Устройство для исследования линейных трактов DWDM магистралей рециркуляционным петлевым методом
DEVICE FOR STUDYING LINEAR DWDM TRUNK PATHS BY THE RECIRCULATION LOOP METHOD

Изобретение представляет собой устройство и относится к области измерительной техники для оптических систем передачи информации, может быть использовано при комплексных измерениях характеристик линейного тракта высокоскоростных DWDM магистралей с использованием способа рециркуляционной петли.
Основным, и в настоящее время общепринятым методом исследования на стадии проектирования, вплоть до трансокеанской протяженности, является метод использования многократной рециркуляции оптического сигнала с параметрами, близкими к линейному сигналу проектируемой системы. В специальной литературе по данному вопросу известно множество работ, где описаны различные варианты петлевых схем и результаты изучения имитации протяженных магистралей с различными скоростями, форматами модуляции и структурами смой линии, что свидетельствует о высокой эффективности метода. В результате анализа всех доступных материалов были отобраны и рассмотрены в качестве известных аналогов предлагаемого устройства следующие источники:
1. N.S. Bergano, C.R. Davidson, "Circulating loop transmission experiments for the study of long-haul transmission systems using erbium-doted fiber amplifiers", Journal of Lightwave Technology, v. 13, p. 879, (1995),
2. N.S. Bergano, C.R. Davidson, "Wavelength division multiplexing in long-haul transmission systems", Journal of Lightwave Technology., v. 14, p. 1299-1308, (1996),
3. V. Mikhailov, "Investigation of high-speed WDM optical fibre transmission systems and devices using recirculating loop techniques", a thesis submitted to University of London for the degree of Doctor of Philosophy of Electronic and Electrical Engineering, September (2003),
4. Q. Yu, L.-S. Yan et al. "Loop-Synchronous Polarization Scrambling Technique for Simulating Polarization Effects using Recirculating Fiber Loops", Journal of Lightwave Technology, v. 21, issue 7, p. 1593, (2003),
5. D.C. Kilper et al., "Dynamic Circulating Loop Methods for Transmission Experiments in Optically Transparent Networks", ICTON 2008, Tu. B 1.2, p. 99-102,
6. D.C. Kilper, F. Smith et al. "Applied Constant Gain Amplification in Circulating Loop Experiments", Journal of Lightwave Technology, v. 21 No 1, p. 4686 (2009),
7. A. Morea, F. Leplingard et al., "Advanced Test-beds to Validate Physical Estimators in Heterogeneous Long-Haul Transparent Optical Networks", Journal of Networks, v. 5 No 11, p/ 1335-1342, (2010),
8. E. Mutafungwa, "Circulating loop simulations for transmission performance comparison of various node architectures", Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 3 No 4 pp 255-261,
9. "Fiber-Optic Recirculating Loop", O/E Land Inc., www.o-eland.com, p. 1-3,
10. Е.Г. Богданова, A.H. Сигаев « Петлевой метод исследования протяженной системы DWDM» Первая миля, №1 2017, стр. 54-59.
Что характерно в целом для этих аналогов, объединенных общностью применяемой методики:
1. Большая часть экспериментов с многоканальными DWDM линейными сигналами проводилась с канальными скоростями ~10,7 Гбит/с, с форматом NRZ и некогерентным приемом, с применением поляризационных скремблеров в пролетах тракта и использованием волно-селективных устройств WSS в качестве эквалайзеров линейного сигнала;
2. В подавляющем большинстве экспериментов с продвинутыми типами линейных сигналов (100 и более Гбит/с, сложные форматы модуляции с фазовой манипуляцией) не используются стандартные, работающие в реальных линиях приемо-передающие модули, а стоят сложные и дорогостоящие специализированные терминалы;
3. При формировании многоканальной (десятки DWDM каналов) имитации линейного сигнала почти не используется комбинация ASE+WSS, а ставят громоздкие, до 40 и больше, наборы DFB лазеров с 10,7 Гбит/с и NRZ;
Известен патент US 6271944 (B1) - Laser wavelength control in an optical communication system, H04B 10/02, H04B 10/04, H04B 10/14, H04J 14/02, так же опубликовано, как ЕР 1105983 (A1), WO 0103337 (A1). В патенте рассмотрен способ и устройство для управления и стабилизации длин волн лазера в системе передачи мультиплексора с плотным спектром длин волн (DWDM), в котором формируют множество тестовых сигналов, а затем в оптическом приемнике частотный анализатор анализирует частотные тестовые сигналы на искажение и/или изменения амплитуды.
