CC BY
62
ISSN 1992-6502 (Print)_
2015. Т. 9, № 4 (70). С. 49-53
Ъюьшм QjrAQllQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.391.63
Выбор метода генерации сверхширокополосного сигнала при построении
оптической части RoF-систем
А. В. Андрианова1 , А. Х. Султанов2, И. Л. Виноградова3, И. К. Мешков4
1 [email protected], 2 [email protected], [email protected], [email protected] ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 26.11.2014
Аннотация. В статье рассматриваются различные методы генерации сверхширокополосного (СШП) сигнала в оптической части систем Radio-over-Fiber (RoF). Рассматриваются подходы к генерации импульса с учетом спектральной маски Федерального агентства по связи (FCC - Federal Communications Commission). Проводится оценка данных схем и анализируется их применимость к маске Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ). Предлагается подход к генерации СШП сигнала средствами оптики с учетом маски ГКРЧ.
Ключевые слова: системы широкополосной передачи, мультиплексирование с разделением по длине волны, хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия.
1 Современная технология СШП связи предлагает высокие скорости передачи (~1000 Мбит/с) при полосе частот канала 7,75 ГГц (2,85-10,6 ГГц) для маски ГКРЧ. Однако существенным недостатком данных систем является крайне малая дальность действия (до 10-20 м), которая не может быть увеличена за счет применения более мощных антенн или усилителей [1]. Данный факт обуславливается тем, что уровень сигнала ограничен значением -45 дБм/МГц, чтобы не создавать помех другим системам, работающим в непосредственной близости. При этом возникает главное преимущество СШП систем, состоящее в том, что спектральная плотность энергии сигнала СШП не превышает определенного значения.
Последние несколько лет показали стремительный рост интереса к технологии ЯоБ, использующей в качестве «последней мили» технологию СШП передачи данных.
В связи с этим возникает задача синтеза технологий ЯоБ и СШП [2], что позволит увеличить дальность связи при сохранении скорости передачи СШП систем и соответствии требованиям электромагнитной совместимости.
При синтезе данных технологий возникает проблема выбора технологии передачи СШП
1 Работа выполнена при поддержке ПНИ, договор о
субсидии № 14.574.21.0058
импульса, так как необходимо выбирать метод генерации СШП сигнала (электрический или оптический), тип СШП импульса, тип сверхширокополосного излучателя и СШП фильтра формы.
Основной проблемой выбора способа генерации СШП сигнала является выбор области генерирования и формирования спектра. В случае применения электрических методов это приводит к существенному усложнению электрической части системы связи. Поэтому совместная генерация СШП сигнала, удовлетворяющего нормам различных стран, оптическими средствами является оптимальной ввиду большей гибкости и простоты технической реализации.
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ROF
Согласно большинству публикаций в данной области, базовая схема СШП - RoF, представленная на рис.1, строится следующим образом: непрерывное узкоспектральное излучение (в полосе частот до ~ 10 кГц) от лазерного диода (LD - laser diode) подается на модулятор Ма-ха-Цендера (MZM - Mach Zehnder Modulator), на вход управления которого поступает импульсная последовательность гауссовских импульсов. Далее в оптической линии установлен преобразователь формы (SC - shape converter) импульсов, осуществляющий преобразование
формы спектра сигнала в соответствии ограничениям спектральной маски FCC. Расположенный далее фотодетектор выполняет генерацию поступающих на него радиочастот (в том числе и сплошной спектр).
LD MZM SC
PD
Рис. 1. Базовая функциональная схема СШП-RoF
Узкополосность LD необходима для получения отчетливой интерференционной картины MZM и разборчивости его выходного сигнала. Данный метод носит общее название: генерация гармоник, основанная на переходе от модуляции частоты к модуляции по интенсивности (PM-IM - harmonie génération through frequency modulation to intensity modulation conversion) [1, 3]. Чем более короткими (более узкими) будут импульсы, тем ближе будут расположены спектральные составляющие, и тем больше будет верхняя частота.
