СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА К ШУМУ ПРИ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОМ СМЕШЕНИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ
METHOD OF MEASURING OPTICAL SIGNAL-TO-NOISE RATIO WITH FOUR-WAVE MIXING IN FIBER-OPTICAL TRANSMISSION SYSTEMS WITH FREQUENCY SEPARATION OF SIGNALS

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться в волоконно-оптических системах передачи с частотно-разделенными каналами в качестве способа измерения отношения оптического сигнала к шуму.
Известен способ увеличения пропускной способности волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) методом частотного разделения каналов (FDM - Frequency Division Multiplexing). Плотное размещение каналов в частотном спектре позволяет еще больше повысить спектральную эффективность. Одной из прогрессивных технологий является частотное разделение ортогональных каналов. В данной технологии оптический частотный диапазон разбивается между каналами, количество которых может достигать нескольких сотен.
3
2
Для наращивания пропускной способности ВОСП-FDM требуется увеличивать число каналов в спектральном диапазоне с одновременным уменьшением частотного интервала между ними. Однако с ростом числа каналов растет и суммарный уровень мощности в оптическом волокне, что приводит к появлению нелинейных явлений в волокне, например четырехволнового смешения (ЧВС). Сигналы трех частот при распространении по волокну взаимодействуют друг с другом, вследствие чего возникают новые частотные комбинационные составляющие. Некоторые вновь появившиеся комбинационные частоты (частотные продукты ЧВС) попадают в диапазоны порождающих их каналов, что приводит к перекрестным помехам между каналами. Для ВОСП-FDM нежелательными и доминирующими являются частотные продукты вида , , где , ,  - центральные частоты каналов. Для М-канальной системы передачи индексы i, j, k принимают любые значения от 1 до М, что приводит к генерации (М-М)/2 частотных продуктов ЧВС. Попадая в каналы частотные продукты ЧВС ухудшают (уменьшают) оптическое отношение сигнал-шум (OSNR - Optical Signal to Noise Ratio) в канале. В реальных условиях внутриканальная оценка влияния частотных продуктов ЧВС на OSNR затруднена. Это связано с тем, что в полосе пропускания канала невозможно отделить (отличить) сигнал от нежелательной помехи и раздельно измерить их уровни мощности. Поэтому разработка способа измерения OSNR является актуальной задачей как для существующих и проектируемых сетей, так и для создания измерительной аппаратуры.
Известен ряд технических решений, позволяющих минимизировать влияние продуктов ЧВС на качество передачи канальных сигналов в ВОСП-FDM. Одно из таких решений, принятое за аналог [1], позволяет с помощью неравномерного размещения в спектре каналов добиться минимизации влияния частотных продуктов ЧВС на каналы и увеличить пропускную способность системы передачи. Способ спектрального размещения каналов в аналоге основан на правиле Голомба [2], и месторасположение каналов в спектре вычисляется с помощью целочисленного (линейного) программирования (ILP - Integer Linear Programming). В [1] приводится пример неравномерного размещения по спектру сигнала из 10 каналов и сравнение со случаем, когда каналы равномерно размещены в спектре. В [1] показано, что если значение частотного интервала между любыми каналами не повторяется, то никакие частотные продукты ЧВС не попадают в частотные диапазоны каналов.
Однако подобные технические решения наряду с положительными свойствами - возможностью исключения влияния продуктов ЧВС на качество передачи каналов, имеют следующие основные недостатки:
1. Неэффективное использование полосы пропускания оптического волокна в системе передачи, так как при неравномерном размещении каналов (по сравнению с равномерным) увеличивается спектральная полоса многоканального сигнала.
2. Для увеличения пропускной способности такой системы передачи требуется добавлять и размещать все каналы по определенному оптимальному алгоритму (неравномерно), что может привести к реконфигурации всего частотного плана действующей системы передачи.
