Системы передачи со спектральным уплотнением оптических каналов WDM/DWDM

1.

Системы передачи со спектральным
уплотнением оптических каналов
WDM/DWDM.
Контрольно-измерительное оборудование
для WDM/DWDM систем передачи

2.

Сигналы в ВОСП
• Передаваемые сигналы: голос, данные, ТВ, и др.
• Сигнал преобразуется в оптическую форму (E to O
conversion)
• Сигналы передаются по оптическому волокну
Start
End

3.

Time Division Multiplexing (TDM)
Временное разделение каналов
TDM – это скорость передачи цифрового потока данных
– Сигналы по-канально мультиплексируются в соответствующие тайм-слоты
– Сформированный на передаче цифровой поток выборок от разных входных
каналов, демультиплексируется в обратном порядке на приеме
– Чем быстрее скорость передачи, тем выше пропускная способность ВОСП
MUX
TIME
TIME

4.

Стандартная иерархия синхронных
систем передачи
SONET
OC-1
OC-3
OC-12
OC-48
OC-192
OC-768
SDH
Transmission Rate
51.84 Mb/s
STM-1
155.52 Mb/s
STM-4
622.08 Mb/s
STM-16
2488.32 Mb/s (2.5 Gb/s)
STM-64
9953.28 Mb/s (10 Gb/s)
STM-256 39,813.12 Mb/s (40 Gb/s)
Bit Time
19.29 ns
6.43 ns
1.61 ns
401.88 ps
100.47 ps
25.12 ps
Time Frame
1988
1990
1992
1993
1995
2002

5.

TDM и DWDM
• За счет внедрения DWDM возрастает пропускная
способность ВОЛС
• TDM является дополняющей технологией к DWDM
• DWDM прозрачна по отношению к методам
кодирования и формирования TDM сигнала в
оптическом канале
10 Гбит/с
40 Гбит/с
Иллюстрация наращивания скорости
передачи в стандартных системах с
временным разделением каналов TDM

6.

Волоконно-оптические сети 1-го поколения
• Передача осуществляется на одной рабочей длине
волны
• Низкая пропускная способность
• Строятся на оптическом волокне типа SMF-28
• Требуется регенерация сигналов (O-E-O
преобразование)

7.

Волоконно-оптические сети 2-го поколения
• Передача осуществляется на одной рабочей длине
волны
• Низкая пропускная способность
• Строятся на оптическом волокне типа SMF-28
• Требуется регенерация сигналов (O-E-O
преобразование)

8. DWDM

• Dense Wavelength Division Multiplexing
– Одновременная передача нескольких оптических каналов на
разных длинах волн по одному оптическому волокну
– Применение оптических усилителей в линейном тракте
– Работают в определенных окнах прозрачности оптического
волокна
l1
l2
l3
l2
l3
ln
l1+l2+l3+ln
ln

9.

Основы DWDM
• Выгоды от внедрения
– Значительное увеличение
пропускной способности ВОЛС
– Сокращение общей стоимости
– Извлечение прибыли
– Обеспечение
конкурентоспособного сервиса

10. Определение DWDM

По определению: WDM системы передачи
обеспечивают передачу до 10 оптических
каналов
– Оптические каналы могут распределяться
по спектру равномерно или неравномерно
– В состав линейного сигнала может входить
«контрольный» канал
– Прозрачность каналов по отношению к
скорости передачи
DWDM системы передачи обеспечивают
передачу более 10 оптических каналов May or
may not be spaced evenly
– В состав линейного сигнала может входить
«контрольный» канал
– Прозрачность каналов по отношению к
скорости передачи
Wavelength
Wavelength

11. Компоненты DWDM систем передачи

Передающие модули
Мультиплексоры
Усилители
ВОК
Мультиплексоры
ввода/вывода
• Демультиплексоры
• Приемные модули

12.

Передающий модуль
• Лазер
– Имеет определенную выходная
мощность (примерно 0 дБм)
– Имеет рабочую длину волны
• Большинство лазеров - DFB (Distributed
Feed Back)
– Имеют узкую спектральную полосу
– Для обеспечения стабильности имеют
внешнюю модуляцию
– Нестабильность в основном
определяется температурными
флуктуациями
– Чувствительны к обратному
отражению

13. ITU план частот

Freq.
(THz)
l
(nm)
Freq.
(THz)
l
(nm)
194.300
1542.939
193.400
1550.119
194.200
1543.733
193.300
1550.921
194.100
1544.529
193.200
1551.724
194.000
1545.325
193.100
1552.527
193.900
1546.122
193.000
1553.332
193.800
1546.920
192.900
1554.137
193.700
1547.718
192.800
1554.943
193.600
1548.518
192.700
1555.750
193.500
1549.318
192.600
1556.558

