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用电子色散补偿增加光链路的距离
 
慧聪网   2006年1月17日10时30分   信息来源:中国电子报    

    当前的长距离和城域SONET OC-192(10Gbps)光链路采用单模光纤(SMF)能达到的距离大约只有80km,主要原因在于光纤内的瑕疵。 在数据中心和大楼骨干链路也有类似的情况,10G比特以太网(GbE)链路采用传统的多模光纤(MMF,OM1型)时,由于在如此高速率下出现的信号色散效应,长度也限制在不足26m。最基本的情况是,色散效应对于整个光链路性能有决定性的影响,限制了电信运营商和IT经理们在大多数的长距离和短距离网络应用中,不得不部署低速OC-48(2.488Gbps)或1GbE(1Gbps)。随着对增加带宽的需求持续地逐步增长,电信运营商和IT经理们正在寻找把这些网络扩容到10Gbps的途径,而且为了节约成本要利用已有的基础设施,不必部署昂贵的或笨重的色散补偿光纤(DCF)。当前,OC-48和1GbE分别可运行80km和220m以上的距离,而且对信号完整性而言,色散效应并不成为一个严重的因素。但是,试图把这些链路再升级到10Gbps将产生信号失真,这就限制了信号能够传输的距离,除非采用某种形式的色散补偿技术。

  电子色散补偿(EDC)技术构成了光互联网论坛(OIF)和IEEE802.3 提出的一些新标准的基础,它对电领域中的光色散进行补偿。电子色散补偿的设计目标是特别针对导致链路损失的三种主要的干扰类型:多色色散,模态色散和极化模式色散。当工程师们继续努力把链路能力提升到10Gbps时,这些干扰源就成为前进的障碍。由于这些类型的色散效应还与码元速率有关,信号速度增加使它们的效应更加严重。

  正在发展的标准要克服色散问题,帮助用户提升它们的网络。OIF与国际电联(ITU)合作,已经建立了一个针对链路距离达145km(最差光纤情况下120km)的10Gbps SONET的长距离SMF EDC项目,这种链路可以从OC-48进行无缝升级。IEEE也已经着手建立一个新标准,利用电子色散补偿在现有的多模光纤上把1GbE链路升级到10GbE。在发展标准的同时,多家供应商也正在开发电子色散补偿产品或供应这种产品,以便对这些已知的干扰源进行补偿,使信号质量和整个链路可靠性得到重大的改进。

  多色色散

  由于材料和波导的性质而产生的多色色散是这样一种现象,当光脉冲传输更大的距离时,它开始扩展(见图1)。一个光的激光输出,具有有限的频谱,且由不同的颜色组成。最常用的单模光纤在1550nm波长(这是长距离传输系统的运行范围)时的色散斜率大约为17ps/nm km。
当一个脉冲扩展时,从邻近脉冲产生的能量就开始彼此干扰,导致在电领域通常叫做码元间干扰(ISI)的出现。ISI带来的问题是当一个码元扩展到另一个码元上时,它改变了第二个信号的电平。这就会引起误差,因为原来的码元不再处于使它的值可以被恢复系统容易地区分开来的理想电平上。

  多色色散可以用光纤色散给出量化指标(对于SMF-28光纤,在波长1550nm时光纤色散为17 ps/nm km)。因此,举例来说,一个中心频率为1550nm的脉冲传输140km后的总多色色散大约为2400ps/nm,这是未来的OIF/ITU SMF长距离应用编码给出的指标,这里假定光带宽为0.1nm。

  模态色散

  模态色散更加具体地是对今日在短距离数据中心和大楼骨干链路中使用的多模光纤而言。它是在不同时间到达接收机的不同模式的光之间干扰的结果。因为光纤不是对称的,在光纤内存在瑕疵,当光传播一段距离后使光的性质变坏。这种瑕疵造成光扩散或色散,因而引起重叠(参见图2)

    与光纤本身有关,这种瑕疵可能产生扩展到几个单位区间(UI)的脉冲。在这种情况下,一个单位区间代表传输波特率的一个码元。一个单位区间的色散意味着一个码元开始干扰同一个码元串中的相邻码元。因为多种光频率共享同一光纤,色散可以跨频率扩散能量,也会影响短距离应用中的链路性能。使用传统接收机的无EDC的系统只有当光纤中的色散小于约0.5UI时,才能够恢复光信号。对于运行10GbE达220m(用OM1型62.5um光纤)的链路,新的IEEE指标规定可以产生超过4UI的色散,这就是为什么在这些系统上需要有电子色散补偿的原因。

  极化模式色散

  极化模式色散主要是在单模光纤应用中要考虑的问题,在这种情况下发射进光纤的单个脉冲在远端出现多个脉冲。出现这种现象的原因是因为光纤支持2个垂直的极化平面。如果光纤是非常圆的而且没有任何应力,那么,这两个极化模式就会产生一个同时穿越光纤的信号,在接收机上产生一个脉冲。极化模式色散引起脉冲本身的相位移动,而且它的效应是统计性质的,在光链路上进行测量非常复杂。对于SMF-28一类的光纤,极化模式色散的指标为0.1ps / km ,对于小于80km的应用而言,应用标准的接收机就可以对付极化模式色散。但是,当链路距离增加到140km或更长时,在接收机端的电子色散补偿可以补偿缓慢的极化模式色散效应。当光纤受到伤害,如扭折或链路本身的压缩,极化模式色散有变为更加严重的趋势。例如,光纤中的扭折可能引起光的一个分量以90度旋转而进入到另一个分量,就好像一面镜子反射它一样。因而,尽管极化模式色散一般随着较长的光纤而增加,但很可能短的光纤由于出现了扭折就有很差的极化模式色散产生。极化模式色散以群延迟(ps)进行量度。

    电子色散补偿算法选择

  目前存在很多种均衡化算法,以它们为基础实现有效的电子色散补偿。连续时间滤波器(CTF)是在芯片上实现最简单的一种,并且具有低功率的优点。连续时间滤波器通过扩大和限制有关的频带来调整光前端的模拟带宽。

  连续时间滤波器能给光信噪比(光噪声)受到限带信道限制的光应用带来好处,而且,还能够通过波整形对多色色散加以补偿。连续时间滤波器对于需要高频率提升的噪声加载信道的好处有限,因为这会影响信噪比。

  以电子色散补偿的实现而言,最常见的架构是以前馈均衡器(FFE)和/或判决反馈均衡器(DFE)的组合为基础,它采用比连续时间滤波器中采用的更复杂的信号调理方式。FFE和DFE通常是多分接架构,而且是补偿码元间干扰的有效方法。当仅有单个单位区间干扰时,FFE/DFE仅仅需要确定是否一个码元已经扩展到相邻的码元中,再相应地增加或减掉该码元。当存在多于一个单位区间的干扰时,就不仅仅是单个码元延伸到邻近的码元,每个码元可以被几个邻近的码元所歪曲。设计的FFE部分更多地集中在消除码元主能量点以前(也称作前体区)的失真,而DFE部分旨在补偿码元主能量点后面(也称作后体区)的干扰。

  最普通的前馈均衡器实现方法以模拟分布式放大器为基础,其中延迟元件系采用芯片上的各种延迟线来实现。实现决策反馈均衡器需要一个位速率时钟并利用采样的数据来确定信号质量。决策反馈均衡器的设计可以是模拟式的或数字式的,依照选择的架构而定。对于模拟设计,其能耗一般比数字式设计更低,因为模拟信号不必转换到数字域,从而不需要使用高速模/数转换器和数字信号处理(DSP)。在比较模拟式与数字式FFE/DFE实现方法时,在运行角上的性能稳定性是必须加以考虑的另一项权衡因素。还有一些更加复杂的均衡器架构,它们的实现采用最大似然系列估计器(MLSE)的形式,利用了Viterbi解码器算法。MLSE一般都是数字式的设计,而且更加需要复杂的数字信号处理方法去执行滤波。最大似然系列估计器比判决反馈均衡器能达到更好的性能,但是,滤波器的DSP实现一般更加复杂,常常消耗2~4倍的能量。这样一来,最大似然系列估计器常常保留给那些提供的性能价值的确值得的应用,例如当应用中遭遇到严重的非线性问题,或者针对超长距离的光纤。

