Разделы: Телекоммуникации
Размещена 20.06.2017. Последняя правка: 20.06.2017.
Просмотров - 3025

Исследование методов цифровой обработки сигналов на протяженных оптических линиях

Диденко Алёна Александровна

бакалавр

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

студент

Фокин В.Г., кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой многоканальной электросвязи и оптических систем, СибГУТИ

УДК 621.391

Введение

Всем, кто сталкивался с основами построения телекоммуникационных каналов, известно, что для передачи данных на высоких скоростях в магистральных линиях используется волоконно-оптическая система передачи. Для того чтобы поддерживать высокие скорости передачи без регенерации сигнала на дальние расстояния, стали использовать технологию, которая была предложена еще в 1970-х гг. но не стала популярна. Не находила она применение, потому затраты на реализацию и трудоемкость задачи не оправдывала себя в силу того, что начали использовать спектральное уплотнение каналов, чего было достаточно, чтобы достигнуть необходимую скорость на то время. Но с учетом того, что требование к увеличению пропускной способности канала постоянно растет, все-таки внедрение этой технологии стало необходимо. Имя этой технологии – когерентная система передачи данных в оптической линии связи. Само исследование основывалось на когерентном приеме, но самая важная часть, которая и позволяет наращивать скорость без применения регенерации сигнала на длинных дистанциях – это применение DSP (цифровой обработки сигнала).

Алгоритм DSP

Универсальный компонент DSP выполняет несколько важных функций в восстановлении входного сигнала после когерентного детектирования. Он может быть использован в когерентных системах, которые используют m-QAM или m-PSK модуляции с одной поляризацией (X канал) или двойной поляризацией (X и Y каналы) мультиплексирования.

Цифровая обработка детектированного сигнала, которая состоит в электронной компенсации дисперсионных искажений и нелинейных продуктов, восстановлении фазовых соотношений несущих частот, декодировании цифровых данных, коррекции ошибок FEC, идентификации канала и др. Алгоритм обработки представлен ниже на рисунке 1.
     
                       
                                           Рисунок 1 - Алгоритм универсального DSP устройства.

Изначально четыре потока символов с АЦП, соответствующие действительным и мнимым частям (I и Q) двух потоков комплексных символов, по одному «комплексному потоку» для каждой поляризации, поступают в блок устранения неточностей входного интерфейса, далее в блок преобразования частоты дискретизации, который преобразует асинхронную частоту дискретизации в частоту, равную 2 отчетам/символ.

К неточностям входного интерфейса могут относиться временное рассогласование между четырьмя компонентами сигнала из-за неравенства оптических и электрических путей внутри когерентного приемника, неравенство амплитуд этих сигналов из-за различия в величинах токовой чувствительности балансных приемников и отклонения от номинальных значений фазовых задержек в гибриде.

Основные нелинейности сигнала, обусловленные природой оптического волокна, является хроматическая дисперсия, при которой различные длины волн света имеют разную скорость распространения в волокне. Этот эффект можно рассматривать как комбинацию материальной и волноводной составляющих. Материальная составляющая обусловлена свойствами стекла, из которого изготавливают волокно. Волноводная составляющая зависит от геометрии волновода волокна. Так как этот эффект является стационарным, то мы можем просто выполнить линейную фильтрацию с обратной передаточной функцией по отношению к волокну. Это фильтр может быть использован как в частотной области, так и во временной. 

Адаптивный эквалайзер используется для компенсации остаточной хроматической дисперсии, поляризационной межмодовой дисперсии (PMD), и уменьшения межсимвольной интерференции. Для системы с двойной поляризацией структура дроссельной заслонки используется для поляризационного демультиплекса. В DSP используется алгоритм с постоянным модулем радиуса (CMA-RD – constant modulus algorithm – radius direct)[5]. Этот алгоритм обеспечивает минимизацию отклонения амплитуды сигнала от некоторого искомого среднего значения.

