5.3. Оценка отношения сигнал/шум (OSNR)
на выходе когерентного оптического приемника
Оценка оптического отношения сигнал/шум (OSNR) необходима для уста- новления порога чувствительности когерентного приемника сигналов различ- ной сложности формирования (см. рис. 5.3). При этом основными шумовыми составляющими являются шумы спонтанной эмиссии оптических усилителей
(ASE) и шумы, вызванные нелинейными эффектами. При отсутствии перегруз- ки оптического волокна мощными сигналами последние не учитываются, или учитываются при режимах передачи, близкими к перегрузке, в виде штрафных ухудшений OSNR. Кроме того, на величину штрафа OSNR влияют параметры некомпенсированной хроматической и поляризационной дисперсий, ширина спектральной линии оптического передатчика и гетеродина приемника. Обычно оценка ширины спектральной линии принимается равной 0,1 нм.
Теоретическая оценка OSNR представляет следующее соотношение:
ref
ASE
B
N
P
OSNR
2
,
(5.14) где P – общая мощность оптического канального сигнала с двумя поляризация- ми, N
ASE
– спектральная плотность шума для одной поляризационной составля- ющей, B
ref
– фиксированная полоса излучения источника 0,1 нм или 12,5 ГГц.
В цифровых системах передачи оценивается SNR при аддитивном сложе- нии Гауссовского шума канала с сигнальными составляющими E
S
в виде логи- ческих символов 0 и 1:
0
N
E
SNR
S
,
(5.15) где N
0
– спектральная плотность шума в полосе канала и E
S
– энергия символа на тактовом интервале T
S
при мощности P, т. е.
S
S
PT
E
При поляризационном мультиплексировании и оценке OSNR и SNR уста- новлена следующая связь:
SNR
B
R
OSNR
ref
S
2
,
(5.16) где R
S
= 1/T
S
– символ скорости, а шумы оцениваются эквивалентно N
0
и N
ASE
.
217
Также для обозначения энергии символа на тактовом интервале использу- ется метка бита, т. е. E
b
. Если число уровней информационного сигнала более
M > 2, то используется обозначение m = log
2
(M). С учетом соотношений
m
SNR
N
E
b
0
или
0
N
E
SNR
b
b
, можно указать
b
ref
b
SNR
B
R
OSNR
2
,
(5.17) где R
b
– битовая скорость.
Для ускоренной оценки SNR используется метод на основе Q-фактора
(Quality – качество), который представляет собой отношение
1 0
1 0
Q
,
(5.18) где
1
и
0
графическая зависимость значения сигнала («1» и «0») и дисперсии шума
1
и
0
относительно уровня принятия решения о передаче логической
«1» или «0». Значения
1
и
0
,
1
и
0
фиксируются на выходе фотоприемного устройства с аналоговым широкополосным усилителем в виде глаз-диаграммы
(рис. 5.17).
Обычно Q-фактор оценивается в децибелах:
Q (дБ) = 10 lg Q
2
= 20 lg Q
(5.19)
Между Q-фактором и коэффициентом ошибок К
ош
(BER, Bit Error Ratio – отношение битовой ошибки или P
b
) установлена однозначная связь через таб- личную функцию на основе интеграла вероятности
2
ош exp
2 1
BER
2
Q
K
Q
Q
Q
(5.20)
Пример соответствия К
ош
, Q и соотношения сигнал/шум приведены в табл. 5.2 и на рис. 5.18.
Рис. 5.17. Глаз-диаграмма и распределение среднего значения цифрового сигнала и дисперсии шума
218
Табл. 5.2.Соотношение между Q – фактром и коэффициентом ошибок
К
ош
Q, в абсолютных
единицах
Отношение сигнал/шум
SNR = 10 lg Q
2
, дБ
10
–9 6,0 15,6 1,3 10
–12 7,0 16,9
Для многоуровневых оптических сигналов с амплитудно-фазовой модуля- цией M-QAM определена оценка приближенной величины BER через Q-фактор соотношением:
1 3
1 4
5
,
0
M
mSNR
Q
M
M
m
P
b
QAM
M
b
(5.21)
Рис. 5.18. Соотношение между Q-фактором и BER
Оценки требуемых OSNR на основе (5.21) и ряде других соотношений для цифровых потоков 112 Гбит/с приведены в табл. 5.3 по ряду известных публи- каций [82–87]. Так же приведены требуемые оценки для 40 Гбит/с сигналов
(табл. 5.4).