При подаче подобного сигнала на электрический вход управления MZM (см. рис.1) на выходе последнего в случае, когда его рабочая точка настроена на минимум пропускания, будет наблюдаться достаточно широкий спектр оптического излучения. Однако спектр данного сигнала не будет соответствовать ограничениям, установленным спектральной маской FCC. Необходимое соответствие обеспечивается, согласно [1], путем изменения формы импульса во временной области. Чаще всего данная задача решается применением производных (первой и далее - до 5-й) от функции Гаусса. Способом формирования подобных функций является оптическое разделение (на две части) и сложение сигнала, с задержкой и отражением одной из его частей. Аналогично при преобразовании сигнала с разделением его на три части получают соответственно следующую производную.
Известны оптические схемы, позволяющие единым устройством, например, с помощью волоконной решетки Брэгга (FBG - Fiber Bragg Grating) получить несколько производных от входного импульса. В общем случае такое устройство работает как частотный дискриминатор.
Существующие подходы к применению оптической линии для коррекции спектра СТТТП сигнала [1, 4], в своей основе предполагают, во-первых, использование гауссовского импульса как относительно «недорогого» широкополосно-
го входного электрического сигнала, во-вторых, подстройку спектра под ограничения спектральной маски FCC. Эта фактически единая базовая концепция, представленная во многих публикациях [3, 5], позволяет обобщить решаемую задачу как повышение коэффициента использования спектральной маски FCC, путем оптимизации формы спектра входной гауссовской.
Однако в исследованных источниках отсутствует решение задачи оптимизации спектра широкополосного сигнала под ограничения спектральной маски ГКРЧ, характеризующейся наличием сильных провалов эффективной изотропной излучаемой мощности на некоторых частотах, накладывающих гораздо более серьезные требования на формирования СТТТП сигнала (рис. 2).
Рис. 2. Сопоставление установленных спектральных масок: FCC (США), EC (Евросоюз) и ГКРЧ (Россия) - ступенчатая линия
Кроме того, рассматриваемая оптическая линия, как правило, не предполагается протяженной (не превышающей ~ 20 км), т. е. не обладающей специфическими искажающими факторами, существенно влияющими на сформированный сигнал. В крайнем случае, предлагаемая компенсация основополагающего фактора искажений - хроматической дисперсии [6] - строится без учета сохранения/получения заданной спектральной маски, а также без учета привнесения/влияния специфических шумов оптоволоконного тракта, которые неизбежно попадут в радиотракт, если не разработать способ их коррекции.
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ
ЧАСТИ ROF С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ МАСКИ ГКРЧ
Формирование СШП радиосигнала со спектром, удовлетворяющим ограничениям спектральной маски ГКРЧ (далее - спектром по ГКРЧ), является сложной актуальной технической задачей. В случае подачи на вход модулятора MZM либо на вход тока накачки лазерного диода сложного сигнала со спектром по ГКРЧ
задача оптической линии системы RoF сводится фактически к передаче сигнала, и задача генерации СШП радиосигнала легко достижима. Однако данный подход не является оптимальным, т. к. в нем не учтено влияние оптической линии. Выбор способа формирования сигнала следует производить с оценкой сложности реализации электрическими или оптическими средствами системы с выбором наиболее предпочтительного, с учетом подзадач/требований, предъявляемых к оптической линии со стороны общих тенденций развития волоконно-оптической системы передачи (ВОСП).
Одной из подзадач, актуальных для оптической линии, является увеличение длины оптических сегментов RoF, что приводит к усилению действия хроматической и поляризационной модовой дисперсии и нелинейных эффектов в оптическом волокне. При этом компенсация искажений на традиционных ВОСП (с прямым фотодетектированием оптических меандровых импульсов [7] или оптическим QPSK модулированным сигналом [8]) и на оптических линиях RoF имеет существенное отличие. В первом случае достаточно неизменности длительности импульса или разности фаз двух гармонических сигналов, поляризованных ортогонально, во втором случае накладывается более жесткое требование: неизменность не только длительности, но и формы оптического импульса.
