Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Issue: 2013 15 5 Dvoustavové modulace v OTDM sítích Binary modulations in OTDM networks Petr Munster, Radim Šifta, Tomáš Horváth {munster,sifta,horvath}@feec.vutbr.cz Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Abstrakt: V článku byl navržen simulační model přenosového systému založeného na optickém časovém multiplexu OTDM (Optical Time Division Multiplexing) s celkovou přenosovou rychlostí 160 Gbit/s. Pomocí vytvořeného simulačního modelu byly testovány základní binární modulační formáty RZ (Return To Zero) a NRZ (Non Return To Zero), a dále formáty CRZ (Chirped Return to Zero) a CSRZ (Carrier Suppressed Return to Zero). OTDM se využívá hlavně v optických sítích bod bod pro vysokorychlostní datové přenosy na dlouhé vzdálenosti. Propustnost a maximální dosažitelná vzdálenost přenosového systému může být ovlivněna disperzemi a nelineárními jevy v optických vláknech, což může způsobovat poruchy přenosu. Výběr vhodného modulačního formátu proto může mít zásadní vliv na přenosový systém. Abstract: In this paper the simulation model of transmission system based on OTDM (Time Division Multiplexing) with a total bit rate of 160 Gbit/s was designed. By this created simulation model a basic binary modulation formats RZ, NRZ, CRZ and CSRZ were tested. OTDM is mainly used in point-to-point optical networks for high speed data communications over a long distances. Throughput and maximum achievable distance may be affected by dispersion and nonlinear effects in optical fibres, which can cause transmission failure. Selecting the appropriate modulation format may therefore have a major impact on the transmission system.
Dvoustavové modulace v OTDM sítích Petr Munster, Radim Šifta, Tomáš Horváth Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: {munster,sifta,horvath}@feec.vutbr.cz Abstrakt V článku byl navržen simulační model přenosového systému založeného na optickém časovém multiplexu OTDM (Optical Time Division Multiplexing) s celkovou přenosovou rychlostí 160 Gbit/s. Pomocí vytvořeného simulačního modelu byly testovány základní binární modulační formáty RZ (Return To Zero) a NRZ (Non Return To Zero), a dále formáty CRZ (Chirped Return to Zero) a CSRZ (Carrier Suppressed Return to Zero). OTDM se využívá hlavně v optických sítích bod bod pro vysokorychlostní datové přenosy na dlouhé vzdálenosti. Propustnost a maximální dosažitelná vzdálenost přenosového systému může být ovlivněna disperzemi a nelineárními jevy v optických vláknech, což může způsobovat poruchy přenosu. Výběr vhodného modulačního formátu proto může mít zásadní vliv na přenosový systém. 1 Úvod Z důvodu zvyšujících se požadavků uživatelů a nasazování nových internetových služeb jako Triple Play, roste každým rokem požadavek na větší šířku přenosového pásma o 50-70 % [1]. Měděné rozvody se blíží ke svým limitům jak maximální dosažitelné vzdálenosti, tak i maximální šířky přenosového pásma. Optické vlákno se jeví jako nejlepší vhodné řešení pro výstavbu budoucích sítí. Postupně jsou tak optická vlákna stále více nasazována nejen v páteřních sítích, ale i přístupových sítích. Přenos dat v optických sítích může být realizován pomocí časového multiplexu TDM (Time Division Multiplexing) nebo vlnového multiplexu WDM (Wavelength Division Multiplexing), kde TDM pak může být řešeno elektricky (ETDM) nebo opticky (OTDM). Vzhledem k tomu, že OTDM není limitován elektronikou, umožňuje vysokorychlostní datové přenosy (v současnosti existují studie na vysokorychlostní systémy