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1、DWDM系统基础知识深入介绍,光网络业务支持部 荆广智 31227,DWDM系统基础知识深入介绍课程目标,课程目标:掌握DWDM系统组成部分的关键技术 掌握DWDM系统网络的主要受限因素 掌握DWDM系统部分测试指标的含义,DWDM 系统简述DWDM 系统关键技术DWDM 系统受限因素DWDM 主要测试指标含义,波分复用技术,把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送的方式称为波分复用(其中每个波长承载一个TDM的电信号)。主要分为两种类型:稀疏波分复用:不同窗口的光波复用;密集波分复用:同一窗口的多个光波复用;,WDM系统的划分,双纤双向WDM系统示意图:,WDM系统的划分,单纤双向WDM系
2、统示意图:,蓝带:1527.5nm1542.5nm红带:1547.5nm1560.5nm,WDM系统的划分,开放式WDM系统在终端复用设备中,具备光接口变换功能,可以和任何厂家的 SDH 设备进行对接。集成式WDM系统在终端复用设备中,不具备光接口变换功能,SDH 设备中的光发送单元性能必须满足波分系统的要求:如:波长精度、光谱特性、发送光功率等等。半开放式WDM系统在终端复用设备中,发端具备光接口变换功能,可以和任何厂家的 SDH 设备进行对接。,思考?,完整的DWDM系统中,哪些单元是必需的?波长转换单元(OTU)分合波单元(MUX/DEMUX)光放大单元(OA)光监控信道(OSC),DW
3、DM 系统简述DWDM 系统关键技术DWDM 系统受限因素DWDM 主要测试指标含义,DWDM传输介质,光纤的结构,光在光纤中的传送,单模/多模光纤,随着纤芯直径的粗细不同,光纤中传输模式的数量多少也不同。因此光纤按照传输模式的数量多少,分为单模光纤和多模光纤:当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时,光在波导光纤中会以几十种或更多的传播模式进行传播,这样的光纤叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较粗,通常直径等于50um左右。当光纤的几何尺寸可以于光波长相比拟时,即纤芯的几何尺寸与光信号波长相差不大时,光纤只允许一种模式在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较细
4、,通常直径为510um。从光纤的外观上来看,两种光纤区别不大,包括塑料护套的光纤直径都小于1mm;单模光可在多模光纤中传输,但多模光不能在单模光纤中传输。,思考:单模/多模信号在单模/多模光纤中的传送关系?,光纤的损耗特性,光纤的衰减或损耗是一个非常重要的、对光信号的传播产生制约作用的 特性。光纤的损耗限制了没有光放大的光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收;由于材料的不均匀使光散射而引起的损耗称为瑞利散射损耗。瑞利散射损耗是光纤材料二氧化硅的本征损耗;光纤的弯曲会引起辐射损耗;总的来
5、讲:弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大,决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。,光纤中的色散特性,光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同,因而这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后,使得光脉冲发生展宽,这就是光纤的色散。色散一般用时延差来表示,所谓时延差,是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。,光纤中的色散可分为模式色散、色度色散、偏振模色散。色度色散也称为模内色散,可以分为材料色散和波导色散,一般在单模光纤中只考虑材料色散和波导色散。模式色散也称为模间色散,模式色散主要存在于多模光纤中。色散系数就是单位波长间隔内光波长信号通过单位长度光纤所产生的时延差,用D表示
