出单个放大衰减子系统和多个

6、放大衰减子系统的等效噪声系数的计算，供参考。图6单个放大衰减子系统NFeqP1=ASE+GxhvBGtotaltotalNF-丄LGxhvB/L=IG丿1+G/LxhvB1=NF+1GG/L=NF-1/G+L/G图7多个放大衰减子系统NFeqP1ASE+GxhvBGtotaltotalr1anxNF-xGxhvB/LIG丿G/Lx.xG/LxhvB1+G/Lx.xG/L=nxNF1.4噪声功率vs信号功率近年来随着电域信号处理技术的进步，如EDC技术、FEC技术，以及各种层出不穷的新型调制码型技术，大大提高了系统的噪声容忍能力。在未来的长距WDM系统中，10Gb/s系统的光信噪比最低标准有可能

7、达到10dB左右，所以越来越有必要考虑总功率中噪声功率所占的分量。下面通过典型值估算信号功率和噪声功率：40波C波段WDM系统，假设OA增益带宽为40nm,信号的光信噪比为15dB，通道信号功率平坦，单通道信号功率为P。总的信号功率为：40XP。总的噪声功率为：P/lO-15/ioX(40/0.1)=12.649XP。单通道噪声功率为：P1X10-15/10X(0.8/0.1)=0.253XP1。这样总信号功率大约是总噪声功率的3.16倍，单通道信号功率大约是单通道噪声功率的3.95倍。所以本文建议光信噪比的分析和计算中应该考虑噪声功率。有人说，当光信噪比较高时(20dB)，噪声功率连信号功率

8、的1/100都不到，所以可以忽略噪P一P声功率。在所有光谱分析仪的光信噪比测量计算中，采用的公式均为：OSNR=人丄対，其Pnoise中P是内插法得出的0.1nm内的噪声功率，P是信号峰值功率。noiseTotal光信噪比计算的传统方法噪声、色度色散、非线性效应和偏振模色散是目前DWDM系统设计需要考虑的四大关键问题。ITU-T系列建议对WDM系统的光信噪比计算一直比较重视，但采用的是计算模型有很多不太符合工程实际且影响计算结果精度的假设。G.692ITU-TG.692(10/98)“OPTICALINTERFACESFORMULTICHANNELSYSTEMSWITHx+OPTICALAMP

9、LIFIERS：附录I.l.l假设所有跨段的损耗是相同的，所有跨段的发送功率相等，所有节点的噪声系数相等，给出的公式为：OSNR=POU-L-Nf-10LogN-10LoghvAvq。（注：单位均为dBm或dB）。可以看出当系统的损耗或每跨段的发送功率稍微变动，由于平均效应，OSNR变化并不大。但是，当系统不是等距光中继，且相差较大，这时就不能再采用这个公式计算系统接收端的光信噪比了。G.696.1ITU-TG.696.1（07/2005）“Longitudinallycompatibleintra-domainDWDMapplications,附录I.l.l假设系统有x个跨段，含1个OBA，

10、x-1个OLA，1个OPA,且假设跨段损耗均为、且L等于OLA的增益gla，所有光放大器的噪声系数相同，OLA和OBA的输出功率相同，给出的计算公式为（注:单位均为dBm或dB）：OSNR=PLNF10-logouteff(G-)BA1010 x+1010丿10-logth-vvr经过分析，上式在计算过程中采用的是简化模型，仅考虑信号和ASE噪声之间的拍噪声，忽略散粒噪声，试推导如下：G源自发送端的OBA产生的噪声为:NF+10-logth-vv+G-L+G.+G=NF+10-logth-vv+G-L+GeffrBALAPAeffrBAPA源自第1个OLA产生的噪声为：=NF+10-logh-

11、v-v+GeffrPANF+10-logh-vv+G-L.+GeffrLAPA源自第x-1个OLA产生的噪声为NF+10-logh-v-v+G-L+GeffrLAPANF+10-logh-v-v+GeffrPA源自接收端的OPA产生的噪声为:rPANF+10-logh-v-v+Geff这样接收端输出的总噪声为：NF+10-logh-v-v+G+10-logrPAeffG)BA1010-L-1010接收端输出的总信号功率为：PL+G+.+G=PL+GoutLAPAoutPA所以最终的光信噪比为：OSNR=(P-L+G)-outPANFeff+10-logth-v-v+G+10-logPA(GBA