s použitím OTDM, které dosahují až 10,2 Tbit/s [2]). V porovnání s limitací ETDM sítí, OTDM se jeví jako vhodné řešení pro sítě dalších generací. Propustnost každého přenosového systému může být ovlivněna nelineárními jevy a disperzemi. Je proto vždy nutné měřit parametry přenosového kanálu a případně provést vhodné kompenzace (více informací o kompenzaci disperzí lze najít v článku [3]). Kromě toho je nutné také věnovat velkou pozornost parametrům přenosového systému. Volba vhodného modulačního formátu může mít významný vliv na maximální dosažitelnou vzdálenost a přenosovou rychlost. Kromě základních modulačním formátů NRZ a RZ, nové typy modulačních formátů pro optické sítě byly testovány - CRZ a CSRZ. a) b) c) d) e) Obrázek 1: Spektra signálů systému OTDM s přenosovou rychlostí 160 Gbit/s na výstupu optického multiplexu pro modulační formáty: a) NRZ, b) RZ 33%, c) RZ 50%, d) CRZ, e) CSRZ 339
A) NRZ NRZ je hlavní modulační formát pro přenos datového signálu po optickém vlákně. Úroveň logické jedničky trvá celý bitový interval a po dobu trvání se úroveň logického signálu nevrací k nule. Návrat k nule je způsoben změnou signálu. Fáze úrovně logické nuly je 0 a fáze π je pro úroveň logické jedničky. V porovnání s ostatními modulačními formáty má NRZ užší spektrum centrálního svazku a signálové špičky jsou v násobcích bitové rychlosti [4]. B) RZ Modulační formát RZ je založen na návratu signálu k logické nule. Vychází z modulačního formátu NRZ, který je dále modulován sinusovou funkcí. Běžně používané formáty jsou: RZ s 50% střídou, RZ s 33% střídou a RZ s 67% střídou (CSRZ). Pulzy všech RZ signálů mají stejný tvar nezávisle na hodnotě sousedního bitu. V ideální modulaci jsou fáze pulzů identické. Centrální lalok optických spekter těchto RZ signálů je širší než centrální lalok NRZ signálu [4]. C) CRZ V modulaci CRZ je přidán chirp (rozmítnutí laserového impulsu) do RZ signálu pomocí fázové modulace, kde sinusové kontrolní napětí má dvojnásobnou frekvenci než 50% RZ a kmitá dvojnásobnou amplitudou. Ve srovnání s klasickými RZ pulzy se fáze mění o π každou další periodu bitu. Nosný kmitočet je destruktivně ovlivněn bez zřejmé špičky, což zlepšuje modulaci signálu [4]. D) CSRZ V případě CSRZ modulace, RZ optický signál po průchodu Mach-Zehnderovým modulátorem, prochází fázovým modulátorem řízeným analogovým generátorem sinusových vln s frekvencí rovnající se polovině bitové rychlosti. To způsobí fázový posun π mezi kterýmikoli dvěma sousedními bity a spektrum bude upraveno tak, že centrální špička na nosné frekvenci je potlačena [4]. (kolísání zpoždění), amplitudu oka, zpoždění oka nebo mezisymbolovou interferenci ISI (Intersymbol Interference), která udává prokládání modulačních pulzů. Obrázek 2: Diagram oka pro NRZ signál s hodnotou BER 10-2 Diagramy oka pro dostačující BER, a pro BER s nízkou hodnotou, jsou zobrazeny v Obrázku 5, respektive Obrázku 2. 3 Simulační model V OTDM se používají úzkopásmové pulzní lasery, proto je možné vytvořit extrémně úzké časové sloty s odpovídající velkou propustností. Vyšších přenosových rychlostí než u ETDM je docíleno multiplexací nižších přenosových rychlostí v optické oblasti [6]. Tato kapitola ukazuje simulaci přenosového modelu s rychlostí 160 Gbit/s a následnou demultiplexaci pro různé modulační formáty. Simulace byly provedeny v softwaru OptSim společnosti RSoft Design Group. Blokové schéma celkového systému v Obrázku 3 je rozděleno do 4 hlavních částí: vysílací část, kontrolní signál, symetrický Mach-Zehnderův interferometr (MZI) a