14. Основные термины, относящиеся к DWDM

• Канальный интервал (обычно в ГГц) расстояние
между центральными длинами волн оптических
каналов
• 100 ГГЦ = 0.8 нм

15. Основные термины, относящиеся к DWDM

100 Ггц = 0.8 нм
50 Ггц = 0.4 нм
25 Ггц = 0.2 нм
12,5 Ггц = 0.1 нм
• S-Band – 1460 нм to 1530 нм – Metro DWDM
• C-Band – 1530 нм to 1565 нм – 1st gen. DWDM
• L-Band – 1561 нм to 1625 нм – 2nd gen. DWDM

16. Параметры передатчика, влияющие на функционирование DWDM

• Стабильность центральной длины
волны напрямую зависит от количества
оптических каналов
• Стабильность выходного уровня
напрямую влияет на параметр ошибок
• На стабильность выходного уровня
сильно влияет обратноотраженный
сигнал

17. Параметры мультиплексора, влияющие на функционирование DWDM

•Количество входных портов прямо
пропорционально стоимости мультиплексора
•Характеристики мультиплексора
«чувствительны» к рабочей полосе длин волн
•Технические характеристики мультиплексора
сильно влияют на качество функционирования
DWDM систем передачи
•Позволяет производить функцию
ввода/вывода в системе

18. Усилители EDFA

• Оптические усилители, использующие энергию
лазера накачки для усиления слабого сигнала
• Увеличивают уровень входного сигнала, сокращая
количество O-E-O преобразований.
• Характеристики зависят от рабочего спектра длин
волн
• EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier (усилители на
легированном эрбием волокне) в основном работают
в C-Band
• Усиливают все оптические каналы равномерно (при
условии правильной установки режима работы)
• Выходной уровень зависит от входного
• Усиливают не только сигнал но и шум (ASE)

19. Усилители EDFA

Накопление шумов вдоль ВОЛС при
использовании усилителей EDFA
WDM
Transmission
Node
Optical
Amplifier
WDM
Reception
Node

20.

Структурная схема EDFA усилителя

21. Частотная характеристика коэффициента усиления EDFA

22.

ASE шум оптического усилителя
• ASE – Amplified Spontaneous Emission (усиленная
спонтанная эмиссия)
– Увеличивается с каждым каскадом усиления
– Эффект, присущий EDFA
– Снижает отношение сигал/шум
ASE
Noise

23. Влияние оптического усиления на DWDM СП:

• Увеличивают расстояние между точками O-E-O
преобразования
• Из-за необходимости обеспечения заданного уровня
входного сигнала, ограничивают расстояние усилительного
участка до 100 км
• Характеристики зависят от рабочего спектра длин волн (Cor L-band)
• Усиливают шумы (ASE)
• Обеспечивают возможность компенсации хроматической
дисперсии
EDFA
EDFA
WDM
Transmission
Node
WDM
Reception
Node
~ 100 km
~ 100 km
~ 100 km
~ 100 km

24. Мультиплексоры ввода/вывода

• Обеспечивают ввод/вывод оптических требуемых
каналов
– Составной элемент оптических сетей нового
поколения
– Обеспечивают возможности волновой
маршрутизации
– Обеспечивают требуемую полосу пропускания в
заданной точке сети
• Характеристики входных/выходных портов
мультиплексора зависят от длины волны

25.

Этапы инсталляции DWDM СП
Шаг 1 – Тестирование кабельно-линейных
сооружений
– Рефлектометрические измерения
– Измерение ПМД и хроматической дисперсии
для определения свойств волокон и
проектирования модулей компенсации
дисперсии
Шаг 2 – Измерение бюджета
– Использование источников и измерителей
уровней оптического излучения для
определения бюджета ВОЛС
Шаг 3 – Установка оконечного оборудования
Шаг 4 – Тестирование выходных сигналов
оконечного оборудования
– Анализаторы оптического спектра для
определения характеристик отдельных
оптических каналов

26.

Этапы инсталляции DWDM СП
Шаг 5 – Проверка функционирования оптических
мультиплексоров
– OSA для измерения длины волны и уровня сигнала
на выходе каждого порта
– Использование перестраиваемых аттенюаторов для
настройки уровня каждого канала с тем чтобы
достичь равномерности частотной характеристики
группового сигнала
– Установка фиксированных аттенюаторов в требуемых
местах
– ORL измерения для оценки уровня обратных
отражений
Шаг 6 – Проверка функционирования усилителей
– OSA для измерения входного спектра
– Наложение выходного спектра для определения
коэффициента усиления и OSNR
– Документирование характеристик ASE шума и
наклона коэффициента усиления

27.

