（通信与信息系统专业论文）智能光网络性能监测仪的研究.pdf

华东师范大学硕4 仁学位论文 摘要 摘要 过去的十年里，光传输使得骨干网络的数据流量快速增长，而能够传输大量 信道的d w d m 的技术使数据流量进一步增加。光性能监测( o p m ) 对于管理这 样一个大容量的光传输和交换系统是至关重要的。未来的光传输网络是将是动态 可重构的，并具备超长距离通信和光交换功能，更增加了管理这样一个透明传输 网络的复杂度，由此激发了人们对光性能监测技术研究的兴趣，并将o p m 聚焦 为下一代光网络的使能技术之一。 目前，人们主要采用光可调滤波器或光分波器等光色散技术，进行o p m 的 研发。采用光分波器所研制的o p m ，如阵列波导光栅等，由于各信道光谱的滤 波特性固定，所以无法分辨中心波长的漂移与光功率间的性能变化因素。采用光 可调滤波器技术，可以对d w d m 多波长光信号进行频谱扫描与数据分析，快速 完整地获得信号的频谱特性、光功率值和光信噪比值等。但当前，光可调滤波器 技术依然不够完善，达到很高的光谱分辨本领和较大调谐范围还很困难，已有的 器件性能还不够可靠，价格昂贵，只有很少厂商能提供器件。因此，o p m 的研 究有待技术上的突破。 本论文是基于“智能化光网络性能监测仪”这个项目展开讨论的，光学部分采 用m e m ss c a n n e r 。从光纤中抽取出少量功率的d w d m 信号，s c a n n e r 转动不同 的角度可以取出不同波长的光信号，然后经过光电转换、a d 变换、数据采集、 信号处理，可以直接计算出每一信道的光功率、中心波长和光信噪比( o s n r ) ， 并根据测试结果推导出许多参数，包括信道波长漂移、a s e 噪声、放大器的增 益和增益偏斜，以及信道信号的q 值。然后借助上述参数就可以实现功率均衡、 波长锁定、长期监测以及故障识别等功能。 论文的具体工作有： ( 1 ) o p m 电路部分的设计。主要包括光电转换及前级放大电路、数据采 集卡电路。 ( 2 ) 光谱信号处理算法的研究。介绍和比较信号处理的常用方法f f t 滤波 和小波去噪，考虑o p m 系统本身光信号功率水平相对较弱，经过图 形化和量化的比较，最终选择了小波去噪的算法，并且采用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程的思想实现了算法功能。 ( 3 ) o p m 软件部分的设计。应用l a b v l e w 的图形化编程语言来完成的。 关键词：密集波分复用、光网络性能监测仪、l a b v i e w 、d w d m 、傅立叶变换、 小波变换 华东师范大学硕士学位论文a b s t i t a c t a b s t r a c r d u r i n gt h ep a s td e c a d e ，o p t i c a lt r a n s p o r th a se n a b l e dt h er a p i dg r o w t ho fd a t a t r a f f i ci nt h en e t w o r kb a c k b o n e f u r t h e ri n c r e a s e si nc a p a c i t ya r eg a i n e db ym o v i n gt o d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) w i t hl a r g ec h a n n e lc o u n t s o p t i c a l p e r f o r m a n c em o n i t o r ( o p m ) i se s s e n t i a lf o rm a n a g i n gs u c hh i g hc a p a c i t yo p t i c a l t r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n gs y s t e m s ，u l t r a l o n gh a u la n do p t i c a l l ys w i t b e dn e t w o r k s ， w i t hn e wo p t i c a ll a y e rf u n c t i o n a l i t ys u c ha sd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o na n dl i n kl e v e l r e s t o r a t i o n , p r o m i s ei m p r o v e do p e r a t i o n s , r e d u c e df o o t p r i n ta n dc o s lh o w e v e r , t h e s e b e n e f i t sc o m ew i t ht h ea d d e dc o m p l i c a t i o n sr e q u i r e db ym a n a g i n gt r a n s p a r e n t n e t w o r k sa