6、,单位是ps/nm.km。,光纤中的色散特性PMD,由于信号光的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散,它也是光纤的重要参数之一。引起偏振模色散的因素是随机产生的,因而偏振模色散是一个随机量。,码间干扰,在光纤数字通信系统中,色散将导致码间干扰。,光源是非零谱宽的,光源输出的光信号被电脉冲进行强度调制,调制信号具有调制光源的每一波长成分。由于各波长成分到达的时间先后不一致,因而使得光脉冲加长(T+T),这叫作脉冲展宽。光脉冲传输的距离越远,脉冲展宽越严重。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠,称为码间干扰。码间干扰将引起误码,因而限制了传输的码速率和传输距离。,光纤特性截止波
7、长,截止波长:单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长;实际光波长比截止波长小时会有多个模式在单模光纤中传播,并呈现多模特性;为避免模式噪声和模式色散,实际系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系统的最低工作波长,截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输,并且可以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步;G.652光纤在22米长光缆上的截止波长1260nm,在220米长的跳线光缆截止波长1260nm,在短于2米长跳线光缆上的光纤的截止波长1250nm;G.655光纤在22米长光缆上的截止波长1480nm,在短于2米长光缆上的一次涂敷光纤上的截止波长小
8、于等于1470nm,220米长跳线光缆上的截止波长1480nm。,模场直径和有效面积,在光纤中,光能量不完全集中在纤芯中传输,部分能量在包层中传输,纤芯的直径不能反映光纤中光能量的分布,于是提出了模场直径的概念。,模场直径就是描述单模光纤中光能集中程度的参量 模场直径越小,通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时,会引起光纤的非线性效应,造成系统的光信噪比降低,大大影响系统性能。,思考:此值是越大越好还是越小越好?,单模光纤的非线性效应,从本质上讲,所有介质都是非线性的,只是一般情况下非线性特征很小,难以表现出来;当光纤的入纤功率不大时,光纤呈现线性特征,当光放大器和高功率激
9、光器在光纤通信系统中使用后,光纤的非线性特征愈来愈显著;单模光纤的非线性效应一般可以分:受激非弹性散射(受激拉曼散射SRS、受激布里渊散射SBS)、克尔效应(自相位调制SPM、交叉相位调制XPM)和四波混频FWM;,注意:非线性效应一旦产生,就无法消除或补偿,必须尽量防止非线性效应的产生!使用模场直径大的光纤,可以降低通过光纤的功率密度,可以抑制非线性效应的产生。最主要我们可以通过降低入纤光功率来防止非线性效应的发生。,G.652/G.653/G.655单模光纤,ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了4种不同设计的单模光纤,区别见下表:,几种光纤的比较,
10、在单模光纤中有两个低损耗区域,分别在1310nm和1550nm附近,也就是我们通常说的1310nm窗口和1550nm窗口。,L波段,DWDM光源技术,DWDM系统的光源具有两个最突出的特点:1、比较大的色散容限值;2、标准而稳定的波长;因此选择半导体激光器(LD)作为光源。,MLM,SLM,思考:1、TWC/RWC单板分别使用的是哪种激光器?2、单板的哪个指标来控制频谱的线宽?,光源的偏置电流,LD的特性曲线,当LD中的工作电流低于其阈值电流Ith时,LD仅能发出极微弱的荧光,这相当于LD中的谐振腔并未产生振荡。而LD中的工作电流大于阈值电流Ith时,它会发出谱线狭窄的激光,这相当于形成了粒子
11、数反转分布(产生激光的必要条件),谐振腔产生了振荡现象。由于LD是一个阈值器件,所以在实际使用时必须对之进行予偏置。即予先赋于LD一个偏置电流IB,其值略小于但接近于LD的阈值电流,使其仅发出极其微弱的荧光;一旦有调制信号输入,LD立即工作在能发出激光的区域,且其发光曲线相当陡峭。,激光器的调制方式,光发送机的作用就是把数字化的通信信息转换成光信号发送到光纤当中进行传输,为此需要用数字电信号对光波进行调制。对光源进行调制的方法有两种:1、直接调制(内调制)2、间接调制(外调制),直接调制:直接调就是利用电信号的1和0控制激光器的开、关,使特定波长的光波携载电信号。,影响:因存在1和0频率的变化
12、,不可避免存在啁啾。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽,使光源的光谱特性变坏,限制了系统的传输速率和距离。,激光器的调制方式,间接调制不直接调制光源,而是在光源的输出通路上外加调制器对光波进行调制,此调制器实际上起到一个开关的作用。,恒定光源是一个连续发送固定波长和功率的高稳定光源,在发光的过程中,不受电调制信号的影响,因此不产生调制频率啁啾,光谱的谱线宽度维持在最小。光调制器对恒定光源发出的高稳定激光根据电调制信号以“允许”或者“禁止”通过的方式进行处理,而在调制的过程中,对光波的频谱特性不会产生任何影响,保证了光谱的质量,适用于高速率、长距离传输。,常用的外调制方式,光电检测器,光电检测
13、器的作用是把接收到的光信号转换成相应的电信号。半导体光检测器主要有两类:PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)。,PIN管由于其灵敏度比较低(一般为-20dBm左右)、过载点比较高(一般为0dBm左右)适用于短距离传送。APD管由于其灵敏度比较高(一般为-28dBm左右)、过载点比较低(一般为-9dBm左右),适用于长距离传送。较高的反向偏压以及较强的输入光信号都可能导致反偏电流过大,使APD管被反向击穿。因此在现场需要注意操作规范:1、使用OTDR表等能输出大功率光信号的仪器对光路进行测量时,注意将通信设备与光路断开。2、保证输入光功率不超过器件允许的最大值,单板自环时注意加适当的衰减器
14、。3、不能采用将光纤连接器插松的形式来代替光衰减器。,分合波器件,合波器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输;分波器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长信号分离。目前最常用的有三种器件:耦合型、介质膜型、AWG型。,分合波器件的使用,光放大器,EDFA的放大原理,EDFA的具体实现,EDFA的增益平坦控制,增益控制的两种方式:1、掺金属元素;2、GFF定制;,EDFA的增益锁定技术,当其它条件不变的情况下,EDFA上下波给系统引入的问题:上波时,由于进入EDFA的光功率增大,导致泵浦光功率对各波的贡献减小,单波光功率突然下降,如果此时的光功率低于接收机能够接收的最小光功率,则会出现
15、瞬间的信号丢失,稳定后各波的增益均有一定程度的下降;下波时,由于进入EDFA的光功率突然减小,过剩的泵浦光功率全部贡献给了余下的信道,导致单波光功率突然上升,如果此时的光功率高于接收机接收的最大光功率,则会对接收机造成过冲,稳定后各波增益会有一定程度的上升;EDFA的增益锁定有许多种技术,典型的有控制泵浦光源增益的方法:,EDFA的噪声特性,放大自发辐射(ASE)是EDFA的基本噪声源,其谱线特性直接反映了EDFA的增益谱特性的线型,能给出不同泵浦功率和不同信号功率条件下EDFA增益谱特性的有用信息。放大器产生的自发辐射噪声功率为:PASE=-58+NF+G(dBm)其中NF为光放大器噪声系数
16、(dB)G为光放大器的增益(dB),EDFA的重要性能参数,工作电流:也称作偏置电流,其决定着放大板的输出光功率。正常情况下,单板的输出功率不变,工作电流应该维护在一个相对稳定的状态。制冷电流:制冷电流对应着制冷电路的调节。在放大板上制冷电流对应泵浦激光器的温度,随激光器温度的变化而变化。注意正负号的意义。背光电流:背光电流是放大板的一个性能值,对应于功率检测,通过背光电流的大小可以知道激光器输出功率的大小。一般情况下我们是通过查看背光电流来判断泵浦激光器的好坏:,对下面几个参数的理解将有助于维护中的故障定位:,RAMAN的工作原理,如果一个弱信号与一强泵浦光波同时在光纤中传输,并使弱信号波长
17、置于泵浦光的拉曼增益带宽内,弱信号光即可得到放大,这种基于受激拉曼散射机制的光放大器即称为拉曼光纤放大器。,三大特点:其增益波长由泵浦光波长决定,只要泵浦源的波长适当,理论上可得到任意波长的信号放大;其增益介质为传输光纤本身;这使拉曼光纤放大器可以对光信号进行在线放大,构成分布式放大,实现长距离的无中继传输和远程泵浦;噪声指数低,这使其与常规EDFA混合使用时可大大降低系统的噪声指数,增加传输跨距。,光监控信道,DWDM对光监控信道有以下要求:光监控通道不限制光放大器的泵浦波长;光监控通道不限制两个光线路放大器之间的距离;光监控通道不限制未来在1310nm波长的业务;线路放大器失效时光监控通道
18、仍然可用;,监控通路的2Mbit/s系统物理接口应符合G.703要求。其帧结构和比特率符合G.704的规定:,定义:时隙0:帧同步字节;帧结构中至少有2个时隙作为公务联络通路;帧结构中至少有 1 个时隙供使用者;帧结构中必须有4 个字节作为光中继段的 DCC 通道,ALC,APE,固定光衰减器,衰减原理:采用的衰减原理是轴向间距衰减,金属片有一定的厚度a,它两侧的光纤跳线头因此沿轴向被拉开,间距为a,通过控制金属片厚度a就可以控制光功率的衰减量。,固定光衰减器,缺点:在这种光衰减器中,两光纤跳线头之间存在空气间隙,而且光纤跳线头没有经过防止反射的处理,会反射一定的光信号。如果光纤跳线头的端面不
19、洁净,就会有更大的反射现象,在此处产生小回损节点,造成光信号在两跳线头形成的小腔体内多次反射,影响光信号的传输质量,在接收端引入强度噪声。,可调光衰减器,衰减原理:光学自聚焦棒起到光路准直和耦合作用;在自聚焦棒两端面镀有防止反射膜,用以防止衰减器光路上的端面反射在传输链路上造成小回损节点;通过可控制的机械旋钮步进装置调整可调光衰减片与光路的相对位置来精确控制光信号的衰减量。其原理上不存在缺陷,但是由于工艺的问题,抗震动性可能会影响其衰减量。,小结,了解光纤的几个重要特性,了解DWDM系统组成单元的主要类别,重点掌握DWDM系统组成单元的重要特性,DWDM 系统简述DWDM 系统关键技术DWDM
20、 系统受限因素DWDM 主要测试指标含义,DWDM系统受限因素,DWDM系统传输的主要受限因素是:衰耗、色散和信噪比,其实还包括光纤非线性等因素。衰耗受限:主要是线路光纤的衰减单板的插损,可以采用EDFA来解决;色散受限:可以采用高色散容限的激光器或是使用DCM进行相应补偿来解决;信噪比受限:主要是由于线路中大量使用EDFA导致ASE噪声积累引起,可以通过优化网络参数来解决;,OSNR的定义,光信噪比(OSNR)常用于衡量ASE噪声的积累程度,定义为:信号光的全部光功率和信号光的频率附近、某一带宽内噪声光的全部光功率之间比值:,OSNR的计算,“噪声指数(NF)”是描述光放大器的关键参数之一,
21、它描述了光放大器产生的ASE噪声的相对大小:,单个放大器产生的噪声:Pase=-58+NF+G(dB),通常,我们说的信噪比是指最后一个放大器输出端的信噪比,对于输出端A点,有OSNR=Ps(A)/Pase(A)其中Ps(A)为A点信号功率;Pase(A)为A点噪声功率,它等于所有放大器的噪声功率在A点的累积值。,OSNR公式计算实例,各放大器产生的自发辐射噪声为(NF约为5dB):Pase1=Pase2=Pase3=Pase4=-58+5+23=-30(dB)=1E-3(mw)末端站输出点的总噪声功率为:Pase=(Pase1-L1+G2-L2+G3-L4+G4)+(Pase2-L2+G3-
22、L4+G4)+(Pase3-L4+G4)+Pase4=1E(-3-3+2.3-2+2.3-3.7+2.3)+1E(-3-2+2.3-3.7+2.3)+1E(-3-3.7+2.3)+1E(-3)=0.00001589+0.00007943+0.00003981+0.001=0.00113513(mw)=-29.45(dBm)末端输出点的信噪比为:OSNR=Ps(mW)/Paseh(mW)=Ps(dB)-Pase(dB)=-9-(-29.45)=20.45dB20dB因此通过计算信噪比满足系统的要求。,OSNR工具计算实例,此工具得出的信噪比值(19.93dB)与用公式计算的值(20.45dB)相
23、差不大,如果用CAS.EXE计算的值符合要求,那么实际的网络OSNR就是满足要求的。注:此工具放在6.0资料光盘中:“04-WDM产品资料04-维护资料ff-维护通用指导书04-信噪比粗略计算工具”下。,如何增加OSNR的余量,提高系统的OSNR:1、采用低噪声前置光放大器+高增益功率光放大器;2、采用拉曼放大器,使之与EDFA配合使用,降低NF;,降低系统的OSNR的容限:1、采用前向纠错技术FEC or EFEC;2、使用特殊码型技术RZ编码。,?,FEC技术,目前广泛使用的FEC技术有带内FEC和带外FEC两种,DWDM单板主要采用带外FEC技术。,ITU-T G.975为带外FEC标准
24、,利用RS(255,239)码交织编解码,将校验字放在帧尾;ITU-T G.709为带外FEC标准,利用RS(255,238)码交织编解码,将校验字放在帧尾;,纠错前后的理论BER对比表,FEC技术,编码增益是指在满足一定误码率(如BER=1E-12)的条件下,不采用FEC编码技术和采用FEC编码技术,对接收机灵敏度的要求的差值。从理论上讲,在保持BER在1E-12不变的条件下,RS(255,239)FEC能提供6.1dB的Q增益(不考虑码速率变化影响),实际工程码增益5dB左右。FEC可以在不要求提高OSNR的条件下改善系统的BER;在发端,一些附加的比特插入待传送的数据,并在收端对发生错误
25、的数据进行纠正;给定一种FEC技术,开销越大,编码增益越大;FEC只能对均匀分布的小误码进行纠错,对非均匀分布的误码无能为力;为了使误码率BER1E-12,必须要求信噪比达到20dB;然而引入FEC以后,同样为了使误码率BER10-12,要求信噪比达到15dB就可以了!,FEC对OSNR的要求,WithoutFEC,In Band FEC,Out of BandFEC,EFEC,OSNR25dB,OSNR23.5dB,OSNR20dB,OSNR18dB,WithoutFEC,Out of BandFEC,OSNR20dB,OSNR14dB,10G:,2.5G:,RZ编码技术,较小的duty c
26、ycle;同等OSNR条件下更大的Q值富余度;更高的抵抗光纤色散和非线性失真的能力;更高的抵抗PDM导致的接收眼图畸变的能力;,色散补偿技术,目前降低光纤色度色散的影响主要是采用色散补偿补偿模块对光纤中的色散累积进行补偿。色散补偿主要有两种方式:1、一种是色散补偿光纤(DCF,Dispersion Compensation Fiber)法;2、一种是色散补偿光栅法,即啁啾光纤光栅(CFG,Chirped Fiber Grating)法;DWDM系统目前采用DCF来进行色散补偿。,DCF色散补偿技术,色散补偿光纤与普通传输光纤的不同之处是它在1550nm处具有负的色散系数,DCF补偿法实际上就是
27、利用这种负色散的光纤,接入G652 光纤系统中抵消 G652 光纤的正色散。其色散系数典型值为-90ps/(nmKm),因而DCF只需在总线路长度上占G.652 光纤的长度的1/5,即可使总链路色散值接近于零。,DCM补偿规格的计算,色散受限距离=(色散容限/色散系数)+DCM补偿-(1030)(确保系统有1030公里冗余度)10G波长转换板色散容限为700ps/nm,若在G.652光纤中传输,其色散系数为17ps/nm.km,考虑到系统的冗余度1030km,无补偿最大传输距离L=700/17-(1030)=1030km。也就是说:系统传输距离超过30km时就必须加入DCM进行补偿;同理,若在
