华为技术培训教程-DWDM 相干特性专题培训.ppt

DWDM相干特性专题培训,目录,相干技术概述功能特性及组网应用调测知识系统调测,Page3,业务需求：40GE/100GE端口即将广泛部署，需要更大传输带宽与之匹配，40G/100G线路为较好的解决方案；网络需求：常规的40G通信有直接调制-强度检测IM-DD（如ODB）和差分相移键控调制(如DPSK、DQPSK)。这些常规的40G/100G通信受到如下限制：（1）色散容限小。常规40G通信色散容限最好的DQPSK仅为200ps/nm，需要在线路精确补偿色散、单板收端内嵌可调色散模块，影响ASON、线路1+1保护等场景应用。（2）PMD容限小。常规40G/100GPMD只有68ps，更大的PMD需要集成专门的外置PMD补偿模块，实际上存在少量的大PMD光纤（如拉美）需求，40G现有方案CD、PMD受限，需要复杂的电中继解决；竞争需求：友商纷纷推出相干解决方案，2012年可达到商用能力；技术发展：相干最大技术难度在于高速ADC芯片，2011年高速ADC具备可获得性。,相干技术的引入背景,基于上述原因，需要引入相干通信。,什么是相干？,相干光,两束满足相干条件的光称为相干光。相干条件(CoherentCondition)：振动方向相同；振动频率相同；相位相同或相位差保持恒定。两束相干的光在相遇的区域内会产生干涉现象。,图1,水波干涉,图2,光干涉,干涉现象出现后，在波峰-波峰相遇处、波谷-波谷相遇处振幅最强，波峰、波谷相遇处最弱。,激光是一种相干光。,相干通信基本原理,相干通信技术主要是指：相干调制和相干检测技术。所谓相干调制，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅(而不像强度调制那样只是改变光的强度)。所谓相干检测，就是利用一束本机振荡产生的激光与输入的信号光在光混频器中进行混频，得到与信号光的频率、位相和振幅按相同规律变化的中频信号。先看光的电场表达式：,式中，A是幅值，是中心频率，是相位。因此可将调制方式粗略分类为：幅移键控ASK,频移键控FSK、相移键控PSK。三种数字调制方式图解：,图3,快速震荡波形表示光载波频率或相位的变化,相干通信基本原理,光信号通过调幅、调频或调相的方式被调制（设调制频率为s）到光载波上的，当该信号传输到接收端时，首先与频率为L本振光信号进行相干混合，然后由光电检测器进行检测，这样获得频率为IF=s-L的输出电信号。根据平面波的传播理论，得出接收光信号Es（t）和本振光信号EL（t）的复数电场分布表达式为,式中，Es-接收光信号的电场幅度值；EL-本振光信号电场幅度值s-接收光信号的相位调制信息L-本振光的相位的调制信息,当Es（t）和EL（t）彼此相互平行，均匀地入射到光电监测器表面上时，由于总入射光强I正比于Es（t）+EL（t），即,式中，R为光电监测器的响应度，PS、PL分别为接收光信号功率和本振光信号功率。,（公式1）,（公式2）,（公式3）,相干通信基本原理,一般情况下，本振光功率PL远远大于载波光功率PS,这样公式3可以简化成，,（公式3.1）,从上式中看出，其中第一项为与传输信息无关的直流项，第二项是相干检测后的输出信号电流，含发射端传送信息：,（公式3.2）,图4相干光通信系统结构图,相干通信基本原理,由公式3.2看出相干通信的特点：,（1）即使接收光信号功率很小，但由于输出电流与成正比，仍能够通过增大PL而获得足够大的输出电流，这样，本振光相干检测中还起到了光放大作用，提高了信号接收灵敏度。,（2）由于在相干检测中，要求IF（S-L）随时保持常数（或IF=0），这要求系统中所使用的光源具备非常高的频率稳定性、非常窄的光谱宽度以及一定的频率调谐范围。,（3）根据信号光S和本振光L频率的取值，相干检测分为零差检测（S-L=0，s-L恒定）、外差检测以及内差相干检测（见图5）。其中零差相干检测可以直接还原基带信号、信噪比最高。,图5,（4）无论外差检测还是零差检测，其检测根据都来源于接收光信号与本振光信号之间的干涉，因而在系统中必须保持它们之间的相位锁定或者说具有一致的偏振方向。