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本文作者：賴(lài)俊森楊?lèi)?ài)英孫雨南作者單位：北京理工大學(xué)光電學(xué)院

異步延遲采樣（ADS）

ADS通過(guò)加入延遲線(xiàn)對(duì)光信號(hào)在一個(gè)比特周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，獲取信號(hào)的相圖［10］，即二維幅度直方圖，并進(jìn)行傳輸損傷分析。采用ADS技術(shù)的OPM模塊結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，待測(cè)的WDM光信號(hào)以帶寬為1nm的光帶通濾波器（BPF）進(jìn)行選通，濾除相鄰信道光信號(hào)功率，但不影響選通信道的被監(jiān)測(cè)光信號(hào)的波形狀態(tài)；光電探測(cè)器（PD）輸出電信號(hào)經(jīng)帶寬為0．8倍信號(hào)符號(hào)率的低通電濾波器（LPF）消除帶外噪聲干擾；再進(jìn)行3dB分路，一路以可調(diào)電延遲線(xiàn)（VDL）引入Δt延遲；最后以外部圖1ADS原理。（a）ADS光性能監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖；（b）10Gb／sNRZ－OOK半比特ADS示意圖Fig．1PrincipleofADS．（a）StructureofthedelaytapsamplingOPMmonitor；（b）halfbitdelaytapsamplingof10Gb／sNRZ－OOK時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的低采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)兩路電信號(hào)進(jìn)行采樣并對(duì)采樣后數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。以10Gb／sNRZ－OOK信號(hào)為例說(shuō)明半比特ADS原理，如圖1（b）所示。其中Tb＝100ps為信號(hào)比特周期；以可調(diào)電延遲線(xiàn)設(shè)定3dB分路之后的一路電信號(hào)延遲時(shí)間為Δt＝50ps，即半比特延遲；如采用80MSPS的14－bit分辨率雙輸入ADC，例如AD9644，進(jìn)行異步降頻采樣，則采樣周期Ts＝12．5ns，Ts與Tb無(wú)關(guān)，且TsTb；雙路ADC的每次采樣包含兩個(gè)采樣點(diǎn)E（xi）和E（yi），對(duì)應(yīng)的時(shí)間差為Δt，將兩路采樣點(diǎn)進(jìn)行幅度值的歸一化，之后再以X－Y模式做二維散點(diǎn)圖可得ADS相圖。在NRZ－OOK半比特ADS相圖中，沿45°對(duì)角線(xiàn)的兩端代表0、1電平的不同組合狀態(tài)（0，0）和（1，1）；其間的過(guò)渡點(diǎn)對(duì)應(yīng)眼圖中波形的上升和下降沿，沿－45°對(duì)角線(xiàn)的最大寬度反映其斜率。ADS相圖中包含被測(cè)信號(hào)相同或相鄰比特周期間的過(guò)渡態(tài)信息，能夠反映信號(hào)波形受傳輸損傷影響的狀態(tài)，可用作OPM。

OPM仿真驗(yàn)證

對(duì)光信號(hào)速率、碼型調(diào)制格式透明，并能同時(shí)監(jiān)測(cè)多種傳輸損傷是OPM技術(shù)的核心要求。在10Gb／s及更低速率系統(tǒng)中，NRZ－OOK為代表的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM－DD）系統(tǒng)因調(diào)制和接收器件簡(jiǎn)單、成本低而占據(jù)主導(dǎo)地位。但在40Gb／s及更高速率的系統(tǒng)中，由于CD和PMD容限的降低和對(duì)頻譜效率要求的提高，NRZ－OOK調(diào)制不再適用于長(zhǎng)距離傳輸。而以相位輔助強(qiáng)度調(diào)制，如ODB，也稱(chēng)相位整形二進(jìn)制傳輸（PSBT）和相位調(diào)制，如RZ－DPSK等為代表的先進(jìn)調(diào)制格式由于損傷閾值高、頻譜效率高而受到重視［20］。以上述三種碼型調(diào)制格式為監(jiān)測(cè)對(duì)象，基于OptiSIM4．0商業(yè)仿真軟件平臺(tái)構(gòu)建采用ADS和ANN技術(shù)的OPM仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證所提出方案的透明性和損傷參數(shù)集總監(jiān)測(cè)能力。

110Gb／sNRZ－OOK

10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3（a）所示，1550nm連續(xù)光源（CW）經(jīng)工作于正交傳輸點(diǎn)的無(wú)啁啾馬赫－曾德?tīng)栒{(diào)制器（MZM）進(jìn)行外調(diào)制產(chǎn)生NRZ信號(hào)，數(shù)據(jù)源為10Gb／s偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS），其序列長(zhǎng)度為27－1。級(jí)聯(lián)的摻鉺光纖放大器（EDFA）和可調(diào)光衰減器（VOA）用于調(diào)整系統(tǒng)的OSNR值，通過(guò)設(shè)置不同單模光纖（SMF）的傳輸距離和CD、PMD系數(shù)來(lái)模擬不同程度的CD和DGD傳輸損傷，入纖光功率保持為0以消除非線(xiàn)性效應(yīng)影響。包含損傷的光信號(hào)一部分經(jīng)PD光電轉(zhuǎn)換后以示波器（OSC）顯示眼圖作為參考，另一部分經(jīng)ADS監(jiān)測(cè)器進(jìn)行Δt＝50ps，即半比特延遲采樣和數(shù)據(jù)采集，最后通過(guò)提取相圖特征參量對(duì)ANN模型進(jìn)行多損傷監(jiān)測(cè)的訓(xùn)練和測(cè)試。光通信性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖中的細(xì)實(shí)線(xiàn)代表電路連接，粗實(shí)線(xiàn)代表光路，而虛線(xiàn)代表信號(hào)數(shù)據(jù)，下同。NRZ信號(hào)在不同損傷條件下的眼圖與相圖如圖3（b）所示，OSNR導(dǎo)致信號(hào)1電平和過(guò)渡點(diǎn)幅度分布展寬；CD和DGD均導(dǎo)致信號(hào)時(shí)域展寬，但CD導(dǎo)致信號(hào)消光比降低，相圖點(diǎn)沿45°對(duì)角線(xiàn)外擴(kuò)，而DGD導(dǎo)致信號(hào)波形三角化，相圖出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性。根據(jù)不同損傷參數(shù)特點(diǎn)，提取相圖特征參數(shù)，其中珡m和σm分別為相圖采樣點(diǎn)到原點(diǎn)距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；珋θ為相圖采樣點(diǎn)角度平均值；Qd＝（μ1－μ0）／（σ1＋σ0）類(lèi)似眼圖中Q值的定義，以相圖中沿45°對(duì)角線(xiàn)上采樣點(diǎn)區(qū)分0、1電平，求其均值和標(biāo)準(zhǔn)差得對(duì)角線(xiàn)Q值。以上述4個(gè)參數(shù)構(gòu)成如圖3（c）所示ANN模型的輸入向量，OSNR，CD，DGD參數(shù)構(gòu)成輸出向量，MLP－3包含26個(gè)隱元，采用擬牛頓（Quasi－Newton）算法作為訓(xùn)練算法，ANN的訓(xùn)練使用張齊軍教授開(kāi)發(fā)的NeuroModeler軟件包。為了驗(yàn)證ANN模型監(jiān)測(cè)傳輸損傷的性能，以125組不同損傷條件下相圖參數(shù)構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中OSNR分別為40，36，32，28，24dB；CD分別為0，200，400，600，800ps／nm；DGD分別為0，12，24，36，48ps，對(duì)ANN進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練完成后，以另外的64組不同損傷參數(shù)，其中OSNR分別為38，34，30，26dB；CD分別為100，300，500，700ps／nm；DGD分別為6，18，30，42ps，構(gòu)成測(cè)試樣本對(duì)ANN的預(yù)測(cè)輸出進(jìn)行測(cè)試。10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，其中ANN模型在200次迭代之后的訓(xùn)練誤差Etrain＝0．008，ANN模型預(yù)測(cè)輸出與測(cè)試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝99．3％，損傷參數(shù)監(jiān)測(cè)的均方根誤差分別為EOSNR＝0．1dB，ECD＝8．34ps／nm和EDGD＝0．92ps，在監(jiān)測(cè)損傷參數(shù)的測(cè)量范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)誤差小于5％。

