Исследование высокоскоростных волоконно-оптических систем связи с различными видами модуляции

УДК 621.39

Е. Г. Богданова, С. Ф. Глаголев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ МОДУЛЯЦИИ

Дата поступления 1 5.06.201 5 Решение о публикации 17.07.201 5

Цель: Разработка методики и проведение сравнительного теоретического исследования волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с мультиплексированием в волновой области (DWDM) при использовании энергетического приема с амплитудной (ASK) и бинарной фазовой модуляцией (DPSK), а также когерентного приема на примере комбинированной поляризационно-фазовой модуляции (DP-QPSK). Изучение влияния на качество связи количества каналов, типа кодирования, уровней входной мощности, компенсации дисперсии, расстояния. Методы: Имитационное моделирование перечисленных ВОСП в программной среде OptiSystem13, позволяющей создавать виртуальные модели реальных ВОСП с использованием сложных телекоммуникационных компонентов и устройств, а также средств измерения для электрических и оптических величин, позволяющих контролировать параметры информационных сигналов на всех этапах их передачи, приема и обработки. Особенностью использованного моделирования является учет как линейных (затухания и дисперсии), так и нелинейных (фазовой самомодуляции, кроссмодуляции, вынужденного комбинационного рассеяния и др.) эффектов в одномодовом оптическом волокне. Также моделировалась работа цифрового сигнального процессора. Результаты: Получены количественные оценки качества связи с помощью максимального Q-фактора и изображения глаз-диаграмм в одноканальных и четырехканальных ВОСП с различными скоростями передачи, с амплитудным и фазовым форматами модуляции при энергетическом приеме. Оценено качество связи для ВОСП с когерентным приемом и поляризационно-фазовой модуляцией. Получена оценка эффективности электронной обработки сигнала цифровым сигнальным процессором при когерентном приеме оптических сигналов, в частности, оценка эффективности электронной компенсации дисперсии. Практическая значимость: Результаты исследований могут использоваться для выбора технических решений при проектировании ВОСП. Созданные в программной среде OptiSystem13 виртуальные модели ВОСП, перенесенные в среду OptiPerformer, находящейся в свободном доступе, послужили основой для создания виртуальных учебных лабораторных установок для обучения студентов и повышения квалификации специалистов, углубленно изучающих современные ВОСП в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. профессора М. А. Бонч-Бруевича.

Спектральная эффективность, современные форматы модуляции, хроматическая дисперсия, Q-фактор, цифровая обработка сигналов.

5

Evgeniya G. Bogdanova, student, *Sergey F. Glagolev, Cand. Sci. (Eng ), associate professor (Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications) ANALYSIS OF HIGH-SPEED FIBER OPTIC COMMUNICATION SYSTEMS WITH DIFFERENT TYPES OF MODULATION.

Objective: To develop techniques and to provide a comparative theoretical research of fiber optic transmission systems (VOSP) with dense wavelength division multiplexing (DWDM) while using the power detection of amplitude (ASK) and binary phase modulation (DPSK), as well as coherent reception by the example of dual polarization-phase modulation (DP-QPSK). To examine the the effect of the channels number, coding type, input power levels, dispersion compensating and the distances on the quality of the communication. Methods: Imitation simulation of listed VOSP in OptiSystem13 software, that allows to create virtual models of real VOSP using complex telecommunication components and devices, as well as measuring tools for electrical and optical parameters, that provides the possibility to control the parameters of data signals at all stages of its transmission, reception and processing. A feature of used simulation is considering not only linear (attenuation and dispersion) but also nonlinear (phase self-modulation, cross-modulation, stimulated Raman scattering, etc.) effects within the single mode optical fiber. The research also simulates a digital signal processor. Results: The research provides a quantitative evaluation of the quality of communication using the maximum Q-factor and the images of eye diagrams in single-channel and four-channel VOSP with different transmission rates, with the amplitude and phase modulation modes with power reception. It rates the quality of communication for VOSP with coherent detection and polarization-phase modulation, as well as provides the estimate of the efficiency of the electronic signal processing by digital signal processor for coherent detection of optical signals, in particular, the assessment of the efficiency of electronic dispersion compensation. Practical importance: The research results can be used for selection of technical solutions for VOSP design. Created in OptiSystem13 software virtual models of VOSP and transferred to OptiPerformer software, which is in free circulation, provides the basis for the creation of virtual educational laboratory facilities for teaching students and training professionals with advanced study of modern VOSP at Bonch-Bruevich Saint Petersburg State University of Telecommunications.