12、1010 x+-L-、1010丿丿=P-L-NF-10-logouteffGABA1010 x+1时，上式可简化为:OSNR=outN.-N-NF-G-hvB九ampr试推导如下：源自发送端OBA产生的噪声为：ri)NF-IG丿xhvBxGx(N+1)=PANFXGXNPAamp接收端输出的总信号功率为：P-ou/LxG/.xGNPANxxoutx/丿PA所以最终的光信噪比为：OSNRoutxG/LPAr1)NF-IG丿XhvBXGXNPAampNNampIPout(1)NF_GG丿2.5ZTE以下适用于ZTE北研各种版本的光信噪比EXCEL计算软件。北研EXCEL计算均采用简化模型，忽略散粒

13、噪声1。将系统中各节点OA产生的噪声功率折G算到系统的接收端，从而计算出信号的光信噪比。r1)r1)NF-xhvBxG/Lx.xGNFxhvBxGIG丿rPAG丿rPA源自第1个OLA产生的噪声为:r1)rrNF1)NF-一xhvBxG/Lx.xGxhvBxG1G丿rPAG丿rPA源自第N-1个OLA产生的噪声为：r1)r1)NF-一xhvBxG/LxGNF-一xhvBxG1G丿rPA1G丿rPA源自接收端OPA产生的噪声为：r1r1)NF-xhvBxG沁NF-1G.rPAIG丿PA这样接收端输出的总噪声为：XhvBXGPA面图及说明引用自北研内部技术文档一种计算不同跨距的光信噪比的方法。Pa

14、se=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBmPase=NF+10Lg(hvAv0)心-52.5dBm图8采用简化模型计算累积的噪声功率第1点折算到接收端的噪声（dB）=Pase+Gl+Ll+G2+L2+G3+L3+G4第2点折算到接收端的噪声（dB）=Pase+G2+L2+G3+L3+G4第3点折算到接收端的噪声（dB）=Pase+G3+L3+G4第4点折算到接收端的噪声（dB）=Pase+G4将4个折算到接收端的噪声求和,等于Pase+10Lg10（G1+L1+G2+L2+

15、G3+L3+G4）/10+10（G2+L2+G3+L3+G4）/10+10（G3+L3+G4）/10+10G4/10.（注意这里的Pase、G、L单位dBm或dB,L为负数）下面5条结论引用自北研新员工培训资料DWDM网络设计噪声可等效与在EDFA的输入点引入，噪声大小为固定值=Pase=10Lg（hvAvO）+NF=-58+6=-52dBm。即在EDFA的放大过程中不再引入新的噪声，且线路衰减中也不引入新的噪声。噪声是加性噪声。4最后测试点的噪声是各个EDFA输入点引入噪声的贡献之和。5引入噪声与之在最后测试点的贡献之比二两点之间的增益。2.6传统方法的局限性ITU-T系列的光信噪比计算均假

16、设跨段损耗相同，这在DWDM实际工程，尤其在陆地传输系统很难做到。现实中各跨段的入纤功率可能不一致。ZTE现有计算方法能满足较高光信噪比系统上的理论计算，在较低光信噪比系统上精度较差，因为该方法的前提是认为每个OA输出的信号功率恒定，更符合实际的假设应该是OA的输出总功率恒定。光信噪比计算的改进方法改进方法的核心是对系统中每个光放大器计算输出信号的光信噪比，认为光放大器输出总功率恒定，需要考虑输入、输出功率中噪声功率所占的分量。图9光信噪比计算的改进模型下面根据OPA输入信号的光信噪比，OPA的噪声系数，OPA.的单通道输出功率，推导出OPAiiii输出信号的光信噪比。为方便描述，所有参数均为