Этапы инсталляции DWDM СП
Шаг 7 – Установка регенераторов
Шаг 6 – Проверка функционирования усилителей
– OSA для измерения входного спектра
– Наложение выходного спектра для определения коэффициента
усиления и OSNR
– Документирование характеристик ASE шума и наклона коэффициента
усиления
– Измерение ПМД и хроматической дисперсии для определения свойств
волокон и проектирования модулей компенсации дисперсии
Шаг 9 – Установка терминального оборудования
Шаг 10 – Тестирование входного сигала ОА
– OSA для измерения входного спектра
– Наложение выходного спектра для определения коэффициента
усиления и OSNR
– Документирование характеристик ASE шума и наклона коэффициента
усиления
– Измерение ПМД и хроматической дисперсии для определения свойств
волокон и проектирования модулей компенсации дисперсии

28.

Этапы инсталляции DWDM СП
Шаг 11 – Тестирование выходных сигналов
демультиплексорного оборудования
– Использование OSA
Шаг 12 – Измерение дрейфа характеристик
– Использование OSA в режиме измерения
дрейфа для определения стабильности
работы компонентов СП
Шаг 13 – BER тестирование
– Использование прибора Trans Expert для
BER тестироания

29.

Параметры линейных сигналов,
измеряемых с помощью OSA
• Количество DWDM оптических каналов
• Спектральные характеристики оптических каналов:
– Мощность (включая неравномерность и наклон)
– Длина волны (сравнение с ITU планом частот)
– Отношение сигнал/шум (OSNR)
– Дрейф (Длины волны и мощности)

30. Принципы построения OSA

Анализатор спектра на основе дифракционной решетки

31. Принципы построения OSA

Анализатор спектра на основе
интерферометра Майкельсона

32. Принципы построения OSA

Анализатор спектра на основе фильтра Фабри-Перо
Alignment Fixture
Mirror
Single-mode Fiber
Glass Ferrule
Cross Section of an FFP Filter

33.

Основы DWDM измерений
Осуществляется измерение линейного сигнала в рабочем спектре
длин волн DWDM СП
OSA показывает состав спектра линейного сигнала
Таблица оптических каналов OSA показывает номер канала, его
длину волны, мощность, отношение сигнал/шум.
Tx l1
Tx l2
l
l
l
Rx l1
Fiber with
DWDM signal
DEMUX
MUX
Tx lN
Rx l2
l
l
l
Rx lN
optical spectrum
shows channels

34.

Анализ оптического спектра
Измерение зависимости мощности оптических сигналов от
длины волны
– Оптические канала отображаются как узкие пики
Измерение осуществляется путем сканирования узкополосного
фильтра на входе фотодетектора
Возможности по измерению спектральных характеристик и
точность измерений определяются формой полосы
пропускания этого фильтра
dBm
0
0
-10
-10
-20
-20
dBm
-30
-30
-40
-40
-50
1.528
-50
1.528
1.532
1.536
µm
1.540
1.532
1.536
µm
1.540

35.

Анализ оптического спектра
Полоса длин волн разрешения (RBW) это Full-Width at Half Maximum
(FWHM) полосы пропускания фильтра
– Влияет на точность определения
длины волны
-20
dBm
– Определяет степень разрешения
прибора (например, способность
измерять параметры Ultra-DWDM
с канальными интервалами 10-25
ГГц)
– Не определяет способность к
измерению OSNR
-10
3 dB
FWHM
-30
-40
-50
1.5280
1.5285
1.5290
µm
1.5295
1.5300

36.

Анализ оптического спектра
Определение способности OSA к измерению OSNR:
Основное определение: ослабление
фильтра на заданном расстоянии от
максимума сигнала в полосе
0
0.4 nm (50 GHz)
пропускания.
• “resolution”
• “dynamic range”
• “optical rejection”
Наиболее точное определение:
максимальная ошибка измерения OSNR
при определенном реальном значении
OSNR
dBm
– Указывается под разными
именованиями в спецификациях:
-10
-20
Rejection
at 50 GHz
-30
-40
-50
1.528
1.529
µm
1.530

37.

Измерение OSNR
• OSNR вычисляется путем измерения прилегающего уровня
оптических шумов
• Величина интерполируется между уровнем шумов слева и
справа от пика
0
dBm
-10
OSNR
-20
-30
-40
1.5282 1.5284 1.5286 1.5288 1.5290 1.5292 1.5294
µm

38.

