调顶信号对城域波分复用系统的影响

华 锋，武成宾（中兴通讯股份有限公司，北京100191）

0 前言

移动通信正在深刻地改变人们的生活，为了应对爆炸性的移动数据流量增长、不断涌现的各类新业务和应用场景，4G 网络已经在全球得到规模部署，而且从2015 年开始，5G 网络架构和无线技术正在成为新一轮的研究热点。

随着4G 无线应用的普及和快速发展，带宽快速增长，LTE 的接入带宽需求更高，且覆盖密度更大，这些需求对前传网络提出了更高的需求。前传网络重点解决BBU 和RRU 的传输问题，而ITU-T SG15 正在制定的国际标准G.metro 正是瞄准解决这一问题。G.metro正在成为前传网络的热点技术，而调顶技术是实现G.metro 系统TEE波长自动调谐的主要方案。

1 调顶技术的原理和应用

调顶信号有时也叫导频音、低频微扰信号、过调制信号等，是指通过调顶的方式来生成一个低速的光随路信号，并加载在波长通道的主信号上，用于实现波长的监控以及传输光随路开销等。调顶信号具有全光性和与系统光信号的天然捆绑性，因此有时也被称为波长标签、光标识、光标记等。

所谓调顶，是指在发射机端的光信号上，叠加一个小幅度的低频幅度调制作为标识，在光信号上叠加的调顶信号一般采用正弦信号，如图1 所示。与其他光随路信号产生方法相比，由于调顶信号加在信息通道的低频端，因此降低了在系统中应用调顶技术的复杂度和成本，也避免了对系统信号码率的限制。

图1 调顶示意图

关于调顶信号的应用在业界早有研究。1993 年英国BT 实验室等多家单位提出了利用调顶信号实现波分复用系统中故障管理所需的波长通道的确认和功率管理［1］。1994年加拿大Nortel公司的Kim B.Roberts申请的专利［2］提出了一种监测光放大器性能的方法，即监测已知调制深度的调顶信号，实现光放大器的信号和噪声分量的预估。1996 年美国贝尔实验室的Fred Heismann 等人在ECOC’96 会议上发表的论文公开了一种波分复用网络实现在线式波长路由跟踪的方案［3］，在光网络中的任意站点监测调顶信号，可以获知全网的波长路由信息。在我国的标准《可重构的光分插复用（ROADM）设备技术要求》中提到的ROADM系统中的纯光层的波长踪迹解决方案也可通过调顶技术来实现［4］。

调顶信号可用低成本的方法实现［5］，加载在波分复用系统光发送端的波长信号上，每个波长上叠加不同频率的调顶信号，则在接收端可以通过检测调顶信号的频率获取波长信息。同时因为在发送端叠加的调顶信号具有特定的调制深度，即调顶信号与波长信号的分量比是恒定的，因此可以通过检测调顶信号的功率检测出对应波长信号的功率。波长跟踪和光功率监测是调顶信号在波分复用系统中的基本应用，在此基础上，在波分复用系统中比较重要的OSNR 性能监测［6-8］和光放大器增益控制［9］等应用，也可以用调顶技术来实现［10-12］。此外，对调顶信号进行幅移键控、频率或者相移键控的方法进行数字编码，也可以传递简单的随路开销的信道［13-14］。由于调顶信号处在低频端，利用调顶信号所形成的监视信道的容量就不会非常高，通常在kbit/s 的水平，这对于复杂的网管开销可能是不够的，但如果只是用来做波长路由标记等简单开销的话，还是绰绰有余的。

2 调顶信号的设计和实现

由于调顶信号是在信息通道的频带内，不可避免地会发生信息通道对调顶信号的干扰。因此对于调顶信号的频率和调制深度的选择，既要考虑光通信系统的性能不因为叠加了调顶信号而引起不能接受的劣化；同时又要考虑到调顶信号可以在光通信系统中透传，并能被正确接收。