Наиболее близким заявляемому изобретению по технической сущности является аналог [3]. Он и принят за прототип изобретения. В [3] описан способ определения мощности, вводимой в оптическое волокно для системы передачи с мультиплексированием по длинам волн при учете усиленных шумов спонтанного излучения и шумов четырехволнового смешения. Данный учет ведется на приемной стороне, где сравниваются уровни шумов с заданными значениями порогов, как для спонтанного излучения, так и для четырехволнового смешения. По результатам сравнения вырабатываются управляющие сигналы для регулировки коэффициента усиления оптических усилителей.
Основными недостатками [3] являются:
1. В [3] не показано, как на приемной стороне происходит измерение отношения оптического сигнала к шуму четырехволнового смешения. В реальных условиях измерение влияющих на сигнал шумов четырехволнового смешения технически затруднен или невозможен, так как эти шумы попадают в полосы пропускания каналов, и нет возможности раздельно измерить мощности сигнала и нежелательного шума.
2. В прототипе [3] не указаны каналы или группа каналов, в которых производится измерение и сравнение уровня шумов с пороговыми значениями;
3. В прототипе [3] указывается итерационный метод многократной подстройки коэффициентов усиления оптических усилителей в зависимости от требуемого отношения оптического сигнала к шуму на приемной стороне, что может привести к определенным временным задержкам.
4. Предложенная в [3] методика измерения отношения сигнала к шуму не будет эффективной при создании измерительной аппаратуры, так как при измерениях отношения сигнала к шуму должны быть «активны» все каналы, существующие в системе передачи. Чем больше их количество, тем сложнее техническая реализация - увеличиваются габариты, масса и стоимость измерительной аппаратуры.
Целью заявленного способа является создание эффективного и универсального метода измерения отношения оптического сигнала к шуму четырехволнового смешения для системы передачи с частотным разделением каналов.
Поставленная цель достигается тем, что вместо передачи всех канальных сигналов (как в прототипе [3]), используется передача только четырех канальных сигналов. Частотный интервал между этими четырьмя каналами унифицируется и выбирается следующим образом: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами для многоканальной (более 13) системы передачи. Частотный интервал между любой парой из четырех каналов не повторяется и удовлетворяет правилу Голомба [2]. Как и в прототипе [3] на всех пролетах системы передачи, где присутствуют оптические усилители, подстраиваются коэффициенты усиления. В предположении, что оптические усилители полностью компенсируют потери сигнала в пролетах, в предложенном способе коэффициент усиления оптических усилителей увеличивается однократно в М/4 раза, где М - число каналов системы передачи. Это необходимо для того, чтобы в волокне поддерживался уровень оптической мощности, соответствующий передаче М-канального оптического сигнала. Заметим, что в прототипе [3] не представлен точный алгоритм подстройки коэффициентов усиления оптических усилителей. В предложенном способе измерения на приемной стороне сначала однократно измеряется уровень мощности сигнала в одном из 4-х «активных» каналов и уровень мощности шума в одном из «пассивных» каналов, в который попадают частотные продукты ЧВС. Рассчитывается отношение оптического сигнала к шуму для 4-х канального сигнала. Используя полученную величину рассчитывается (предсказывается) отношение оптического сигнала к шуму для системы передачи с М-каналами. Сущность изобретения поясняется чертежами:
- на фиг. 1 - Структурная схема пролета ВОСП-FDM, в котором производится измерение отношения оптического сигнала к шуму;
- на фиг. 2 - Спектр комбинационных частотных продуктов ЧВС при передаче 4-х канальных сигналов на частотах , , , ;
- на фиг. 3 - Зависимость OSNR от уровня мощности одного канала для 4-х канального сигнала при разном количестве каналов М.
Детальное описание сущности изобретения.