240Gb／sODB

40Gb／s光通信系統(tǒng)與10Gb／s系統(tǒng)相比，CD容限減小16倍，PMD容限減小4倍，NRZ－OOK調(diào)制的無(wú)電中繼再生可傳輸距離大大縮短。ODB調(diào)制格式采用三電平調(diào)制，非連續(xù)的相鄰1電平之間相位相差π，在CD、PMD或?yàn)V波器效應(yīng)引入波形展寬時(shí)，產(chǎn)生干涉相消，使0電平保持低電位，從而大幅提高其對(duì)色散損傷的閾值，而且其頻譜較NRZ－OOK調(diào)制更窄，有利于窄信道間隔的WDM傳輸［20］。同時(shí)，ODB調(diào)制格式只需改動(dòng)發(fā)射機(jī)，而接收機(jī)不變，在性能和復(fù)雜度之間實(shí)現(xiàn)折中。40Gb／sODB光性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5（a）所示，信號(hào)源產(chǎn)生40Gb／sPRBS，其序列長(zhǎng)度為27－1，首先進(jìn)行雙二進(jìn)制預(yù)編碼，之后經(jīng)帶寬為10GHZ的低通濾波器產(chǎn)生三電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在工作于傳輸零點(diǎn)的MZM中對(duì)1550nm的CW光源進(jìn)行外調(diào)制得ODB信號(hào)，入纖功率保持為0，消除非線(xiàn)性效應(yīng)影響。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與眼圖監(jiān)測(cè)部分與4．1中相同，ADS監(jiān)測(cè)器的延遲為半比特，即Δt＝12．5ps。不同損傷條件下的ODB信號(hào)眼圖與ADS相圖如圖5（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致0、1電平和過(guò)渡點(diǎn)幅度值均勻展寬；CD導(dǎo)致波形三角化，相圖中第3象限采樣點(diǎn)外擴(kuò)；DGD導(dǎo)致波形斜率降低，消光比減小，相圖點(diǎn)沿對(duì)角線(xiàn)方向閉合。根據(jù)相圖變化特點(diǎn)提取特征參數(shù)，其中珡m、σm、珋θ和Qd與4．1中相同，σm3為相圖第3象限采樣點(diǎn)到原點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)差。以相圖特征參數(shù)為輸入向量，監(jiān)測(cè)損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖5（c）所示，采用擬牛頓訓(xùn)練算法，隱元數(shù)目為32個(gè)。以125組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中有OSNR分別為42，38，34，30，26dB；CD分別為0，40，80，120，160ps／nm；DGD分別為0，4，8，12，16ps，對(duì)ANN進(jìn)行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測(cè)試樣本對(duì)訓(xùn)練完成的ANN模型進(jìn)行預(yù)測(cè)輸出的檢驗(yàn)，其中有OSNR分別為40，36，32，28dB；CD分別為20，60，100，140ps／nm；DGD分別為2，6，10，14ps。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．031，預(yù)測(cè)輸出與測(cè)試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝97．6％，損傷監(jiān)測(cè)均方根誤差為EOSNR＝0．72dB，ECD＝3．24ps／nm和EDGD＝0．49ps，測(cè)量范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)誤差小于5％。