Измерение OSNR
многоканального сигнала
dBm
• По-канальное измерение OSNR
усложняется наличием других
каналов
• Прилегающий уровень шума
может быть только
аппроксимирован в промежутке
между соседними каналами
– Эффект “переходных влияний”
– Наличие прилегающих каналов
может ограничить способность
прибора выделить реальный
уровень шума
0
50 GHz DWDM channels
-5
-10
OSNR
-15
-20
-25
-30
1.529
1.530
µm
1.531

39. Характеристики OSA

• Разрешение: способность выделять близко расположенные
оптические сигналы
• Точность измерения длины волны: как близко расположены
длина волны пика к действительной длине волны?
P
Одни и те же оптические каналы измеренные при
уменьшающемся разрешении 0
0
0
-10
-20
dBm
dBm
-10
-20
dBm
-10
-20
-30
-30
-30
-40
-40
-40
l
1.5284 1.5286 1.5288 1.5290 1.5292 1.5294 1.5296 1.529
1.5284 1.5286 1.5288 1.5290 1.5292 1.5294 1.5296 1.5298
µm
1.5284 1.5286 1.5288 1.5290 1.5292 1.5294 1.5296 1.5298
µm
µm

40. Мониторинг оптических каналов

EDFA
WDM
Transmission
Node
EDFA
WDM
Reception
Node
OSA
output
attenuation
amplification
• OSA спектрограмма сравнивается с эталонной в каждой
точке установки измерительного оборудования

41.

Поиск неисправного компонента сети
Tap
OSA
Device
Under Test
Tap
OSA
• Insertion loss = difference in OSA reading before and after
insertion of device under test
wavelength dependent behavior of components

42.

Снятие характеристик
оптического фильтра
l1+ l2+ … +lN
lk only
• Measure insertion loss as a function of wavelength

43.

Снятие характеристик
демультиплексора
DEMUX
input
Optical Spectrum
Pow er
Optical Spectrum
Wavelength
Optical Spectrum
Pow er
l1+ l2+ … +lN
l1
l2
:
:
lN
outputs
Wavelength
Pow er
Pow er
Optical Spectrum
Wavelength
Optical Spectrum
• OSA used to measure DEMUX operation
• Stopband loss determines crosstalk
Pow er
Wavelength
Wavelength

44.

Снятие характеристик
Мультиплексора ввода/вывода
one channel
input
Optical Spectrum
Pow er
Optical Spectrum
Ideal Output
Wavelength
Pow er
Pow er
Optical Spectrum
Wavelength
Actual Output
• Monitor performance of A/D MUXs
Wavelength

45. Мониторинг оптических каналов

• Мощность сигнала каждого канала
• Центральная длина волны/канальный интервал
• OSNR
Optical Spectrum
Power
OSNR
Wavelength

46.

EDFA характеристика шумов/
коэффициента усиления
• OSA used to measure gain curve, noise figure
EDFA
Tx
Tx
Tx
Tx
Tap
Tap
OSA
OSA
Op t ic a l Sp e c t r um
Po we r
Pow er
Optical Spectrum
Wavelength
Wa ve le ngt h

47.

Переходные помехи соседних каналов
• MUX/DEMUX character affects adjacent
channel crosstalk
Tx
Tx
OSA

48.

The CMA Optical Test System

49.

The CMA 4791 OCA Module
• Up to 256 DWDM channels
• 1520-1570nm Wavelength Range
• ±0.03nm Wavelength Accuracy
• +20dBm to -60dBm Power Range
• ±0.5dB Power Accuracy
• 40-50pm Resolution
• 10GHz Channel Recognition
• Automatic System Characterization
• Rugged, Portable and Battery
Operated

50.

Технические характеристики
CMA4791NI
CMA4792
Wavelength Range
1520 – 1570 nm
1520 – 1620 nm
Wavelength Accuracy
± 20 pm (23° C)
± 20 pm (23° C)
+10 to -70 dBm per
Channel1
+10 to -70 dBm per
Channel
40 pm FWHM (typical)
40 pm FWHM (typical)
Channel Spacing
10 GHz (0.08 nm)
10 GHz (0.08 nm)
Stability
± 0.2 dB per hour
± 0.2 dB per hour
± 0.5 dB (23° C)
± 0.5 dB (23° C)
Power Range2
Resolution Bandwidth
Power Accuracy
1: Available in +20 to -60 dBm
2: Up to 400 channels

51.

Функционирование CMA4000 OSA
• Graph Mode
Graph Mode Select
Acquisition Mode
Resolution Mode
Graph Settings
Full Screen View
Zoom/Pan Toggle
Cursor Locations
Spectrum Overview
Threshold Value
Gain Tilt and Slope

52.

Функционирование CMA4000 OSA
• Table Mode
Table Mode Select
Acquisition Mode
Resolution Mode
Table Settings
Cursor Locations
Spectrum Overview Threshold Value
Gain Tilt and Slope

53.

Функционирование CMA4000 OSA
• Drift Mode
Drift Mode Select
Acquisition Mode
Resolution Mode
Drift Settings
Cursor Locations
Spectrum Overview Threshold Value