,FAQ-1：为什么相干通信可以提升3dBOSNR?,常规的40GeDQPSK技术采用信号与自己延迟一拍后进行相干（两束光进行干涉，自相干），从而恢复原始数据，相干的结果是白噪声叠加（如下图信号B0+噪声N0+噪声N1），噪声全部进入接收机；相干接收是信号光与相同频率的本振激光器进行相干（互相干），本振激光是非常干净的（信噪比极高），这样互相干噪声仅为平衡接收方式噪声的1/2（如下图信号B0+噪声N0)。,这就是OSNR提升3dB的理论依据。,主流技术:100G相干ePDM-QPSK原理,1,6,2,7,长距离传输（光纤）,4,3,Tx,Rx,相干检测接收,PDM-QPSK调制发送,5,6.ADC高精度模拟-数字转换，将电流/电压信号变成0101数字码流华为100G相干采用高性能的ADC模块，采样精度高达56GSample/s，所以支持单波100G（采样带宽要2倍信号带宽。而做PDM-QPSK，需要调制信号速率在28G）。业界有一个DC-DP-QPSK方案采用双子载波方案，主要是这里的ADC模块精度不高，只能达到28GSample/s所致；,7.DSP高速数字处理，去除色散、噪声、非线性等干扰因素，还原从发端的发出的100G信号前面的几个环节，如PDM-QPSK调制、相干接收等，都是采用商用器件。如果不是采购特别差的器件，各厂家的性能都是差不多的。影响最终性能的就在第7个环节DSP，各厂家采用了不同的（专利）算法。算法的优劣很难用语言或者形象来形容。通过实验、测试结果比拼，可以直接对比得知各厂家最终实现结果的好坏。,ehancedPolarizationdivisionmultiplexing-QuadraturePhaseShiftKeying增强型偏振模复用四相移键控,40G相干技术ePDM-BPSK，就是这个,单载波40Gbit/s极限情况下（非常老的光纤）1dB代价时差分群时延DGD容限高达90ps对应1dB代价时色散容限60,000ps/nm非常优异的抗非线性效应性能，跨海洋应用6500km。可以从现网的10G/40G系统上平滑升级容量：80chx40G；距离：2000km。与10G超长距ULH技术一样的性能注意：本资料所涉及到的产品指标、规格最终以产品手册为准，下同。,21.5Gb/sData,Laser,Pre-coder,Pre-coder,21.5Gb/sData,PBS,x,y,PBC,x,y,PBS,Laser,90oHybrid,90oHybrid,PBS,x,y,ADC,DSP,Tx,Rx,相干检测接收,ePDM-BPSK调制发送,PBS=PolarizationBeamSplitter,偏振分束器,PBC=PolarizationBeamCombiner,偏振合波器,FAQ-1:什么是PDM调制,1.光是横波，光信号光子有很多振动方向，光子的振动方向垂直于传播方向。,t信号传播方向,光子振动方向,2.通过偏振分束器，将激光分离成x、y两个垂直方向上的光信号。其它振动方向上的光信号被滤除。X、Y两个方向就是光的偏振方向。,Polarizationdivisionmultiplexing,理论上，可以分离N多个偏振方向，实现超高速通信，但是调制、解调太困难,28Gb/sData,Pre-coder,Pre-coder,28Gb/sData,FAQ-2:什么是QPSK调制？,/2,x偏振方向的光信号,Sint,Cost,I,Q,+,-,s(t)=I*Cost-Q*Sint=2Cos(t+),映射关系转为图形(星座图),把信号矢量端点的分布图称为星座图。星座图完整、清晰的表达了数字调制的映射关系，因此很多书中提到数字调制时经常只是画一个星座图完事，不作过多描述。数字调制也因此常被称为“星座调制”。,码流,I,Q,QPSK,QuadraturePhaseShiftKeying,即选4个等距的相位点/4、3/4、5/4、7/4来承载信号,当然也可以选其他的点但是要求等距。,FAQ-3:为神马要弄PDM、QPSK?,目的是为了降低电层处理的速率。从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射（干扰）和阻抗匹配等问题难以解决；即使解决，则要花费非常大的代价。PDM，把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这两个偏振方向上。相当于对数据做了“1分为2”的处理，速率降低一半；QPSK，一个相位就表示2个数字bit，也相当于对数据做了“1分为2”的处理，速率降低一半；以上，100G（112Gbit/s）的信号，实际上，处理时的数据波特率仅为11222=28GBaud。