Смешивание с локальным генератором вводит смещение фазы и частоты, приводя к смещению диаграммы созвездий. Для компенсации этого смещения необходимо оценить и скомпенсировать внутреннюю частоту для переноса принятого сигнала в полосу частот. Существует два основных класса алгоритмов, подходящих для этого: стохастический метод, который выполняет некоторый способ усреднения временной фазы дифференциальной несущей для каждого символа, и спектральные методы, которые вычисляют смещение частоты с помощью преобразования Фурье сигнала в течение некоторого периода времени.

Оценка несущей фазы необходима из-за изменяющейся относительной фазы T_X- и LO-лазеров из-за их ненулевой ширины линии лазера. Как и при оценке частоты, модуляция должна быть удалена из сигнала и шум должен быть усреднен. Несколько уникальным аспектом когерентных оптических систем является то, что относительная ширина линии намного выше, чем в беспроводных системах. Это означает, что оценка фазы является гораздо более ограничивающей задачей для оптических систем, и эти алгоритмы, следовательно, гораздо более важны для работы системы, чем для беспроводной связи. Далее будет рассмотрен алгоритм Витерби и цифровой цикл с фазовой автоподстройкой, который часто используется для модуляции QAM более высокого порядка.

На последнем этапе применяется алгоритм исправления ошибок (FEC), снижающий относительное количество ошибочных битов BER. При работе программы FEC вычисляется коэффициент ошибок BER до исправления (BER до FEC). Критическому значению BER после FEC 10-12 соответствует пороговое значение BER до FEC 1,9х10-2.

Результаты работы

В данной работе были исследованы два формата модуляции DP-16QAM (как модуляция, используемая на текущий момент) и DP-128QAM (чтобы показать, почему этот формат не эффективен на длинные дистанции). Рассматриваемая скорость была 112 Гбит/с.     

     

          Рисунок 2 - Диаграмма созвездий до и после DSP модуляции DP-16QAM на длине дистанции 400 км

Из рисунка 2 видно, что при формате модуляции DP-16QAM длина дистанции 400 км вполне достяжима. На выходе DSP устройства присуствуют четкие созвездия, что позволяет получить почти безошибочную информацию. При дальнейшем увеличении дальности оптической линии созвездия "расплываются" и вероятность ошибочного приема увеличивается. На рисунке 3 представлена диаграмма созвездий на длине 450 км. 

        

                  Рисунок 3 - Диаграмма созвездий до и после DSP для DP-16QAM на длине линии 450 км

Для сравнения так же предствлена модуляция DP-128QAM. Максимальной дальности удалось достигнуть 90 км. На большей линии созвездия становились слишком близко друг другу и практически не распознаваемыми. На рисунке 4 представлена диаграма созвездий после DSP алгоритма. 

              

              Рисунок 4 - диаграмма созвездий после DSP для формата модуляции DP-128QAM на длине линии 90 км

Если же увеличивать длину пролета оптической линии, то созвездия начинают накладываться друг на друга. И это уже на длине 100 км. Соответственно, применять столь большой формат модуляции не целесообразно, ввиду того, что потребуется устанавливать слишком часто промужуточные стации. Если рассматривать с экономической точки зрения, то система оказывается дорогой в обслуживании и поддерживании станции. 

           

                    Рисунок 5 - диаграмма созвездий DP-16QAM после DSP на длине оптической линии 100 км

Выводы

Цифровая обработка сигналов совместно с когерентным приемом позволяет использовать гигабитные скорости  на длинных дистанциях оптического пролета без использования промежуточных станций. 
В ходе проделанной работы были рассмотрены только два вида модуляции, для того чтобы сравнить и понять, почему увеличение форматов модуляций не стало решением вопроса о росте пропускной способности. 

1. Фокин В.Г. Когерентные оптические сети: учебное пособие / СибГУТИ; каф. МЭС и ОС. Новосибирск, 2015 г.
2. Наний О.Е. WDM и оптические сети связи / LightWave Russian Edition №4 - 2008 г.
3. Трещиков В.Н., Наний О.Е. Новое поколение DWDM-систем связи / Фотон-экспресс №4 - июль, 2014 г.
4. Библиотека программы OptiSistem / DSP Universal

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий