Tra i vantaggi delle reti ottiche, possiamo citare una maggiore portata, velocità di trasmissione più elevate, trasparenza e così via. Tuttavia, questi benefici comportano un costo in termini di maggiore complessità nel monitoraggio e nella gestione dei guasti. Le reti trasparenti richiedono la gestione dei guasti di rete a livello fisico, dove le tecniche di monitoraggio delle prestazioni ottiche devono controllare la qualità di più canali WDM ad alta velocità e rilevare qualsiasi potenziale degrado. Il degrado del segnale in una rete ottica può essere classificato in tre gruppi principali: rumore, distorsione e jitter. I rumori tipici includono RIN e ASE. I segnali possono anche subire distorsioni dovute a dispersione cromatica, chirp ed effetti non lineari come la miscelazione a quattro onde o lo scattering Raman. Infine, anche il jitter rappresenta una limitazione significativa per le alte velocità. In articoli precedenti, abbiamo analizzato in dettaglio le procedure di misurazione e caratterizzazione per molti di questi degradi, presentando diversi strumenti di laboratorio che aiutano in questi compiti.
Tuttavia, questi parametri non sono generalmente adatti al monitoraggio della qualità dei segnali in tempo reale.
Il parametro chiave per il monitoraggio delle prestazioni di un sistema di comunicazione digitale è il tasso di errore di bit (BER). Questo parametro determina in ultima analisi la qualità del segnale digitale. Tuttavia, le misurazioni del BER richiedono la fotorivelazione del segnale nel caso di una rete ottica. Pertanto, è necessario un parametro alternativo, correlato al tasso di errore di bit ma che, a differenza di quest'ultimo, possa essere monitorato nel dominio ottico in modo relativamente semplice. Fortunatamente, questo parametro esiste ed è noto come OSNR (rapporto segnale-rumore ottico). La relazione tra questo parametro e il tasso di errore di bit è data dalla seguente espressione (IEC 61280-2-7):

Poiché l'OSNR è una misura della potenza media, non può rivelare degradi temporanei nei dati, né specifici errori di bit. Tuttavia, la sua correlazione con il BER tramite l'espressione sopra riportata fornisce informazioni preliminari sulle prestazioni della rete, rendendolo un parametro molto utile per il monitoraggio in tempo reale dei canali WDM e contribuendo alla generazione di segnali di allarme che indicano un possibile degrado del BER.

Definizione e misurazione dell'OSNR tramite OSA:
l'OSNR è definito come il rapporto tra la potenza media del segnale e quella del rumore per un dato canale ottico. Tipicamente, ogni canale è costituito da luce modulata praticamente monocromatica (segnale) su una densità di potenza di rumore distribuita su un'ampia larghezza di banda. Questo rumore ha origine principalmente dagli amplificatori ottici (rumore ASE). In definitiva, lo spettro ottico risultante assomiglia a quello mostrato in Figura 1. L'OSNR (in dB) può quindi essere calcolato come:

dove S è la potenza media (lineare) del segnale e N è la potenza media (lineare) del rumore sull'intera larghezza di banda del canale equivalente. Poiché l'analizzatore di spettro (OSA) utilizzato per la misurazione ha una larghezza di banda di risoluzione (RBW), le misurazioni del segnale e del rumore dipendono effettivamente da questo valore specifico, quindi
è necessario adottare alcune precauzioni.
La larghezza di banda di risoluzione deve essere scelta sufficientemente ampia da comprendere il segnale modulato. In queste condizioni, il valore di picco della potenza del canale includerà la potenza totale del segnale più il livello di rumore di fondo. Il valore della potenza del segnale S (lineare) si ottiene quindi sottraendo il livello di rumore da questo valore di picco. Per determinare il livello di rumore, entrambi i lati del canale devono essere scansionati a una distanza sufficientemente grande in modo che il rumore di fondo non sia influenzato dalle oscillazioni del segnale. Il valore del rumore può quindi essere ottenuto mediante interpolazione quadratica, come mostrato in Figura 2 (linea tratteggiata).

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Poiché le tracce sono state ottenute con una specifica larghezza di banda di risoluzione, i valori devono essere corretti per la larghezza di banda equivalente. Questo calcolo consiste semplicemente nel moltiplicare il valore OSNR (lineare) misurato per una larghezza di banda RBW per il fattore RBW/BW, dove BW si riferisce alla larghezza di banda di rumore equivalente (tipicamente la larghezza di banda del canale).
L'accuratezza ottenuta con questa procedura di misurazione è molto buona. Tuttavia, nel caso di reti DWDM in cui la spaziatura tra i canali è piuttosto piccola, la misurazione diventa problematica. La Figura 3 mostra lo spettro ottico di diversi canali DWDM con modulazione RZ a 10 Gbit/s e una spaziatura ITU standardizzata di 50 GHz (0,4 nm). Si noti che c'è molto poco spazio spettrale tra i canali per il monitoraggio. Ciò significa che, quando l'OSNR è elevato, il livello di rumore misurato vicino a 1566 nm, dove uno dei canali è stato disattivato, è molto diverso dal livello di potenza minimo che appare tra i canali. In generale, i segnali a 10 Gbit/s richiedono una spaziatura minima tra i canali di 100 GHz per ottenere risultati soddisfacenti nel monitoraggio dell'OSNR. Inoltre, il fatto che i canali attraversino un OADM o un OXC influisce anche sulle misurazioni dell'OSNR, poiché il rumore di fondo è influenzato dalla risposta dei filtri ottici e i canali cambiano anche lunghezza d'onda. Di conseguenza, i canali adiacenti possono aver percorso traiettorie diverse attraverso la rete e presentare livelli di rumore differenti. Pertanto, non solo è necessaria una spaziatura minima tra i canali, ma è anche richiesto uno spettro sufficiente per stimare i due livelli di rumore indipendenti.

Infine, il rapporto di reiezione ottica (ORR) di un OSA determina la sua capacità di misurare segnali deboli in prossimità di un picco. È definito come il rapporto tra la potenza misurata a una certa distanza dal picco e la potenza al picco del filtro OSA per un segnale di ingresso a banda stretta (equivalente funzione delta di larghezza di riga molto inferiore alla RBW). I produttori di OSA specificano questo parametro a 0,1, 0,2 e 0,4 nm dal picco. Come indicato nella norma IEC 61280-2-9, è richiesto un ORR almeno 10 dB superiore al valore massimo di OSNR da misurare. Pertanto, per misurare, ad esempio, un OSNR di 25 dB a 0,2 nm di un canale (equivalente a 25 GHz a 1550 nm), è necessario uno strumento con un ORR di almeno 35 GHz, che garantirebbe un'imprecisione di misura inferiore a 0,42 dB. A titolo di esempio, la Figura 4 mostra l'errore commesso nella misurazione dell'OSNR quando si utilizza un OSA con un valore ORR limitato.

Altre tecniche di misurazione dell'OSNR
Oltre alla misurazione dell'OSNR basata su OSA, esistono altre tecniche che consentono di misurare il livello di rumore all'interno del canale ottico stesso. La difficoltà in questo caso risiede nel distinguere il rumore dal segnale, soprattutto perché il segnale dati è casuale e spesso appare come rumore. Per ovviare a questo problema, una tecnica si basa sull'utilizzo della polarizzazione del segnale ottico. In generale, un segnale ottico avrà uno stato di polarizzazione ben definito, mentre il rumore sarà depolarizzato. Pertanto, il rapporto di estinzione di polarizzazione è una misura dell'OSNR. Tuttavia, sfortunatamente, i segnali ottici subiscono variazioni di polarizzazione nei collegamenti in fibra a causa della PMD, che deve essere compensata affinché la tecnica sia valida.

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Un'altra tecnica per la misurazione dell'OSNR intra-canale si basa sull'acquisizione dello spettro di ampiezza dei dati e sul monitoraggio di aree specifiche di tale spettro in cui il segnale è assente. Ciò implica il monitoraggio a basse frequenze, alte frequenze o in corrispondenza di specifici punti di annullamento nello spettro. Il monitoraggio a bassa frequenza, tuttavia, è influenzato dalle code di rumore a bassa frequenza, dalle fluttuazioni dipendenti dal pattern e dagli effetti di cross-modulazione del guadagno negli amplificatori ottici. Inoltre, molte sorgenti di rumore (ad esempio, interferenza multipath o MPI) hanno una forte influenza alle basse frequenze, portando a una sovrastima della misurazione del rumore. Al contrario, alle alte frequenze, questo rumore è mascherato dal rumore ASE indipendente dalla frequenza (rumore bianco). A queste frequenze, le misurazioni sono più sensibili agli effetti dispersivi che causano fading. In breve, questi metodi complicano la gestione dei guasti di rete perché non misurano effettivamente il rumore trasportato dal segnale, ma piuttosto estrapolano tale rumore alle alte o basse frequenze. Il monitoraggio della sottoportante ottica è stato utilizzato anche per la misurazione diretta dell'OSNR e della sua correlazione con l'SNR elettrico all'uscita del ricevitore. Il vantaggio di questa tecnica è che consente il monitoraggio effettivo del segnale dati che si propaga attraverso la rete.
Infine, le tecniche di monitoraggio spettrale elettronico basate sulla misurazione del rumore nello spettro dati sono molto promettenti per le applicazioni di gestione dei guasti, in quanto consentono la misurazione diretta del rumore presente nei dati. Alcune di queste tecniche includono il monitoraggio del frame del segnale SONET, la cancellazione del segnale omodino e l'analisi RF a banda stretta a metà della frequenza di clock. In articoli successivi, analizzeremo alcune di queste tecniche in modo più approfondito, consentendoci di valutarne le caratteristiche e le prestazioni. Va notato, tuttavia, che il metodo più standard per la misurazione dell'OSNR è quello presentato in questo articolo, implementato dalla stragrande maggioranza degli analizzatori di spettro ottico presenti sul mercato.
A titolo di esempio, la Figura 5 mostra una schermata dei risultati di uno di questi analizzatori, dove è possibile osservare le misurazioni dell'OSNR per due dei canali WDM.

 

Documenti di riferimento

IEC 61280-2-7: “Procedure di prova per sottosistemi di comunicazione in fibra ottica – Parte 2-7: Analisi dei dati del rapporto di errore di bit rispetto alla potenza ricevuta per sistemi digitali in fibra ottica”.
IEC 61280-2-9: “Procedure di prova per sottosistemi di comunicazione in fibra ottica – Parte 2-9: Sistemi digitali – Misura del rapporto segnale-rumore ottico per sistemi a divisione di lunghezza d'onda densa.

 

Maggiori informazioni o un preventivo

 

Francisco Ramos Pascual. Dottore di ricerca in Ingegneria delle Telecomunicazioni.
Professore ordinario presso il Politecnico di Valencia.