Что такое мультиплексоры демультиплексоры с разделением по длине волны
СОДЕРЖАНИЕ
Системы
Это часто делается с помощью преобразования оптического сигнала в электрический в оптический (O / E / O) на самом краю транспортной сети, что позволяет взаимодействовать с существующим оборудованием с оптическими интерфейсами.
Большинство систем WDM работают с одномодовыми оптоволоконными кабелями с диаметром сердцевины 9 мкм. Определенные формы WDM могут также использоваться в многомодовых оптоволоконных кабелях (также известных как кабели для помещений) с диаметром жил 50 или 62,5 мкм.
Ранние системы WDM были дорогими и сложными в эксплуатации. Однако недавняя стандартизация и лучшее понимание динамики систем WDM сделали WDM менее затратным в развертывании.
Оптические приемники, в отличие от лазерных источников, обычно являются широкополосными устройствами. Следовательно, демультиплексор должен обеспечивать избирательность по длине волны приемника в системе WDM.
Системы WDM делятся на три различных шаблона длин волн: нормальный (WDM), грубый (CWDM) и плотный (DWDM). Обычный WDM (иногда называемый BWDM) использует две нормальные длины волн 1310 и 1550 на одном волокне. Грубый WDM обеспечивает до 16 каналов через несколько окон передачи кремнеземных волокон. Плотный WDM (DWDM) использует окно передачи C-Band (1530–1565 нм), но с более плотным разносом каналов. Планы каналов различаются, но типичная система DWDM будет использовать 40 каналов с интервалом 100 ГГц или 80 каналов с интервалом 50 ГГц. Некоторые технологии поддерживают интервал 12,5 ГГц (иногда называемый сверхплотным WDM). Новые возможности усиления ( рамановское усиление ) позволяют расширить используемые длины волн до L-диапазона (1565–1625 нм), более или менее удваивая эти числа.
Грубое мультиплексирование с разделением по длине волны (CWDM), в отличие от DWDM, использует увеличенный интервал между каналами, что позволяет создавать менее сложные и, следовательно, более дешевые конструкции приемопередатчиков. Чтобы обеспечить 16 каналов на одном волокне, CWDM использует всю полосу частот, охватывающую второе и третье окна передачи (1310/1550 нм соответственно), включая критические частоты, на которых может происходить рассеяние OH. Волокна из диоксида кремния, не содержащие ОН, рекомендуются, если должны использоваться длины волн между вторым и третьим окнами передачи. В обход этой области остаются каналы 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, и они наиболее часто используются. С волокнами OS2 проблема водяного пика решена, и можно использовать все возможные 18 каналов.
Грубый WDM
В 2002 году ITU стандартизировал сетку разнесения каналов для CWDM (ITU-T G.694.2), используя длины волн от 1270 нм до 1610 нм с разносом каналов 20 нм. ITU G.694.2 был пересмотрен в 2003 году для смещения центров каналов на 1 нм, поэтому, строго говоря, центральные длины волн составляют от 1271 до 1611 нм. Многие длины волн CWDM ниже 1470 нм считаются непригодными для использования на более старых волокнах спецификации G.652 из-за повышенного затухания в диапазонах 1270–1470 нм. Новые волокна, соответствующие стандартам G.652.C и G.652.D, такие как Corning SMF-28e и Samsung Widepass, практически устраняют пик затухания «водного пика» на длине волны 1383 нм и обеспечивают полную работу всех 18 ITU. Каналы CWDM в городских сетях.
Основной характеристикой последнего стандарта ITU CWDM является то, что сигналы не разнесены надлежащим образом для усиления EDFA. Это ограничивает общий оптический диапазон CWDM примерно до 60 км для сигнала 2,5 Гбит / с, что подходит для использования в городских условиях. Ослабленные требования к оптической стабилизации частоты позволяют сопоставимому расходу CWDM приближаться к стоимости оптических компонентов без WDM.
Приложения CWDM
Некоторые приемопередатчики GBIC и подключаемые модули малого форм-фактора ( SFP ) используют стандартизованные длины волн CWDM. Оптика GBIC и SFP CWDM позволяет «преобразовать» устаревшую систему коммутации для обеспечения передачи по оптоволокну с мультиплексированием по длинам волн путем выбора совместимых длин волн приемопередатчиков для использования с недорогим устройством пассивного оптического мультиплексирования.
Стандарт физического уровня 10GBASE-LX4 10 Гбит / с является примером системы CWDM, в которой четыре длины волны около 1310 нм, каждая из которых передает поток данных со скоростью 3,125 гигабит в секунду (Гбит / с), используются для передачи 10 Гбит / с. s агрегированных данных.
Плотный WDM
Системы DWDM
На этом этапе базовая система DWDM содержит несколько основных компонентов:
Системы DWDM должны поддерживать более стабильную длину волны или частоту, чем те, которые необходимы для CWDM, из-за более близкого расстояния между длинами волн. В системах DWDM требуется прецизионный контроль температуры лазерного передатчика, чтобы предотвратить «дрейф» за очень узкое частотное окно порядка нескольких ГГц. Кроме того, поскольку DWDM обеспечивает большую максимальную пропускную способность, он, как правило, используется на более высоком уровне в иерархии связи, чем CWDM, например, в магистрали Интернета и, следовательно, связан с более высокими скоростями модуляции, тем самым создавая меньший рынок для устройств DWDM с очень высокая производительность. Эти факторы меньшего объема и более высокой производительности приводят к тому, что системы DWDM обычно дороже, чем CWDM.
Последние инновации в транспортных системах DWDM включают съемные и программно настраиваемые модули приемопередатчиков, способные работать на 40 или 80 каналах. Это значительно снижает потребность в дискретных запасных сменных модулях, когда горстка подключаемых устройств может обрабатывать весь диапазон длин волн.
Транспондеры с преобразованием длины волны
На этом этапе следует обсудить некоторые детали, касающиеся транспондеров с преобразованием длины волны, поскольку это прояснит роль, которую играет текущая технология DWDM в качестве дополнительного оптического транспортного уровня. Он также будет служить для описания эволюции таких систем за последние 10 лет или около того.
Как указано выше, транспондеры с преобразованием длины волны изначально служили для преобразования длины волны передачи сигнала клиентского уровня в одну из внутренних длин волн системы DWDM в диапазоне 1550 нм (обратите внимание, что даже внешние длины волн в диапазоне 1550 нм, скорее всего, должны быть переводится, поскольку они почти наверняка не будут иметь требуемых допусков по стабильности частоты и не будут иметь оптической мощности, необходимой для EDFA системы).
Реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода (ROADM)
Как упоминалось выше, промежуточные участки оптического усиления в системах DWDM могут допускать удаление и добавление каналов с определенной длиной волны. В большинстве систем, развернутых по состоянию на август 2006 г., это делается нечасто, потому что добавление или уменьшение длин волн требует ручной вставки или замены карт выбора длины волны. Это дорого и в некоторых системах требует, чтобы весь активный трафик был удален из системы DWDM, потому что вставка или удаление карт, зависящих от длины волны, прерывает многоволновый оптический сигнал.
С помощью ROADM операторы сети могут удаленно перенастроить мультиплексор, посылая программные команды. Архитектура ROADM такова, что уменьшение или добавление длин волн не прерывает «сквозные» каналы. Для различных коммерческих ROADM используются многочисленные технологические подходы, при этом компромисс между стоимостью, оптической мощностью и гибкостью.
Оптические кроссы (OXC)
Когда топология сети представляет собой сетку, где узлы соединены между собой волокнами, чтобы сформировать произвольный граф, необходимо дополнительное устройство волоконно-оптических соединений для маршрутизации сигналов от входного порта к желаемому выходному порту. Эти устройства называются оптическими кросс-коннекторами (OXC). Различные категории OXC включают электронные («непрозрачные»), оптические («прозрачные») устройства и устройства с избирательной длиной волны.
Расширенный WDM
Коротковолновый WDM
В коротковолновом WDM используются приемопередатчики с лазером с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) с четырьмя длинами волн в диапазоне от 846 до 953 нм по одному волокну OM5 или по 2-волоконному соединению для волокна OM3 / OM4.
Трансиверы против транспондеров
См. Также транспондеры (оптическая связь) для получения информации о различных функциональных представлениях о значении оптических транспондеров.
Реализации
Существует несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для проектирования систем WDM.
Введение в мультиплексирование: основы телекоммуникаций
Мультиплексирование было разработано в начале 1870-х годов, но в конце 20-го века оно стало гораздо более применимо к цифровой связи. Сегодня мультиплексирование с частотным разделением (FDM, frequency division multiplexing), мультиплексирование с временным разделением (TDM, time division multiplexing) и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, wavelength division multiplexing) стало чрезвычайно важным активом для телекоммуникационных процессов и значительно улучшило способ передачи и приема независимых сигналов по AM и FM радиоканалам, по телефонным линиям и по оптоволокну.
Понятие мультиплексирования
Системы телекоммуникаций, такие как радиосвязь, телефон и телевидение, для передачи и приема информации все используют метод, называемый мультиплексированием. Мультиплексирование было разработано для передачи множества аналоговых сигналов или цифровых потоков через одну общую линию передачи. Мультиплексоры, или сокращенно MUX, объединяют сигналы от нескольких устройств, которые затем передаются по этой линии передачи.
Мультиплексор (MUX) считывает и анализирует каждый подаваемый на него отдельный сигнал или поток цифровых данных, а затем назначает каждому из них временной интервал фиксированной длины. После этого назначения MUX теперь имеет так называемый единый составной сигнал и передает часть данных из каждого слота в течение его временного интервала фиксированной длины по высокоскоростной линии передачи. На другом конце высокоскоростной линии передачи этот составной сигнал повторно анализируется и разделяется демультиплексором, или DEMUX. На рисунке ниже показан поток, в котором цифровые данные в системах FDM, TDM и WDM передаются и принимаются от одного устройства к другому с использованием одного мультиплексора и одного демультиплексора.
Рисунок 1 – Система передачи данных, использующая мультиплексирование и демультиплексирование
Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)
FDM имеет дело в первую очередь с сигналами аналоговых сообщений, а не с потоками цифровых данных. Это система, в которой вся полоса пропускания, доступная источнику данных, делится между подканалами, каждый из которых имеет свою частоту. Каждый подканал затем передает отдельные сигналы через линию передачи или составной канал. Сигналы в этих подканалах могут передаваться по линии передачи независимо друг от друга и могут передаваться одновременно друг с другом.
Мультиплексирование в радиовещании, будь то амплитудная модуляция или частотная модуляция (AM и FM), формирует сигнал радиостанции, на который вы можете настроиться. Мы можем выбрать прослушивание только одной станции, потому что каждый передаваемый поток данных принадлежит отдельной радиостанции. Если бы это было не так, сигналы радиостанций накладывались бы друг на друга, что вызывало бы нежелательный постоянный шум. В отличие от TDM, если необходимо передать цифровой сигнал, то его необходимо сначала преобразовать в аналоговую форму, прежде чем его можно будет передать по линии передачи.
Мультиплексирование в кабельном телевидении аналогично радиовещанию, все каналы передаются одновременно, в то время как телевизор, принимающий их, «настраивается» на определенный канал потока данных. Между каналами нет взаимного влияния, потому что сигналы расположены достаточно далеко друг от друга по частоте, чтобы отдельные каналы не перекрывались. Эта структура данных обычно передается через коаксиальный кабель, оптоволокно или с помощью радиопередатчика.
Что такое мультиплексирование с временным разделением (TDM)?
Метод объединения нескольких независимых потоков данных в один сигнал данных и передачи этого единого сигнала данных через мультиплексор на демультиплексор известен как мультиплексирование с временным разделением. TDM отличается от FDM и WDM своим чередованием передачи через единственный сигнал данных. Каждый отдельный сигнал, который передается через мультиплексор, периодически выдается на выход в течение короткого промежутка времени.
Когда мультиплексирование с временным разделением впервые было реализовано в конце 1800-х годов, оно использовалось в телеграфии. TDM в первую очередь использовалось для создания более простого способа передачи множества телеграмм, отправляемых телеграфными машинами Hughes одновременно. Концепция, лежащая в основе использования мультиплексирования с временным разделением, заключалась в том, чтобы принимать несколько телеграфных передач и синхронно передавать их в одно и то же время, используя линию передачи, общую с другими телеграфными машинами Hughes. Это было началом передачи информации на большие расстояния по одной линии связи.
В то время как TDM манипулирует цифровыми данными, телефонные цепи выдают аналоговые сигналы данных. Для правильной работы мультиплексирования необходимы устройства кодера и декодера для обработки аналоговых данных. Кодер преобразует аналоговый формат в квантованный, дискретный по времени формат. После того как кодер преобразовал аналоговые данные в цифровые, эти данные затем мультиплексируются вместе с другими, используя TDM. После того, как данные проходят через единую линию передачи, их принимает демультиплексор, демультиплексирует этот единый сигнал данных и отправляет выделенные сигналы другим устройствам.
TDM, работающее с пропускной способностью сети
Та же концепция мультиплексирования, которая была разработана для связи на большом расстоянии между многочисленными телеграфами Huges, теперь широко используется в сетях с закрытой коммутацией, таких как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN, public switched telephone network). Мультиплексирование с временным разделением получило дальнейшее развитие с момента его создания, и теперь оно может разделить пропускную способность сети на более мелкие части. Основное внимание в этой новой операции уделяется минимизации полосы пропускания, используемой рядом устройств в сети системы. Хотя это тот же термин, что используется и в телеграфах, правила отправки данных были пересмотрены и изменены, поэтому с устройства на устройство могут передаваться данные более высокого качества. Этот метод связи был разработан, чтобы предоставить компаниям упрощенный и экономичный способ построения быстрых сетей, которые связывают устройства друг с другом на обширных географических территориях.
Стандартные системы TDM передают сегменты другим устройствам, предоставляя им уникальный фиксированный временной интервал в сети. Если X, Y и Z представляют устройства для передачи данных, данные из X отправляются в MUX, затем данные из Y отправляются в MUX, и, наконец, данные из Z отправляются в MUX. Эта последовательность повторяется до тех пор, пока не перестанут отправляться данные с каждого устройства. Хотя данные просто пересылаются из «точки A в точку B», всё же существует несколько различных способов планирования систем TDM для более эффективной работы в зависимости от задачи.
Основные системы TDM используют одну из двух традиционных схем мультиплексирования: с чередованием битов или с чередованием байтов. Фиксированному временному интервалу структуры присваивается бит (1 для true или 0 для false) или байт длиной до 8 бит для представления целого числа или символа.
Рисунок 2 – Мультиплексирование с временным разделением (TDM)
Передача посредством мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)
Этот метод мультиплексирования оказался более полезным для телекоммуникационных компаний в конце 20-го века из-за емкости потоков данных, которые можно передавать по оптоволоконным линиям. Передача с помощью WDM стала возможна, потому что этот метод объединяет в одной линии передачи многочисленные сигналы данных на лазерных лучах с разными длинами волн инфракрасного излучения. Для передачи большого количества потоков данных WDM использует оптоволоконные кабели, что предпочтительнее обычного использования систем FDM и TDM. Эта система похожа на FDM, но этот метод работает на инфракрасном (IR) конце электромагнитного спектра. На приведенном ниже рисунке показан каждый канал потока данных, объединенный в белый свет, который передается по одному оптоволоконному кабелю.
Рисунок 3 – Мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)
В начале системы каждый сигнал данных управляет своим лазером, далее свет от этих лазеров смешивается призмой в оптическом мультиплексоре и передается по общему оптоволокну. А на приемной стороне полученный световой сигнал подается на оптический демультиплексор, где он разделяется другой призмой по длинам волн, и откуда выделенные сигналы подаются чувствительные к инфракрасному излучению фотоприемники.
Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно информации для понимания основных применений, концепций и схем использования мультиплексирования в телекоммуникационных процессах. Если у вас есть вопросы или отзывы, обязательно оставляйте комментарии!