Известен патент JP 2004343692 (А) - Method and apparatus for monitoring channel performance in dense wavelength division multiplexed (dwdm) optical networks, H04B 10/077; H04B 10/079; H04B 17/00; H04J 14/00; H04J 14/02. Данное устройство контроля получает оптический сигнал от оптической сети DWDM. Оптический фильтр выбора настраиваемого канала соединен для приема оптического сигнала от оптической сети и для выделения и передачи одного канала из сети. Перестраиваемый оптический режекторный фильтр принимает изолированный канал и сканирует его с узкой полосой пропускания. Весь канал будет передаваться через настраиваемый оптический режекторный фильтр, который должен обрабатываться системой анализа канала передачи. Сканируемый узкополосный сигнал от настраиваемого оптического режекторного фильтра может быть выведен для обработки с помощью анализатора оптического спектра. Настройка фильтров контролируется системой управления.
Недостатком данных патентов является то, что, в отличие от заявленного изобретения, в оптическом приемнике анализируется только частота сигнала, но не исследуется качество передаваемой цифровой информации на различные дальности магистральных линий.
Наиболее близким по принципиальной схеме и функциональному назначению к предлагаемому здесь устройству и достаточно современным аналогом (100 Гбит/с, DP-QPSK) является экспериментальная установка, описанная в работе S. Ziaie, F.P. Guiomar et al., "100 Gbps DP-QPSK Transmission over 8000 km of Standard Single Mode Fiber using Recirculating Loop Technique",  Aveiro, Portugal, p. 46 49 (2015). Ее мы приняли в качестве прототипа.
15
17
В качестве терминалов в прототипе используются: передатчик 100 Гбит/с, построенный по известной схеме формирования сигнала с поляризационным мультиплексированием сигнала с квадратурной фазовой манипуляцией, QPSK. Сигнал создается генератором ПСП (2-1) в непрерывном режиме. Приемный терминал - когерентный приемник, имеющий свой лазер-гетеродин, причем электрический сигнал с выхода балансных фотодетекторов преобразуется в цифровую форму и затем автономно обрабатывается с использованием MATLAB; оценка BER ведется посредством прямого счета ошибок по массиву 2 бит. Алгоритм работы прототипа включает последовательность этапов загрузки петли, реализации заданного числа циклов (оборотов сигнала) в составе петли, причем на каждом обороте часть рециркулирующего сигнала поступает через ответвитель 2:2 в приемник. Моменты срабатывания оптических переключателей Switch 1 (загрузка), Switch2 (петлевой режим, рециркуляции) и окна стробирования вывода сигнала на осциллограф Real Time для оценки качества приема задаются приближенно, с небольшим запасом по времени. К недостаткам прототипа следует отнести:
- отсутствие универсальности установки: стенд не может быть использован для исследования трактов, передающих многоканальный линейный DWDM сигнал, и не рассчитан на проведение испытаний с промышленно выпускаемыми стандартизованными модулями для систем передачи 100 Гбит/с с форматом DP-QPSK или с другими форматами модуляции;
- нет синхронизации режима загрузки, режима рециркуляции и снятия измеряемого сигнала после окончания рециркуляционного пробега по петле, что приводит к необходимости применения нестандартных приемов оценки коэффициента ошибок BER; так, измерения BER проводились в «натуральном подсчете ошибок», при этом затрудняется оценка выигрыша за счет использования FEC-кодирования;
- процедура проведения рециркуляционного процесса в петлевом тракте регулируется операторами и не предусматривает использования автоматизации измерений.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение,; является создание устройства для исследования линейных трактов DWDM магистралей рециркуляционным петлевым методом, отличающегося от прототипа устранением указанных его недостатков.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в формуле совокупностью признаков, является:
- возможность построения устройства, позволяющего исследовать характеристики протяженных высокоскоростных DWDM линий с периодическим усилением линейного сигнала в широком классе форматов модуляции, причем с соблюдением условий передачи многоканального линейного сигнала с использованием типовых приемно-передающих модулей;
- возможность обеспечения синхронизации функциональных узлов устройства на основе использования общего маркерного импульса;
- обеспечение возможности автоматизации режима измерений параметров исследуемой линии с использованием стандартных методов измерения коэффициента ошибок (с учетом фреймирования, FEC-кодирования и применения штатных BER-тестеров в режиме накопления массива принятых символов).