Кроме борьбы с искажениями, учитывая тенденцию усложнения оптических линий ВОСП и наделения их не только распределительной функцией, но и функциями решения сетевых задач - маршрутизации, коммутации оптических каналов и т. д. на более высоких сетевых уровнях, требуется учитывать влияние этих функций на передаваемый СШП сигнал для радиотракта. Увеличивается не только количество потребителей RoF как системы связи уровней распределения и доступа, но и расширяется сфера его приложения - нарастает разнородность абонентов. Появляются корпоративные абоненты, распределенные территориально, для которых представляет интерес построение разветвленных оптических структур. Если принять во внимание широкий интерес к различным видам виртуальных локальных вычислительных сетей (VLAN - Virtual Local Area Network) и успешно развивающиеся принципы оптического управления/поддержания информационной безопасности/анализа и контроля технических параметров сетей, то разветвленность оптических линий должна сопровождаться увеличением информативности оптических сигналов и возможную передачу совместно с информационным каких-
либо дополнительных служебных сигналов, неизбежно влияющих на информационный сигнал. Здесь речь идет не только о расширении абонентской информационной емкости, являющейся первостепенной задачей, но и о переносе оптическим сигналом дополнительных информационных ресурсов для выполнения функций управления канальным и, возможно, сетевым уровнями, которые при этом не будут оказывать влияния на процесс оптоэлектронного преобразования и свойства получаемого далее СШП радиосигнала. Поэтому представляется актуальным разработка компонентов ВОСП данной категории, участвующих в том числе и в процессе формирования широкополосного сигнала со спектром по ГКРЧ.
Схемы генерации широкополосного сигнала с учетом средств оптической линии, представлены на рис. 3. Данные схемы основаны на использовании генератора импульсов Гаусса 5.
В схеме на рис. 3, а используется модулятор Маха-Цендера (4) и блок управления для него (3). В качестве источника оптического излучения используется узкополосный лазер (2) и блок управления током накачки лазера (1). Сигнал после модулятора Маха-Цендера поступает на фотоприемный модуль (6).
В схеме на рис. 3, б предложен подход к генерации СШП сигнала без использования модулятора Маха-Цендера. Сигнал с генератора импульсов Гаусса (5) подается непосредственно на блок управления током накачки лазера (1) и далее на узкополосный лазер (2). Полосовой фильтр (7) необходим для «вырезания» центральной А,0, чтобы на фотоприемном модуле (6) можно было увидеть боковые полосы.
Для реализации вышеописанных схем могут быть использованы модели, представленные в [9].
Однако вышеописанные схемы не учитывают особенности ГКРЧ маски. Поэтому на участке АБ оптической линии следует подключить компонент, ответственный за преобразование спектра СШП сигнала под маску ГКРЧ. Данный компонент должен обладать свойствами частотного дискриминатора, например, вырезать некоторые спектральные составляющие либо выполнять чирпирование сигнала под поставленную оптическую задачу или с целью расширения его спектра для радиотракта. Также указанный генератор (5) целесообразно заменить на блок-формирователь импульсов специальной формы, разработанный с применением ПЛИС.
Исследование работоспособности данных схем позволит выполнить апробацию разработанных аналитических моделей, проверить их адекватность и оценить погрешность моделирования.
\
б
Рис. 3. Подходы к генерации СШП — сигнала с учетом маски ГКРЧ: а - с использованием М2М (предполагается, что рабочая точка модулятора выставлена на минимум пропускания); б - с применением драйвера управляющего током накачки лазера
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной статье рассмотрены основные методы построения оптической части RoF-систем. В основе построения таких схем лежит узкополосный лазер, модулятор Маха-Цендера и фотодетектор.
При построении данных схем учитывается соответствие спектральной маски за счет использования различных методов получения производных от функции Гаусса. Однако данные схемы разработаны с учетом маски FCC, что не подходит для использования на территории Российской Федерации, т. к. здесь применяется маска ГКРЧ, которая существенно отличается от маски FCC.
В статье предложены подходы к генерации СШП сигнала в оптической части RoF-систем под маску ГКРЧ. Предложенные подходы основываются на разработке компонента, который будет работать как частотный дискриминатор, вырезая некоторые спектральные составляющие. Предложенные подходы к генерации СШП сигнала в оптической части RoF-систем позволят значительно упростить электрическую часть за счет того, что генерация сигнала будет проходить средствами оптики.
Также предложенные подходы учитывают спектральную маску ГКРЧ, и сигнал, генерируемый в оптической части, будет соответствовать этой маске, что в свою очередь также упростит электрическую часть RoF-систем.
Результаты, полученные в данной статье, будут использованы при реализации экспериментального стенда по генерации СШП сигнала в оптической части и при приеме-передаче сигнала в электрической части RoF-систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Solomon Tesfay Abraha. Impulse Radio Ultra Wideband over Fiber Techniques for Broadband In-Building Network Application. Ph. D. thesis, 2012 [T.A. Solomon, Impulse Radio Ultra Wideband over Fiber Techniques for Broadband InBuilding Network Application. Ph. D. thesis, 2012]
2. Haymen Shams. Radio over Fiber Distribution Systems for Ultra Wideband and Millimetre wave Applications. Ph. D. thesis. 2011 [S. Haymen, Radio over Fiber Distribution Systems for Ultra Wideband and Millimetre wave Applications. Ph. D. thesis. 2011]
3. Koonen M. J., Niemegeers M. M., Fledderus E. Radio over fiber distributed antenna systems for in-building broadband wireless services [Электронный ресурс]. URL: http://www.tue.nl/en/publication/ep/p/d/ep-uid/215754/ (дата обращения 15.10.2014). [M. J. Koonen, M. M. Niemegeers, E. Fledderus (2008). Radio over fiber distributed antenna systems for in-building broadband wireless services
[Online]. Available:
http://www.tue.nI/en/publication/ep/p/d/ep-uid/215754/]
4. Kaszubowska-Anandarajah A., Perry P., Barry L. P. Hybrid Radio over Fiber System for Generation and Distribution of UWB Signals. ICTON, 2008 [A. Kaszubowska-Anandarajah, P. Perry and L.P. Barry Hybrid Radio over Fiber System for Generation and Distribution of UWB Signals. ICTON, 2008]
5. Abtahi Mv Mirshafiei M., LaRochelle Sv Rusch L.A. All-Optical 500-Mb/s UWB Transceiver: An Experimental Demonstration // JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. 2008. Vol. 26, N. 15. P.115-119 [Abtahi Mv Mirshafiei M., LaRochelle Sv Rusch L. A. "All-optical 500-Mb/s UWB transceiver: An experimental demonstration," in Journal of lightwave technology, vol. 26, no. 15, 2008.]