Мультиплексоры и демультиплексоры
Мультиплексоры и демультиплексоры – это комбинационные устройства, предназначенные для коммутации сигналов и потоков данных в линиях связи по заданным адресам и маршрутам. Основное назначение оптических мультиплексоров заключается в передаче сигналов из нескольких входов на один выход, причем выбор выхода может осуществляется при помощи сочетания определенных управляющих сигналов.
Типы мультиплексоров
В телекоммуникациях существует несколько типов мультиплексоров и демультиплексоров:
Типы WDM мультиплексоров
Оптический WDM мультиплексор – это пассивное, протоколонезависимое устройство, предназначенное для объединения или разделения нескольких оптических сигналов для передачи по оптическому волокну. С их помощью можно организовать передачу нескольких каналов связи в рамках одного или нескольких волокон.
Мультиплексоры WDM по типу спектрального уплотнения
Технология уплотнения DWDM получила большое распространение и в городских сетях (MAN) с канальной скоростью передачи от 10 Гбит/с (10GigabitEthernet), и в магистральных сетях (Long-haul).
Своим распространением в MAN-сетях DWDM обязан с одной стороны относительной экономичностью – в последнее время стоимость организации 10GE канала в рамках города на DWDM значительно ниже, чем аналогичное решение на CWDM. Так же популярность можно объяснить большей емкостью и как следствие гибкой масштабируемостью, которую предоставляют системы уплотнения DWDM.
В long-haul сетях популярность DWDM можно объяснить одним словом – усиление. Как уже упоминалось выше, С-диапазон позволяет использовать, как относительно бюджетные EDFA-усилители для построения трасс протяженностью 100-200 км, так и дорогую связку эрбиевых усилителей с рамановскими, которые позволяют организовывать линии передачи протяженностью до 350 км.
Мультиплексоры WDM по технологии производства
Принцип работы мультиплексоров
Принцип работы мультиплексоров на основе тонкопленочных фильтров
Оптические мультиплексоры на основе тонкопленочных фильтров представляют собой группу тонкопленочных фильтров соединенных друг с другом особым образом. Тонкоплёночный фильтр – это пассивное оптическое устройство, представляющее собой трехполюсник (имеет три вывода) и состоящее из нескольких элементов:
Оптический фильтр имеет три порта:
Принцип действия оптического фильтра достаточно прост:
Можно сказать, что оптический фильтр имеет устойчивые двунаправленные соединения между портами COM-PASS и COM-REFL.
Диапазон «пропускаемых» в порт PASS длин волн может быть различен и зависит от установленного оптического фильтра, например, для стандартных CWDM–фильтров диапазон пропускания составляет λн±6,5 нм, где λн – несущая длина волны.
Затухания, вносимые оптическим фильтром, в зависимости от направления распространения разные — для связи COM-PASS ≈ 0.4-0.7 дБ, а для связи COM-REFL ≈ 0.25-0.4 дБ.
Как уже упоминалось ранее мультиплексоры на основе TFF представляет собой каскад соединенных между собой оптических фильтров. Данный вид мультиплексоров изготавливается путем последовательного соединения оптических фильтров портами REFL и COM.
В данном случае порт «COM (λ1)» — линейный порт всего мультиплексора, то есть будет подключаться к линии передачи, а порт «REFL (λ3)» — порт расширения «EXP», через который можно будет подключить к той же линии еще один мультиплексор.
Принцип работы мультиплексоров на основе массива волноводов
Оптические мультиплексоры на основе AWG имеют принципиально другое устройство в сравнении с TFF, смешение или разделение различных длин волн происходит в рамках одного кристалла.
Мультиплексор на основе AWG представляет собой кристалл, состоящий из массива волноводов (условно можно сказать, что это множество различных ОВ). Свет на определенной длине волны, попадая на этот кристалл, распространяется по своей «дорожке» и наоборот.
WDM мультиплексор на основе AWG состоит:
За счет того, что свет на любой длине волны проходит примерно один и тот же путь, вносимые затухания для мультиплексоров на основе AWG для любой длины волны всегда примерно одинаковы и составляют 4-7 дБ в зависимости от типа кристалла.