přijímací část. 2 Parametry hodnocení kvality Hlavními parametry pro hodnocení kvality jsou BER (Bit Error Rate), který udává poměr užitečného signálu k šumu, diagram oka a Q-faktor. Q-faktor slouží k hodnocení výkonu. Ukazuje kvalitu signálu s ohledem na SNR (Signal to Noise Ratio). Zahrnuje všechny fyzické poruchy signálu. Tyto poruchy snižují kvalitu signálu a způsobují bitové chyby [5]. Proto vyšší hodnota Q- faktoru znamená lepší odstup signálu od šumu, a tím i nižší hodnotu BER. Hodnotu BER lze určit pomocí vzorce [4]: BER 0,5 erfc (Q/ 2). (1) BER vyjadřuje četnost bitových chyb daným poměrem chybně přenesených prvků v digitálním signálu k celkovému počtu přenesených prvků [5]. V telekomunikačních systémech diagram oka (Eye Diagram) je osciloskopové zobrazení, kde svislý vstup opakovaně vzorkuje digitální datový signál z přijímače a rychlost přenosu dat se používá ke spuštění horizontálního rozmítání. Z diagramu oka je možné získat některé další parametry jako jitter Obrázek 3: Blokové schéma přenosového systému založeného na OTDM multiplexu s přenosovou kapacitou 160 Gbit/s Vysílací část je založena na generování datového toku 10 Gbit/s pomocí pseudonáhodného generátoru s centrální vlnovou délkou 1550 nm. Signál je následně multiplexován pomocí zpožďovacích členů a couplerů. Pro srovnání jsou v článku porovnány výstupy při použití běžného kontinuálního CW (Continual Wave) laseru a ML (Mode Lock) laseru s extrémně krátkými pulzy. Datový výstup je modulován a následně rozdělen 340
do 8 stejných větví. Každá větev je následně zpožděna o 1/8 časového okna předchozí větve a na konec jsou opět spojeny do jednoho vlákna, čímž vzniká signál s celkovou šířkou pásma 80 Gbit/s. Vzniklý signál je opět rozdělen do dvou směrů, přičemž jedna větev je zpožděna o ½ časového okna a opět multiplexován. Výsledkem je signál s šířkou pásma 160 Gbit/s. Spektra signálů vysílací části pro jednotlivé modulační formáty jsou zobrazena v Obrázku 1. má za následek snížení mezisymbolové interference. CRZ modulace má širší spektrum než ostatní modulační formáty a je méně ovlivněna nelinearitami. Tabulka 1: Výsledky hodnot BER a Q-faktoru pro jednotlivé modulační formáty a pro oba dva typy laserů CW Laser ML Laser BER [-] Q-faktor [-] BER [-] Q-faktor [-] NRZ 2,16E-02 6,11 NRZ 9,77E-15 17,68 RZ 33 % 1,16E-10 16,04 RZ 33 % 5,40E-13 17,05 RZ 50 % 2,35E-13 17,19 RZ 50 % 3,56E-15 17,82 CRZ 1,14E-13 17,30 CRZ 3,26E-17 18,43 CSRZ 5,53E-18 18,65 CSRZ 1,33E-05 12,47 Obrázek 4: Princip fungování TOAD založeného na symetrickém MZI [8] Důležitou součástí přenosového systému využívajícího OTDM je kontrolní signál a demultiplexační část. 10GHz kontrolní signál slouží ke spínání při saturaci SOA (Semiconductor Optical Amplifier) ve smyčce a mění index lomu. Mezi dvěma opačně se šířícími datovými pulzy vzniká diferenciální fázový posun pro datové pulzy přicházející na výstupní port. SOA posun z centrální polohy pak umožňuje přepínání oken [8]. Princip demultiplexoru TOAD (Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer) založeného na symetrickém MZI je zobrazen na Obrázku 4. Obrázek 6: Srovnání parametru BER pro jednotlivé modulační formáty a pro oba dva typy laserů Jak je vidět z Obrázku 6, nejlepší hodnoty BER (5,53 E-18) bylo dosaženo pro modulační formát CSRZ s použitím CW laseru ve vysílací části. Nejhorších výsledků (2,16 E-2) bylo dosaženo s CW laserem a modulací NRZ. Tato hodnota je tak malá, že systém by již nemohl správně rozpoznat jednotlivé úrovně signálu. Výsledky Q-faktoru a BER pro všechny modulační formáty, jsou zobrazeny v Tabulce 1. Obrázek 5: Diagram oka pro modulaci RZ 33 % s chybovostí BER 10-10 Výstupní signál na přepínacím portu nese datové informace demultiplexovaného kanálu a potlačuje rušení z ostatních kanálů [7]. Obrázek 5 zobrazuje odpovídající diagram oka spínaného portu v přijímací části pro RZ modulaci. 