17、线性单位。认为OPA的输出功率恒定，C波段i40波系统有POPAi_Total_Out=40 xPOPAi_out，而非信号功率输出恒定。OPA产生的放大自发辐射噪声为:iPOPAi_ASENFOPAiGOPAiXGXhvBOPAiOPA的单通道输入功率为：PiOPAi_inOPAiout-POPAiASEGOPAiOPA的单通道输入噪声功率为：PiPOPAi_inOPAi_SSEOSNR+1OPAi_inOPA的输出噪声功率为：PiOPAi_noisePOPAi_SSE+POPAiOPAi_ASEOPA的单通道输出信号功率为：PiOPAi_sigOPAiout-POPAi_noise所以OP

18、A的输出信号的光信噪比为：OSNROPAi_outPOPAisigPOPAi_noise在节点内，光信噪比满足：OSNR=OSNROPAi_outOBAi_in；类似OPA，同理求出OBA.的输ii出信号的光信噪比OSNROOBAi_out在相邻节点之间，光信噪比满足：OSNR=OSNR；这样，可依次求出后续节OPAi+1_inOBAi_out点的输出信号的光信噪比。下面考虑噪声功率在总功率中所占的分量。仍认为OPA的输出总功率恒定。C波段40波系统1有P=40 xP，通道带宽为0.8nm，所以通道内的噪声功率应为0.1nm带宽内噪声OPAi_Total_OutOPAi_out功率的8倍。那么

19、有：OPA产生的放大自发辐射噪声不变，仍为:iPOPAi_ASENFOPAiGOPAiXGOPAiXhvBOPA的单通道输入功率，修正为:iP-8xPp=OPAi_outOPAi_ASEOPAi_inGOPAiPOPA的单通道输入噪声功率，O.lnm带宽内为：P=iOPAi_ssEOSNR+8OPAi_inOPA的输出噪声功率，O.lnm带宽内为：P=PxG+PiOPAi_noiseOPAi_SSEOPAiOPAi_ASEOPA的单通道输出信号功率，修正为：P=P-8xPiOPAi_sigOPAi_outOPAi_noisePOPA的输出信号的光信噪比为：OSNR=oPAi_sigiOPAi_

20、outPOPAi_noise如果是C波段80波或C+L波段160波，将上述的8倍更换为4倍即可。具体实施首先设计单个OA的输出光信噪比计算函数，输入变量包括OA的输出总功率、OA的增益、OA的噪声系数、系统的满配置通道数、输入信号的光信噪比。然后开始计算第一个OA,给定相应的输入变量，得出第一个OA的输出光信噪比。根据节点内和相邻节点的光信噪比关系，依次计算出后续OA的输出光信噪比。在通常情况下，OA的输出功率即OA的饱和输出功率。在某些情况下，尤其是OPA的应用中,实际的输出功率可能小于饱和输出功率，则应该输入实际的OA输出功率。已考虑某些节点只有1个OA；已考虑后向泵浦DRA的集中式等效噪

21、声模型。下面是计算结果举例说明。系统配置见下图，40波系统考虑8倍噪声功率时，系统的光信噪比为16.93dB。打WDM系编光信噪出计算软件R1.0-!x|节点OPAOBA节点1|1717|2220|节点21717I|2220|节点317172220节点417172220节点5171722201717222017172220171722201717222017172220节点1117172220节点1217172220节点1317172220节点1417172220节点1512220节点OPAOBA节点“I|节点1”7f2220DRA配置位置増益功率节点13节点19节点2Q212226?29节点

22、30171717171717222022202220*JOPANF=5.5dB4OBANF=6dB4Id系纯可选配一OSNR=50dB选择结果显示|节点孔寸SbuAOSNR：17.09cIB中间汨输出0SNR：16.93dBZTE中兴1717|22201717|222017V7p22|22201717|2220|22201717|22201|22202220171750454035302520网元系统配置同上图，不考虑噪声功率时，系统的光信噪比为17.26dB。斗WDM系编光信噪比计算软件R1.0节点OPA0BA节点1|节点217172220节点317172220节点417172220节点56