n dh a v es t i m u l a t e di n t e r e s ti no p mf o re n h a n c e df a u l tm a n a g e m e n t a p p l i c a t i o n s a l lo ft h e s ei s s u e sb f i n gf o c u st oo p ma sa ne n a b l i n gt e c h n o l o g yf o r n e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k s a tp r e s e n t ，o p mi sm o s t l yd e v e l o p e db yt h et e c h n o l o g yo fo p t i c a ld i s p e r s i o n ，s u c h a so p t i c a la d j u s t a b l ef i l t e r , o p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o ni m p l e m e n t b yt h et e c h n o l o g y o fo p t i c a lw a v e l e n g t hd i v i s i o ni m p l e m e n t ，o p mc a l l td i s t i n g u i s ht h ee x c u r s i o no f c e n t e rw a v e l e n g t ha n dt h ef a c t o ro fp e r m a n c ec h a n g ea m o n go p t i c a lp o w e r , b e c a u s e t h ec h a r a c t e r i s t i co fs p e c t r a lf i l t e ri sf j x c d b yt h et e c h e n o l o g yo fo p t i c a la d j u s t a b l e f i l t e r , i tc a ns c a nf r e q u e n c ys p e c t r a lo fm u l t i p l ew a v l e n g t ho fd w d ma n da n a l y z e d a t a , w o r ko u to p t i c a lp o w e rv a l u ea n do s n rf a s t l y b u tn o wt h et e c h n o l o g yo f o p t i c a la d j u s t a b l ef i l t e ri s n tp e r f e c te n o u g ha n dc o s t sm u c h s ot h et e c h n o l o g yo f o p mm u s ti m p r o v e t h i st h e s i si sb a s e du p o n “i n t e l l i g e n t i z eo p t i c a lp e r f o r m a n c em o n i t o r i t s o p t i c a l s y s t e ma p p l i e sm e m ss c a n n e r s c a n n e rt u r n i n gd i f f e r e n ta n g l ec a l lr e f r a c td i f f e r e n t w a v e l e n g t ho fo p t i c a ls i g n a l t h e nt h r o u g hp h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s f o r m ，a dt r a n s f o r m ， d a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g ，i tc a nw o r ko u to p t i c a lp o w e r , c e n t e r w a v e l e n g t ha n do s n ro fe v e r yc h a n n e l ，t h e nd e d u c em a n yp a r a m e t e r ss u c ha s w a v e l e n g t he x c u r s i o n ，a s e ，g a i na n dg a i nd e c l i n eo fa m p l i f i e r , qv a l u ea n ds oo n t h r o u g ht h e s ep a r a m e t e r s ，o p mc a na v a i l a b l ed e t e c te v e r yc h a n n e l t h em a i nt a s ki