40GBPSK调制的类似。Baud（波特率，发音/bd/,缩写“Bd”)是数据通信速度的表示单位，表示设备（如调制解调器）每秒中发生信号变化的次数。在低速的Modem(调制解调器)中，此速度与传输速度(bps)是一致的，故常被混淆。事实上，可以应用编码技术使1Baud（即信号变化）表示2bit或更多bit。在现今的高速调制技术中，由于载波的每次变化可以传送多个比特数据，使得波特与传输速度不同,FAQ-4:为什么相干通信可大幅提高PMD和CD容限？,相干通信本身无法提高色散容限，但是在我司的相干方案中采用了高速ADC和DSP。经ADC采样后，通过高速DSP算法处理将PMD、CD做补偿处理可大幅提升PMD、CD容限。高速ADC、DSP（算法）都是相干通信关键技术。,DSP架构示图,DSP消除CD/PMD算法思想核心：数字接收机中模拟出两个滤波器，其滤波函数分别和CD、PMD效应的等效滤波器的滤波函数相反，则可消除CD、PMD导致的眼图畸变和码间干扰，重新恢复“干净”的码元信息。,FAQ-5:PDM-QPSK、PDM-BPSK调制有哪些差异？,FAQ-5扩展:同速率各种编码技术性能总结,Page17,注明：PDM-QPSK性能总体也不错，但是比PDM-BPSK的差些。,FAQ-6:相干特性有哪些关键技术？,40G/100GKeytechandCreation,DSP,HighspeedDSP,Advancedmodulation(ePDM-QPSK/BPSK),CoherentReceiver,HighperformanceFEC,HighspeedADC,高性能FEC算法，提升OSNR容限，纠错能力达到4E-3,DSP处理，提升CD、PMD补偿能力,高速ADC为核心技术，目前只有少数供应商可以提供,先进的偏振复用调制编码，降低传输波特率,18,相干接收技术，OSNR容限理论可提升3dB,在网管上体现为HFEC,ePDM-QPSKTransmitter,CoherentReceiver,ePDM-QPSK相干发送接收示意图,采用PDM偏振复用技术，降低波特率（1/4），提升OSNR容限，降低对光/电器件的带宽要求；接收侧利用相同频率的本振激光器与接收光信号进行干涉，从接收信号中恢复相位及偏振状态信息，有利于在DSP中进行CD和PMD补偿单波长100Gbps，支持50GHz、100GHz应用，提高光谱效率；色散不受限系统，应用中不考虑DCM插损，降低对光放大器及整个系统的配置要求，提升OSNR容限；支持DCMfree和DCM系统应用，支持从现有10G,40G网络平滑升级到100G系统,ePDM-BPSKTransmitter,CoherentReceiver,ePDM-BPSK相干发送接收示意图,采用PDM偏振复用技术，降低波特率（1/2），提升OSNR容限，降低对光/电器件的带宽要求；接收侧利用相同频率的本振激光器与接收光信号进行干涉，从接收信号中恢复相位及偏振状态信息，有利于在DSP中进行CD和PMD补偿相比40GePDM-QPSK具有更好的非线性容限；单波长40Gbps，支持50GHz、100GHz应用，提高光谱效率；色散不受限系统，应用中不考虑DCM插损，降低对光放大器及整个系统的配置要求，提升OSNR容限；支持DCMfree和DCM系统应用，支持从现有10G,40G网络平滑升级；,40G/100G相干受限因素及提升技术,系统OSNR限制影响传输距离;40Gbps/100Gbps系统需要的光信噪比(OSNR)比10Gbit/s高;如果只提高发射光功率来满足OSNR，会带来光纤非线性效应。,OSNR相关问题,采用先进的调制编码技术，降低波特率，提升OSNR容限；利用相同频率的本振激光器与接收光信号进行干涉的相干接收，提升OSNR容限；采用增强型HFEC纠错编码，比AFEC提升近1dBOSNR；低噪声系数NF、高性能EDFA和Raman放大，TN13OAU106、TN11RAU106等放大板配合，提升系统的接收OSNR,应对措施,PMD应对措施,40GePDM-BPSK采用二相位调制技术，提高判决准确性，提升传输非线性能力,应对措施,相干技术相对于非相干技术的优势,随着电处理技术的成熟，相干技术成为高速传输的发展趋势。