Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алгоритмы работы когерентных транспондеров транспортных систем связи. Монография
.pdf
41
Излучение
оптическ ого
сигнала
Эталон
DFB-лазер MMI SOA
Управление
лазера
Фотодиод
Управление
сборк ой
Управление
сборк ой
Микрок онтроллер
Управление
SOA
Материнск ая плата
Мик рохолодильник 1
Мик рохолодильник 1
Лазерный модуль
Плата управления
Фотодиод
Рисунок 2.2 – Структура лазерной сборки
Микроконтроллер для лазерной сборки обеспечивает независимое
управление работой элементов и поддерживает связь с материнской платой.
Драйвер модулятор и модулятор обеспечивают преобразование
электрических колебаний клиентского сигнала в оптическое излучение
Современные модуляторе имеют символьную скорость 28 – 32 Гбод/с, что
позволяет ступенчато наращивать линейную скорость в транспондере со 100
Гбит/с до 300 Гбит/с.
Варианты реализации линейной скорости зависят от вендора, так,
например, возможны варианты передачи оптического сигнала с форматами
модуляции DP-QPSK, -8QAM, -16QAM с использованием одной или двух
оптических несущих (рисунок 2.3).
42
Клиент №1 Клиент №2
ODU4 ODU4
OTUC1:1 OTUC1:1
OTUC2
Линия
Клиент №1 Клиент №2
ODU4 ODU4
OTUC1:1 OTUC1:1
OTUC2
Линия 1
Линия 2
Маппер
Рисунок 2.3 – Оптические поднесущие для линейного сигнала
Формирование линейного оптического сигнала 200 Гбит/с
осуществляется с помощью контейнирования нагрузки в вышестоящий
контейнер OTUC2.
Для обеспечения работы когерентного приемника в модуле реализуется
схема с использованием лазерных сборок ITLA отдельно для передатчика и
для приемника. Для удешевления оптической схемы можно использоваться
одну сборку ITLA со сплиттерами. Правда, такой вариант не обладает
гибкостью в подстройке оптической частоты, а также возникает сложность
согласования оптических мощностей ITLA на приеме и передаче.
2.2 Когерентный оптический приемник
Наибольший интерес для исследования представляет собой приемная
часть когерентного транспондера (ICR), так как именно здесь располагается
блок цифровой обработки сигнала (ЦОС) [43, 44]. Обычно данный блок
выполняется в виде отдельного чипа, являющегося неотъемлемой частью
современного когерентного транспондера (рисунок 2.4).
43
оптич еск ий мик сер
0°
180°
90°
270°
ADC
TIA
ADC
TIA
оптич еск ий мик сер
0°
180°
90°
270°
ADC
TIA
ADC
TIA
сплитт ер
сплитт ер
Входной
оптичес кий
сигнал
Опорный
лазер
(гетероди н)
I
X
Q
X
I
Y
Q
Y
Ком пенсация временного и углов ого сдвиг а
меж ду квадратурами
Статическ ая к оррек ция
Адаптивная к оррек ция
Интерполирования, так товая синхрониз ация
Оценка частоты несущего к олебания
Фазов ая автоподстройк а частоты
Дек одирование кода
Выходны е
данны е
Рисунок 2.4 – Структура когерентного оптического приемника
Принцип когерентного детектирования представляет собой механизм,
при котором информационный сигнал, получаемый из оптической линии,
смешивается с излучением опорного лазера.
Технология использования опорного излучения пришла в волоконнооптическую связь из радиосвязи. Обычно существуют два вида когерентного
детектирования: гомодинное и гетеродинное.
В гетеродинном детектировании главным условием является большой
разнос промежуточной частоты и частоты полезного сигнала
LO sig
ff
.
Суммарное электрическое поле будет определяться следующим образом:
2
2
12
()
sig
LO
j f t
j f t
E t E e E e
=+
(2.1)
где
1
E
,
2
E
– амплитуды сигналов локального гетеродина и полезного
сигнала;
LO
f
– частота опорного лазера;
sig
f
– частота сигнала.
После детектирования суммарного оптического сигнала E(t)
интенсивность поля определяется следующим образом:
( )
2 2 2
1 2 1 2
( ) ( ) 2 cos 2 ( )
LO sig
I t E t E E E E f f t
= = + + −
(2.2)
Для простоты понимания, фазовый набег между полезным сигналом и
опорным лазерным излучением опустим. Согласно формуле (2.2), полезный
44
сигнал будет определяться промежуточной частотой биений
LO sig
ff−
, которая
может детектироваться простым оптоэлектронным преобразованием. Но для
когерентных систем связи такой способ не применяется в виду того, что
демодуляция сигнала будет требовать высокочастотную электронную базу.
При гомодинном детектировании опорная частота лазера и частота
полезного сигнала должны быть одинаковы
LO sig
ff;
, а фазы синхронизованы.