一般来说，在选择调顶信号的频率时，首先是将调顶信号的频率定得足够低，使得调顶信号不会对信息通道产生明显的干扰。因为信息码率通常是Gbit/s水平的，而且由于扰码系统的作用，其低频分量很少，因此一般选择调顶信号的频率小于1 MHz。同时，在含光放大器的波分复用系统中，调顶信号的频率必须足够高，以便能够对系统中的光放大器透明，当放大器是EDFA 类型时更是如此。当调顶信号的频率过低时，EDFA 会平滑其放大的信号，导致调顶信号无法被正确接收。因此为了使调顶信号能够通过EDFA 传输，一般会选择调顶信号的频率大于10 kHz。此外，调顶信号的频率太低也是有害的，因为在WDM+EDFA 系统中，由于EDFA的非线性作用，不同信息通道间的调顶信号会产生串扰。因此，在WDM+EDFA 系统中，通常调顶信号所选用的低频频率范围为10 kHz～1 MHz。

调顶信号的调制深度简称调顶深度，是调顶信号光功率调制幅度的峰峰值与“1”码平均光功率之比，即

式中：

m——调顶深度

Pt（1）——调顶信号“1”码光功率

Pt（0）——调顶信号“0”码光功率

P（1）——信号的“1”码平均光功率

确定合适的调顶深度m对调顶技术在波分复用系统中的应用具有重要的意义，因为调顶深度m太小会影响调顶信号的准确检测；而调顶深度m太大会对系统的性能造成较大的影响。在参考文献［15］中，通过实测发现在2.5G波分复用系统中，在误码率1×10-12的情况下，调顶深度小于5%时，调顶对系统接收机灵敏度的影响小于0.5 dB；当调顶深度达到13%时，系统接收机的灵敏度下降达到1 dB。因此，波分复用光传输系统的调顶深度一般选取范围为1%～15%。

3 调顶信号对光通信系统性能影响的测试

图2 4波10G系统调顶信号测试框图

为了评估调顶信号对于10G波分复用系统的性能影响，搭建4 波长强度调制10G 测试系统，如图2 所示。图2中，在系统的发送端，共有4个光模块，输出波长分别是194.0、194.05、194.1和194.15 THz，在这4个波长上分别叠加了频率为190.4、192.4、188.5 和186.5 kHz的4个调顶信号，调制深度约为5%。

图2所示测试系统中，改变其中的波长1上叠加的调顶信号的调制深度，测试不同调制深度的调顶信号对系统性能的影响，测试结果如图3 所示。在误码率为1×10-4的情况下，调顶深度由m=0增加到m=6%时，导致的OSNR 代价小于0.1 dB，几乎可忽略不计；当m增加到11%时，OSNR代价约为0.2 dB；当m为15%时，OSNR代价约为0.4 dB；当m增加到22.5%时，OSNR代价约为0.8 dB。可见，随着调顶信号调制深度的增加，所导致的系统OSNR代价也在不断增加。

图2所示测试系统中，分别测试4个波长在添加调顶信号前后的系统OSNR，在BER=1×10-4时，系统中叠加调顶信号所导致的OSNR代价小于0.3 dB，如图4所示。

在图2 所示的测试系统中，将系统发送端和接收端的光模块更换成100G PM-DQPSK 光模块，调顶信号频率不变，改变波长1 上所叠加调顶信号的调制深度，测试系统OSNR 变化，测试结果见图5。当调制深度从0 变化到15%时，所导致的100G 系统OSNR 代价很小，几乎可忽略不计。之所以调顶信号对100G波分系统的性能影响比对10G 系统的要小，应该是因为100G系统的波分信号是相位调制信号，对于调顶信号所导致的光信号强度变化不敏感。

根据上述实验结果可知，在10G波分复用系统中，调顶信号的调制深度控制在15%以内时，其导致的10G 系统的OSNR 代价小于0.5 dB，而因为100G 系统采用相位调制，调顶信号所导致的系统性能劣化更小。

图3 调顶深度对10G系统性能的影响

4 结束语

在城域波分复用系统中，调顶信号除了可实现TEE波长自动调谐之外，还可用于实现功率检测、随路开销承载等多种有用的功能。调顶信号可用于短距离和含光放大器的长距系统，以及10G 系统和更高速的100G 系统，能满足G.metro 系统的后续升级需求。G.metro作为前传网络的主流技术，随着4G、5G时代的到来，未来会得到大规模的应用。

图4 10G系统的2波长通道添加调顶信号前后的性能

图5 调顶信号调制深度对100G系统性能的影响

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