28、G.655光纤中传输,其色散系数为6ps/nm.km,无补偿最大传输距离L=700/6=117km,考虑余量后,传输距离超过100km时必须加入DCM补偿。G.652光纤中,计算公式为:DCML-(色散容限/色散系数)-(1030)=L-(700/17)-(1030)=L-(1030)G.655光纤中,计算公式为:DCML(6/17)-(1030)=Lx-(1030)注:首先将G.655折算成G.652长度:Lx=L(6ps/17ps),DCF色散补偿技术,DCG色散补偿技术,啁啾光纤光栅(CFG,Chirped Fiber Grating),它是用紫外光经过模板照射在光纤上刻蚀而成,使得光纤
29、内折射率呈周期性的变化。入射脉冲中不同频率的光在光栅中不同位置反射,其耦合是在两个反向传播模之间发生的。反射的时延调整到使之与光纤传输所产生的时延大小相等、方向相反。,DWDM 系统简述DWDM 系统关键技术DWDM 系统受限因素DWDM 主要测试指标含义,OTU单板主要指标含义,中心波长:对于发送器为SLM类型的激光器中心波长指主模峰值的波长。-20dB谱宽:单纵模激光器(SLM)-20dB谱宽定义为最大峰值功率跌落20dB时的光谱全宽。-1dB谱宽:单纵模激光器(SLM)-1dB谱宽定义为最大峰值功率跌落1dB时的光谱全宽。SMSR:最小边模抑制比定义为最坏反射条件时,全调制条件下主纵模的
30、平均发送光功率与最显著边模的光功率之比的最小值。,P1,P2,OTU单板主要指标含义,抖动传递特性定义为输出STM-N信号的抖动与所加输入STM-N信号的抖动的比值随频率变化的关系,抖动传递特性是表明再生器对抖动的抑制能力。眼图可以这样来理解:时间轴为一个周期的长度,眼图由四个部分组成:常“1”,“1”电平,“0”电平,常“0”电平。“1”电平和“0”电平并不是理想中的方波,而是有一定的上升和下降坡度,因此将这四种波形叠加起来,则就形成眼图。我们测试的要求是不能有点落在这个眼图模板内,否则,经过一定的光纤衰减,在接受机处很难分辩出该点是“1”还是“0”。,分合波板主要指标含义,每通道插入损耗:
31、定义为每通道光信号经过光解复用板后在相应输出通道输出的光功率损耗,即输入和输出端口之间的光功率之比。插入损耗最大差异是指解复用器所有通道的插入损耗最大值与最小值之差;隔离度有相邻通道隔离度与非相邻通道隔离度之分,相邻通道隔离度是指相邻通道串扰到本通道的功率与本通道的功率之差,非相邻通道隔离度是指非相邻通道串扰到本通道的功率与本通道的功率之差;分波板每通道中心波长:通道中心波长是指分波器输出通道峰值功率下降3dB时,光谱带宽中心处的波长值;,MRx单板主要指标含义,下波通道插入损耗是指某些特定波长的光信号经过OADM系统被分离出来所引入的功率损耗。上波通道插入损耗是指从ADD光口上波经过光分插复
32、用器从OUT光口输出而引入的通道损耗。下通道中心波长是指所下通道峰值功率下降3dB后,3dB光谱带宽中心处的波长值。穿通通道的插入损耗是指从IN光口输入的、不经过上下的光信号经过光分插复用器从OUT口输出而产生的损耗。,放大板的主要指标含义,放大器放大增益:定义为在放大器工作波长区间内,输出与输入光信号功率的比值。放大器工作波长范围:是指光放大器能保持放大增益性能要求的光信号波长区间。放大器总输入功率范围是指放大器满足放大增益要求时所允许的输入光信号的功率变化范围;放大器输出功率范围是指在输入光功率变化范围内允许输出光信号的功率变化范围。增益平坦度:定义为在放大器工作波长区间内,对光信号放大能力的差异。光放大板噪声系数是指光信号在经过EDFA放大器放大后,由于EDFA放大器的自发辐射(ASE)等原因引起的输出端光信噪比的劣化值。,监控信道板主要指标含义,光监控信道板有2M/8M/155M光接口。对于2M/8M速率的单板过载点和灵敏度指标无任何仪表可以测试,只能使用自环方式,通过网管或单板上报的告警状态来测试。,总结,DWDM 系统各组成部分的关键技术,DWDM 系统受限因素极其解决方法,DWDM系统主要单板常见测试指标含义,