ВОСП-FDM состоит из нескольких пролетов, оптические потери сигнала в которых полностью компенсируют оптические усилители с управляемым коэффициентом усиления. На фиг. 1 показана структурная схема одного пролета ВОСП-FDM, в котором необходимо измерить OSNR. Каналы (кн.) формируются в передающих оптических модулях 1 и после мультиплексирования в мультиплексоре 2 групповой многоканальный сигнал, состоящий из суммы частотно-разделенных М каналов, усиливается в оптическом усилителе 3. Далее, многоканальный сигнал передается по оптическому волокну 4. На расстоянии L находится измерительная аппаратура, составной частью которой является оптический демультиплексор 5, разделяющий каналы. Мощность в каждом спектральном канале можно измерить анализатором спектра 6 со встроенным измерителем мощности.
На передающей стороне необходимо выбрать четыре канала в частотном диапазоне М-канальной системы так, чтобы никакие комбинационные частоты ЧВС не попадали в полосы пропускания этих четырех каналов, а спектры продуктов ЧВС не перекрывали друг друга. То есть в «пассивные» каналы не должно попадать более одного комбинационного частотного продукта. Предложен следующий неравномерный частотный интервал между каналами: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами в системе с М≥13.
На фиг. 2 представлен спектр всех комбинационных частотных продуктов ЧВС, возникающих при передаче по волокну 4-х канальных сигналов на частотах , , , . Как видим, продукты ЧВС в эти каналы не попадают. А в другие, «пассивные» каналы попадает по крайней мере один продукт вида  или один продукт вида .
4
Необходимо подстроить коэффициент усиления оптического усилителя 3 (фиг. 1) так, чтобы в начале каждого пролета на входе волокна величина суммарной оптической мощности равнялась уровню мощности М-канального оптического сигнала. В конце пролета, измерив анализатором спектра 6, уровень оптической мощности в одном из четырех каналов, например, в канале с индексом 4 (кн.4) и уровень мощности помехи в канале, например с индексом 5 (кн.5), где присутствует помеха вида , рассчитывают отношение оптической мощности сигнала к уровню мощности помехи OSNR.
4
M
С помощью полученного значения OSNR для 4-канальной системы передачи можно найти OSNR для М-канальной системы передачи.
Выбор четырех тестовых каналов для проведения измерения отношения оптического сигнала к шуму ЧВС основан на следующих критериях:
1. Из технико-экономической целесообразности необходимо выбрать наименьшее число тестовых каналов для измерения отношения оптического сигнала к шуму ЧВС.
2. Явление ЧВС проявляется, когда канальные сигналы трех частот при распространении по волокну взаимодействуют друг с другом, вследствие чего возникают новые (комбинационные) частотные продукты ЧВС. Применительно к системам передачи необходимо учитывать, что частотные продукты ЧВС, попадают не только в диапазоны порождающих их каналов, но и влияют на соседние каналы. Следовательно, для полного описания этого явления в многоканальных системах передачи необходимо использовать не менее 4 каналов.
3. Разработчики и производители оборудования систем передачи выпускают оборудование с четным количеством каналов, что связано в основном с потребностями телекоммуникационного рынка. Приобретая такое оборудование сегодня, а в будущем дооснастив или модернизируя его, можно легко увеличить пропускную способность в два, в четыре и более раз. В предложенном способе для проведения измерений необходимо увеличить коэффициент усиления оптического усилителя таким образом, чтобы в волокне поддерживался уровень оптической мощности, соответствующий передаче М-канального оптического сигнала, этот прирост коэффициента усиления должен равняться M/n, где n - число тестовых каналов для ВОСП-FDM, M≥4. Следовательно, для того, чтобы величина прироста усиления M/n принимала определенное числовое значение, число тестовых каналов n должно быть четным, в противном случае отношение M/n может принять бесконечное значение. Так как число тестовых каналов должно быть минимальным, а явление ЧВС проявляется при числе каналов 3 и более, то этим условиям удовлетворяет количество каналов равное 4. Таким образом, при использовании тестового 4-канального сигнала необходимо увеличить коэффициент усиления оптических усилителей в М/4 раза.
4
4
M
Отношение мощности канального сигнала к мощности одного продукта ЧВС, измеренное на приемной стороне при подаче на вход волокна 4-канального сигнала (OSNR), будет являться величиной, характеризующей комплексное влияние нелинейности оптического волокна на качество передачи сигналов. Измерив OSNR при определенной величине суммарной оптической мощности сигнала на входе волокна, можно предсказать отношение мощности сигнала к полной мощности продуктов нелинейностей OSNR, попадающих в полосу пропускания канала при заданном значении количества каналов М (более 13).
Для М-канальной системы мощность одного продукта ЧВС определяется
[4]:
i
где (P)м - мощность в одном канале i,
ijk
η - эффективность генерации комбинационных частот,
d - коэффициент вырождения (d=3 или 6 для продуктов вида  или ),
γ - нелинейный коэффициент оптического волокна,
- эффективная длина,
α - коэффициент затухания оптического волокна,
L - длина оптического волокна.
M
Для i-го канала OSNR определяется как, , где суммарная мощность продуктов ЧВС, попадающих в канал. С учетом (1) и затухания сигнала в волокне:
M
где (N(m)) - количество продуктов ЧВС, частота которых совпадает с частотой m-го канала, при общем количестве каналов в системе М.
Предположим, что на передающей стороне уровень мощности в каждом канале задан и одинаков для данной конфигурации системы передачи. Из условия постоянной суммарной оптической мощности в волокне, как при количестве каналов М, так и при количестве каналов 4, имеем:
Подставим (3) в (2):
M
Воспользуемся аналитическими выражениями (N(m)) для случая передачи равномерно размещенных в спектре каналов [5]. Для продуктов ЧВС вида :
Для продуктов ЧВС вида :
Сравнивая (5) и (6) видим, что количество продуктов ЧВС вида  -  стремительно растет с увеличением числа каналов М и преобладает над продуктами ЧВС вида  и если М→∞ последние можно не учитывать. Более того, максимальная концентрация этих продуктов наблюдается в середине частотного диапазона размещения каналов, где  [5]. Тогда, при очень большом количестве каналов (М → ∞) число продуктов ЧВС вида  стремится к предельному значению
Для крайних каналов, расположенных в спектре, где  или М:
4
Таким образом, подставляя (7) в (4) для каналов, расположенных в середине частотного диапазона размещения каналов отметим ухудшение отношения сигнал - шум при передаче вместо 4-х большого количества (М→∞) каналов. При условии постоянного среднего уровня оптической мощности в волокне величина этого отношения оставит не более 7,8 дБ, то есть . Подставив (8) в (4) можно убедиться, что для крайних каналов (первого и последнего) ухудшение OSNR составит не более 6 дБ, т.е. .
4
M
Таким образом, измеряя OSNR с помощью формулы (4) рассчитывают отношение оптического сигнала к шуму ЧВС OSNR при передаче М-канального сигнала.
Пример реализации изобретения сводится к следующему:
1) На передающей стороне включенными остаются только сигналы 4-х передающих оптических модулей 1 (фиг. 1), центральные частоты которых соответствуют частотам , , , . Остальные каналы пассивны. Частотные интервалы между этими четырьмя каналами выбраны следующим образом: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами в М-канальной системе передачи, при этом М≥13(фиг. 2).
2) Увеличивается коэффициент усиления оптического усилителя 3 в М/4 раза от первоначально установленного рабочего значения (фиг. 1). Такое увеличение связано с необходимостью поддержания в волокне такого же уровня оптической мощности, что и при передаче М-канального оптического сигнала. Это увеличение коэффициента усиления реализуется программно-аппаратными средствами.
3) В конце пролета, на выходе порта демультиплексора 5 (фиг. 1), соответствующего каналу №4 (кн.4) измеряется уровень мощности сигнала в канале.