Данная особенность очень выгодна при проектировании и построении высокоплотных систем (более 20 каналов передачи данных), так как расчет оптического бюджета заметно упрощается и, таким образом, значительно проще предсказать возможные отклонения от расчетных значений.
Для чего же нужен мультиплексор?
Спектральное мультиплексирование (уплотнение) необходимо для передачи большего объёма информации по оптическому волокну. Мультиплексоры нужен для частотного (спектрального) уплотнения оптических сигналов на физическом уровне, важно помнить, что мультиплексирование сигналов происходит независимо от протокола.
Дело в том, что в одном одномодовом волокне могут распространяться световые волны с разной длиной волны (частотой). Это физическое свойство позволяет передавать множество сигналов в одном волокне. Мультиплексор способен объединять разные длины волн в одно волокно, для передачи. Для «разбора» группового сигнала на приёмной стороне используется демультиплексор, который разделяет групповой сигнал на составляющие.
Чем различаются мультиплексоры и демультиплексоры?
В случае если разговор идет об устройствах на основе AWG, то разницы нет, в связи с равномерностью вносимых затуханий для всех длин волн. Но в случае если рассматривать устройства на основе TFF: мультиплексор отличается от демультиплексора порядком расположения фильтров.
В мультиплексоре фильтры расположены по возрастанию, от 1270 до 1610 нм, в демультиплексоре фильтры собирают в обратном порядке – от 1610 до 1270 нм. Это делается для того чтобы, «выровнять» затухания для каждой длины волны.
Рассмотрим принцип «выравнивания» на примере четырёхканального мультиплексора. Он состоит из восьми фильтров 1470-1610, т.к. фильтр 1470 стоит первым, вносимое затухание на этой длине волны будет минимальным. А максимальным затухание будет на длине волны 1610, т.к. этот фильтр стоит последним. Это значит, что волне 1610 необходимо будет пройти через восемь фильтров, каждый из которых внесет некоторое затухание.
Если на каждой стороне линии установить по мультиплексору, получится, что для волны 1470 нм будет минимальное затухание, а на 1610 нм максимальное. Такая схема может привести к нежелательным последствиям. Например, канал работающий на последней длине волны будет работать на пороге чувствительности, что со временем приведет к возникновению ошибок и простою всей трассы.
Для выравнивания вносимого затухания по всем длинам волн с одной стороны устанавливают мультиплексор, а с другой демультиплексор собранный в обратном порядке, то есть в нашем случае от 1610 до 1470 нм. Таким образом, на каждой длине волны будет примерно одинаковое затухание, без сильных перекосов.
Как протестировать мультиплексор?
Иногда бывает необходимо протестировать новый или уже работающий мультиплексор с целью проверить уровень вносимых им затуханий.
Для проведения тестирования потребуются:
В начале, необходимо снять эталонную мощность с трансивера, для этого необходимо подключить выход трансивера «TX» к измерителю мощности, настроив последний на необходимый диапазон если это требуется. После получения эталонного сигнала нужно подключить порт трансивера «TX» к соответствующему порту длины волны мультиплексора (зачастую порты маркируются длинной волны, например, «1310»), а измерительный прибор к порту мультиплексора «COM» и измерить уровень сигнала. Вычитая из эталонного значение, измеренное с «COM» порта, получаем вносимое мультиплексором затухание на конкретной длине волны.
Таким способом нужно промерить все порты «PASS» мультиплексора. В комплекте с каждым устройством должен идти отчёт о тестировании (паспорт устройства), в котором указаны вносимые затухания для каждой длины волны.
Полученные значения должны совпадать с указанными в паспорте. Если измеренное значение значительно отличается от паспортного, значит мультиплексор неисправен. Причиной может быть загрязнение порта, неисправность адаптера или одного из фильтров.
В случае загрязнения порта его можно починить на месте при помощи специального клиннера не снимая мультиплексор с трассы. Если очистка порта не дала результатов и значение вносимых мультиплексором затуханий, то необходимо или смена адаптера, или замена неисправного фильтра. В этом случае мультиплексор для ремонта нужно вернуть Поставщику, так как самостоятельный ремонт может снять устройство с гарантии.