Табл. 5.3. Требования по OSNR для систем на скорости 112 Гбит/с PM c когерентным гомодинным приемом при коэффициенте ошибок BER = 1 × 10
-3
Формат мо-
дуляции
Спектральная
эффективность,
бит/с/Гц
Теоретический
OSNR, дБ
Измеренный
OSNR, дБ
Источник
данных
по списку
PM-QPSK
4 13 15,8
[82]
PM-8PSK
6 16,4 19
[83]
PM-8QAM
6 15 17,9
[84]
PM-16QAM
8 17 20
[85]
PM-36QAM
>10 20 23,5
[86]
PM-64QAM
12 21,5 26,4
[87]
219
Приведенные в табл. 5.3 величины OSNR различных форматов модуляции могут использоваться для практического использования при расчете оптиче- ских каналов с когерентными приемниками OTH для скорости передачи OTU4 с FEC.
Табл. 5.4. Оценка требуемого OSNR для цифровых данных на скорости
40 Гбит/с при BER = 10
-4
и ширине спектральной линии Δλ = 0,1 нм [53]
Формат сигнала
QPSK
8PSK
16PSK
16QAM
64QAM
SNR, дБ (теорет.)
11,8 16,9 22,6 20,0 24,3
OSNR, дБ (теорет.)
10,8 14,2 18,6 16,0 18,5
OSNR, дБ (RZ, моде- лир.)
11,2 14,6 18,9 16,1 18,7
OSNR, дБ (NRZ, мо- делир.)
13,0 16,9 22,4 18,4 20,1
Другие примеры вариантов оценки OSNR приведены в [2].
5.4. Оценка некогерентности детектирования на приеме
Оценка некогерентности детектирования обусловлена необходимостью учитывать различия в генерации несущей оптического передатчика и гетеродина приемника, поскольку эти расхождения приводят к снижению OSNR и возраста- нию вероятности ошибок. Степень некогерентности обусловлена шириной спек- тральной линии и ее стабильностью (фазовым шумом одномодового лазера).
Фазовый шум на тактовом интервале принимаемого сигнала оценивается через отклонение частот сигнала и гетеродина
S
LO
S
T
f
f
2 2
, где δf
S
и δf
LO
– ширина спектра сигнального источника и гетеродина по уров- ню –3 дБ. Если на приеме используется цифровая обработка сигнала DSP для скорости 10,7 Гбит/с, 41 Гбит/с, 112 Гбит/с и т. д., то к фазовым шумам сигнала и гетеродина добавляются шумы адаптивного фильтра компенсатора дисперсии и восстановления несущей. По аналитическим оценкам, приведенным в [94] можно утверждать, что на величину OSNR накладываются штрафные ограни- чения от 1 дБ до 6 дБ и более по причине нарастания фазовых шумов из-за не- стабильности оптических генераторов в первую очередь (в пределах от 100 кГц до 100 МГц) и во вторую, добавления шумов от действия адаптивных фильтров
(Equalization Enhanced Phase Noise, EEPN). На рис. 5.19, 5.20 представлен при- мер оценки штрафа по OSNR от ширины спектра гетеродина и расхождения ча- стот сигнала и гетеродина [95].
220
Рис. 5.19. Оценка штрафа по OSNR при BER = 10
-3
в зависимости от ширины спектра δf
LO
при разных форматах сигналов
Рис. 5.20. Оценка штрафа по OSNR при BER = 10
-3
в зависимости от разности частот оптического сигнала на приеме и гетеродина для PM-DQPSK
5.5. Характеристики промышленных когерентных приемников
Когерентные оптические приемники, выпускаемые рядом производителей, например, Oclaro
1
, Fujitsu и многие другие, отличаются глубокой интеграцией оптических и электронный компонентов, выполняемых, как правило, на единой подложке (рис. 5.21).
1
URL: http://oclaro.com (дата обращения: 27.01.2015).
221
Рис 5.21. Пример оптоэлектронной интеграции когерентного оптического при- емника для 112 Гбит/с сигнала без источника опорного гетеродина LO
Отдельные интегрированные компоненты когерентных оптических систем входят в блоки транспондеров, пример одного блока представлен компанией
NTT
1
на рис. 5.22. В состав транспондера NTT входят гибридные интегральные схемы: оптическая на основе технологии PLC и электрическая с фотодетекто- рами и электрическими трансимпедансными усилителями (TIA) (рис. 5.23). Со- пряжение между схемами выполнено оптическими линзами, фокусирующими излучения сигнала и гетеродина на отдельных фотодетекторах.
Рис. 5.22. Компоненты транспондера с когерентным приемником
Другое интегрированное решение представлено продукцией компании
Optoplex (рис. 5.24), в которой объединены аналоговая оптическая и электриче- ская схемы когерентного приемника на единой подложке (рис. 5.25).
1
URL: www.ntt.com/ (дата обращения: 27.01.2015).
222
Рис. 5.23. Гибридный когерентный оптический приемник для сигналов DP-QPSK 112 Гбит/с
Рис. 5.24. Конструктивное исполнение оптоэлектронной аналоговой части когерентного приемника Optoplex DP-QPSK
1
Типовые характеристики когерентных оптических приемников разработа- ны ведущими производителями, объединенными в ассоциацию OIF (Optical In- ternetworking Forum), насчитывающую более 90 участников
2
. Примеры харак- теристик для когерентных оптических приемников представлены в табл. 5.5 для сигналов DP-QPSK 112 Гбит/с.
1
URL: www.optoplex.com (дата обращения: 27.01.2015).
2
URL: www.oiforum.com (дата обращения: 27.01.2015).
223
Табл. 5.5. Технические характеристики оптического когерентного приемника
Параметры
Ед. изм.
Миним.
значение
Типовое
значение
Максим.
значение
Символ скорости
ГБод
32
Рабочие диапазоны частот
С-диапазон
L-диапазон
ТГц
ТГц
191,35 186,0 50 ГГц по рек.
G.694.1 196,2 191,5
Уровень мощности оптиче- ского сигнала дБм
−
18
−
10 0
Уровень мощности LO дБм
16 13 3
Макс. усиленная контролир. полоса
МГц
5
Миним. cигн. полоса частот по уровню –3 дБ
ГГц
22
Оптические отражения дБ
−
27
Макc. оптическая вводимая мощность мВт
300
Общее расхождение гармо- ник по фототоку каждого фотодетектора
%
5
Фазовые ошибки
%
±5
Низкочастотная отсечка кГц
100
Рис. 5.25. Полная (аналоговая и цифровая части) структура когерентного приемника Optoplex DP-QPSK для скорости передачи 112 Гбит/с
Также в характеристиках когерентных приемников определены сигналь- ные, гетеродинные и токовые характеристики во взаимной увязке, представ- ленные в табл. 5.6 и на рис. 5.26.
224
Табл. 5.6. Рекомендованные OIF предельные характеристики оптической мощ- ности и токов для фотодиодов с чувствительностью 0,8 А/Вт
Уровень мощности сигнала,
дБм
Уровень мощности ге-
теродина LO, дБм
Величина фототока
в каждом детекто-
ре, мА
0 3
0,715
−
3 6
0,715
−
6 9
0,715
−
10 13 0,715
−
13 16 0,715
−
16 16 0,506
−
18 16 0,402
Рис. 5.26. Маска нормируемых уровней мощности оптических сигналов на приеме и гетеродина
Контрольные вопросы
1. Что относится к порядку и алгоритмам преобразований в когерентных оптических приемниках?
2. В каких форматах может поступать оптический сигнал на вход коге- рентного приемника?
3. Какие проблемы с обработкой сигнала решаются в оптическом коге- рентном приемнике?
4. Какие методы детектирования оптических сигналов различных форма- тов могут использоваться в когерентных приемниках?