n c l u d i n ga r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e s i g no fo p mc i r c u i t i tm a i n l yi n c l u d e sp h o t o e l e c t r i c i t yt r a n s f o r ma n d a m p l i f i e rc i r c u i t ，a dt r a n s f o r ma n dd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ( 2 ) t h ea l g o r i t h mo fs p e c t r a ls i g n a lp r o c e s s i n gi sr e s e a r c h e d f f r ra n dw a v e l e t 华东师范大学硕上学位论文 a b s t r a ( j r t r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d ，a n dw a v e l e tt r a n s f o r mi ss e l e c t e d f i n a l l y t h ei d e ao fl a b v i e w a n dm a t l a bm i xp r o g r a m m ei su s e d ( 3 ) t h ed e s i g no fo p m s o f t w a r e i ti sf i n i s h e db yl a b v i e w k e yw o r d s ：d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) ，o p t i c a l p e r f o r m a n c em o n i t o r ( o p m ) ，l a b v i e w , d w d m ，f f t ，w a v e l e tt r a n s f o r m 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其他个人已经发表或撰 写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说 明并表示谢意 作者签名： 哗眺删 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：硎掺宇 导师签名： 日期： 华东师范大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 光纤通信技术研究与发展现状【1 】，【2 l 随着i n t c m e t 的迅速普及以及宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的快速发展， 人们对信息的需求呈现出爆炸性的增长，几乎是每半年翻一番。在这样的背景下， 信息高速公路建设已成为世界性热潮。而作为信息高速公路的核心和支柱技术的 光纤通信技术更是成为重中之重。 从当前信息技术发展的潮流来看，数据化、宽带化、综合化已成趋势，传输 与交换的融合、电路交换向分组交换演进、网络向更加宽带、智能化、集成化、 兼容性、灵活性和高可靠性的方向发展已成必然。 由于光纤媒质具有传输宽带大、损耗小、抗干扰能力强等特点，使得光通信 技术始终在通信基础网络建设中占据着主导地位，并承载着通信网络中8 0 以上 的信息流量。伴随着网络的不断演进和巨大的信息传输量需求，对光纤通信提出 了更高的要求同时也加快了光纤通信向高新技术迈进的步伐。目前，光纤通信正 朝着密集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 结合光放 大器( o a ，o p t i c a l a m p l i f i e r ) 的高性能、大容量、更加灵活的全光网络( a o n ， a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 发展。a o n 以光纤为基本传输介质，采用d w d m 技术提 高网络的传输容量，以波长路由分配( r a w , r o u t i n ga n da s s i g n m e n to f w a v e l e n g t h ) 为基础，在光节点采用光分插复用( o a d m ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x i n g ) 和光交叉连接( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 技术来提高吞吐量， 并且增加了光网络高度的灵活性、透明性和生存性。 在传统的光一电一光骨干网络节点中，尤其是枢纽节点处通常只有约 7 5 8 0 的业务量是直通的，为了少量的业务不得不全部进行光电变换处理，将 下载的光信号转变为电信号，进行交换与选路，然后再将其变换为光信号，送到 适当的光路中，这种光电转换的处理技术大大限制了d w d m 技术优越性的发挥， 使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成“电子瓶颈”。