В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
4.1. Простые варианты кодирования оптических сигналов (ASK-OOK: NRZ, RZ, CRZ; CSRZ, DB, AMI) Простые варианты кодирования оптических сигналов при модуляции отли- чаются минимальной сложностью электронных и оптических схем, в которых для двухуровневой манипуляции OOK NRZ достаточно применения одного мо- дулятора MZ (рис. 4.7, а). Меняется амплитудное значение (б), но остается неиз- менной фаза импульсов (в). Рис. 4.7. Пример формата оптического сигнала NRZ на выходе модулятора Пример отображения амплитудных и фазовых состояний сигнала после модулятора также представлен круговыми диаграммами на рис. 4.8, а. Обозна- чение в виде 2 соответствует действующему амплитудному значению поля Е. 170 Для реализации оптического сигнала в формате RZ требуется применение второго MZ (рис. 4.9), в котором оптические импульсы формата NRZ превра- щаются в импульсы с возвратом к нулю, что наглядно отмечено при чередова- нии двух единиц. Рис. 4.8. Примеры 2-х и 3-х уровневых состояний модулированного оптического сигнала в круговых диаграммах Рис. 4.9. Пример формата оптического сигнала RZ на выходе модулятора Для реализации формата CRZ потребуется включение третьей ступени мо- дуляции, где с использованием внешнего электрического сигнала в выходные импульсы оптического сигнала будут вноситься предискажения для частичной компенсации дисперсионных искажений в протяженной волоконной линии. Формирование оптического сигнала CSRZ производится в двухступенча- той схеме модулятора (рис. 4.10, а), где на первой ступени электрический сиг- нал с размахом в пределах полуволнового напряжения формирует оптические импульсы NRZ, а на второй ступени такты, согласованного с информационным потоком генератора управляют передачей импульсных посылок CSRZ (рис. 4.10, б). Обозначения на рисунке «+1», «–1» соответствуют передаче амплитудного значения разной полярности относительно средней точки (рис. 4.8, б) или изменению фазы на 180 0 (π), т. е. от 0 до π. Пример временных диаграмм формирования оптического сигнала в фор- мате CSRZ представлен на рис. 4.11. Сигнал передачи данных имеет скорость В 171 и полосу частот, ограниченную фильтром нижних частот (LPF, Low-Pass Filter) значением В, из него выделяется синусоидальное колебание с частотой В/2. Смешение оптического сигнала в формате NRZ и управляющих синусоидаль- ных импульсов во второй ступени модулятора позволяет сформировать оптиче- скую излучаемую мощность в формате CSRZ. Рис. 4.10. Пример структуры модулятора CSRZ и формирования оптических импульсов с подавленной несущей частотой Рис. 4.11. Временные диаграммы формирования оптического сигнала CSRZ 172 Формирование дуобинарного оптического сигнала DB может выполняться в электронной и оптических схемах. Пример оптической схемы представлен на рис. 4.12, где роль формирователя сигнала выполняет третья ступень модулято- ра MZ c одним каналом для задержки оптического импульса на величину такта и учетом его возможной погрешности в фазовом сдвиге (рис. 4.13). После сло- жения задержанных импульсов с импульсами без задержки формируется сиг- нал DB c отличающимися от сигналов CSRZ, RZ и NRZ характеристиками спектра (рис. 4.14). На приемной стороне для восстановления сигнала CSRZ применяется аналогичная схема третьей ступени модулятора. Применение формата AMI в оптических системах рассматривается только теоретически в некоторых исследованиях, т. к. при относительно простом пере- датчике (см. рис. 4.3, а) требуется сложный приемник для трех градаций уровня мощности оптического сигнала и сложная схема устойчивого выделения такто- вой частоты для последующей обработки сигнала в регенераторе. Рис. 4.12. Пример структуры модулятора DB Рис. 4.13. Формирование сигнала формата DB Спектры оптических сигналов на выходе модуляторов четырех форматов отличаются составом, в частности, для CSRZ характерно отсутствие или пони- женный уровень оптической несущей, что снижает мощностную нагрузку на 173 волоконный световод, спектр формата DB самый узкий по уровню − 20 дБм, как принято оценивать по стандартам ITU-T. Обычно для сравнительной оценки спектров модулированных сигналов используется спектральная эффективность, измеряемая [бит/секунда/Герц]. Все рассмотренные спектры простых форматов модуляции имеют эффективность в пределах 0,4–0,8 бит/с/Гц. По этой причине применение этих форматов передачи в когерентных системах на скоростях от 40 Гбит/с и выше практически не рассматривается. Кроме того, как показано в ряде исследований [51, 53, 55], эти форматы сигналов имеют в основном низ- кую устойчивость к дисперсионным искажениям, нелинейным эффектам в во- локне, шумам спонтанной эмиссии оптических усилителей, сужению полосы оптического канала при использовании мультиплексоров ROADM (рис. 4.15). а) оптический спектр NRZ б) оптический спектр RZ в) оптический спектр CSRZ г) оптический спектр DB Рис. 4.14. Спектры оптических сигналов в простых форматах модуляции 174 Рис. 4.15. Проблемы расширения спектра оптических сигналов при увеличении скорости передачи информационного потока Преодоление указанных проблем модулированных оптических сигналов происходит при использовании форматов модуляции фазы, многоуровневой интенсивности и в смешанных решениях. При этом, как правило, расширение спектра не происходит или не превышает возможностей оптических полосовых фильтров. 4.2. Формирование оптических сигналов с фазовой модуляцией (кодирование, кодеры) и двойной поляризацией В числе форматов фазовой модуляции, нашедших широкое использование в системах передачи со скоростями выше 10 Гбит/с, значатся BPSK, DPSK, QPSK, DnPSK и их расширение с двумя мультиплексированными ортогональ- ными когерентными лучами (X, Y) от одного источника PM (рис. 4.16): PM-BPSK, PM-DPSK, PM-QPSK и т. д. Волны PM позволяют удвоить пропуск- ную способность оптического канала благодаря делению одного высокоско- ростного потока данных на два параллельных. Применение фазового кодирова- ния в форматах QPSK, DnPSK также позволяет снизить физическую скорость импульсов информационного сигнала и, как следствие, требуемую полосу частот для передачи. На требуемую полосу частот влияет также выбор формы оптиче- ских импульсов, фазовые состояния которых модулируются. Формы импульсов уже рассмотрены выше: NRZ, RZ и CSRZ. Принцип формирования сигнала 175 в формате BPSK представлен на рис. 4.17, где несущее колебание меняет свою фазу на величину π при каждом переходе амплитуды двоичного сигнала из 1 в 0 и из 0 в 1. Этот пример фазовой манипуляции характерен для электрических и радиочастотных модемов. Иначе происходит манипуляция с фазами оптиче- ских сигналов. Рис. 4.16. Поляризованные мультиплексированные (PM) волны от одного источника излучения Рис. 4.17. Принцип формирования сигнала BPSK При формировании оптического BPSK импульсы биполярного двоичного сигнала управляют непрерывным оптическим излучением лазера в MZM таким образом, что формируются оптические импульсы с чередованием фаз излуче- ния 0 и π (рис. 4.18). При этом уровень мощности излучения в среднем сохра- няется неизменным, что отражено на круговой диаграмме рис. 4.19. Аналогичным BPSK является формат манипуляции DPSK, в котором каж- дый двоичный переход электрического сигнала 0 в 1 и 1 в 1 сопровождается изменением фазы несущего колебания на π (рис. 4.20). Этот пример, также как и для BPSK, характерен для электрических и радиочастотных модемов. Мани- пуляция фазы оптического сигнала выполняется в MZM для возможных форма- тов NRZ, RZ (CSRZ). В рассматриваемом ниже примере (рис. 4.21, 4.22, 4.23) используется двухкаскадный модулятор с MZM и логическая схема формиро- вания сигнала DPSK. 176 Рис. 4.18. Формирование оптического сигнала в формате NRZ-BPSK Рис. 4.19. Круговая диаграмма для BPSK Рис. 4.20. Принцип формирования сигнала DPSK В схеме модулятора предусмотрены все возможные форматы оптического сигнала (NRZ, RZ, CSRZ), которые достигаются выбором напряжения смещения и коэффициентом усиления электрических усилителей (до размаха сигнала 2U π ). 