DRZ和CSRZ的40 G DWDM系统的性能测试

冯先成，李 寒，罗 帆，韵 湘

(1.武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430074;2.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武汉 430074)

1 光波分复用N×40 Gbps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40 Gbps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40 Gbps 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40 Gbps速率的各种模块，为配合40 G接口的应用，一些领先的设备商也宣布可以提供40 G接口的大容量WDM传输系统，40 Gbps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40 G光网技术，到2010年，40 G的市场规模将达到20亿美元.

2 光波分复用N×40 Gbps系统的关键技术

实现N×40 Gbps系统需要考虑下面的关键技术：在40 Gbps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40 G WDM系统的主要码型[4].

同时40 Gbps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10 G WDM系统上实现40 Gbps的平滑升级，需要考虑目前常规的50 GHz或100 GHz WDM系统中的滤波器,对于非常规的NRZ码有4倍光谱展宽40 Gbps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：40 Gbps信号,相对于10 G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6 dB OSNR容限要求的提高，OSNR成为40 Gbps系统的重要限制因素.

总之，40 Gbps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.

40 Gbps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].

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-

(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.

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 40 Gbps (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.

3 N×40 Gbps WDM系统光接口参数的要求

3.1 参考点定义

N×40 Gbps 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、MPI-SM、RM、SM、MPI-RM、R和Sn、Rn.其中S、R是MS-ULH WDM 系统与客户系统的接口参考点；MPI-SM、RM、SM、MPI-RM 是MS-ULH WDM系统主光通道的参考点；Sn、Rn是MS-ULH 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1 40 Gbps WDM 系统参考配置

S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；

MPI-SM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；

MPI-RM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2 N×40 Gbps WDM系统主光通道参数

4 光波分复用 N×40 Gbps系统试验

4.1 试验研究配置

40 Gbps 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2 40 Gbps OTU 性能测试配置图

40 G OTU BER和OSNR性能测试配置图如图3所示，40 G OTU 采用FONST W1600 40 Gbit/s OTN智能波分复用系统.

图3 40 Gbps OTU 背靠背BER和OSNR性能测试配置

4.2 DRZ码实现的波长转换器和系统试验

4.2.1 DRZ码型 40 Gbps波长转换器频谱与眼图 DRZ码型40 Gbps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4 DRZ 码型 40 Gbps OTU 典型光谱

图5 DRZ 码型 40 Gbps OTU 典型眼图

从测试结果显示，DRZ码的40 Gbps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.

4.2.2 DRZ码型 40 Gbps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40 Gbps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6 40 G DRZ系统背靠背BER和OSNR的测试图

4.2.3 DRZ码型 40 Gbps波长转换器系统传输性能

a.DRZ码型 40 Gbps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 40 Gbps波长转换器系统传输色散容限.

图8是DRZ码型40 G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.

4.3 CSRZ码实现的波长转换器和系统试验

4.3.1 CSRZ码型40 Gbps波长转换器频谱与眼图 CSRZ码型40 Gbps波长转换器频谱与眼图如图9和图10所示.

图7 40 G系统1 600 km传输后的BER与OSNR曲线

图8 40 G系统传输1 600 km后的色散曲线

图9 CSRZ 码型40 Gbps OTU典型光谱

图10 CSRZ码型40 Gbps OTU典型眼图

从测试结果显示CSRZ码的40 Gbps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.

4.3.2 CSRZ 码型40 Gbps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40 Gbps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11 CSRZ 码型40 Gbps OSNR与BER的性能

5 结 语

通过40 G OTU BER和OSNR性能测试，对40 Gbps调制码型技术进行性能参数比较如表3.

因此，40 G 编码调制的主要选择：

a.适用于40 G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40 G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×40 G 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3 40 G优选码型系统性能对比

参考文献：

[1] 张小丹，程丹，徐晶.40G/100G以太网关键技术的研究与应用[J].光通信技术,2011(4):1-4.

[2] 李上一.40G波分复用(WDM)技术及应用分析[J].华东电力,2010(3):358-362.

[3] 牛耕,刘小英.40G WDM——下一代光纤传输系统[J].邮电设计技术,2010(3):64-66.

[4] 张宾,胡庚强.高速40Gbit/s WDM的发展[J].电信技术,2009(1):78-80.

[5] 顾畹仪，张杰.全光通信网[M]. 北京：北京邮电大学出版社,2001.

[6] 熊世桓. 40Gb/s光传输系统主要影响因素及解决方法[J]. 光通信技术, 2004(10):37-38.

[7] 孙学军 张述军. DWDM传输系统原理与测试[M]. 北京：人民邮电出版社,2000.

[8] 钟一青. DWDM传输系统的设计与仿真[J]. 长沙电力学院学报, 2006(2):63-65.

[9] 杨英杰,侯丽,郭世杰. 32×10Gbit密集波分复用系统仿真[J].光通信技术,2009(11):23-25.

[10] 冯先成.网络交换机集群管理技术的应用研究[J]. 武汉化工学院学报,2006，27(3):43-47.