考虑这种现实，人们开始 从上个世纪末提出并实施全光网络的方案。 全光网络在原理上讲就是网络中端到端用户节点之间全是光路，始终保持光 信号传送，没有任何光电变换器，也就是网络对光信号“透明”。它由光传输系统 和在光域内进行交换选路的光节点组成，光传输系统的容量和光节点的处理能 华东师范大学硕士学位论文绪论 力非常大，电子处理通常在边缘网络进行，边缘网络中的节点或节点系统可采用 光通道通过光网络进行直接连接。光节点不进行按信元或按数据包的电子处理， 因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟，并且不同类型的信号可以直接 接入光网络。与此同时光网络具有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。 为了提高传输效率，也可以简化或去掉s d h 和a t m 等中有关网络保护的功能， 避免各个层次的功能重复。 总之，全光网络与现行的光通信系统以及传统的电信网相比有如下的特点： 全光网络结构简单，端到端采用透明光通信连接，沿途没有光电转换与存储，网 络中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高；网络中使用o x c 连接方式， 加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，从而降低成本。当用户通 信量增加或网络出现故障时，可以改变o x c 的连接方式，对网络进行重构；全 光网络波长选择路由器，对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提 供多种协议业务，不受限制地提供端到端业务：d w d m 全光网络采用波分复用 技术，充分挖掘光纤带宽能力，增大传输容量，且与现有的通信网有良好的兼容 性。 超长距离、大容量交换光网络在提高了网络运营性能，降低了成本的同时， 也增加了网络管理的复杂性，高比特传输速率系统的故障管理，透明、可重构 d w d m 网络的动态控制和光通道的自愈性都是具有挑战性的目标，要求使用有 效的、能动态表征光纤链路的不同部分以及光网络中不同光纤链路性能的光学参 数来描述网络运行状态。随着光缆、光器件、光设备使用年限的增加，其性能将 不可避免逐渐劣化，网络的故障隐患不断增大，另外d w d m 光通信网络中使用 的多波长信道数的不断增加、信道波长间隔不断减小、光信号频谱宽度继续变宽、 单信道传输速率继续上升，同时随着通信网络日益复杂、运行水平以及网络管理 智能化的日益提高，使用了大量的智能化通信设备，如灵巧光放大器、动态增益 均衡器、光交叉连接器、光上厂f 路复用器、可调谐色散补偿器、可调谐激光器、 可调谐滤波器等，这些器件迫切需要有效的性能监测手段来监测光信号的波长、 功率和噪声变化，从而实现对这些设备及时调控和操作。 1 1 2 光网络性能监测的重要意义 光纤通信在我国已经获得了巨大的发展，光纤网络已形成规模，电信领域建 成八横八纵的网状国家一级干线和诸多环网结构的省内二级干线，联通、移动、 广电、吉通等也在建设或规划建设自己的一级干线和环网结构的二级干线。网通 已规划建设一个国家级的i po v e rd w d m 多环网络，覆盖包括北京、上海、广 州在内的1 5 个主要城市，总长度接近7 0 0 0 公里。目前这些光纤网络主要基于 华东师范大学硕士学位论文绪论 s d h2 5 g b s 技术和n x 2 5 g b s 的d w d m 链路技术，以背靠背方式组成环网。 全光网络发展中人们最为期待的是智能光网络技术的突破，具体表现为光网络交 换技术、光网络控制及监控技术的发展。光纤通信网络作为信息化社会的关键基 础设施，承载着绝大部分的信息传输任务，成为了整个社会的神经网络系统，必 须时刻保证其正常运行。光通信系统的运行故障会对国民经济、国家安全、人民 生活造成重大损失，因此，维护网络的安全，对网络的运行状态实施监控是一件 十分重要、急需加强的工作。 在d w d m 光通信网络中，由于目前缺乏有效的技术手段，主要采用光时域 反射计( o t d r ) 监控光纤的通断、线路的传输损耗，或采用专用监控波长通道 来监测光纤信道，这些都无法监测每个波长通道、各个设备的实际运行状态，更 无法对光器件、光设备的参数劣化、故障隐患进行监测、定位，对存在故障的光 设备进行隔离。因此，光通信网络实际处于“缺乏监控状态”。随着光通信网络中 的光缆、光器件、光设备使用年限的增加，其性能将不可避免逐渐劣化，网络的 故障隐患不断增大，维护网络的安全运行变成为一件十分繁重的而又高成本的工 作。随着d w d m 通信网络日益复杂、网络运行水平的日益提高和网络管理的智 能化，大量使用智能化的光通信设备，如灵巧光放大器、动态增益均衡器、光交 叉连接器、光上厂f 路复用器、可调色散补偿器、可调激光器、可调滤波器等， 这些智能设备迫切需要智能光性能监测仪( o p m ) 来监测光信号的波长、功率 和噪声变化，从而实现对这些设备及时的调控、操作。0 p m 可以探测网络性能 的缓慢变化，诊断网络的“健康状态”，达到对网络运行预警的目的，确保光网络 的长期稳定运行。智能化o p m 在光网络的广泛使用是网络智能化的标志之一。 在d w d m 光通信网络中，随着光纤中所复用的多波长信道数不断增加、信 道波长间隔不断减小、光信号总体频谱宽度继续变宽、单信道传输速率继续上升， 增强了光网路的数据传输能力，但也对网络性能测试和监控技术提出了新的挑 战。为此，简单地采用o t d r 、专用监控波长通道、光功率监测等方法，已经无 法真正监测光网络对多波长光信号传输的传输性能变化。为了管理复杂的 d w d m 网络，运营商必须能监测每个波长的行为，通过对光信号中心波长漂移、 功率变化与信噪比等参数的监测，可得知线路劣化情形，达到先期预警、故障定 位、即时故障恢复、自愈保护等功能。采用对所传送的数字信号进行误码率( b e r ) 监测的方法，在d w d m 系统中将会要求处理的信息量相当大，必须对d w d m 光信号解复用为单一波长信号，监测过于复杂，且耗费时间，设备价格太昂贵， 更重要的是它无法直接给出所监测信道变化的根源，特别是对光层的性能判断。 直接采用光谱仪对光信号进行监测，成本太高，反应速度慢，也缺乏智能性。为 了快速、精确、有效地监测d w d m 光通信网络，采用o p m 对光网络的光层性 3 华东师范大学硕士学位论文绪论 能的监测与实时分析是较好的选择。针对d w d m 光信号的特点，在网络的光节 点中设置o p m ，对多波长信道中的光波频谱特性( 包括中心波长漂移) 、功率特 性和光信号噪声特性( o s n r ) 进行实时的监测，分析线路中传输光信号的传输 质量，达到光层性能监测的目的，从而完成d w d m 网络的实时监控，以及基于 光功率或者o s n r 的远程增益均衡、传送激光波长锁定、实时系统错误警告和 报警、e d f a 增益平衡等。从图一可知，在光网络的每个节点、每个放大器均可 设置一个o p m 来进行监测其运行情况。 陟删f , e r 圈黼脚删i 围删刚m i i o r 图1d w d m 光通信网中o p m 的应用情况 经历了2 0 0 1 年高科技市场泡沫，光通信市场正在走向理智和稳健的发展， 伴随着城域网和接入网的需求扩大，市场在逐渐恢复中。虽然，目前市场依然低 调，但已经开始复苏。由于整个光通信技术正在不断发展，人们对通信带宽的需 求量会随着通信成本的下降与社会进一步发展而不断上升，可以说，光通信网络 的总体发展空间非常的巨大。目前大部分光通信网络缺乏监控功能，其原因是原 有网络智能化水平低、光性能监控设备价格昂贵，特别是光可调滤波器价格昂贵， 基于此技术的0 p m 成本居高不下。因此，为适应网络智能化，提高网络的运行 质量，减少网络故障及故障损失，需要大力发展的通信网络监控与管理设备，高 性能、低成本的o p m 设备是市场急需的产品。o p m 是光通信网络智能化的关键 设备之一，将大量应用于规模巨大的现有网络的智能化改造和新建的光通信网 络。市场预测表明，2 0 0 5 年o p m 全球市场达到了7 9 亿美元，市场需求巨大。 1 2 本论文的研究内容和结构 在o p m 中，对d w d m 光波信号的频谱特性分析是其中的关键。目前，人 4 华东师范大学硕士学位论文绪论 们主要采用光可调滤波器或是光分波器等光色散技术，进行o p m 的研发。采用 光分波器所研制的0 p m ，一定程度上可以利用现有的各种光分波器件，如阵列 波导光栅等，但由于各信道光谱的滤波特性固定，所以无法分辨中心波长的漂移 与光功率变化间的性能变化因素。采用光可调滤波器技术，可以对d w d m 多波 长光信号进行频谱扫描与数据分析，快速完整地获得信号的频谱特性、光功率值 和光信噪比等值，从而实现对光网络的性能监控。所以，光可调滤波器技术是目 前国外公司高性能o p m 所采用的主要频谱分析技术。但当前，光可调滤波器技 术依然不够完善，达到很高的光谱分辨本领和较大调谐范围还很困难，已有的器 件性能还不够可靠，价格昂贵，只有很少厂商能提供器件。因此，o p m 的研究 有待技术上的突破。 在国内，目前单一的光功率计生产厂家还是比较多的，虽然也有一些科研机 构正在开始进行这方面的工作，但对光网络性能监测设备进行开发的公司还相对 比较少。本论文便是基于“智能化光网络性能检测仪的研究与实现”这个项目展开 讨论的，其中光学部分的设计大致作了原理性综述，对于电路部分从硬件设计到 软件编译以及数据处理的算法原理等详细阐述是本文的主要内容。 本论文的主要内容结构如下： 第一章主要提出了论文研究的背景和意义，并且介绍了文章的主要内容。 第二章对光网络性能监测技术的发展进行了综述，并且对光网络性能监测 仪系统的工作原理作了介绍。首先，介绍了o p m 的发展过程，然后给出了0 p m 的分层结构以及o p m 可测量的性能参数及其含义，最后阐述了o p m 系统工作 原理以及最终要实现的目标。 第三章讨论了0 p m 电路部分设计的原理和结构。明确了o p m 电路部分原 理并且详细介绍了电路各个模块具体设计思想，主要包括光电转换及前级放大电 路、a d 转换的数据采集卡电路。选择n ip c i6 2 1 5 数据采集卡实现a d 采集功 能，在本章将会介绍数据采集卡的设置以及工作方法。 第四章是本文很重要的一部分，研究了光谱信号处理的算法，并给出了算 法仿真的结果，然后获取了o p m 系统的真实数据，经过该算法的处理实现了最 终功率与波长显示关系的要求。通过介绍信号处理的常用方法f i 丌滤波和小波 去噪，对于o p m 系统本身光信号功率水平相对较弱，探测系统的噪声影响很大 的情况下，考虑用何种方法在极大消噪的同时又对峰值位置、峰值幅度、峰值宽 度的影响最小，经过图形化和量化的比较，最终选择了小波去噪的算法，并且采 用l a b v i e w 和m a t l a b 混合编程的思想实现了算法功能。最终将该算法应用 到o p m 系统光谱信号处理的总体算法中去。 第五章阐明整个系统框架及光谱信号处理算法的软件实现途径和用户显示 华东师范大学硕士学位论文绪论 界面的制作过程。选择l a b v i e w 的图形化编程语言来完成算法编译，本章将会 给出整个系统软件和信号处理算法的总体层次结构图以及l a b v i e w 的d e m o 程 序，详细介绍设计各主要算法模块的方法及其作用，并且对用户显示界面的设计 及功能作一下介绍。 第六章完成了光学接口部分以及电路接口部分的设计，然后用光纤将光信 号接入电路中，对光学部分和电路部分进行联合调试，这也是总体设计非常关键 的一步。本章主要讲述o p m 系统调试的方法、步骤，并对测试的最终结果进行 全面地分析。 最后，总结全文，对下一步研究的工作进行展望。 作者在项目中的创新之处： 1 ) 对数放大器电路中由于受到电源地噪声的影响，使得光信号很微弱几乎 接近于零时仍然有电压信号，为了消除噪声的影响，把实际输出的电压值抬高， 通过改变对数放大器的截距，使得在光功率的范围内光功率与电压保持了很好的 线性度。 2 ) 小波去噪采用m a t l a b 实现，编程语言采用l a b v i e w ，将m a t l a b 和 l a b v i e w 结合，采用混合编程的思想，将去噪算法应用到信号处理的整体算法 中。 3 ) 根据n u - t 规定的o s n r 的定义，应用到实际的o p m 系统里，实现了 光信噪比的计算。 华东师范大学硕士学位论文光网络性能监测仅系统的设计原理 第二章光网络性能监测仪系统的设计原理 2 1 光网络性能监测技术的发展 基于d w d m 技术的光传送网构成了整个通信网络的基础物理层，为了满足 d w d m 技术的应用和升级，能够进行在线监测的光通道性能模块的光网络性能 监测技术成为人们研究的热点。 对信道间隔为5 0 g i - i z 的d w d m 系统而言，每个信道的波长必须维持在 0 0 5 r i m 内，单信道的光功率水平必须控制在土0 5 d b 之内。设备的动态范围最为 重要的指标定义为可测量到的最高值与最低值之比，另外o p m 的最低功率水平 和由此得到的动态范围亦可以定义为测试过程中o p m 将信道问的串扰保持在最 低值时的功率取值。串扰主要来源于设备中的光串扰和电串扰，其中光串扰的典 型值是- 2 5 d b 。想进一步降低串扰值是可行的，但必须在设备的尺寸和成本中进 行权衡。 o p m 应该既可以用在城域网中又可以用在长途骨干网中，并且最好适用于 三个通信波段( s 、ca n dl b a n d ) 即适用于1 2 8 0 - 1 6 2 0 r i m 的波长范围，这些波 段可以传输成百上千个独立的信道，要对这么多波长进行三种基础测量并根据测 量结果推导出大量的参数值，必须靠软件来实现，同时网管软件可以协调整个网 络的性能，因为o p m 输出的数据是多次测量的平均结果，因此最适合用来监测 网络中相对缓慢的变化。图l 给出了d w d m 系统中o p m 需要监测的相关参数。 图1 光网络中o p m 需要监测的相芙参数 通常o p m 从网络中抽取出少量( 2 o ) 功率的d w d m 信号，根据波长 将传输信号进行解复用，直接测量出每一信道波长的光功率、中心波长和光信噪 比( o s n r ) ，并根据测试结果推导出许多参数，包括信道波长漂移、a s e 噪声、 放大器的增益和增益偏斜以及信道信号的o 值，然后借助上述参数以及其他类 华东师范大学硕士学位论文光网络性能监测仪系统的设计原理 似参数就可以实现功率均衡、波长锁定、长期监测以及故障识别等功能。 目前，市场上已有o p m 产品，仅限于美国、日本、加拿大等国家的大公司 产品，结构和功能还相对简单和单一。根据结构形式划分，o p m 有内嵌式 ( e m b e d d e d ) 的和外接式( e x t e r n a lo rs t a n d - a l o n e ) 两种。内嵌式o p m 通常集成在 o a d m o x c 和光放大器等网络节点模块中，在设计系统的电接口时必须考虑与 现有系统匹配，工作温度通常在0 。c 一7 0 。c 、湿度在5 一9 5 的范围内。主要用 作放大器动态增益均衡和波长标记、波长数、中心波长等监测。除了检测a s e 噪声，将o p m 和放大器集成可以向放大器提供必须的反馈信息，从而动态地维 持平坦的放大器增益曲线。o p m 通过o a d m o x c 与光网络相连，由于 o a d m o x c 的功能就是改变某一网段内信道的数量以及实现信道间的路由，因 此在连接有o a ：d m o x c 的位置，通道功率可能会出现很大的变化。除了监测器 件的退化，为了维持恒定的功率水平，在使用o p m 时必须搭配可变光衰减器。 内嵌式o p m 实际表现为是一个功能模块，具有体积小、成本低、反应速度快、 可即插即用以及可实现在线监测等特点，但由于技术和本身结构的限制，功能相 对薄弱，测量参数相对较少，主要产品有：d i g i t a ll i g h t w a v c 、p r i n c e t o nl i g h t w a v e 。 外接式o p m 应用主要针对网络故障定位和标准值漂移监测以及在波长灵活 配置的网络中为开通信道和发现拓扑提供数据。该类型o p m 具有相对独立和全 面的功能，较之内嵌式结构具有更强的性能，测试参数更加全面，但成本要高许 多。要实现外接式测量，o p m 自身应当能够提供满足如下标准的光功率，即单 信道光功率的取值在1 0 到5 5 d b m 之间，并且能够改变测试光束的偏振态，该 性能使得o p m 可以对网络中的所有临界点进行测量，主要产品有：b a y s p e c 、 e x f o 、j d s u 、a d 、，a n t e s t 。 从功能上看，早期初级产品仅限于单信道光功率监测，亦称为光信道监测器 ( o c m ，o v t i c a lc h a n n e lm o n i t o r i n g ) ，提供了简化的本地监测解决方案。这种 成本较低的替代方案可以适应某些特殊应用的要求，例如监测基于微机电系统 ( m e m s ，m i c r o e l e c t r o n i c m e c h a n i c - s y s t e m ) 技术的光开关：进行通信网络光 层信号性能监测的o p m ，既可以实现各信道功率、中心波长、光信噪比和信道数 的检测和监控，亦可分析出信道波长的漂移、放大增益、增益倾斜、q 因子等性 能参数；更进一步结合网络监测功能的需要，已有人将光性能监测功能与信号时 域特性监测( 包括误码率、眼图特性等) 、协议数据监测( 包括s o n e t s d h 、 g e t h e r n e t 等通信协议) 集成，开发更为强大的光网络监测设备，当然其价格也 昂贵得多。 8 华东师范大学硕士学位论文光网络性能监测仪系统的设计原理 2 2 光网络性能监测技术的参考模型 o p m 通常分为三层：1 、传输层或者d w d m 通道管理监测层，在该层中许 多对传输和w d m 通道管理很重要的光层特征参数，例如：通道数目、波长注册、 功率水平以及o s n r 等均需要实时监测；2 、光信号或者通道质量监测层，主要 集中在单波长通道的特征参数测量，测量时可能需要信号变换，主要的参数有模 拟眼图q 因子、电信噪比( e s n r ) 以及由于色散和非线性效应引起的眼图失真 等：3 、协议性能监测层，主要监测数据协议信息和协议性能测量，主要参量有： b e r 。 在传输线路系统中，实施o p m 的方法主要有以下三种1 7 1 ： 1 非中断专用监测( n o n d i s r u p t i v ed e d i c a t e dm o n i t o r ) ：从d w d m 光纤中分 接出一小部分光信号输入监测器，检测器采用轮询或并行方式对同一根光纤中多 个波长信号实现共享监测。 2 中断共享监测( d i s r u p t i v ed e d i c a t e dm o n i t o r ) ：在这种情况下，光开关将 多条光纤中的一条光纤切换到监测器进行监测，因而监测器在这些光纤中是共享 的，但监测时被测光纤是离线的，所以该监测方式是中断式的，综合以上两种方 式可实现对多条光纤的非中断式轮询监测。 3 联机在线监测( i n 1 i n em o n i t o r ) ：在这种方式下，光纤中的光信号全部传 输通过监测器并实施非破坏性的监测。这种方法对于解复用后的单个信道信号比 较有效，而且通常与光再生设备结合在一起使用。 2 3 光网络性能监测仪的技术指标 o p m 可以直接测量出每一信道的光功率、中心波长和光信噪比( o s n r ) ， 并根据测试结果推导出许多参数，包括信道波长漂移、a s e 噪声、放大器的增 益和增益偏斜，以及信道信号的q 值。然后借助上述参数以及其他类似参数就 可以实现功率均衡、波长锁定、长期监测以及故障识别等其他功能。 由于o p m 直接对物理层监测，所需要的o p m 技术依赖于网络物理层的设 计，而且不同的o p m 参数需要不同的监测技术。根据o p m 监测性能参数的常 用指标以及参考项目任务书的要求，下面列出了本论文所要讨论的0 p m 监测技 术指标： 工作波段：0 p m 可以工作的波长范围，在此为：1 5 3 0 n m 1 5 6 0 n m 信道光功率( c h a n n e lp o w e r ) ： 每个信道的光功率必须准确测量，这样才能知道系统中每个信道是否正常的 9 华东师范大学硕士学位论文光网络性能监测仪系统的设计原理 工作，反映光信号强弱大小的值即为信道的光功率。 信道波长( c h a n n e lw a v e l e n g t h ) ： 信道波长包括信道中心波长、峰值波长、中心波长偏移三个参数。