本文作者：赖俊森杨爱英孙雨南作者单位：北京理工大学光电学院

异步延迟采样（ADS）

ADS通过加入延迟线对光信号在一个比特周期内进行两次采样，获取信号的相图［10］，即二维幅度直方图，并进行传输损伤分析。采用ADS技术的OPM模块结构如图1（a）所示，待测的WDM光信号以带宽为1nm的光带通滤波器（BPF）进行选通，滤除相邻信道光信号功率，但不影响选通信道的被监测光信号的波形状态；光电探测器（PD）输出电信号经带宽为0．8倍信号符号率的低通电滤波器（LPF）消除带外噪声干扰；再进行3dB分路，一路以可调电延迟线（VDL）引入Δt延迟；最后以外部图1ADS原理。（a）ADS光性能监测器结构图；（b）10Gb／sNRZ－OOK半比特ADS示意图Fig．1PrincipleofADS．（a）StructureofthedelaytapsamplingOPMmonitor；（b）halfbitdelaytapsamplingof10Gb／sNRZ－OOK时钟驱动的低采样速率的模数转换器（ADC）对两路电信号进行采样并对采样后数据做进一步处理。以10Gb／sNRZ－OOK信号为例说明半比特ADS原理，如图1（b）所示。其中Tb＝100ps为信号比特周期；以可调电延迟线设定3dB分路之后的一路电信号延迟时间为Δt＝50ps，即半比特延迟；如采用80MSPS的14－bit分辨率双输入ADC，例如AD9644，进行异步降频采样，则采样周期Ts＝12．5ns，Ts与Tb无关，且TsTb；双路ADC的每次采样包含两个采样点E（xi）和E（yi），对应的时间差为Δt，将两路采样点进行幅度值的归一化，之后再以X－Y模式做二维散点图可得ADS相图。在NRZ－OOK半比特ADS相图中，沿45°对角线的两端代表0、1电平的不同组合状态（0，0）和（1，1）；其间的过渡点对应眼图中波形的上升和下降沿，沿－45°对角线的最大宽度反映其斜率。ADS相图中包含被测信号相同或相邻比特周期间的过渡态信息，能够反映信号波形受传输损伤影响的状态，可用作OPM。

OPM仿真验证

对光信号速率、码型调制格式透明，并能同时监测多种传输损伤是OPM技术的核心要求。在10Gb／s及更低速率系统中，NRZ－OOK为代表的强度调制直接检测（IM－DD）系统因调制和接收器件简单、成本低而占据主导地位。但在40Gb／s及更高速率的系统中，由于CD和PMD容限的降低和对频谱效率要求的提高，NRZ－OOK调制不再适用于长距离传输。而以相位辅助强度调制，如ODB，也称相位整形二进制传输（PSBT）和相位调制，如RZ－DPSK等为代表的先进调制格式由于损伤阈值高、频谱效率高而受到重视［20］。以上述三种码型调制格式为监测对象，基于OptiSIM4．0商业仿真软件平台构建采用ADS和ANN技术的OPM仿真系统，验证所提出方案的透明性和损伤参数集总监测能力。

