网络中的光频谱分析仪

近期，多个高带宽网络进行了升级，引入了可重构光分插复用器（ROADM），以提高效率和灵活性。ROADM 允许网络远程调整高速链路上丢包或加包的波长数量，从而优化带宽——例如，在不需要带宽时不丢包。

ROADM 的核心是波长选择开关 (WSS)，它用于将任何波长重定向到任何方向；WSS 的运行独立于颜色、方向和冲突。虽然这确实提供了网络灵活性、可扩展性和安全性，但也改变了测试规则。

接收机的功能是为解调器提供从接收到的光信号中提取出的最纯净的电信号。为了确定信号在密集波分复用器 (DWDM) 系统中传输的质量，需要使用光频谱分析仪 (OSA) 来测量该信号的光信噪比 (OSNR)。OSA 可以表征每个信道在接收机处的峰值功率与噪声基底之间的“余量”；该值指示接收信号的可读性，随着远距离应用对传输极限的要求越来越高，这一参数的重要性也日益凸显。

OSNR 是信号（或有效信息）与背景噪声的比值。OSNR 提供有关误码率 (BER) 的间接信息，因此它是从测量频谱中获得的最有用的参数，这也是为什么它被列为 ITU-T G.692 建议书和 ITU-T G.959.1 建议书中的接口参数的原因。

常规OSNR测量方法

根据IEC-61280-2-9标准，确定光信噪比(OSNR)的传统方法是插值法。该方法要求测量两个峰值中间点的噪声水平，并进行线性插值。然后可以估计峰值以下的噪声，并计算OSNR。

该方法做出了两个假设，这两个假设对于非下一代网络是准确的：首先，它假设这种噪声在分析频带内是平坦的；其次，它假设通道之间的信号实际上会下降到噪声水平。

假设1：平坦噪声

ROADM 的示意图如下所示。ROADM 通常放置在重要节点上，由于它取代了路由器，因此 ROADM 本身不进行信号再生。所以，需要使用光线路放大器来增强信号，然后再将其送入 ROADM。之后，WSS 用于在任何给定时间选择哪个波长的信号发送到哪个节点。

宽带信号（例如任何放大器的放大自发辐射噪声）经过任何 WSS 后会被滤波，输出或多或少是滤波器（或经过多个 ROADM 后的级联滤波器）的图像。

显然，在这种情况下，噪声平坦的假设并不成立。因此，使用插值法会低估噪声水平，导致对性能的错误评估，从而造成一种虚假的安全感。

以下图中的通道 13 为例，使用插值法的传统 OSA 会将噪声测量到红色条形所示的位置，而实际噪声位于蓝色条形所示的位置。OSNR 值并没有测量值和感知值那么高，因此必须在噪声显著的位置进行测量，即在峰值以下的位置，这被称为带内 OSNR。

假设2：达到信道间的噪声水平

更快的比特率（例如 40 Gbit/s）的出现带来了更加复杂和宽广的频谱形状，如下图所示：

为了尽可能获得更大的带宽，由于大多数长途和城域网络已经为 50 GHz 信道间隔做好准备，因此在处理更高速率时也需要保持这一间隔。这意味着光信号之间的间隔很小，并且可能存在重叠，从而掩盖了它们之间的噪声基线。

使用插值法会导致噪声水平被高估，这反过来会表明性能不如实际那么好，并且网络存在问题。

以下图中的通道 73 和 74 为例，使用插值法的传统 OSA 会将噪声测量到红色条形所示的位置，而实际噪声位于蓝色条形所示的位置。在这种情况下，OSNR 高于测量值和感知值。如前所述，噪声必须在其显著的位置进行测量，即在峰值以下，这被称为带内 OSNR。

应对混合

一个复杂的下一代网络很可能同时包含 10 Gbit/s 和 40 Gbit/s 的信号，所有信号都通过级联的 ROADM 进行传输，因此上述两种情况/假设都适用。以下是一个示例：

第一个高亮区域（包含前 10 个信道）对应于 10 Gbit/s 的传输条件，此时噪声基底清晰可见，但噪声显然并不平坦（1545 nm 之前的波段证明了这一点）。下面高亮显示的是传统 OSA 可能犯的错误：

频道号 插值 OSNR

(dB) 真实 OSNR

(dB) 误差

（dB）

1 24.09 21.27 2.82

2 23.28 22.57 0.71

3 22.84 21.93 0.91

4 22.80 20.65 2.15

5 22.41 19.90 2.51

6 22.00 19.34 2.66

7 22.48 19.28 3.20

8 23.08 19.79 3.29

9 23.14 20.40 2.74

10 23.92 20.49 3.43

第二个突出显示的区域，从 11 频道到 22 频道，揭示了另一个问题：较大的信号掩盖了噪声线（以及噪声不平坦的事实）：

频道号 插值 OSNR

(dB) 真实 OSNR

(dB) 误差

（dB）

11 14.98 17.73 -2.75

12 14.32 16.65 -2.33

13 14.44 17.93 -3.49

14 13.4 18.1 -4.70

15 15.28 19.12 -3.84

16 14.63 18.1 -3.47

17 14.85 17.49 -2.64

18 14.55 18.55 -4.00

19 13.4 17.63 -4.23

20 13.63 17.79 -4.16

21 15.06 18.39 -3.33

22 17.69 20.35 -2.66

因此，无论您目前拥有或计划部署何种类型的下一代网络，只要它包含 ROADM 或 40 Gbit/s 及更高速率的调制方式，任何传统的 OSA 都无法提供准确的测量结果。正因如此，基于混合检测技术的下一代 OSA 才能用于精确的带内 OSNR 测量。