d w d m 系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各 个信道的波长不同，而且对中心频率偏移有严格的规定。 信道的中心波长是d w d m 系统的一个重要测量参数。其定义为在该参考点 测得的光信号的实际中心波长，在多个参考点都需要逐信道的进行测试。 信道的中心波长偏移定义为信道实际的中心波长与信道中心波长标称值的 差值。如对于信道间隔为5 0 g h z 的d w d m 系统而言，每个信道的波长偏移应 不超过0 0 5 n m 。相邻两个信道如果波长偏移过大，就会造成信道间的串扰过大， 即一个信道的脉冲边带串到另一个信道的脉冲边带上，使被串信道的信号光特性 和功率发生变化，造成系统o s n r 下降，产生误码，影响传输特性。 峰值波长与中心波长的意义不同，峰值波长定义为测试中输入和输出之间损 耗最小的波长。而中心波长则是一个波段边缘的平均值。波段边缘就是低于中心 波长功率l d b 处对应的波长点。本项目主要考察信道的中心波长。 光信噪比( o s n r ) ： 光放大器使d w d m 系统的重要组成部分，但是伴随着放大信号存在有a s e 噪声，即信号是叠加在a s e 噪声之上的。因此单纯测量每个信道信号的光功率 并不能完全反映系统的工作情况。而且由于系统本身的光信号相对较弱，对弱光 进行检测的时候，a s e 噪声对光谱信号的影响会很大的。所以仅仅用光功率不 能反映系统的真实测量情况的，在d w d m 系统中就产生了o s n r 的概念。 每信道信号的o s n r 定义为信道内的信号功率与噪声功率的比值，即 o s n r = s n 。s 与n 均在有效光功率带宽内测量，是在光有效带宽为0 1 r i m 内光 信号功率和噪声功率的比值。光功率一般是以光学系统的滤波器带宽为光学参考 带宽而测得的信号总功率，噪声功率一般取两相邻信道中间位置功率的平均值。 o s n r 是一个重要的参数，对估算和测量系统的误码性能，进行工程设计和维护 有着十分重要的意义。不同信道的光功率水平和噪声水平都不同，故o s n r 的 比值也会不同，因此o s n r 需要逐个信道进行测试。 波长预警值分辨率： 待测光信号中心波长与r r u - t 的标准波长进行对比，相应波长与标准波长的 误差值上限为5 0 p m ，若超出5 0 p m ，则o p m 不能分辨该波长的频段范围了，即 超出预警值的分辨率，那么o p m 系统会发出预警信息。 功率预警值分辨率： 光信号功率没有统一的标准，用户可自己定义其测量的光功率水平。当 华东师范大学硕士学位论文光网络性能监测仪系统的设计原理 d w d m 信号不正常工作时，其功率值发生变化，与标准值的相对值不能超过 0 1 d b ，否则o p m 系统会显示预警，也就是功率预警值的分辨率为0 1 d b 。 光信噪比预警值分辨率： 同上面的标准，取该标准的功率水平作为信号的功率值，测得噪声功率水平 之后便可计算光信噪比了，以此作为标准的光信噪比值，一旦噪声的影响很大， 测量值与标准值的相对值超过0 2 d b ，o p m 系统会发出预警信息，即光信噪比预 警值分辨率为0 2 d b 。 2 4 光网络性能监测仪的工作原理以及实现目标 2 4 1o p m 的工作原理框图 、* ，n ，* 一m * * - 。”y “一一。4 5 4 + 、一 图2 0 p m 工作原理图 光路盒中的f b g l 、f b g 2 和l e d 宽带光源耦合产生两个参考基准波长，参 考波长和d w d m 信号耦合是用来接入待测信号并且校准波长非线性的。由于不 同波长的光信号在空间上是叠加在一起的，因此用s c a n n e r 转镜将不同波长在空 间上分开来，以便分析不同信道对应的波长信号参数变化状况，从而监测d w d m 信号的性能。 光路盒出来的信号通过光纤接入电路中，经由光电转换电路将光功率信号变 成电流信号，然后再由对数放大电路实现电流电压变换并且将电压信号放大到 和后续采集电路匹配的电压范围之内。a d 采集电路将模拟量变为数字量送入计 算机处理，完成一系列的数学运算之后，保存电路的原始数据，然后l a b v i e w 华东师范丈学硕士学位论文 光网络性能监测仪系统的设计原理 可以读取数据，以便进行信号处理的算法编译，最终将会实现整个o p m 系统光 功率与中心波长关系曲线的动态实时显示以及在表格中显示待测信号波长、功 率、a s e 噪声、光信噪比、波长预警值、功率预警值、光信噪比预警值这些参 数的定量描述值。 2 4 2o p m 最终要实现的目标 1 ) 作为测试仪器，0 p m 既可以用在城域网中又可以用在长途骨干网中，适 用于1 5 3 0 1 5 6 2 n m 的波长范围，这些波段可以传输成百上千个独立的信道； 2 ) o p m 测试仪可以独立的在终端调用和查阅数据，也可以实时报告链路运 行状况； 3 ) 用户可设置3 级的波长预警值、功率预警值、光信噪比预警值。即o p m 所监测的d w d m 信号参数在正常工作时显示安全模式，接近预警值时给予提醒， 超过预警值时发出相应的预警信号； 4 ) o p m 监测d w d m 网络所得的数据，用户可以