177 Рис. 4.21. Структура модулятора SHF 5003 DPSK (SHF Communication Technologies AG) В логической схеме формирования модулирующего электрического сигна- ла формата DPSK в формирователе линейного сигнала (ФЛС) выделяется из входящего сигнала полутактовая частота (В/2), которая направляется в схему модулятора для формирования оптических импульсов первой ступенью MZM1. Полученные оптические импульсы чередуются с фазовыми состояниями 0, π. Логическая схема состоит из элемента «исключающий или» (суммирование по модулю два) и элемента задержки на один такт информационного потока (Т). а Рис. 4.22. Структура формирования электрических сигналов для двойного оптического модулятора DPSK – а 178 б Рис. 4.22. Формирование модулирующего сигнала DPSK [58] – б В результате суммирования по модулю два сигналов по входам 1 ( a k ), 2(b k-1 ) (рис. 4.22, б, 4.23) формируется сигнал для манипуляции оптическими импульсами на выходе 3 (b k ). Этот сигнал приобретает двуполярную форму по- сле разделительного конденсатора и направляется к электрическому усилителю второй ступени MZM. На MZM2 происходит управление оптическими импуль- сами от ступени MZM1. В результате излучаемые импульсы получают преры- вания в передаче низких логических уровней. Рис. 4.23. Формирование оптического сигнала в формате RZ-DPSK 179 Использование различных форматов манипуляции приводит к формирова- нию различных спектров оптических сигналов, представленных на рис. 4.24. В этом примере приведены данные по спектру для скорости передачи 43 Гбит/с. Как видно из графиков рис. 4.24 более узкий спектр оптического сигнала харак- терен для формата NRZ. Большая ширина спектра характерна для формата RZ. В формате CSRZ подавляется оптическая несущая частота. При этом спек- тральная эффективность остается в пределах не более 1 бит/с/Гц. При исполь- зовании поляризационного мультиплексирования (см. рис. 4.16) спектральная эффективность может достигать значения 2 бит/с/Гц. Формат рекомендован ITU-T (рек. G.680) к применению в некогерентных и когерентных системах на скоростях 40/100 Гбит/с в протяженных линиях благодаря высокой устойчиво- сти к дисперсионным искажениям, о чем будет соответствующее разъяснение в последующих разделах. Рис. 4.24. Спектры сигналов DPSK на выходе модулятора с различными форматами оптических импульсов (NRZ, RZ, CSRZ) [56, 57] Формирование сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией предпола- гает предварительное кодирование (рис. 4.25) двоичной последовательности цифрового сигнала, при котором фаза несущей частоты может принимать че- тыре состояния (0, π/2, π, 3π/2). 180 Рис. 4.25. Принцип формирования сигнала (D)QPSK При формировании оптического сигнала могут реализовываться форматы NRZ, RZ, CSRZ. Пример схемы формирования фазовых позиций оптических импульсов формата NRZ представлен на рис. 4.26. Излучение Е 0 от лазера CW проходит в два параллельных канала ( I k , Q k ) с модуляторами MZM и фазовра- щателем π/2. Таким образом получаются два ортогональные оптические сигна- ла с осями фаз электрического поля Re(E) и Im(E): Комбинации двоичных сигналов в каналах электрического управления мо- дуляторами создают различный поворот результирующей фазы оптических импульсов, т. е. ϕ k может стать π/4, 7π/4, 3π/4, 5π/4. Рис. 4.26. Схема формирования фазовых позиций (D)QPSK [58] 181 Двоичные кодовые комбинации формируются в прекодере по принципу DPSK с фазовой задержкой Т в рекурсивных связях (рис. 4.27) в двух парал- лельных потоках на скоростях В/2 (цифровые потоки U k , V k ). Логика кодирования в каналах прекодера (D)QPSK: Рис. 4.27. Схема