Указанный результат достигается тем, что выход генератора псевдослучайной тестовой последовательности, формирующий сигнал ПСП и входящий в состав программируемой микросхемы, соединен со входом передатчика, который формирует канальный сигнал на длине волны λр. Выход передатчика соединен с первым входом формирователя имитации линейного сигнала. Кроме того выход лазерного генератор, в котором сформирован импульсный сигнал на длине волны λм, являющийся сигналом синхронизации, соединен со вторым входом формирователе имитации линейного сигнала. В формирователе имитации линейного сигнала создан линейный сигнал, как сетка псевдоканалов с длинами волн, соответствующими сетке DWDM, причем два канала в этой сетке замещены импульсным сигналом на длине волны λм и канальным сигналом на длине волны λр. Сформированный линейный сигнал через оптический изолятор, усилитель, оптический выключатель, четырехпортовый оптический разветвитель подан на исследуемый базовый участок. При этом базовый участок представляет собой последовательно соединенные пролеты, каждый из которого состоит из оптического усилителя и оптического волокна, соответствующей длине пролета, при этом количество пролетов варьируется от 1 до N, где N - заданное число пролетов для формирования необходимой длинны оптической линии. Выход базового участка соединен со входом оптического ответвителя, к контрольному выходу которого может быть подключен оптический спектроанализатор для контроля качества линейного сигнала. Сигнальный выход оптического ответвителя подключен ко второму входу четырехпортового оптического разветвителя, второй выход которого соединен с входом DWDM-демультиплексора, где из линейного сигнала выделены канальный сигнал на длине волны λр и импульсный сигнал на длине волны λм. Первый выход DWDM-демультиплексора с выделенным сигналом λм соединен с входом фотодетектора ФД, в котором сигнал преобразован из оптической формы в электрическую. Выход фотодетектора соединен со входом диспетчера синхронизации, в котором посредством электрического сигнала λм сформированы различные сигналы управления, такие как сигнал включения, поступающий на вход лазерного генератора, сигнал запуска передатчика, поступающий на вход программируемой микросхемы, сигнал управления поступающий на вход формирователя команд управления. С формирователя команд управления управляющие сигналы поданы на управляющие входы оптических выключателей. Кроме того выделенный DWDM - демультиплексором канальный сигнал на длине волны λp со второго выхода через оптический выключатель подан на вход когерентного приемника для преобразования из оптической формы в электрическую, с выхода которого сигнал подан через программируемую микросхему на измеритель битовых ошибок. С целью точной регулировки уровня мощности сигнала на длине волны λм между формирователем имитации линейного сигнала и лазерным генератором может быть установлен переменный оптический аттенюатор. С целью точной регулировки уровня мощности сигнала на длине волны λp между формирователем имитации линейного сигнала и передатчиком может быть установлен переменный оптический аттенюатор.
Указанные признаки устройства являются существенными для решения поставленной задачи и получения требуемого технического результата. Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фигуре представлена структурная схема предлагаемого изобретения.
Устройство для исследования линейных трактов DWDM магистралей рециркуляционным петлевым методом содержит генератор псевдослучайной тестовой последовательности 1, входящий в состав программируемой микросхемы 19, в котором формируется сигнал ПСП, поступающий на передатчик 2 для формирования канального сигнала на длине волны λp. Кроме того лазерный генератор 10 формирует импульсный сигнал на длине волны λм, являющийся сигналом синхронизации. Сигналы λp и λм поступают на вход формирователя имитации линейного сигнала 9, в котором создается линейный сигнал, как сетка псевдоканалов с длинами волн, соответствующими сетке DWDM, причем два канала в этой сетке замещены импульсным сигналом на длине волны λм и канальным сигналом на длине волны λp. Сформированный линейный сигнал через оптический изолятор 3, усилитель 4, оптический выключатель 11, четырехпортовый оптический разветвитель 5 поступает на исследуемый базовый участок 6. При этом базовый участок представляет собой последовательно соединенные пролеты, каждый из которого состоит из оптического усилителя и исследуемой длинны оптического волокна, при этом количество пролетов варьируется от 1 до N, где N - заданное число пролетов для формирования необходимой длинны оптической линии. С выхода базового участка линейный сигнал подается на оптический ответвитель 7, к контрольному выходу которого могут подключить оптический спектроанализатор для контроля качества линейного сигнала. С выхода оптического ответвителя 7 сигнал поступает на второй вход четырехпортового оптического разветвителя 5, со второго выхода которого сигнал поступает на