340Gb／sRZ－DPSK

在RZ－DPSK調(diào)制格式中，由于采用了平衡光電探測(cè)（BPD），其達(dá)到相同誤碼率所需的OSNR值要求比OOK調(diào)制格式要低3dB，即接收機(jī)靈敏度提高一倍。對(duì)于受到光放大器自發(fā)輻射噪聲限制的長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)而言，使用RZ－DPSK調(diào)制可使無(wú)電再生中繼可傳輸距離增加一倍，2003年以后的陸基和海纜長(zhǎng)距大容量光通信系統(tǒng)中，DPSK和差分四相移鍵控（DQPSK）調(diào)制逐漸取代OOK而成為主流［21］。40Gb／sRZ－DPSK光性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7（a）所示，序列長(zhǎng)度為27－1的40Gb／sPRBS經(jīng)差分預(yù)編碼后在工作于傳輸零點(diǎn)的MZM1中對(duì)CW光源進(jìn)行相位信息加載，再采用40GHz正弦時(shí)鐘信號(hào)在工作于正交傳輸點(diǎn)的MZM2中進(jìn)行RZ碼型調(diào)制，最終獲得50％占空比的RZ－DPSK信號(hào)。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與4．1中相同，在加入傳輸損傷之后，部分光信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲干涉儀（DLI）解調(diào)和BPD平衡探測(cè)后，在OSC1中顯示解調(diào)信號(hào)眼圖；部分光信號(hào)直接PD檢測(cè)，在OSC2中顯示線(xiàn)路傳輸眼圖；部分光信號(hào)進(jìn)入ADS監(jiān)測(cè)器，其延遲量設(shè)置為1bit，即Δt＝25ps。不同損傷條件下的RZ－DPSK信號(hào)的解調(diào)后眼圖、線(xiàn)路傳輸傳輸眼圖和ADS相圖如圖7（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致信號(hào)波形和相圖點(diǎn)幅度值的展寬；CD導(dǎo)致波形幅度值和消光比降低，相圖點(diǎn)局部外擴(kuò)；DGD導(dǎo)致兩偏振態(tài)的信號(hào)產(chǎn)生相位差，在PD檢測(cè)中干涉相消，使信號(hào)波形幅度值降低，相圖點(diǎn)沿對(duì)角線(xiàn)方向縮短。根據(jù)相圖變化的特點(diǎn)，提取與傳輸損傷變化有關(guān)的特征參量，其中珡m和σm與4．1中相同，珋θhalf為相圖45°對(duì)角線(xiàn)以上采樣點(diǎn)到原點(diǎn)的角度平均值，σθ為全部采樣點(diǎn)到原點(diǎn)角度值的標(biāo)準(zhǔn)差，M為采樣點(diǎn)到原點(diǎn)幅度最大值與最小值之差。以上述特征參數(shù)為輸入向量，損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖7（c）所示，隱元數(shù)目為30，采用擬牛頓訓(xùn)練算法。以125組傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，包括OSNR分別為36，32，28，24，20dB；CD分別為0，12，24，36，48ps／nm；DGD分別為0，3，6，9，12ps，對(duì)ANN進(jìn)行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測(cè)試樣本對(duì)訓(xùn)練完成的ANN模型進(jìn)行預(yù)測(cè)輸出的檢驗(yàn)，包括OSNR分別為34，30，26，22dB；CD分別為6，18，30，42ps／nm；DGD分別為1．5，4．5，7．5，10．5ps。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．06，預(yù)測(cè)輸出與測(cè)試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝95．8％，監(jiān)測(cè)均方根誤差為EOSNR＝0．15dB、ECD＝1．74ps／nm和EDGD＝0．61ps，測(cè)量范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)誤差小于5％。

結(jié)論

通過(guò)將異步延遲采樣相圖分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練相結(jié)合，提出了一種能夠?qū)Χ喾N傳輸損傷參數(shù)進(jìn)行集總監(jiān)測(cè)的光性能監(jiān)測(cè)方法。該方法通過(guò)對(duì)高速光信號(hào)進(jìn)行異步延遲采樣，并構(gòu)造相圖來(lái)反映多種信道傳輸損傷，再結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)算法對(duì)不同損傷的特征進(jìn)行提取和訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)多損傷參數(shù)的集總監(jiān)測(cè)。構(gòu)建了10Gb／sNRZ－OOK（IM－DD），40Gb／sODB（多電平調(diào)制）和RZ－DPSK（相位調(diào)制）三種光通信性能監(jiān)測(cè)仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該方法對(duì)于多種信號(hào)速率和多種碼型調(diào)制格式的監(jiān)測(cè)具有透明性，并具有對(duì)以及多種傳輸損傷的集總監(jiān)測(cè)能力；同時(shí)具有電信號(hào)處理帶寬要求低，損傷監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。該方法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可在光傳輸網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式和非侵入式的光纖通信性能的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。