23、17172220171722201717222017172220节点11171722201717222017172220节点1217172220节点1317172220节点1417172220节点1512220节点171717节点13节点19节点2Q节点211717节点221717节点2311717节点24Vm7节点11717节点2611717节点271717节点281717节点29117172220222022202220222022202220222022202220|2220222022202220节点3011717小。一系统可选配4OSNR=50dBJOPANF=5.5dBOBANF=

24、6dB4IdDRA配置选择位置増益功率结果显示SbuAOSNR：17.41cIB中rOSNR：17.36dB输出0SNR:17.26dBZTE中兴50454035302520网元可见，在实际系统的光信噪比较高时，总功率中的噪声功率对最终光信噪比的计算结果影响较系统配置见下图，40波系统考虑8倍噪声功率时，系统的光信噪比为6.91dB。斗WDM系编光信噪比计算软件R1.0节点OPAOBA节点1|2210|2220|节点222102220节点322102220节点422102220节点52210222062210222022102220221022202210222022102220节点11221

25、02220节点1222102220节点1322102220节点1422102220节点152：2220节点OPAOBA节点1elHTioOzzoDRA配置位置増益功率结果显示节点仃2210p2222202210222022102220221022102220节点18节点2。221221022202210节点2223225节包2829节点兀222022?22202210型I22202210221022102210222022202220222022104JOPANF=5.5liB4OBANF=6dB4Id系统可选配一OSNR=50dB选择SbuAOSNR：7.14cIB中间0SNR：6.93dB

26、输出0SNR:6.91dBTZTE中兴50403L20OJ125205元1网30系统配置同上图，不考虑噪声功率时，系统的光信噪比为9.24dB。打WDM系编光信噪出计算软件R1.0-!x|节点节点1节点2节点3节点4节点5节点9OPAOBA节点OPAOBA节点1E|j210p220节点1o节点11节点12节点13节点142210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220221022202210222022102220节点1”|云1Q.22疔节点1环节点1幼节点2l：i|

27、节点节点22|!210p22ri节点2专221022202622102220节点酉22102220节点2322102220节点西22102220节点3(2：2220节点2422102220一系纯可选配4OSNR=50dBJOPANF=5.5dBOBANF=6(iB4Id选择DRA配置位置10増益功率50403L20OT节点151015网元结果显示一|节点孔?输AOSNR：9.38dB中rBjOSNR：9.25dB输出0SNR：9.24dBZTE中兴A网西输入点CiENRO网西中间点其NRV网元输出点OENR可见，在实际系统的光信噪比较低时，总功率中的噪声功率对最终光信噪比的计算结果影响较大，计

28、算值比实际值偏大。F图是1140km系统的接收端光信噪比。2006Nay1014:26REFCH：HIGHESTREFTBL：ITU-TNOISEPOI：0.40nmTH：10.00dBNAXNUN：80MODEDIFF：3.00dBNO.01020304050607080910111213WAUELENGTHCnm1530.3741531.9171533.4991535.7731542.1231544.1061545.7121547.3221548.5421549.3521550.0921550.9511558.157LEUELdBm-26.27-27.95-26.11-26.17-26.0

29、4-25.76-25.68-25.94-25.07-25.04-26.50-25.49-25.54OFFSETWLnmlOFSTLULdBNOISE(/BW)dBmSNRdBJ-18.978-17.435-15.853-13.579-7.229-5.246-3.640-2.030-0.810(REF)0.7401.5998.805-1.23-2.91-1.07-1.13-1.00-0.72-0.64-0.90-0.03(REF)-1.46-0.45-0.50-44.84-45.04-44.83-44.32-45.19-45.05-44.64-45.01-44.33-44.57-44.81-44.36-44.1718.5717.0918.7218.1519.1519.2918.9619.0719.2619.5318.3018.8718.63F图是根据1140km系统的实际配置的计算结果。寸wdmSE光信異比计算软件rio-.Inilx|节点OPAOBA节点1|2520节点21717节点317172220节点422172220节点5171720202217202017172220171720202217202017172020节点1117172020节点1222172020节点1322172020节点142217252