формирования модулирующих сигналов (D)QPSK [58] Формируемые на выходе оптические импульсы в пике имеют одинаковую мощность при любых фазовых состояниях, однако при минимуме мощности переходы 00-10, 00-01 дают снижение до Р/2 ( рис. 4.28 ). Мощность излучения, близкая к «0», формируется в переходах 00-11. Рис. 4.28. Изменение мощности оптического излучения при кодировании NRZ-(D)QPSK [58] 182 Для сравнения различных форматов кодирования оптических сигналов на рис. 4.29 приведены спектральные характеристики, в которых заметно преиму- щество DQPSK в более узкой полосе частот, где сосредоточена большая часть энергии. При этом спектральная эффективность возрастает до 2 бит/с/Гц. Использование двойной поляризации DP дает увеличение эффективности до 4 бит/с/Гц. Недостатком DP-DQPSK считается сложность электронной схемы прекодера и оптической схемы модулятора (рис. 3.34). Формат рекомендован к применению в когерентных системах на скорости около 100 Гбит/с. Рис. 4.29. Спектры оптических сигналов с модуляцией интенсивности (слева) и фазы (справа) Количество фазовых состояний оптических импульсов после модуляции может быть увеличено с 4-х до 8, 16, 32, 64 и т. д. и применена дополнительно амплитудная двухуровневая модуляция (рис. 4.30). При этом кодируемое со- стояние фазы требует трех бит. Эти форматы модуляции не нашли широкого применения в оптических системах из-за низкой устойчивости к дисперсион- ным искажениям, но широко используются в системах с DVB-T. Рис. 4.30. Круговые диаграммы для представления состояний амплитуды и фазы модулированного оптического сигнала 8PSK и 8APSK 183 4.3. Формирование оптических сигналов с многопозиционной квадратурной модуляцией Оптические сигналы разновидностей квадратурных форматов 8QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM и 1024QAM применяются также как и nPSK (DnPSK) в радиотехнике и при этом рассматриваются как перспек- тивные для систем с оптическими каналами на скорости до 1 Тбит/с [59]. Приме- ры конструкций модуляторов 16QAM и 64QAM приведены на рис. 3.35 и 3.37. Нетрудно заметить, что увеличение числа квадратурных компонент требует большего числа оптических каналов в модуляторе. Возрастают сложность схемы и требования к точности ее исполнения, возрастает штраф за ухудшение OSNR (рис. 4.31) [60], т. е. требуется более высокое соотношение сигнал/помеха. Рис. 4.31. Формирование фазовых и амплитудно-фазовых форматов модуляции c ортогональной поляризацией и проблема OSNR В конечном результате переход к большему числу квадратурных компо- нент позволяет вплотную приблизится к достижению скорости на спектраль- ный канал в 1 Тбит/с, но за счет уменьшения дистанции передачи, особенно в линиях с волокнами NZDSF (рис. 4.32). При этом требуется соблюдение интер- вала разноса оптических частот не менее 50 ГГц между оптическими каналами DWDM. 184 Рис. 4.32. Комплексная сравнительная оценка фазовых (PSK) и амплитудно-фазовых (QAM) форматов оптической модуляции когерентных систем для скорости 112 Гбит/с [61] Решить проблему сокращения дистанции передачи в форматах QAM предла- гается другим форматом, обозначаемым OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex – мультиплексирование ортогонально-разделенных частот), который позволяет реализовать так называемые оптические суперканалы для скорости пе- редачи данных 1 Тбит/с на дистанции от 400–600 км до 2000–3000 км [61, 62, 63]. 