DWDM - демультиплексор 12, где из линейного сигнала выделяется канальный сигнал на длине волны. λp и импульсный сигнал на длине волны λм. Сигнал λм подается на вход фотодетектора ФД 13 для преобразования из оптической формы в электрическую, далее преобразованный сигнал поступает на вход диспетчера синхронизации 14, в котором формируются различные сигналы управления, такие как сигнал включения, поступающий на вход лазерного генератора 10, сигнал запуска передатчика 2, поступающий на вход программируемой микросхемы 19, сигнал управления, поступающий на вход формирователя команд управления 15. Формирователь команд управления 15 подает сигналы управляющие на оптические выключатели 11. Кроме того выделенный DWDM - демультиплексором 12 канальный сигнал на длине волны λp через оптический выключатель 11 подается на вход когерентного приемника 8 для преобразования из оптической в электрическую форму, с выхода которого сигнал поступает через программируемую микросхему 19 на измеритель битовых ошибок 16. С целью точной регулировки уровня мощности сигнала на длине волны λм между формирователем имитации линейного сигнала 9 и лазерным генератором 10 устанавливается переменный оптический аттенюатор 17. С целью точной регулировки уровня мощности сигнала на длине волны λp между формирователем имитации линейного сигнала 9 и передатчиком 2 устанавливается переменный оптический аттенюатор 17.
Изобретение после включения питания работает по следующему алгоритму.
В программируемую микросхему 19 загружается программа циклического алгоритма, после чего в ней начинает работать генератор ПСП 1. Сигнал ПСП подается на модулятор передатчика 2, в котором сигнал преобразуется в оптический сигнал с длиной волны λp, который подается на вход формирователя имитации линейного сигнала 9. Для регулирования выходной мощности передатчика 2 в соответствии с мощностью остальных каналов возможно применение переменного оптического аттенюатора 17. Одновременно лазерный генератор 10 формирует импульсный сигнал сигнал с длиной волны λм, который поступает на второй вход формирователя имитации линейного сигнала 9. Для регулирования выходной мощности сигнал с длиной волны λм в соответствии с мощностью остальных каналов возможно применение переменного оптического аттенюатора 17. В формирователе имитации линейного сигнала 9, представляющего собой генератор сплошного спектра спонтанного шума и спектрально-селективного модуля WSS, формируется имитация линейного сигнала, представляющая собой последовательность шумовых псевдоканалов в которых подавлены каналы с длинами волн λp и λм. Поступающие на входы сигналы с длинами волн λp и λм встраиваются на место подавленных каналов. Таким образом, на выходе формирователя имитации линейного сигнала 9 образуется имитация линейного сигнала в составе которого встроены сигнал λp, являющийся тестовым сигналом, и сигнал λм, являющий сигналом цикловой синхронизации. Сформированный сигнал поступает на вход изолятора 3, который служит для предотвращения отраженного эхо-сигнала от входа усилителя 4. Пройдя изолятор 3 и усилитель 4, линейный сигнал поступает на вход первого оптического выключателя 11, который включен на прохождение первого цикла загрузки базового участка 6 линейным сигналом. С первого оптического выключателя 11 сигнал поступает на первый вход четырехпортового оптического разветвителя 5. С первого выхода разветвителя 5 сигнал поступает на вход базового участка 6. Исследуемый базовый участок представляет собой последовательно соединенные пролеты, каждый из которых состоит из линейного оптического усилителя и оптического волокна, соответствующей длине пролета, при этом количество пролетов варьируется от 1 до N, где N - заданное число пролетов для формирования необходимой длины исследуемой оптической линии. С выхода базового участка 6 сигнал поступает через оптический ответвитель 7 на второй вход оптического разветвителя 5. Одновременно со второго выхода разветвителя 5 выделенный сигнал поступает на DWDM -демультиплексор 12, в котором выделяется сигнал λм, поступающий через фото детектор 13 на вход диспетчера синхронизации 14, и сигнал λp, поступающий на вход второго оптического выключателя 11, с выхода которого оптический сигнал подается на вход когерентного приемника 8. В приемнике 8 оптический сигнал преобразуется в электронный, который записывается в память микросхемы 19 как эталонный. Диспетчер синхронизации 14 формирует различные сигналы управления, такие как сигнал включения, поступающий на вход лазерного генератора 10, сигнал запуска передатчика 2, поступающий на вход программируемой микросхемы 19, сигнал управления, поступающий на вход формирователя команд управления 15. С формирователя команд управления 15 подается сигнал управления для переключения первого оптических выключателей 11 так, чтобы отсоединить выход усилителя 4 от 1 входа разветвителя 5. Таким образом схема обработала 1 цикл формирования и прохождения линейного сигнала и готова для анализа базового участка 6.