Spectral efficiency, modern modulation formats, chromatic dispersion, Q-factor, digital signal processing.

В настоящее время наибольший объем информации, передаваемой по одному оптическому волокну (ОВ) в волоконно-оптических сетях связи (ВОСС), обеспечивает технология плотного спектрального мультиплексирования (dense wavelength division multiplexing - DWDM). Основными параметрами ВОСС с DWDM являются: скорость передачи в канале B (бит/с), число каналов N, спектральный интервал между DWDM-каналами 5v (Гц), а также максимальное расстояние между усилителями или регенераторами Lmax (км) при выбранном уровне мощности канального сигнала P (дБм). Одним из важнейших параметров ВОСС с DWDM является спектральная эффективность использования канала у = B / 5v [1].

В данной работе методами имитационного моделирования в программной среде OptiSystem13 [4] исследуются одно- и четырехканальные ВОСС с DWDM.

6

Для оценки качества связи в исследованиях используется регистрация «глаз-диаграмм» (ГД) и максимальное значение Q-фактора (Q ), однозначно определяющего вероятность ошибочного приема BER при оптимально выбранном пороге решения и моменте стробирования [2].

Моделирование DWDM-систем с амплитудной модуляцией ASK

Первоначально моделировали одноканальную ВОСС (рис. 1), которая состоит из передающего и приемного устройств, линейного тракта и измерительных средств. Передающее устройство состоит из генератора псевдослучайной последовательности, формирователя кода RZ-50 или NRZ, внешнего амплитудного модулятора (АМ), одномодового лазерного диода непрерывного излучения с длиной волны X = 1550 нм и шириной спектра излучения AF = 10 МГц с изменяемым в ходе эксперимента уровнем мощности P (дБм). Линейный тракт содержит основное (SMF-28) и компенсирующее (DCF) ОВ. Приемное устройство состоит из PIN-фотодиода, усилителя фототока, фильтра нижних частот (ФНЧ) и SR-регенератора.

Моделирование проводили при полной компенсации хроматической дисперсии (ХД) при длине компенсирующего ОВ, равной

L

DCF

lSMF 28

‘ LSMF28 / TDCF ,

где tsmf-28 = 16, tdcf = -160 пс/км/нм - коэффициенты хроматической дисперсии.

Отметим, что не всегда полная компенсация дисперсии является оптимальной, т. е. обеспечивающей максимальную величину Q-фактора.

При моделировании коэффициенты затухания ОВ принимали равными aSMF-28 = 0,2 дБ/км, aDCF = 0,3 дБ/км. Измерения Qmax проводили при битовых скоростях В = 2,5; 10 и 40 Гбит/с.

В табл. 1 показано, как изменяются значение Q и вид ГД в зависимости от уровня мощности оптического излучения на входе ОВ и от типа кода для скорости 10 Гбит/с. На ГД можно видеть зависимость оптимального порога принятия решения от момента принятия решения (стробирования). Обычно при умеренных уровнях входной мощности P до 10 дБм с увеличением уровня Qmax растет. При дальнейшем увеличении уровня входной мощности Qmax достигает максимума и уменьшается, что позволяет говорить о существовании оптимума.

В табл. 2 приведена зависимость максимального Q-фактора для ВОСС с теми же исходными данными, но при разных скоростях передачи. Видно, что в большинстве случаев вид кодирования RZ-50 оказывается предпочтительнее,

7

ос

Рис. 1. Схема исследования одноканальной ВОСС с ASK

6

ТАБЛИЦА 1. Изменение Q-фактора и вида ГД при изменении входной мощности излучения и типа кодирования при В = 10 Гбит/с

Обозначение

P = 15 дБм

P = 10 дБм

P = 5 дБм

RZ-50

Q = 37,0

^max J

Q = 12,3

max

Q

max

3,9

NRZ

Q = 10,1

max

Qmax = 12,3

Q

max

4,3

ТАБЛИЦА 2. Значения Qmax при разных уровнях мощности излучения,

скоростях передачи и кодах

P , дБм При B = 2,5 Гбит/с для кодов При B = 10 Гбит/с для кодов При B = 40 Гбит/с для кодов

NRZ RZ NRZ RZ NRZ RZ

20 26,5 69,5 5,9 18,9 2,5 12,2

15 66,8 69,8 10,1 37,0 7,1 17,6

10 27,3 24,7 12,3 12,3 6,5 7,2

5 8,5 7,9 4,3 3,9 2,1 2,3

0 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2

чем NRZ. Оптимальные значения уровней мощности на входе ОВ с наибольшими значениями Qmax (выделены жирным шрифтом в табл. 2) лежат в диапазоне от 10 до 15 дБм.

Исследовали также качество связи в четырехканальной DWDM-системе с АМ, которая отличается от одноканальной наличием четырех передатчиков и приемников, мультиплексора и демультиплексора. При исследованиях учитывались все виды нелинейных эффектов, а также накладывалось ограничение P = 21 дБм на суммарную максимальную мощность в ОВ, что соответствует уровню на входе каждого канала P = 15 дБм.

В табл. 3 приведены результаты моделирования четырехканальной DWDM-системы с АМ протяженностью 100 км и с полной компенсацией ХД. Там же приведен результат для одноканальной системы с P = 15 дБм.

ТАБЛИЦА 3. Значения Q в разных каналах DWDM-системы

^ -^max г

для различных скоростей передачи и кодов

B, Гбит/с P, дБм Qmax, NRZ-кодирование для канала Qmax, RZ-кодирование для канала

1 2 3 4 1 2 3 4

2,5 15 61,0 51,0 41,0 43,9 60,5 45,0 47,0 59,0

10 15 9,9 9,0 9,7 9,2 23,8 25,8 24,9 22,1

40 15 < 2 < 2 < 2 < 2 7,6 4,0 4,1 6,5

Значения Qmax для одного канала

10 15 10,1 37,0

Видно, что качество связи в каналах различается. При скорости 40 Гбит/с оно становится неприемлемым, поэтому обычно DWDM-системы с АМ не используются на скоростях выше 10 Гбит/с. Таким образом, переход к более высокоскоростным системам передачи должен сопровождаться переходом к более совершенным форматам модуляции.

10

Моделирование DWDM с дифференциальным двухуровневым фазовым форматом модуляции

Рассмотрим дифференциальный двухуровневый фазовый формат DPSK, часто используемый в системах DWDM с канальной скоростью 40 Гбит/с. Разность фаз при переходе от логического «0» к «1» и обратно изменяется на п (180°). Такой формат модуляции позволяет использовать простую демодуляцию и энергетический прием без использования дорогих и сложных когерентных устройств с опорными оптическими генераторами.

Схема исследуемой одноканальной ВОСС подобна схеме на рис. 1, состоит из передающего устройства, линейного тракта, приемного устройства с предварительным оптическим усилителем (ОУ) и полосовым оптическим фильтром, а также измерительных устройств.

DPSK-передатчик включает излучатель, аналогичный передатчику ASK, фазовый модулятор и генератор ПСП. Передатчик DPSK позволяет выбирать тип кодирования: NRZ, RZ-33 или RZ-66. Дифференциальный сигнал DPSK формируется в передатчике с помощью модулятора (интерферометра) Маха - Цандера, настроенного таким образом, что интенсивность излучения при передаче «1» и «0» одинакова, а фазы различаются на п (180°).

Приемное устройство включает ОУ с полосовым фильтром, демодулятор, фотоприемник и 3R-регенератор. В демодуляторе фазовая модуляция преобразуется в модуляцию интенсивности с помощью интерферометра Маха - Цандера, одно из плеч которого задерживает сигнал на один тактовый интервал. В течение каждого тактового интервала фаза принятого сигнала сравнивается с фазой предыдущего. При их совпадении детектируется «1», если разность фаз равна п - логический «0».

Исследования одноканальной ВОСП проводили для LSMF 28 = 100 км при полной компенсации ХД, для двух скоростей передачи B = 40 и 100 Гбит/с при коэффициенте усиления ОУ G = 15 дБ и полосе пропускания оптического фильтра AF = 2B. Результаты исследований приведены в табл. 4.

В табл. 4 жирным шрифтом выделены наибольшие значения Qmax для скоростей B = 40 и 100 Гбит/с. Лучшие результаты получаются при использовании формата модуляции RZ-66. Видно, что в ВОСП с DPSK для получения

ТАБЛИЦА 4. Значения Qmax при разных уровнях мощности излучения,

скорости передачи и кодах

P , дБм Qmax при B = 40 Гбит/с для кодов Qmax при B = 100 Гбит/с для кодов

RZ-33 RZ-66 NRZ RZ-33 RZ-66 NRZ

20 16,1 6,7 2,0 4,5 10,5 2,4

15 33,4 18,6 25,0 13,4 24,9 6,0

10 13,9 33,5 20,0 24,7 20,7 12,7

11

высокого качества связи надо использовать большие уровни мощности на входе (10-15 дБм) в ОВ и на входе в приемник DPSK (0-10 дБм). С увеличением скорости передачи Qmax снижается.

Необходимость оптической фильтрации сигнала на входе приемного устройства иллюстрирует рис. 2, где приведены ГД для ВОСС со скоростью 40 Гбит/с и с уровнем мощности излучения 10 дБм без оптического фильтра и с фильтром, имеющим гауссовскую аппроксимацию амплитудно-частотной характеристики.

Рассмотрим четырехканальную систему DPSK. Данные эксперимента для скорости 40 Гбит/с приведены в табл. 5. Там же даны результаты

Рис. 2. Глаз-диаграммы, регистрируемые BER-анализатором: а) ГД без оптического фильтра, Q = 13,9; б) ГД с оптическим фильтром, AF = 2 В = 80 ГГц; Q = 39,3

ТАБЛИЦА 5. Зависимость Qmax от уровня мощности на входе ОВ для разных каналов

DPSK-системы при скорости B = 40 Гбит/с

P, дБм Значения Qmax при формате модуляции RZ-66 для каналов

1 2 3 4

15 10,7 12,1 12,3 10,9

10 12,2 13,1 14,5 12,7

5 7,9 8,6 8,2 7,9

0 3,3 3,3 3,3 3,2

Для формата модуляции ASK

15 7,6 4,0 4,1 6,5

12

исследования для системы с модуляцией ASK из табл. 3. Преимущества фазовой модуляции очевидны.

На рис. 3 показаны ГД для первого канала ВОСС с DWDM при различных уровнях мощности излучения на входе в ОВ.

а

б

BER Analyzer

Tim*

D G.5 1

0 III S 1

Tim* (bttpertodj

в

г

BER Analyzer

Tima

0 0.5 1

BER Analyzer

Time (bit period]

0 OS 1

Рис. 3. Глаз-диаграммы для первого канала ВОСС с DPSK при разных уровнях входной мощности: а) Р = 15 дБм, Qmax = 10,7; б) Р = 10 дБм, Qmax = 12,2;

в) Р = 5 дБм:> Qmax = 7,9 г) Р = 0 дБ^ Qmax = 3,3

13

Когерентные системы связи.

Цифровая обработка сигналов

Дальнейшее увеличение спектральной эффективности и повышение качества связи в высокоскоростных многоканальных DWDM-системах возможно при использовании когерентного приема и цифровой обработки сигналов в сигнальном процессоре (Digital Signal Processing - DSP) [3]. В когерентных ВОСС возможна модуляция любого параметра оптического излучения: фазы, амплитуды, частоты и поляризации. В приемном устройстве для демодуляции информационный сигнал смешивается с опорным излучением.

Так как при когерентном детектировании сохраняется полная информация об оптическом сигнале, допустима модуляция любого его параметра: фазы, амплитуды, частоты и поляризации.