4) На выходе порта демультиплексора 5 (фиг. 1), соответствующего каналу №5 (кн.5) измеряется уровень мощности помехи в канале.
4
M
5) Рассчитывается OSNR, затем OSNR с помощью формулы (4).
4
На фиг. 3 приведен пример зависимости OSNR, от уровня мощности одного канала 4-канального сигнала, полученного экспериментальным путем по описанной выше процедуре измерения. Канальные сигналы передаются по стандартному одномодовому волокну (SSMF-Standard Single-Mode Fiber) на расстояние L=100 км в диапазоне длин волн 1550 нм.
M
M
4
M
4
M
4
4
M
4
M
4
На фиг. 3 показано семейство кривых OSNR для ВОСП-FDM, использующей передачу М-канального сигнала на такое же расстояние (L=100 км), в предположении, что частотное распределение каналов равномерное, а частотный интервал между каналами составляет 6,25 ГГц. Приведенные на фиг. 3 кривые OSNR построены по формуле (4) для разного числа каналов М и полученных с помощью измерений значений 0SNR. Как видно из фиг. 3, по мере увеличения числа каналов М (от 4 до 64) OSNR стремится к предельному значению (OSNR - 7,8) дБ. Заметим, что при М=4 кривая OSNR находится ниже кривой OSNR на величину 3 дБ. Это связано с тем, что при измерении OSNR 4-х тестовых каналов, неравномерно расположенных в спектре, учитывается только один частотный продукт ЧВС, при равномерном же размещении 4-х каналов, количество продуктов ЧВС удваивается. При большом количестве каналов М>64 можно считать, что OSNR не зависит от числа каналов и при известном значении OSNR с большой точностью определяется как OSNR≈(OSNR-7,8) дБ.
4
M
Таким образом, передавая по оптическому волокну 4-канальный сигнал, и выполнив измерение OSNR, рассчитывается отношение оптического сигнала к шуму ЧВС OSNR при передаче М-канального сигнала.
Применение данного изобретения в области телекоммуникации имеет важное практическое значение, так как величина отношения сигнала к шуму является одним из основных критериев оценки качества передачи сигналов по волоконно-оптическому тракту. Использование данного способа измерения отношения сигнала к шуму ЧВС позволяет доступными методами диагностировать существующие системы передачи, а также проектировать ВОСП-FDM с требуемым качеством передачи сигналов.
На основе предложенного способа измерения можно создать технико-экономичное эффективное измерительное оборудование, так как используется передача только 4-канальных сигналов, а измерение оптической мощности производится в определенных каналах.
Кроме этого, с помощью предложенного способа измерения отношения сигнала к шуму четырехволнового смешения можно усовершенствовать прототип [3], что исключает неопределенность технической осуществимости измерения шумов четырехволнового смешения на приемной стороне. Однако эти измерения возможны на начальном этапе пуско-наладочных работ прототипа [3] или во время регламентных работ по техническому обслуживанию прототипа [3].
Заявленный способ измерения отношения сигнала к шуму ЧВС в ВОСП-FDM удовлетворяет критериям новизны, поскольку не выявлены технические решения имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Источники информации
1. Патент US №5546210, МПК H04J 14/02. Опубликован 13.08.1996.
2. J.P. Robinson Optimum Golumb Rulers, IEEE Transaction on Computers, vol. C-28, No. 12, Dec. 1979, pp. 943-944.
3. Патент US №2002/0044340 A1, МПК H01S 3/00. Опубликован 18.04.2002. Patent Application Publication. (Прототип).
4. Tomas Shneider. Nonlinear Optic in Telecommunications. Springer, 2004, P. 415.
5. Варданян В.А. Исследование распределения продуктов четырехволнового смешивания в ВОСП с ЧРК // Вестник СибГУТИ. 2016. №2. С. 78-84.