華 鋒，武成賓（中興通訊股份有限公司，北京100191）

0 前言

移動通信正在深刻地改變?nèi)藗兊纳睿瑸榱藨?yīng)對爆炸性的移動數(shù)據(jù)流量增長、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，4G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球得到規(guī)模部署，而且從2015 年開始，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線技術(shù)正在成為新一輪的研究熱點。

隨著4G 無線應(yīng)用的普及和快速發(fā)展，帶寬快速增長，LTE 的接入帶寬需求更高，且覆蓋密度更大，這些需求對前傳網(wǎng)絡(luò)提出了更高的需求。前傳網(wǎng)絡(luò)重點解決BBU 和RRU 的傳輸問題，而ITU-T SG15 正在制定的國際標(biāo)準(zhǔn)G.metro 正是瞄準(zhǔn)解決這一問題。G.metro正在成為前傳網(wǎng)絡(luò)的熱點技術(shù)，而調(diào)頂技術(shù)是實現(xiàn)G.metro 系統(tǒng)TEE波長自動調(diào)諧的主要方案。

1 調(diào)頂技術(shù)的原理和應(yīng)用

調(diào)頂信號有時也叫導(dǎo)頻音、低頻微擾信號、過調(diào)制信號等，是指通過調(diào)頂?shù)姆绞絹砩梢粋€低速的光隨路信號，并加載在波長通道的主信號上，用于實現(xiàn)波長的監(jiān)控以及傳輸光隨路開銷等。調(diào)頂信號具有全光性和與系統(tǒng)光信號的天然捆綁性，因此有時也被稱為波長標(biāo)簽、光標(biāo)識、光標(biāo)記等。

所謂調(diào)頂，是指在發(fā)射機端的光信號上，疊加一個小幅度的低頻幅度調(diào)制作為標(biāo)識，在光信號上疊加的調(diào)頂信號一般采用正弦信號，如圖1 所示。與其他光隨路信號產(chǎn)生方法相比，由于調(diào)頂信號加在信息通道的低頻端，因此降低了在系統(tǒng)中應(yīng)用調(diào)頂技術(shù)的復(fù)雜度和成本，也避免了對系統(tǒng)信號碼率的限制。

圖1 調(diào)頂示意圖

關(guān)于調(diào)頂信號的應(yīng)用在業(yè)界早有研究。1993 年英國BT 實驗室等多家單位提出了利用調(diào)頂信號實現(xiàn)波分復(fù)用系統(tǒng)中故障管理所需的波長通道的確認(rèn)和功率管理［1］。1994年加拿大Nortel公司的Kim B.Roberts申請的專利［2］提出了一種監(jiān)測光放大器性能的方法，即監(jiān)測已知調(diào)制深度的調(diào)頂信號，實現(xiàn)光放大器的信號和噪聲分量的預(yù)估。1996 年美國貝爾實驗室的Fred Heismann 等人在ECOC’96 會議上發(fā)表的論文公開了一種波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在線式波長路由跟蹤的方案［3］，在光網(wǎng)絡(luò)中的任意站點監(jiān)測調(diào)頂信號，可以獲知全網(wǎng)的波長路由信息。在我國的標(biāo)準(zhǔn)《可重構(gòu)的光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備技術(shù)要求》中提到的ROADM系統(tǒng)中的純光層的波長蹤跡解決方案也可通過調(diào)頂技術(shù)來實現(xiàn)［4］。

調(diào)頂信號可用低成本的方法實現(xiàn)［5］，加載在波分復(fù)用系統(tǒng)光發(fā)送端的波長信號上，每個波長上疊加不同頻率的調(diào)頂信號，則在接收端可以通過檢測調(diào)頂信號的頻率獲取波長信息。同時因為在發(fā)送端疊加的調(diào)頂信號具有特定的調(diào)制深度，即調(diào)頂信號與波長信號的分量比是恒定的，因此可以通過檢測調(diào)頂信號的功率檢測出對應(yīng)波長信號的功率。波長跟蹤和光功率監(jiān)測是調(diào)頂信號在波分復(fù)用系統(tǒng)中的基本應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上，在波分復(fù)用系統(tǒng)中比較重要的OSNR 性能監(jiān)測［6-8］和光放大器增益控制［9］等應(yīng)用，也可以用調(diào)頂技術(shù)來實現(xiàn)［10-12］。此外，對調(diào)頂信號進(jìn)行幅移鍵控、頻率或者相移鍵控的方法進(jìn)行數(shù)字編碼，也可以傳遞簡單的隨路開銷的信道［13-14］。由于調(diào)頂信號處在低頻端，利用調(diào)頂信號所形成的監(jiān)視信道的容量就不會非常高，通常在kbit/s 的水平，這對于復(fù)雜的網(wǎng)管開銷可能是不夠的，但如果只是用來做波長路由標(biāo)記等簡單開銷的話，還是綽綽有余的。

2 調(diào)頂信號的設(shè)計和實現(xiàn)

由于調(diào)頂信號是在信息通道的頻帶內(nèi)，不可避免地會發(fā)生信息通道對調(diào)頂信號的干擾。因此對于調(diào)頂信號的頻率和調(diào)制深度的選擇，既要考慮光通信系統(tǒng)的性能不因為疊加了調(diào)頂信號而引起不能接受的劣化；同時又要考慮到調(diào)頂信號可以在光通信系統(tǒng)中透傳，并能被正確接收。

一般來說，在選擇調(diào)頂信號的頻率時，首先是將調(diào)頂信號的頻率定得足夠低，使得調(diào)頂信號不會對信息通道產(chǎn)生明顯的干擾。因為信息碼率通常是Gbit/s水平的，而且由于擾碼系統(tǒng)的作用，其低頻分量很少，因此一般選擇調(diào)頂信號的頻率小于1 MHz。同時，在含光放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號的頻率必須足夠高，以便能夠?qū)ο到y(tǒng)中的光放大器透明，當(dāng)放大器是EDFA 類型時更是如此。當(dāng)調(diào)頂信號的頻率過低時，EDFA 會平滑其放大的信號，導(dǎo)致調(diào)頂信號無法被正確接收。因此為了使調(diào)頂信號能夠通過EDFA 傳輸，一般會選擇調(diào)頂信號的頻率大于10 kHz。此外，調(diào)頂信號的頻率太低也是有害的，因為在WDM+EDFA 系統(tǒng)中，由于EDFA的非線性作用，不同信息通道間的調(diào)頂信號會產(chǎn)生串?dāng)_。因此，在WDM+EDFA 系統(tǒng)中，通常調(diào)頂信號所選用的低頻頻率范圍為10 kHz～1 MHz。

調(diào)頂信號的調(diào)制深度簡稱調(diào)頂深度，是調(diào)頂信號光功率調(diào)制幅度的峰峰值與“1”碼平均光功率之比，即

式中：

m——調(diào)頂深度

Pt（1）——調(diào)頂信號“1”碼光功率

Pt（0）——調(diào)頂信號“0”碼光功率

P（1）——信號的“1”碼平均光功率

確定合適的調(diào)頂深度m對調(diào)頂技術(shù)在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的意義，因為調(diào)頂深度m太小會影響調(diào)頂信號的準(zhǔn)確檢測；而調(diào)頂深度m太大會對系統(tǒng)的性能造成較大的影響。在參考文獻(xiàn)［15］中，通過實測發(fā)現(xiàn)在2.5G波分復(fù)用系統(tǒng)中，在誤碼率1×10-12的情況下，調(diào)頂深度小于5%時，調(diào)頂對系統(tǒng)接收機靈敏度的影響小于0.5 dB；當(dāng)調(diào)頂深度達(dá)到13%時，系統(tǒng)接收機的靈敏度下降達(dá)到1 dB。因此，波分復(fù)用光傳輸系統(tǒng)的調(diào)頂深度一般選取范圍為1%～15%。

3 調(diào)頂信號對光通信系統(tǒng)性能影響的測試

圖2 4波10G系統(tǒng)調(diào)頂信號測試框圖

為了評估調(diào)頂信號對于10G波分復(fù)用系統(tǒng)的性能影響，搭建4 波長強度調(diào)制10G 測試系統(tǒng)，如圖2 所示。圖2中，在系統(tǒng)的發(fā)送端，共有4個光模塊，輸出波長分別是194.0、194.05、194.1和194.15 THz，在這4個波長上分別疊加了頻率為190.4、192.4、188.5 和186.5 kHz的4個調(diào)頂信號，調(diào)制深度約為5%。

圖2所示測試系統(tǒng)中，改變其中的波長1上疊加的調(diào)頂信號的調(diào)制深度，測試不同調(diào)制深度的調(diào)頂信號對系統(tǒng)性能的影響，測試結(jié)果如圖3 所示。在誤碼率為1×10-4的情況下，調(diào)頂深度由m=0增加到m=6%時，導(dǎo)致的OSNR 代價小于0.1 dB，幾乎可忽略不計；當(dāng)m增加到11%時，OSNR代價約為0.2 dB；當(dāng)m為15%時，OSNR代價約為0.4 dB；當(dāng)m增加到22.5%時，OSNR代價約為0.8 dB。可見，隨著調(diào)頂信號調(diào)制深度的增加，所導(dǎo)致的系統(tǒng)OSNR代價也在不斷增加。

圖2所示測試系統(tǒng)中，分別測試4個波長在添加調(diào)頂信號前后的系統(tǒng)OSNR，在BER=1×10-4時，系統(tǒng)中疊加調(diào)頂信號所導(dǎo)致的OSNR代價小于0.3 dB，如圖4所示。

在圖2 所示的測試系統(tǒng)中，將系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的光模塊更換成100G PM-DQPSK 光模塊，調(diào)頂信號頻率不變，改變波長1 上所疊加調(diào)頂信號的調(diào)制深度，測試系統(tǒng)OSNR 變化，測試結(jié)果見圖5。當(dāng)調(diào)制深度從0 變化到15%時，所導(dǎo)致的100G 系統(tǒng)OSNR 代價很小，幾乎可忽略不計。之所以調(diào)頂信號對100G波分系統(tǒng)的性能影響比對10G 系統(tǒng)的要小，應(yīng)該是因為100G系統(tǒng)的波分信號是相位調(diào)制信號，對于調(diào)頂信號所導(dǎo)致的光信號強度變化不敏感。

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，在10G波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號的調(diào)制深度控制在15%以內(nèi)時，其導(dǎo)致的10G 系統(tǒng)的OSNR 代價小于0.5 dB，而因為100G 系統(tǒng)采用相位調(diào)制，調(diào)頂信號所導(dǎo)致的系統(tǒng)性能劣化更小。

圖3 調(diào)頂深度對10G系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié)束語

在城域波分復(fù)用系統(tǒng)中，調(diào)頂信號除了可實現(xiàn)TEE波長自動調(diào)諧之外，還可用于實現(xiàn)功率檢測、隨路開銷承載等多種有用的功能。調(diào)頂信號可用于短距離和含光放大器的長距系統(tǒng)，以及10G 系統(tǒng)和更高速的100G 系統(tǒng)，能滿足G.metro 系統(tǒng)的后續(xù)升級需求。G.metro作為前傳網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)，隨著4G、5G時代的到來，未來會得到大規(guī)模的應(yīng)用。

圖4 10G系統(tǒng)的2波長通道添加調(diào)頂信號前后的性能

圖5 調(diào)頂信號調(diào)制深度對100G系統(tǒng)性能的影響

［1］ G.R.Hill，P.J.Chidgey，F(xiàn).Kaufhold，et，al. A transport network layer based on optical network elements［J］.Journal of Lightwave Technol?ogy，1993，11（5/6）：667-679.

［2］ Kim B.Roberts.Method and apparatus for monitoring performance of optical transmission：US，US5513029［P］.1996-04-30.

［3］ Heismann. Signal Tracking and Performance Monitoring in Multi-Wavelength Optical Networks［C］.22nd European Conference on Op?tical Communication—ECOC'96，1996：47-50.

［4］ YD/T 2003-2009 可重構(gòu)的光分插復(fù)用（ROADM）設(shè)備技術(shù)要求［S］.北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2009.

［5］ 一種光標(biāo)簽的實現(xiàn)方法和系統(tǒng)：中國，CN201110136893.9［P］.2011-09-21.

［6］ David Dahan，Uri Mahlab，David Levy. Stimulated Brillouin scatter?ing based in- band OSNR monitoring technique for 40Gbps and 100Gbps optical transparent networks［J］. Optics Express，2010，（18）15：15769-15783.

［7］ E.Flood，W.H.Guo，D.Reid，et，al.Donegan，In-band OSNR monitor?ing using a pair of Michelson fiber interferometers Optics Express［J］.2010，18（4）：3618-3625.

［8］ Pittala F.，Hauske F.N.，Ye Y.，et，al. Joint PDL and in-band OSNR monitoring supported by data-aided channel estimation［C］//Optical Fiber Communication Conference and Exposition（OFC/NFOEC），2012 and the National Fiber Optic Engineers Conference Publica?tion，2012：1-3.

［9］ Pittala F.，Hauske F.N.，Ye Y.，et al.一種光傳輸系統(tǒng)中光放大器增益控制的方法及裝置：中國，CN200710175232.0［P］. 2008-03-12.

［10］鄒紅兵，朱曉宇，鄧雪松.一種實現(xiàn)高速DWDM系統(tǒng)中OSNR監(jiān)測的方法和裝置：中國，CN201210420998.1［P］.2013-02-27.

［11］劉征，沈百林.波分復(fù)用系統(tǒng)的光信噪比監(jiān)測裝置及方法：中國，CN201210020997.8［P］.2012-07-18.

［12］沈百林，華鋒.一種實現(xiàn)光放大器增益控制的裝置和方法：中國，CN201210023345.X［P］.2012-07-11.

［13］鄔賀銓.光纖通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展［J］.通信世界，2000（14）：12-15.

［14］張騫，石鵬.智能光網(wǎng)絡(luò)中的幾個關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機網(wǎng)絡(luò)世界，2004（3）：74-77.

［15］徐慧俊，范崇澄.調(diào)頂技術(shù)及其在波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.高技術(shù)通訊，1999（7）：20-24.