4.4. Формирование оптических сигналов в формате OFDM Использование когерентного формата 100 Гбит/с DP QPSK со сверхплот- ным расположением каналов (12.5, 25, 50 ГГц) позволяет увеличить пропуск- ную способность одного волоконного соединения до 12–16 Тбит/с при исполь- зовании стандартного С-диапазона [64]. Использование расширенного С‑ диапазона или одновременное использование С и L диапазонов позволяют до- вести суммарную емкость до 20–30 Тбит/с. Однако возрастание числа WDM каналов до нескольких сотен существенно усложняют управление сетью. Уве- личение канальной скорости позволит уменьшить число каналов. Кроме того, канальные скорости 400 Гбит/с и 1 Тбит/с могут потребоваться в сетях с новым поколением TerabitEthernet. Увеличение канальной скорости при сохранении одной несущей наталкивается на проблему резкого уменьшения дальности пе- редачи без регенерации. Необходимость строительства дополнительных усили- тельных пунктов приводит к удорожанию систем связи. Оптимальным решением, 185 позволяющим сохранить дальность передачи и увеличить канальную скорость, является использование множества несущих частот в одном объединенном ка- нале, который принято называть суперканалом, схема формирования которого приведена на рис. 4.33. Рис. 4.33. Схема передатчика оптического канала с формированием OFDM Несущие частоты, относящиеся к одному каналу, принято называть подне- сущими частотами. Они формируются от одного лазерного источника оптиче- ской схемой нелинейной генерации. Разделенные демультиплексором поднесу- щие волны λ1-λn независимо модулируются. Поскольку наибольшей производи- тельностью обладают системы связи на основе формата DP QPSK (входы моду- лятора I1-In, Q1-Qn), то именно его целесообразно использовать в сочетании с одной из технологий передачи информации на многих поднесущих OFDM. Со- седние поднесущие благодаря поляризации ортогональны, т. е. независимы, не- смотря на частичное перекрытие спектров модулированных сигналов. Суперканал – это совокупность нескольких (порядка 10) очень плотно рас- положенных оптических каналов, которые обычно называют оптическими под- несущими (рис. 4.34). Рис. 4.34. Ортогональные частоты оптического канала OFDM 186 Предполагается, что суперканал при прохождении по оптической сети бу- дет управляться оптическими маршрутизаторами и коммутаторами как единое целое и его суммарная скорость передачи информации будет в терабитном диа- пазоне. Например, терабитный суперканал может быть образован 10 поднесу- щими, каждая из которых передает сигнал со скоростью 100 Гбит/с в формате DP-QPSK. Таким образом, эта технология будет способна поддерживать буду- щий стандарт Terabit Ethernet (рис. 4.35). Использование кодирования OFDM PM-QPSK дает частотный выигрыш около 1,5 раза при построении систем с каналами до 1 Тбит/с из-за исключения защитных интервалов внутри суперка- нала. Кроме того сокращается объем оборудования благодаря использованию фотонных интегральных схем (рис. 4.36). Применение других форматов кодирования оптических поднесущих частот для канала OFDM (8QAM, 16QAM и т. д.) также позволяет повысить эффектив- ность использования спектра за счет сокращения числа поднесущих и уменьше- ния требуемого диапазона волн передачи (рис. 4.37). При этом скорость переда- чи данных в полосе спектральных диапазонов С и L может измеряться величи- нами от 20 Тбит/с, а спектральная эффективность быть 8–30 бит/с/Гц и более при когерентном (гомодинном) приеме. Однако требуются детальные исследования возможностей по дистанции передачи с ростом числа позиций QAM (64, 128, 256 и т. д.) и устойчивости к дисперсионным и нелинейным искажениям в воло- конных линиях. Некоторые результаты модельных исследований уже опублико- ваны [68, 69, 70], однако они не дают достаточно точных практических ответов на вопросы по устойчивости к дисперсионным и нелинейным искажениям для их использования при проектировании систем передачи. Рис. 4.35. Частотное преимущество использования OFDM для суперскоростных оптических каналов с кодированием PM-QPSK 187 Рис. 4.36. Преимущества формирования суперканала 1 Тбит/с фотонной интегральной схемой компании Infinera 1 Рис. 4.37. Примеры формирования структур оптических каналов и их количества для диапазонов С и L с OFDM и различными вариантами цифрового кодирования 1 URL: www.infinera.com (дата обращения: 27.01.2015). |