В дальнейшем схема будет работать в режиме прохождения линейного сигнала по петле: разветвитель 5; базовый участок 6; ответвитель 7; разветвитель 5 и так далее. Для контроля качества передачи линейного сигнала базового участка к контрольному выходу оптического ответвителя 7 может быть подключен оптический спектроанализатора 18.
Сигнал синхронизации λм служит для отсчитывания числа циклов, заданных программой исследования базового участка 6.
Тестовый сигнал λp для измерителя битовых ошибок 16 на первом цикле является эталонным сигналом, на последующих циклах тестируемым сигналом, то есть сравниваемым с эталонным.
При каждом прохождении сигнала по петле в буферную память микросхемы 19 записывается сигнал, принятый на данном цикле. Таким образом, создается массив М сигналов, принятых последовательно от 1 до М лазерного генератора 10-го оборотов линейного сигнала по петле. После этого программа в микросхеме 19 дает команду измерителю 16 на вычисление коэффициента битовых ошибок для каждого оборота отдельно.
После прохождения заданного числа исследуемый циклов по базовому участку 6, сигналом с формирователя 15 отключается второй переключатель 11. При этом на вход приемника 8 тестовый сигнал больше не поступает.
Приведем пример реализации устройства.
Программируемая микросхема 19 представляет собой программируемую специализированную микросхему с трехмерной интеграцией, например такие выпускаются рядом фирм (Xilinx, Altera и др.). В состав функциональных возможностей (с программируемыми характеристиками) входят: FEC-кодирование/декодирование, формирование кадров (Framer), GearBox Logic - процессор логической обработки и кодирования информации, РМА - интерфейсы привязки к физическому уровню стандарта (например, 10 линий по 11 Гбит/с).
Передатчик 2 и приемник 8 представляют собой серийный CFP-MSA модули приемо-передающего транспондера 100 Гбит/с, генерирующий и принимающий стандартный 100G сигнал (OIF 100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document) с форматом модуляции DP-QPSK, и обеспечивающий возможность оценки BER в линейном сигнале.
Формирователь имитации линейного сигнала 9 представляет собой комбинацию:
- источника равномерного широкополосного шумового сигнала (спонтанное излучение эрбиевого волокна) WXZTE, в полосе ~1530…1560 нм;
- модуля WSS-100-4 (Wavelength Selective Switch), спектрально-селективного коммутатора длин волн, в сочетании с управляющей программой РС:011 фирмы Santec, загруженной в ноутбук Dell.
Для реализации оптического ответвителя 7 можно применять модули DWDM фирмы NAG, которые имеют вносимые потери в транзитном режиме <1.22 дБ, в режиме Drop (Add) <1.1 дБ и направленность >50 дБ;
Для реализации оптических выключателей 11 предлагается использовать компактные твердотельные волоконно-оптические переключатели NSSW 1×2, фирмы Agiltron (быстродействие ~300 нс, потери ~0.6 дБ).
б
EDFA-1, Span-1, … EDFA-N, Span-N - последовательность оптоволоконных пролетов и усилителей-ретрансляторов, составляющая базовый участок L. На данной схеме предполагается, что исследоваться будет система с когерентным приемом, с мощным DSP, способным обеспечить все необходимые компенсаторные функции. При исследованиях систем с некогерентным приемом в базовом тракте необходимо предусмотреть компенсаторы (CD, PMD, PC).
Конструктивно БАЛИ может предусматривать размещение плат высокоскоростной микроэлектроники, оптимальное для непосредственной связи с элементами, управляемыми через Host MDIO, а кроме того обеспечивать все требования к стыковке через РМА 4×25/28G с модулем CFA-MSA, включая устройства охлаждения модуля. Естественно, конструкция должна предусматривать органы ручного управления (ввод данных, смена режимов), средства программирования БАЛИ и индикации результатов на передней панели.
Таким образом, настоящее изобретение полностью реализует поставленную задачу, технологически выполнимо и промышленно применимо.