110Gb／sNRZ－OOK

10Gb／sNRZ－OOK光性能监测系统如图3（a）所示，1550nm连续光源（CW）经工作于正交传输点的无啁啾马赫－曾德尔调制器（MZM）进行外调制产生NRZ信号，数据源为10Gb／s伪随机二进制序列（PRBS），其序列长度为27－1。级联的掺铒光纤放大器（EDFA）和可调光衰减器（VOA）用于调整系统的OSNR值，通过设置不同单模光纤（SMF）的传输距离和CD、PMD系数来模拟不同程度的CD和DGD传输损伤，入纤光功率保持为0以消除非线性效应影响。包含损伤的光信号一部分经PD光电转换后以示波器（OSC）显示眼图作为参考，另一部分经ADS监测器进行Δt＝50ps，即半比特延迟采样和数据采集，最后通过提取相图特征参量对ANN模型进行多损伤监测的训练和测试。光通信性能监测系统图中的细实线代表电路连接，粗实线代表光路，而虚线代表信号数据，下同。NRZ信号在不同损伤条件下的眼图与相图如图3（b）所示，OSNR导致信号1电平和过渡点幅度分布展宽；CD和DGD均导致信号时域展宽，但CD导致信号消光比降低，相图点沿45°对角线外扩，而DGD导致信号波形三角化，相图出现非对称性。根据不同损伤参数特点，提取相图特征参数，其中珡m和σm分别为相图采样点到原点距离的均值和标准差；珋θ为相图采样点角度平均值；Qd＝（μ1－μ0）／（σ1＋σ0）类似眼图中Q值的定义，以相图中沿45°对角线上采样点区分0、1电平，求其均值和标准差得对角线Q值。以上述4个参数构成如图3（c）所示ANN模型的输入向量，OSNR，CD，DGD参数构成输出向量，MLP－3包含26个隐元，采用拟牛顿（Quasi－Newton）算法作为训练算法，ANN的训练使用张齐军教授开发的NeuroModeler软件包。为了验证ANN模型监测传输损伤的性能，以125组不同损伤条件下相图参数构成训练样本，其中OSNR分别为40，36，32，28，24dB；CD分别为0，200，400，600，800ps／nm；DGD分别为0，12，24，36，48ps，对ANN进行训练。在训练完成后，以另外的64组不同损伤参数，其中OSNR分别为38，34，30，26dB；CD分别为100，300，500，700ps／nm；DGD分别为6，18，30，42ps，构成测试样本对ANN的预测输出进行测试。10Gb／sNRZ－OOK光性能监测结果如图4所示，其中ANN模型在200次迭代之后的训练误差Etrain＝0．008，ANN模型预测输出与测试样本相关系数Rc＝99．3％，损伤参数监测的均方根误差分别为EOSNR＝0．1dB，ECD＝8．34ps／nm和EDGD＝0．92ps，在监测损伤参数的测量范围内，监测误差小于5％。

240Gb／sODB

40Gb／s光通信系统与10Gb／s系统相比，CD容限减小16倍，PMD容限减小4倍，NRZ－OOK调制的无电中继再生可传输距离大大缩短。ODB调制格式采用三电平调制，非连续的相邻1电平之间相位相差π，在CD、PMD或滤波器效应引入波形展宽时，产生干涉相消，使0电平保持低电位，从而大幅提高其对色散损伤的阈值，而且其频谱较NRZ－OOK调制更窄，有利于窄信道间隔的WDM传输［20］。同时，ODB调制格式只需改动发射机，而接收机不变，在性能和复杂度之间实现折中。40Gb／sODB光性能监测系统如图5（a）所示，信号源产生40Gb／sPRBS，其序列长度为27－1，首先进行双二进制预编码，之后经带宽为10GHZ的低通滤波器产生三电平驱动信号，在工作于传输零点的MZM中对1550nm的CW光源进行外调制得ODB信号，入纤功率保持为0，消除非线性效应影响。光纤链路中OSNR、CD和PMD三种传输损伤的模拟与眼图监测部分与4．1中相同，ADS监测器的延迟为半比特，即Δt＝12．5ps。不同损伤条件下的ODB信号眼图与ADS相图如图5（b）所示，OSNR降低导致0、1电平和过渡点幅度值均匀展宽；CD导致波形三角化，相图中第3象限采样点外扩；DGD导致波形斜率降低，消光比减小，相图点沿对角线方向闭合。根据相图变化特点提取特征参数，其中珡m、σm、珋θ和Qd与4．1中相同，σm3为相图第3象限采样点到原点距离的标准差。以相图特征参数为输入向量，监测损伤参数为输出向量构造ANN模型如图5（c）所示，采用拟牛顿训练算法，隐元数目为32个。以125组不同的传输损伤组合构成训练样本，其中有OSNR分别为42，38，34，30，26dB；CD分别为0，40，80，120，160ps／nm；DGD分别为0，4，8，12，16ps，对ANN进行训练。以64组不同的传输损伤组合构成测试样本对训练完成的ANN模型进行预测输出的检验，其中有OSNR分别为40，36，32，28dB；CD分别为20，60，100，140ps／nm；DGD分别为2，6，10，14ps。监测结果如图6所示，ANN模型训练误差Etrain＝0．031，预测输出与测试样本相关系数Rc＝97．6％，损伤监测均方根误差为EOSNR＝0．72dB，ECD＝3．24ps／nm和EDGD＝0．49ps，测量范围内的监测误差小于5％。