4 Výsledky testování Jednotlivá spektra přenášených signálů jsou zobrazena v Obrázku 1. Centrální špičky všech přenášených signálů jsou nastaveny na vlnovou délku 1550 nm. Modulace NRZ a CSRZ mají podobně úzké spektra výkonových špiček, naopak CSRZ modulace nemá chirp uprostřed nosné frekvence. Absence chirpu Obrázek 7: Srovnání parametru Q-faktor pro jednotlivé modulační formáty a pro oba dva typy laserů 341
V Obrázcích 6 a 7 jsou zobrazeny hodnoty Q-faktoru a BER pro jednotlivé modulační formáty. Jak lze vidět, vyšší hodnotě Q-faktoru odpovídá také vyšší hodnota BER. Minimální hodnota BER, při které by systém ještě dokázal správně rozpoznat signál je 10-9. 5 Závěr V článku byly testovány modulační formáty pro sítě založené na technologii OTDM. V současnosti je nejvíce používaným modulačním formátem v optických telekomunikacích NRZ kvůli jeho jednoduché implementaci a dobrým přenosovým parametrům. Z výše uvedených výsledků je vidět, že některé modulační formáty jako RZ, CSRZ a CRZ dosahovaly lepších výsledků v testovaném OTDM modelu a můžou být využity v optických komunikacích. CSRZ modulace, vzhledem k dobrým výsledkům, může být použita pro přenosy na delší vzdálenosti. CRZ modulace pak může být použita v sítích s horšími parametry nelinearit a disperzí. Kromě volby vhodného modulačního formátu je nutné také věnovat pozornost jednotlivým prvkům systému, hlavně laseru. Pomocí ML laseru lze vytvářet velmi krátké pulzy, a proto jsou tyto lasery vhodnější pro vysokorychlostní komunikace. Poděkování Článek vznikl za podpory projektu SIX, registrační číslo CZ.1.05/2.1.00/03.0072, operační program Výzkum a vývoj pro inovace a projektu MPO FR-TI4/696. Literatura [1] SWANSON, B., GILDER, G., The impact of video and rich media on the internet a zetabyte by 2015? Technology & Democracy Project: Discovery Institute [online]. 2009 [cit. 2013-18-21]. Dostupné z: http://www.discovery.org/a/4428. [2] NAKAZAWA, M. et al. Recent Progress on OTDM Terabit/s Transmission and Their Future. IEEE. 2010, 1-44. DOI: 978-1-55752-884-1. [3] ŠIFTA, R.; MUNSTER, P., HORVÁTH, T., Přesnost měření disperzí CD a PMD. Elektrorevue - Internetový časopis (http://www.elektrorevue.cz), 2013, roč. 2013, č. 15, ISSN: 1213-1539. [4] TEJKAL, V.; FILKA, M.; REICHERT, P.; ŠPORIK, J. Dvoustavové modulační formáty v optických přístupových sítích. Advances in Electrical and Electronic Engineering - intenetový časopis, (http://advances.utc.sk), 2010, roč. 2010 (8), č. 4, s. 96-101. ISSN: 1804-3119. [5] TEJKAL, V.; FILKA, M.; ŠPORIK, J.; REICHERT, P.; MÜNSTER, P. The influence of binary modulations in passive optical network based on WDM. In 34th International Conference on Telecommunications and Signal Processing (TSP 2011). 2011. s. 141-144. ISBN: 978-1- 4577-1409- 2. [6] BOSCO, G., CARENA, A., CURRI, V., GAUDINO, R., POGGIOLINI, P., On the Use of NRZ, RZ, and CSRZ Modulation at 40 gb/s with Narrow Dwdm Channel Spacing, J. of Lightwave Technology, vol. 9, pp. 1694-1704, 2002. [7] MÜNSTER, P. OTDM based passive optical network. In student EEICT - proceedings of the 18th conference. Brno: LITERA Brno, 2012. s. 24-28. ISBN: 978-80-214-4462- 1. [8] RSOFT DESIGN GROUP, New York, OptSim, 2010. 342