  电子色散补偿实现中的问题

  理想的情况是电子色散补偿的一种实现能够动态地适应任何链路。可是,每一条光链路都有不同的特征,包括其长度、质量、光纤状况,以及其他的区别因素。当前,长距离光链路都是利用一个色散补偿滤波器或某种其他的固定手段,针对距离和波长进行手工调整。假如电子色散补偿算法是自适应的,网络技术人员可以简单地插入新的线路卡,而不必基于线路卡连接的单个链路去调整设置,使得安装过程朝着真正的即插即用前进了一步。此外,由于光纤的特征随时间而退化,也就是说,光纤中将会出现更多的扭折,线路卡就可以不必通过人的参与经常性地重新调整连接。自适应的电子色散补偿算法也便利了采用单一的电路板设计去对付多种应用。

  为了达到自适应性,电子色散补偿算法的实现常常使用很成熟的最小二乘方(LMS)型算法,同时应用反馈机制以及一种估计信号质量的方法。在实现过程中,采取闭合环路,并使线路卡能够自我调整,对增益和滤波器进行小的调节以得到最佳的信号响应。当电子色散补偿均衡器直接集成在收发器件上时,动态自适应更加容易实现。

  在多模光纤上模态色散一般更加突出,而且可以延伸到几个单位区间而不只是一个或2个单位区间。由于这些因素,电子色散补偿算法必须对短距离的多模光纤提供比对145km距离的单模光纤还要更复杂的均衡化。

  电子色散补偿设计的另一个重要的器件是可变增益放大器(VGA)。在光信号到达接收机的时候,它的幅度已经显著地减小。可变增益放大器按照输入信号给以增益,为滤波器提供最大的动态范围。可变增益放大器对于在给定的动态范围内的输入信号流不论其如何变化均保持输出稳定。

  电子色散补偿的标准化

  电子色散补偿是一种相当关键的技术,因而OIF与ITU正在为SONET长距离应用开发应用编码,同时,IEEE也在为10GbE开发基于电子色散补偿的新标准。

  新标准旨在针对较长跨距的应用,其最小的多色色散必须至少是2400ps/nm,这等价于标称约140km的光纤。标准的目标是使现有的OC-48链路能够升级到10Gbps/OC-192,而且不必替换现有的光纤或使用色散补偿光纤。 这将能让电信运营商替换出转发器模块(以及如成帧这样的后端器件),最终结果是能够把设备升级而不必进行链路本身的升级。该标准已接近于批准,只是不同供应商之间的互操作性测试还在进行中,预期对标准不会有根本性的修改。

  IEEE以其基于电子色散补偿的802.3aq标准,专注于在传统的220m长的MMF(OM1)上运行串行的10GbE。今日的链路主要是运行1GbE,它支持300m的传统OM1光纤。推动采用802.3aq的因素之一是运行自身的10GbE时可以用不太复杂的模块(允诺了较低成本和基于XFP外形的更小尺寸的模块)来完成。LX4模块具有4个波长的稳定激光,需要一个复杂的光多路复用器,以及必须进行多方面的集成和测试以满足要求10GbE标准。。与此相对照,802.3aq模块只支持一个波长的光(而不是4个波长),消耗较少的能量,而且配置成本只接近于现有的10G-BaseLX4 PMD成本的一半。IEEE 802.3aq目前还处在草案状态,预计有望在2006年年中前被批准。

  结论

  电子色散补偿对短距离和长距离应用而言都是一种有效的均衡技术。通过补偿在信号频率增加到10Gbps时出现的已知色散源,电信运营商和IT经理们能够利用现有的光纤结构,无需铺设新的光纤或笨重的色散补偿光纤,就能有把握和成本经济地把现有的1GbE和OC-48链路升级到自身的10Gbps。

 
 
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