,相干通信其他资料,华为40G相干电处理光传输技术文档链接：,Page23,目录,40G技术概述功能特性及组网应用调测知识系统调测,100G相干单板外部结构,TN12LSC,100G相干单板波长转换板：TN12LSC，TN11LTX波长转换中继板：TN11LTX中继模式（不配置客户侧XFP光模块）槽位：TN12LSC占4槽位，对外体现为第1槽位；TN11LTX占4槽位，对外体现为第2槽位，具体参考产品手册,TN11LTX,有3种100GbE接口,100GBase-CR1010GbE10(10m)铜缆接口,100GBase-LR4/ER425GbE4中短距离(3km、10km、40km)互联的SMFLAN接口SMF=SingleModeFiber,100GBase-SR1010GbE10短距离(100m)互联的MMFLAN接口MMF=Multi-ModeFiber,1,2,3,MoredetailsaboutCFPmoduleon,CFP光模块CentumForm-factorPluggable,IEEE主要制定客户侧的网络接口,物理接口,SC、LC、MPO或其它连接器,148-Pin的电接口,注意：目前我司TN12LSC单板客户侧同时支持10GbE10和25GbE4接口，不支持铜缆接口，但在使用时需人工配置。,FAQ-7:怎么没有单波100GbE接口?,主要是价格的原因。单模光纤和多模光纤上的一条40G以太网链路的费用大约是10G链路价格的67倍。一条100G以太网链路的费用是10G以太网接口的20倍左右。考虑到经济性因素，现阶段没有定义单波100GbE的接口。后续发展仍有可能会定义单通道100GbE以太网接口。据估计，100G的价格到2015年左右会被市场广泛接受。随着成本的降低，应用的障碍被消除，届时各标准组织可能会定义单通道100GbE接口。,40G相干单板外部结构,40G相干线路单板线路板：TN55NS3配PDM-BPSK模块线路板：TN56NS3配PDM-QPSK模块槽位：TN55NS3占2槽位，对外体现为第2槽位，TN56NS3占用1个槽位，具体参考产品手册,TN55NS3,TN15LSXL,40G相干支线路合一单板波长转换板：TN15LSXL波长转换中继板：无单独中继单板，电中继使用TN55NS3的中继模式槽位：TN15LSXL占3槽位，对外体现为第2（中间）槽位，具体参考产品手册,TN56NS3,40G相干单板功能特性灵敏度,单板波分侧灵敏度-16dBm,光功率输入范围为016dBm；,WDM光模块ePDM-BPSK,OUT,IN,主备,HFEC,ODU0/1/2/2e/3OTU3/OTU3e,背板,WDM侧OTU3/OTU3eG.694.143/44Gbps,TN55NS3,100G相干单板功能特性灵敏度,客户侧100GE,100GE客户侧光模块CFP,100GEOTU4HFEC,WDM侧OTU4G.694.1112Gbps,WDM光模块ePDM-QPSK,RX,TX,OUT,IN,单板波分侧灵敏度-16dBm,光功率输入范围为016dBm；,客户侧10*10G(STM64/OC192/10GELAN),10*10G客户侧光模块XFP,10*10GOTU4HFEC,WDM侧OTU4G.694.1112Gbps,WDM光模块ePDM-QPSK,RX,TX,OUT,IN,TN12LSC,TN11LTX（中继模式：不配置客户侧XFP光模块）,RX,TX,单板功能特性HFEC,采用HFEC编码，相对于GFEC性能提升3dB，相对于AFEC性能提升近1dB纠前误码超过4e-3，纠后达到10E-15,WDM光模块ePDM-BPSK,OUT,IN,主备,HFEC,ODU0/1/2/2e/3OTU3/OTU3e,TN55NS3,单板功能特性CD、PMD自动补偿,CD自动补偿：即插即用，不需人工干预色散容限（1dBOSNR代价）：-10000ps/nm+60000ps/nm（40GBPSK）/-10000ps/nm+40000ps/nm（100GQPSK）色散调节时间：50ms（色散变化5000ps/nm）/最大可设增益，最大可设增益是OAU当前最大可以设置的增益。此时只能设置增益最大可设增益。最大可设增益最大增益中间插损，中间插损OAU的5口光功率3口光功率举例E3OAUC03E的增益为2436dB，如果计算中间插损8