В настоящее время разработчики DWDM-систем проявляют интерес к формату DP-QPSK (Dual Polarization - Quarter Phase Shift Keying), в котором для кодирования используются два ортогональных состояния поляризации (X и Y) и четыре состояния фазы, т. е. вместо одного бита информации на символ передается 4 бита на символ [3].

Использование сигнального процессора (DSP) позволяет отказаться от оптической компенсации дисперсии и использования компенсирующего ОВ DCF. В работе моделировалась четырехканальная ВОСС со скоростью B = 100 Гбит/с с форматом модуляции DP-QPSK, которая состоит из передатчика, стандартного ОВ SMF-28 длиной 100 км, ОУ, ФНЧ и когерентного приемника. Качество связи оценивалось 0-фактором для каждой ортогональной компоненты (квадратурной Q и синфазной I) в каждой из поляризаций X и Y (см. табл. 6).

ТАБЛИЦА 6. Значения Qmax в каналах DP-QPSK-системы для каждой компоненты

Компонента DP-QPSK 1 канал

I-x 14,6 14,3 16,0 10,1

Q-x 14,3 14,5 16,9 10,4

i-y 14,8 14,4 17,0 10,1

Q-y 15,1 13,1 14,8 9,7

Видно, что многоканальные ВОСС со спектральным уплотнением, когерентным приемом и многоуровневой модуляцией обеспечивают высокое качество связи на самой большой скорости передачи на расстояние 100 км и позволяют отказаться от оптической компенсации ХД.

14

Внедрение результатов моделирования в учебный процесс

Созданные и исследованные в программной среде OptiSystem13 модели ВОСС были перенесены в среду OptiPerformer, находящуюся в свободном доступе, и использованы для создания виртуальных лабораторных установок, которые применяются для обучения студентов и повышения квалификации специалистов, углубленно изучающих современные ВОСП в СПбГУТ. Для обеспечения учебного процесса были разработаны методические указания для цикла лабораторных работ по исследованию ВОСС с форматами модуляции DPSK, QPSK, DP-QPSK. Лабораторные работы внедрены на кафедре фотоники и линий связи СПбГУТ.

Заключение

Результаты исследований позволяют сравнивать качество связи в ВОСС с различными информационными технологиями и параметрами основных узлов, с различными числом каналов и видами модуляции, доказывают полезность использования моделирующих программ для проектирования новых и реконструкции существующих ВОСС.

Разработанные виртуальные лабораторные установки и методические указания к лабораторным работам позволяют повысить качество обучения студентов и переподготовки специалистов.

Библиографический список

1. Величко М. А. Новые форматы модуляции в оптических системах связи / М. А. Величко, О. Е. Наний, А. А. Сусьян // Lightwave Russian Edition. - 2005. - № 4. - С. 21-30.

2. Листвин В. Н. DWDM-системы / В. Н. Листвин, В. Н. Трещиков. - М. : Наука, 2013. - 300 с.

3. Трещиков В. Н. Новое поколение DWDM-систем связи / В. Н. Трещиков, О. Е. Наний // Фотон-Экспресс. - 2014. - № 4 (116). - С. 18-23.

4. OptiSystem. User’s Reference Optical Communication System Design Software. Vers. 12. K2E 7X1. Optiwave, Ottawa, Ontario, Canada. 245 p. - URL: www.optiwave.com.

References

1. Velichko М. А., Naniy О. Е., Sus’yan А. А. Lightwave Russian Edition, 2005, no. 4, pp. 21-30.

15

2. Listvin V. N., Treshchikov V. N. DWDM-sistemy [DWDM-systems]. Moscow, Nauka, 2013. 300 p.

3. Treshchikov V. N., Naniy О. Е. Foton-Ekspress - Photon-Express, 2014, no. 4 (116), pp. 18-23.

4. OptiSystem. User’s Reference Optical Communication System Design Software. Version 12. K2E 7X1. Optiwave, Ottawa, Ontario, Canada. 245 p. URL: www.optiwave.com.

БОГДАНОВА Евгения Геннадьевна - студент, evgenia15V@gmail.com; *ГЛАГОЛЕВ Сергей Федорович - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, glagolevsf@yandex.ru (Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича).

© Богданова Е. Г., Глаголев С. Ф., 2015

16