Интенсивность поля будет выглядит следующим образом:
( )
2 2 2
1 2 1 2
( ) ( ) 2 cosI t E t E E E E
= = + +
(2.3)
В этом случае сигнал на выходе фотодиода будет зависеть только от
разности фаз колебаний. Если речь идет о системах связи с
мультиплексированием по поляризации (DP-QPSK, DP-16QAM и др.), то
информационный сигнал разделяется на X- и Y- компоненту, к каждой из
которых подмешивается излучение опорного лазера в специальном 90°
оптическом гибриде.
После оптоэлектронного преобразования на выходе фотоприемных
устройств формируются четыре электрических сигнала
yyxx
QIQI ,,,
, а уровень
сигнала балансируется посредством трансимпедансных усилителей. Данные
составляющие являются парами квадратурных составляющих оптического
сигнала в каждой из поляризаций. Эти аналоговые сигналы поступают на
вход блока цифровой обработки сигнала, где происходит дальнейшее
преобразование.
Типовой алгоритм цифровой обработки сигнала в современном 100
Гбит/с когерентном приемнике можно описать следующим образом:
− компенсация хроматической и поляризационно-модовой дисперсии;
− адаптивная/статическая коррекция искажения;
− восстановление тактовой синхронизации;
− устранение фазовых шумов и восстановление значения фазы
сигнала;
− вычисление значений принятых символов.
При восстановлении принятых символов также стоит обратить внимание
на то, что когерентные приемники достаточно сильно чувствительны к
поляризации и требуют постоянного отслеживания поляризации на входе
оптического приемника. Кроме этого, в электрической части схемы
цифровой обработки сигнала требуется постоянная фазовая автоподстройка
45
частоты. Это связано с тем, что скорость работы находится на уровне 20-30
Гбод/с, и даже минимальный уход частоты негативно повлияет на
восстановление принятых символов.
2.2 Оптоэлектронное преобразование
Работа блока ЦОС не возможна без преобразования входного
оптического сигнала. Принцип работы оптического приемника можно легко
представить математически. На приемный порт поступает оптический
(полезный сигнал) сигнал:
()
ss
jt
sig
S t Ae
+
=
(2.4)
где
s
и
s
являются частотой и фазовым набегом полезного сигнала;
A
– амплитуда полезного сигнала.
В случае приема сигнала со сложным форматом модуляции для
детектирования сигнала потребуется как амплитуда, так и фазовые значения
сигнала. На амплитуду оптического сигнала воздействуют аддитивные
помехи в оптическом канале, которые снижают уровень полезного
оптического сигнала, внося дополнительный шум при прохождении
оптических усилителей (наибольший вклад). Фазовый набег формируется за
счет нелинейности среды передачи. Это может происходит из-за фазовой
самомодуляции, перекрестной модуляции между рядом стоящими
оптическими каналами и др. [14]
В оптической части когерентного приемника происходит
подмешивание к полезному оптическому сигналу излучения от опорного
(локального) излучателя. Часто данный излучатель могут называть как
локальный осциллятор. Излучение данного излучателя можно представить
следующим образом:
()
LO
jt
LO
S t Ae
+
=
(2.5)
где – оптический набег фазы.
Значение представляется в виде дискретного Винеровского процесса
[45]:
46
1k k k
−
= +
, (2.6)
10i
k i k m
m
−
=
=
, (2.7)
где
k
и
m
являются Гауссовским распределением случайных величин
с дисперсии
2
.
Кроме этого, требуется также учитывать, что когерентные каналы
обычно используют для увеличения производительности
мультиплексирование по поляризации (рисунок 2.5). Данный метод собирает
два оптических канала в один, таким образом перенося за единицу времени в
два раза больше информации (без учета спектральной эффективности
модуляции сигнала).
X-поляризация
Y-поляризация
Распространение
волны
QPSK: 1 бод – 2 бита
16QAM: 1 Бод – 4 Бита
64QAM: 1 Бод – 8 бит
X-поляризация
Y-поляризация
Распространение
волны
QPSK: 1 бод – 4 бита
16QAM: 1 Бод – 8 Бита
64QAM: 1 Бод – 16 бит
Рисунок 2.5 – Принцип мультиплексирования по поляризации
На передающей стороне при формировании сигнала используются
специальные поляризационные сплиттеры (PBS), дающие приращение
2
к
фазе полезного сигнала (рисунок 2.6).
47
Рисунок 2.6 – Типовая структура передатчика
Для простоты понимания приема преобразование будем осуществлять
на примере DP-QPSK – квадратурная амплитудная модуляция, имеющая
четыре отсчета и два плеча поляризации. Приемная часть для такого типа
модуляции представлена на рисунке 2.7.
оптическ ий
мик сер
TIA
TIA
оптическ ий
мик сер
TIA
TIA
E
S
√2E
LO
оптическ ий
сигнал
опорный
сигнал
сплиттер
сплиттер
E
SX
E
LO
E
SY
E
LO
½(ESX+ELO)
½(ESX-ELO)
½(ESX+jELO)
½(ESX-jELO)
½(ESY+ELO)
½(ESY-ELO)
½(ESY+jELO)
½(ESY-jELO)
I
X
Q
X
I
Y
Q
Y
Рисунок 2.7 – Квадратурное когерентное детектирование
48
При мультиплексировании излучения локального осциллятора с
полезным оптическим сигналом получим следующие выражения для
квадратурной и синфазной части сигнала на входе в блок ЦОС для X- и Y-
поляризации.
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
2 cos
2 sin
2 (1 ) cos
2 (1 ) sin
s LO s LO
Ix
Qx
s LO s LO
IQ
Iy
s LO s LO
Qy
s LO s LO
S P P t
I
I
S P P t
I
I
S PP t
I
S PP t
+
+
==
− +
− +
(2.8)
где S – чувствительность фотоприемника;
– коэффициент связности поляризаций.
В комплексном виде и сбалансированном детектировании оптического
сигнала можно представить следующим образом:
( )
( )
( )
( )
2 ( )e
2 ( )e
s LO
s LO
jt
xx
jt
y
y
E P t
E
Pt
+ +
+ +
=
(2.9)
где
– фазовый набег;
Одной из проблем, которые существуют у когерентных приемников,
является чувствительность приемника к состоянию поляризации (SOP)
входящего оптического сигнала. В когерентных системах связи со скоростью
в канале 100Гбит/с и более хорошо видно влияние в районах с высокой
грозовой активностью. В то время как некогерентные системы 10Гбит/с с
бинарной модуляцией нечувствительны к изменениям поляризации.
2.3 Компенсация дисперсионных искажений
Неотъемлемым фактором, воздействующим на качество передачи,
является хроматическая дисперсия. При прохождении сигнала по оптическим
волокнам происходит уширение фронтов импульсов за счет разности
скорости группового сигнала. В результате данного явления происходит
«расползание» формы импульса, которое приводит к межсимвольной
интерференции (рисунок 2.8) [13].
49
Рисунок 2.8 – Явление хроматической дисперсии
Данное явление негативно воздействует на групповой WDM-сигнал,
ухудшая детектирование оптического сигнала. Кроме этого, на оптический
сигнал негативно воздействует и другой тип дисперсии – это
поляризационно-модовая дисперсия (ПМД).
Причиной ПМД служит неидеальность передающей среды, то есть
оптическое волокно, имея цилиндрическую форму, в процессе производства
терпит механические повреждения. Также появляются и другие внешние
помехи, такие, как механическое воздействие при укладке, транспортировке
и монтаже.
Основной причиной развития ПМД является двулучепреломление
оптического волокна. При этом визуально ПМД может быть представлено в
следующем виде (рисунок 2.9).
x
y
Δτ
Рисунок 2.9 – Распространение света в волокне
Стоит отметить, что требования по максимальному значения ПМД для
оптического волокна G.652 за более чем 15 лет уже успели несколько раз
пересмотреться Международным Союзом Электросвязи (МСЭ). Если в
начале 2000-х требования к максимальному коэффициенту ПМД составляли
0,5 пс√км, то уже на сегодняшний день оптическое волокно Corning SMF-28
имеет допуск менее 0,04 пс√км [46]. Этот факт говорит о технологическом
улучшении качества производства оптического волокна для современных
50
когерентных систем связи. Для систем связи, работающих на ВОЛС,
проложенных 10-15 лет назад, влияние ПМД может быть существенным.
Блок ЦОС способен в реальном времени оценивать входную
дисперсию сигнала и производить процедуры по компенсации
хроматической и поляризационно-модовой дисперсии.
Для оценки влияния хроматической дисперсии на уширение
оптического сигнала рассмотрим классическое уравнения Шредингера,
описывающее распространение сигнала по волокну [13]:
AAiA
T
Ai
t
A
z
A
2
2
2
21
22
=+
+
+
(2.10)
Если отбросить дисперсию высших порядков, то будет иметь место
следующее выражение, связывающее распространение оптического сигнала
()At
с воздействующими на него нелинейными эффектами:
2
1
2
AA
A i A A
zt
+ + =
, (2.11)
В данном случае для простоты описания будет рассматриваться схема
неадаптивной компенсации дисперсии. Адаптивные компенсаторы
позволяют в режиме реального времени осуществлять поканальный
мониторинг и подстройку компенсации хроматической дисперсии. Для
оценки влияния хроматической дисперсии можно условно предположить, что
0=
. Это удобно для оценки влияния дисперсии группового сигнала (ДГС)
на распространение оптических импульсов в среде с дисперсией.
Используя преобразование Фурье для решения уравнения (2.11),
получается импульсная характеристика оптического канала с дисперсией:
( )
2
2
4
,
DL
j
c
H L e
−
=
, (2.12)
где D – удельная хроматическая дисперсия, пс/нм·км,
λ – длина волны сигнала, нм,
L – расстояние, км,
ω – угловая частота.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]