Fokin_Kogerentnye_opticheskie_seti_

Рис. 4.53. Структура транспондера Cisco 100G CP-DQPSK

Оптический передатчик и когерентный приемник размещены в одном блоке и построены модульно из отдельных интегральных схем (рис. 4.55).

Рис. 4.54. Конструкция транспондерной карты Cisco 100G CP-DQPSK

Рис. 4.55. Интегральные компоненты оптического блока транспондерной карты

Cisco 100G CP-DQPSK

В клиентском блоке сигнал 100GE LAN-PHY на скорости 101,125 Гбит/с размещается в структуре OTU-4, которая имеет скорость передачи 111,809 Гбит/с. OTU-4 дополняется полем коррекции ошибок FEC в блоке 100GFEC ASICS и получает скорость передачи 124,964 Гбит/с. После предварительного кодирования на модулятор передатчика передаются параллельно четыре сигнала со скоростью

31,241 Gbaud ± 20 ppm.

201

Выходная мощность оптического передатчика может составить от −2 дБм до +1,5 дБм в зависимости от масштабов использования в сети (местные или магистральные сети). Устойчивость к хроматической дисперсии составляет

±70000 пс/нм.

Уровень входной мощности на прием со стороны оптической линии от 0 до −14 дБм. Допустимая величина OSNR в пределах от 7,5 дБ до 9,0 дБ при использовании UFEC (20 % от емкости кадра OTU-4), при вероятности ошибки менее 10-2 на входе блока 100GFEC ASICS и допустимого накопления ПМД до 180 пс. При аналогичных параметрах входной мощности, но с применением упрощенных алгоритмов GFEC (7 % от емкости кадра OTU-4), при вероятности ошибки менее 4 × 10-3 допустимая величина OSNR в пределах от 9,5 дБ до 11 дБ и допустимого накопления ПМД до 180 пс. Потребляемая мощность транспондерной картой составляет от 125 Вт до 133 Вт.

Контрольные вопросы

1.Какие требования предъявляются к оптическим сигналам, передаваемым

вкогерентных системах?

2.Какие параметры оптического излучения одномодовых лазеров являются предметом внимания с точки зрения построения схем модуляторов?

3.Какие виды оптической модуляции и мультиплексирования могут комплексно сочетаться при построении когерентной системы передачи?

4.Какие варианты построения схем оптических передатчиков когерентных систем являются предметом рассмотрения?

5.Какие форматы оптических импульсов можно формировать модулятором MZ?

6.Чем отличаются оптические сигналы в форматах RZ и CSRZ?

7.Что обозначают аббревиатуры ASK и PSK?

8.Чем ограничено использование прямой модуляции оптического излучения в каналах со скоростями от 10 Гбит/с до 1 Тбит/с?

9.Сколько ступеней преобразования оптического сигнала в формирователе

CSRZ?

10.Объяснить, как формируются оптические сигналы формата DB?

11.Чем отличаются спектры сигналов в форматах модуляции NRZ, RZ, CSRZ, DB?

12.Какие проблемы проявляются в системах передачи при увеличении скорости передачи данных в оптических каналах с фиксированным межканальным интервалом?

13.В чем преимущества фазовой модуляции nPSK в оптических каналах?

14.Объяснить, как формируются сигналы в форматах BPSK и DPSK?

15.Чем отличаются спектры сигналов DPSK с различными формами импульсов (NRZ, RZ, CSRZ)?

202

16.Какие устройства (электрические и оптические) используются для построения схем формирователей оптических канальных сигналов в форматах

D(Q)PSK, DP-D(Q)PSK?

17.Какие особенности имеют сигналы, формируемые с двойной поляризацией излучения?

18.Что такое спектральная эффективность оптического сигнала?

19.Как влияет на спектральную эффективность использование большого числа фазовых и амплитудных состояний модулированного оптического сигнала?

20.Составить рекомендации по применению форматов модуляции PM-BPSK, PM-QPSK, PM-16QAM при построении оптических каналов для магистральных, региональных и местных (метро) оптических транспортных сетей?