5. Что входит в состав простого когерентного оптического приемника?
6. Что входит в состав квадратурного когерентного оптического приемника?
7. От чего зависит результирующий фототок на выходе балансного детек- тора?
8. Какие токовые составляющие балансного детектора присутствуют в го- модинном квадратурном приемнике?
225 9. Какие методы демодуляции принятого сигнала могут применяться в ко- герентных гомодинных приемниках?
10. Что входит в состав цифровой схемы когерентного приемника?
11. Что относится к процедурам цифровой обработки сигнала в когерент- ном приемнике?
12. Что представляет собой схема цифрового корректора хроматической дисперсии?
13. Чем компенсируется ПМД в цифровой части когерентного приемника?
14. Какие функции выполняет алгоритм Витебри при цифровой обработке сигнала (DSP) в когерентном приемнике?
15. Чем определяется отношение OSNR при когерентном приеме?
16. Почему OSNR определяется при коэффициенте ошибок 10
-3
?
17. С чем может быть связана некогерентность детектирования на приеме?
18. Чем оценивается некогерентность детектирования на приеме?
19. Чем обусловлен фазовый шум в когерентных приемниках?
20. Какими техническими характеристиками описывают когерентные опти- ческие приемники?
226 6. ОПТИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ В КОГЕРЕНТНЫХ СИСТЕМАХ
Оптические усилители являются составными компонентами когерентных систем передачи, поддерживающими необходимые уровни передачи на всех участках по дистанции и на всех рабочих частотах со спектральными каналами.
Оптические
усилители отличаются конструкциями, принципом действия и характеристиками передачи сигналов. В известных диапазонах волн (оптиче- ских частот), используемых для построения когерентных систем передачи, применяются волоконные оптические усилители примесного типа (легирование эрбием – Er, тулием – Tm, теллуром – Tе и другими редкоземельными элемен- тами), волоконные рамановские и полупроводниковые (рис. 6.1). Обращают на себя внимание рамановские усилители, которые пригодны во всех рабочих диапазонах от 1420 нм до 1620 нм. При этом все остальные могут использо- ваться только в ограниченных частотах. Это обусловлено различным принци- пом увеличения оптической мощности сигналов, проходящих через среду уси- ления. Основными характеристиками оптических усилителей являются: полоса или диапазон частот (волн) усиления; коэффициент усиления и его равномер- ность; шумы, вносимые усилителем; поляризационная чувствительность; нели- нейные искажения или перегрузка; показатели энергоэффективности; массога- баритные показатели; температурная устойчивость и т. д.
Рис. 6.1. Виды оптических усилителей и рабочие диапазоны
227
Примеры некоторых интегрированных характеристик рамановских и при- месных (эрбиевых) усилителей применительно к когерентным системам с опти- ческими каналами 100 Гбит/с представлены на рис. 6.2.
Преимущество рамановских усилителей состоит в большей усиливаемой полосе и, соответственно, в большей емкости волоконной линии по числу кана- лов и их совокупной скорости передачи информационных сигналов.
Рис. 6.2. Соотношения для примесных и рамановских оптических усилителей
Сочетание различных типов усилителей (распределенных рамановских
DRA (Distributed Raman Amplifiers), сосредоточенных примесных и раманов- ских – Discrete Raman Amplifier) позволяет строить протяженные оптические каналы с гарантированными соотношениями OSNR на всех участках, на кото- рых сведены к минимуму последствия от нелинейных эффектов стекловолокон и шумов спонтанной эмиссии усилителей (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Ограничения на величину усиления оптических усилителей
228
6.1. Примесные усилители оптического излучения Волоконно-оптические усилители (ВОУ) с примесными редкоземельными компонентами (Er, Tm, Te) получили большое распространение в волоконно- оптических системах передачи. Это связано с рядом их неоспоримых досто- инств:
─ простота конструкции;
─ высокая надежность;
─ большие коэффициенты усиления;
─ малые шумы;
─ широкая полоса усиления;
─ нечувствительность к поляризации усиливаемого света и т. д.
Для передачи оптических сигналов в линиях с усилением для диапазонов
С, L чаще всех применяются EDFA, на принципе действия которых далее пояс- няются характеристики усиления.
Основу конструкции ВОУ-EDFA составляет оптическое волокно длиной от 10 м до 100 м с примесью редкоземельного материала Er. Принцип действия
ВОУ основан на эффекте возбуждения посредством внешней накачки атомов редкоземельного материала, помещенных в сердцевину обычного одномодово- го стекловолокна (рис. 6.4). Редкоземельные материалы выбраны с таким расче- том, чтобы имелись зоны поглощения внешней энергии и создавалась инверсная населенность, которая приводит в конечном результате к спонтанной и стиму- лированной эмиссии (рис. 6.5). При этом вынужденное свечение будет обу- словлено входным сигналом и совпадает с ним по длине волны.
Рис. 6.4. Схема оптического усиления в эрбиевом волоконном усилителе
В сердцевине стекловолокна помещены ионы эрбия (Er
3+
). Для накачки ионов могут применяться излучения с длинами волн 1480 нм, 980 нм, 800 нм,
670 нм и 521 нм. Реально используются 1480 нм и 980 нм. Это обусловлено ря- дом причин: эффективностью полупроводниковых лазеров большой мощности,
малым затуханием оптического волокна, низкими требованиями к точности длины волны накачки.
229
На длине волны 980 нм наблюдаются наименьшие шумы усиления, а на длине волны 1480 нм нет жестких требований к точности настройки. Оптиче- ский усилитель с накачкой на длине волны 1480 нм называют двухуровневым, а усилитель с накачкой на длине волны 980 нм – трехуровневым (рис. 6.5).
Рис. 6.5. Коэффициенты поглощения атомов эрбия на различных волнах накачки
Ионы эрбия возбуждаются за счет поглощения энергии волн генератора накачки (
Н
). Они переходят с основного уровня на более высокие энергетиче- ские уровни, а затем без излучения в требуемом диапазоне снижаются (релак- сируют) до метастабильного уровня. Одновременно на возбужденные атомы воздействует излучение сигнала (
С
), вызывающее стимулированное излучение на всей длине активного волокна.
Однако не все атомы взаимодействуют с излучением сигнала и спонтанно переходят на основной уровень за время примерно 10 мс. Спонтанная эмиссия фотонов порождает шум излучения, который тоже может усиливаться (такие шумы принято обозначать: ASE, Amplified Spontaneous Emission). При доста- точно интенсивном входном сигнале с длиной волны
С
спонтанное излучение в эрбиевом усилителе может быть подавлено (рис. 6.6). Использование лазеров накачки на разных волнах (980 нм и 1480 нм) создает различные условия уси- ления относительно ASE, коэффициента усиления и схем накачки.
Лазеры с волной накачки 980 нм обеспечивают наименьший шум усиле- ния, а лазеры на волне 1480 нм позволяют получить больший коэффициент усиления при большей величине шума ASE. Исходя из этих фактов можно определить применение: на волне 980 нм накачка необходима в усилителях предварительных на входе приемников оптического излучения в системах с большим числом спектральных каналов; на волне 1480 нм накачка необходима для получения максимального усиления для получения максимальной мощно- сти ввода в волоконную линию. Особенности характеристик EDFA на разных волнах накачки приведены в табл. 6.1.
230
Рис. 6.6. Подавление шума спонтанной эмиссии в EDFA
Коэффициент шума (или фигура шума, как часто указывается в литерату- ре) EDFA определяется следующим соотношением:
)
1
(
2
AASEGfhfPNF,
(6.1) где
PASE – мощность усиленной спонтанной эмиссии,
h – постоянная Планка,
f – ча- стота оптического сигнала,
∆f – полоса усиления. Обычно 3 дБ <
NF < 6 дБ,
GA – коэффициент усиления. При каскадном включении усилителей может происходить накопление шумов от
n числа усилителей
1 2
1 1
2 1
1 1
nnnGGGNFGNFNFNF(6.2)
При этом шумы определяются в основном первым каскадом (NF
1
).
Табл. 6.1. Сравнительные характеристики EDFA для различных волн накачки
Скачать 13.92 Mb.