340Gb／sRZ－DPSK

在RZ－DPSK调制格式中，由于采用了平衡光电探测（BPD），其达到相同误码率所需的OSNR值要求比OOK调制格式要低3dB，即接收机灵敏度提高一倍。对于受到光放大器自发辐射噪声限制的长距传输系统而言，使用RZ－DPSK调制可使无电再生中继可传输距离增加一倍，2003年以后的陆基和海缆长距大容量光通信系统中，DPSK和差分四相移键控（DQPSK）调制逐渐取代OOK而成为主流［21］。40Gb／sRZ－DPSK光性能监测系统如图7（a）所示，序列长度为27－1的40Gb／sPRBS经差分预编码后在工作于传输零点的MZM1中对CW光源进行相位信息加载，再采用40GHz正弦时钟信号在工作于正交传输点的MZM2中进行RZ码型调制，最终获得50％占空比的RZ－DPSK信号。光纤链路中OSNR、CD和PMD三种传输损伤的模拟与4．1中相同，在加入传输损伤之后，部分光信号经过延迟干涉仪（DLI）解调和BPD平衡探测后，在OSC1中显示解调信号眼图；部分光信号直接PD检测，在OSC2中显示线路传输眼图；部分光信号进入ADS监测器，其延迟量设置为1bit，即Δt＝25ps。不同损伤条件下的RZ－DPSK信号的解调后眼图、线路传输传输眼图和ADS相图如图7（b）所示，OSNR降低导致信号波形和相图点幅度值的展宽；CD导致波形幅度值和消光比降低，相图点局部外扩；DGD导致两偏振态的信号产生相位差，在PD检测中干涉相消，使信号波形幅度值降低，相图点沿对角线方向缩短。根据相图变化的特点，提取与传输损伤变化有关的特征参量，其中珡m和σm与4．1中相同，珋θhalf为相图45°对角线以上采样点到原点的角度平均值，σθ为全部采样点到原点角度值的标准差，M为采样点到原点幅度最大值与最小值之差。以上述特征参数为输入向量，损伤参数为输出向量构造ANN模型如图7（c）所示，隐元数目为30，采用拟牛顿训练算法。以125组传输损伤组合构成训练样本，包括OSNR分别为36，32，28，24，20dB；CD分别为0，12，24，36，48ps／nm；DGD分别为0，3，6，9，12ps，对ANN进行训练。以64组不同的传输损伤组合构成测试样本对训练完成的ANN模型进行预测输出的检验，包括OSNR分别为34，30，26，22dB；CD分别为6，18，30，42ps／nm；DGD分别为1．5，4．5，7．5，10．5ps。监测结果如图8所示，ANN模型训练误差Etrain＝0．06，预测输出与测试样本相关系数Rc＝95．8％，监测均方根误差为EOSNR＝0．15dB、ECD＝1．74ps／nm和EDGD＝0．61ps，测量范围内的监测误差小于5％。

结论

通过将异步延迟采样相图分析和人工神经网络训练相结合，提出了一种能够对多种传输损伤参数进行集总监测的光性能监测方法。该方法通过对高速光信号进行异步延迟采样，并构造相图来反映多种信道传输损伤，再结合人工神经网络统计学习算法对不同损伤的特征进行提取和训练，从而实现多损伤参数的集总监测。构建了10Gb／sNRZ－OOK（IM－DD），40Gb／sODB（多电平调制）和RZ－DPSK（相位调制）三种光通信性能监测仿真系统，仿真结果表明该方法对于多种信号速率和多种码型调制格式的监测具有透明性，并具有对以及多种传输损伤的集总监测能力；同时具有电信号处理带宽要求低，损伤监测准确度高的优点。该方法的硬件结构简单，适应性强，可在光传输网络中的关键节点进行分布式和非侵入式的光纤通信性能的在线监测。