21.В чем преимущества формата передачи оптических каналов OFDM,

CoOFDM при организации оптических каналов на скоростях 100 Гбит/с до

1Тбит/с?

22.Чем определяется верхняя граничная скорость передачи данных в оптических каналах?

23.Что представляют собой пределы Шеннона (линейный и нелинейный) в технике оптических каналов связи? Чем они обусловлены?

24.Как влияют пределы Шеннона на уровни передачи сигналов в оптических каналах?

25.Какие проблемы по наращиванию скорости передачи в оптических каналах существуют при различных форматах сигналов?

26.Какие модули и блоки предусматривают производители техники оптической связи в передатчиках и транспондерах оптических каналов?

203

5.ДЕТЕКТИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

ВКОГЕРЕНТНЫХ ПРИЕМНИКАХ

Детектирование оптических сигналов в когерентных приемниках представляет собой только первый этап восстановления переданных информационных данных. На этом этапе определяется уровень мощности входящего канального оптического сигнала после разделения в демультиплексоре, разделение сигнала по каналам детектирования, также может быть задействована оптическая петля подстройки характеристик оптического гетеродина (настройка частоты, поляризации и мощности гетеродина) или применена цифровая обработка для подстройки частоты и фазы (пример на рис. 5.1). Другой пример построения когерентного оптического приемника с цепями управления гетеродином LO рассмотрен ранее и пояснен рис. 3.49.

Рис. 5.1. Пример базовой схемы построения когерентного оптического приемника с цифровой обработкой сигнала [75]

Вторым этапом считается цифровая обработка детектированного сигнала, которая состоит в электронной компенсации дисперсионных искажения и нелинейных продуктов, восстановлении фазовых соотношений несущих частот, декодировании цифровых данных, коррекции ошибок FEC, идентификации канала и др. Алгоритм обработки представлен на рис. 5.2.

Алгоритм предусматривает возможности по управлению локальным оптическим генератором, т. е. подстройкой частоты и поляризации излучения. Также алгоритмом предусмотрены возможности восстановления тактов цифрового сигнала, цифровая обработка для компенсации фазовых дрожаний, дисперсионных искажений и т. д.

204

Рис. 5.2. Алгоритм цифровых преобразований на приеме [91]

5.1. Принципы оптического когерентного приема и проблемы

Общая идеология оптического когерентного приема была представлена в разделе 1.1 настоящего учебного пособия. В нем рассматриваются принципы оптического когерентного приема с учетом особенностей кодирования сигналов, каналов детектирования, нестабильности параметров сигналов и среды распространения сигналов и т. д.

Некоторые наиболее сложные форматы кодирования при модуляции оптических сигналов и их последующего детектирования и декодирования представлены на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Форматы оптических сигналов для обработки в когерентном приемнике

205

Каждый из форматов оптических сигналов требует построения индивидуальных приемников с соответствующими декодерами. Увеличение числа амплитудных или/и фазовых позиций в оптическом сигнале отражается на сложности схемы передатчика и приемника. При этом на приемной стороне нужно решать не только задачи конвертации, но и задачи синхронизации оптических несущих частот, подстройки их фазы и поляризации, устранения дрожаний, вызванных помехами различного происхождения (спонтанной эмиссии, нелинейными шу-

мами и др.) и т. д. (рис. 5.4, 5.5).

Рис. 5.4. Примеры воздействия фазового и амплитудного шума на оптический сигнал в формате DB

Рис. 5.5. Пример воздействия нелинейного фазового шума на оптический сигнал в формате QPSK

(а – перед линией, б – выход линии, в – после компенсации) [74]

Несоответствие оптических частот принимаемого сигнала и оптического гетеродина (LO) приводит к дополнительным искажениям детектируемого сигнала (рис. 5.6), что требует использования дополнительной электронной коррекции или введения цепи управления оптическим гетеродином. Особенно актуальна синхронизация оптических частот в случае поляризационного мультиплексирования. При этом синхронизация может выполняться для LO или для каждой из поляризованных составляющих от LO [74].