6. Арбузова Е. Ю., Волкова К. А., Волков К. А., Дашков М. В., Кокурина О. Е. Передача сигнала «Radio-over-Fiber» по ВОЛП в режиме плотного управления дисперсией. // Инфокоммуникационные технологии. 2012. Т. 10. № 4. С. 19-22. [E.U. Arbuzova, K.A. Volkova, K.A. Volkov, M.V. Dashkov, O.E. Kokurina, "Radio-over-Fiber signal transmission over fiber optical network in compact dispersion control", (in Russia), in Infocommunicatsyonnie technologii, vol. 10, no 4, pp. 19-22, 2012]
7. Гордиенко В. Н., Тверецкий М. С. Многоканальные телекоммуникационные системы. М.: Горячая линия-Телеком, 2007. 416 с. [V.N. Gordienko, M.S. Tveretskyi, Multichannel telecommunication systems, (in Russian). Moscow: Goryachaya Linia-Telecom, 2007]
8. Гуркин Н. В., Наний О. Е., Трещиков В. Н., Убайдул-лаев Р. Р. Производительность когерентных DWDM-систем с канальной скоростью 100 Гбит/с. // Вестник связи. 2013. № 2. С. 40-42. [N.V. Gurkin, O.E. Nanii, V.N. Trechikov, R.R. Ubaidulaev, "Coherent DWDM - systems performance with channel rate 100 Gb/s", (in Russian), in Vestnik svyazy, no 2, pp. 40-42, 2013]
9. InGaAs Fast PIN (RF) Amplified Photodetectors [Электронный ресурс]. URL: http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfmPobjectgroup_id =6687 (дата обращения 10.10.2014) [ (2014, Oct. 10). InGaAs Fast PIN (RF) Amplified Photodetectors [Online]. Available: http://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfmPobjectgroup_id =6687]
сетям и уст-вам телеком. (УГАТУ 2010). Исследования в
обл. спут. данных и обр. цифровых сигналов
METADATA
Title: The choice of UWB-signal generation method when building RoF - system optical part.
Authors: A.V. Andrianova, A. K. Sultanov, I.L. Vinogradova, I.K. Meshkov
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia.
Email: [email protected]
Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 4 (70), pp. 49-53, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print).
Abstract: In this paper different methods of UWB - signal generation in optical part of RoF - systems is considered. Also different approaches to UWB-signal generation for the FCC - mask is considered. In this paper these methods is estimated and their applicability to GKRCH-mask is analyzed. There is provided the approaches to the UWB-signal generation with optical means for GKRCH-mask.
Key words: UWB transmission systems, wavelength division multiplexing, chromatic dispersion, polarization mode dispersion.
About authors:
ANDRIANOVA, Anna Vladimirovna, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of Telecommunication Systems SULTANOV, Albert Khanovich, Head of Telecommunication systems chair, Prof., Dr. of Tech. Sci. Dipl. multichannel communications engineer (Novosib. electrotech. Institute, 1973). Dr. of Tech. Sci. (UGATU, 1996). VINOGRADOVA, Irina Leonidovna, Prof. of Dept. of Telecommunication systems, Dr. of Tech. Sci. Dipl. Engineer (UGATU, 1992). Dr. of Tech. Sci. (UGATU, 2009). MESHKOV, Ivan Konstantinovich, A.P., Dept. of Telecommunication systems. Dipl. radiocom. engineer (UGATU 2007). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2010).
ОБ АВТОРАХ
АНДРИАНОВА Анна Владимировна, асп. каф. телекоммуникационных систем. Дипл. инж. по спец. «Многоканальные телекоммуникационные системы» (УГАТУ, 2012). Готовит дис. о решении радиотех. задач методами оптики.
СУЛТАНОВ Альберт Ханович, зав. каф. телекоммуникационных сист. Дипл. инженер по многоканальн. электросвязи (Новосибирск. электротехн. ин-т, 1973). Д-р техн. наук по упр. в техн. сист. (УГАТУ, 1996). Иссл. в обл. телекоммуни-кац. систем, систем массового обслуживания.
ВИНОГРАДОВА Ирина Леонидовна, проф. каф. телекоммуникационных сист. Дипл. инжю (УГАТУ, 1992). К-т техн. наук (УГАТУ, 2000). Д-р техн. наук (УГАТУ, 2009). Иссл. в области оптики, волоконно-оптич. Связи, теории передачи и обр. сигналов.
МЕШКОВ Иван Константинович, доцент каф. телекоммуникационных сист. Дипл. инж. по радиосвязи и радиовещанию и телевидению (УГАТУ 2007). К-т техн. наук по сист.,