Применение электронной цифровой обработки сигнала оптического канала позволяет компенсировать дисперсионные искажения (рис. 5.7) и фазовые сдвиги принимаемых к декодированию сигналов (рис. 5.8).

206

Рис. 5.6. Расхождение оптических частот принимаемого сигнала и локального оптического генератора

Рис. 5.7. Коррекция искажений в оптическом канале

Рис. 5.8. Применение алгоритма цифровой обработки Витебри для восстановления фаз декодируемых каналов [76, 90]

207

В настоящее время разработаны и реализованы в системах передачи ряд методов построения оптических приемников с прямым и когерентным детектированием с учетом возможностей по синхронизации оптических частот передатчиков и приемников, компенсации хроматической и поляризационной дисперсии и устранения дрожания фазы. В табл. 5.1 приведен краткий обзор по методам построения оптических приемников с прямым и когерентным детектированием.

Примеры математических соотношений для строгого описания когерентного гомодинного детектирования различных форматов оптических сигналов представлены ниже.

Простой когерентный приемник со спаренным фотодетектором (рис. 5.9) содержит также локальный оптический генератор (LO) с непрерывным излучением CW (continuous-wave) и поляризационный контроллер (PC).

Табл. 5.1. Методы прямого и когерентного детектирования в ВОСП

208

Рис. 5.9. Конфигурация простого когерентного оптического приемника

Входной оптический сигнал, приходящий из линии представляется следующей функцией

где As(t) – комплексная амплитуда сигнала, ωs – круговая частота сигнала. Простое электрическое поле локального (лазерного) генератора (гетероди-

на) представляется следующей функцией

где ALO – постоянная комплексная амплитуда, ωLO – круговая частота гетеродина. Учитывая, что As(t) и ALO отражают реальные оптические сигналы, оцениваемые параметрами мощности или интенсивности оптического излучения,

в дальнейшем применяется мощностное представление этих сигналов, т. е.

Спаренные фотодиоды в схеме когерентного приемника позволяют реализовать балансное детектирование, при котором получается выигрыш в 3 дБ по чувствительности благодаря синфазному сложению сигнальных составляющих фототока и противофазному сложению полей LO и PS, создаваемых разветвите-

лем 2×2.

Если считать, что сигнал линии ES и гетеродин ELO имеют одинаковую поляризацию, то электрические поля на фотодетекторах будут иметь вид

тогда, с учетом чувствительности фотодиода, величины фототока каждого прибора можно представить

где ωIF = |ωS − ωLO|; θsig(t) и θLO(t) – фазы передаваемого сигнала и опорного генератора LO.

209

Чувствительность фотодиода определяется

e

S h S , где е – заряд электрона, η – квантовая эффективность, h – постоян-

ная Планка, ωS – частота оптического сигнала.

Результирующий фототок на выходе балансного фотодетектора составит величину

Если считать мощность опорного генератора LO фиксированной, то на величину фототока будет оказывать влияние фазовая нестабильность LO и сигнала.

Учитывая, что основным режимом работы приемника оптических сигналов когерентных ВОСП является гомодинный прием, в дальнейшем составляющая ωIF принимается равной нулю.

Фазовую стабильность LO также можно считать достижимой в условиях близких к идеальным для LO. Остается неопределенным состояние фазы сигнала θsig(t), отслеживать которое возможно с помощью цепи OPLL (Optical Phase Locked Loop) (рис. 3.49) или цифровой обработкой (рис. 5.2).

Кроме того, использование фазовой модуляции оптического сигнала может быть детектировано при фиксированной фазе θLO, например, при фазовом смещении в 900 или π/2. Такой вид детектирования нашел применение при квадратурной модуляции оптической несущей (рис. 3.46, 3.47, 3.48, 5.10).

Рис. 5.10. Конфигурация гомодинного квадратурного приемника с фазовым сдвигом π/2

Для этой схемы два поля оптического излучения ES и ELO (электрические составляющие) попадут на фотодиоды после смесителя в виде четырех составляющих: