RU2749670C1 - Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства - Google Patents
Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства Download PDFInfo
- Publication number
- RU2749670C1 RU2749670C1 RU2020121206A RU2020121206A RU2749670C1 RU 2749670 C1 RU2749670 C1 RU 2749670C1 RU 2020121206 A RU2020121206 A RU 2020121206A RU 2020121206 A RU2020121206 A RU 2020121206A RU 2749670 C1 RU2749670 C1 RU 2749670C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- optical
- couplers
- communication line
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для исправления искажений оптических телекоммуникационных сигналов, и может быть использовано для компенсации хроматической дисперсии и нелинейных искажений в сигнале до момента непосредственного детектирования. Технический результат состоит в уменьшении количества ошибок битовой идентификации, которая происходит за счет искажения оптического информационного сигнала нелинейными эффектами и эффектом хроматической дисперсии при распространении через линию связи. Для этого параметры элементов волноводной системы определяются алгоритмом машинного обучения на тестовом оптическом сигнале. Количество ответвителей и длина волоконной линии между ними являются гиперпараметрами предлагаемого устройства, которые подбираются для каждой скорости передачи сигнала и расстояния. Для каждого набора гиперпараметров коэффициенты деления ответвителей определяются методом обратного распространения ошибки. 6 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для исправления искажений оптических телекоммуникационных сигналов. Оно может быть использовано для компенсации хроматической дисперсии и нелинейных искажений в сигнале до момента непосредственного детектирования.
Волоконные линии связи с высокой скоростью передачи (100 Гбит/с) по одномодовому волокну на небольшие расстояния (до 10 км) широко востребованы в центрах обработки данных для реализации протокола IEEE 802.3bs 400 Гбит/с [1]. Для достижения таких скоростей передачи данных необходимо избавиться от искажений в оптическом сигнале, накладываемым нелинейными эффектами и эффектом хроматической дисперсии. Численная обработка сигнала для компенсации этих эффектов приводит к дополнительным затратам энергии и времени. Предлагаемое изобретение, основанное на волноводных элементах, позволяет восстанавливать сигнал до непосредственного детектирования, при этом не требует дополнительных затрат энергии и имеет широкую частотную полосу пропускания.
Уровень техники:
Для компенсации искажений оптического телекоммуникационного сигнала используются как численные, так и аналоговые методы. Метод обратного распространения является наиболее точным методом для компенсации эффектов хроматической дисперсии и нелинейности, однако требует больших вычислительных затрат [2]. Большинство приемников, используемых в современных оптических системах связи, относятся к типу прямого детектирования. При переходе сигнала из оптической в электрическую область постобработка способна компенсировать только ограниченную часть дисперсии [3, 4]. Помимо численной пост-обработки сигнала, существуют методы предобработки сигнала, которые модулируют оптический сигнал перед линией оптической связи для компенсации дисперсии волокна [5, 6]. Численные методы компенсации искажений предлагают мощный инструмент для решения поставленной проблемы, однако их использование приводит к значительному увеличению стоимости линии связи, а также к дополнительным энергетическим и временным затратам.
Среди аналоговых способов постобработки данных можно выделить применение оптических резервуарных вычислителей [7]. Особенностью данных устройств является необходимость дополнительной модуляции полученного сигнала с частотой на порядок большей, чем частота несущей сигнала. Таким образом, на текущем уровне технологии оптических модуляторов с частотой модуляции порядка 100 ГГц, подобные оптические резервуарные вычислители могут применяться для обработки сигналов с частотой порядка 10 ГГц.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является фотонный резервуар [8], который реализуется на кремниевом фотонном чипе. Каждый выходной канал кремниевого чипа модулируется отдельным оптическим модулятором, что значительно увеличивает стоимость и энергопотребление устройства.
Раскрытие изобретения:
Задача, решаемая изобретением - создание устройства аналоговой обработки информационного сигнала, техническим результатом использования которого будет уменьшение количества ошибок битовой идентификации, которая происходит за счет искажения оптического информационного сигнала нелинейными эффектами и эффектом хроматической дисперсии при распространении через линию связи.
Поставленная задача решена созданием волноводной системы, состоящей из набора ответвителей с установленными параметрами. Параметры элементов волноводной системы определяются алгоритмом машинного обучения на тестовом оптическом сигнале.
На Фиг 1 приведена схема предлагаемого изобретения, которая состоит из 3 волоконных ответвителей и 3 волоконных объединителей.
На Фиг. 1.
1. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α1
2. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α2
3. Волоконный ответвитель с коэффициентом деления α3
4. Волоконный объединитель
5. Волоконный объединитель
6. Волоконный объединитель
7. Детектор.
Количество ответвителей может варьироваться, в этом случае нижний выход 3-его ответвителя далее попадает на 4-ый ответвитель и дальше все повторяется по аналогии, как и показано на Фиг 1.
Количество ответвителей и длина волоконной линии между ними являются гиперпараметрами предлагаемого устройства, которые подбираются для каждой скорости передачи сигнала и расстояния между ответвителями.
Длина волоконной линии между ответвителями является фиксированной и зависит от частоты передаваемого сигнала. При этом она не должна превышать значения, определяемого формулой (1)
где с - скорость света, n - коэффициент преломления, f - частота сигнала.
Таким образом, для сигнала с частотой 50 ГГц (100 Гбит/с или 50 ГБод) и n=1.468 (для λ=1550) расстояние между ответвителями не должно превышать 4 мм.
Количество ответвителей и длина волоконной линии между соседними ответвителями, являясь гиперпараметрами предлагаемого изобретения, подбираются для каждой скорости передачи сигнала и расстояния телекоммуникационной линии связи.
Для каждого набора гиперпараметров коэффициенты деления ответвителей а определяются методом обратного распространения ошибки. Перебор количества ответвителей и длин волоконной линии между ними ведется до тех пор, пока ни достигается желаемое улучшение принимаемого сигнала. Метод обратного распространения ошибки находит набор значений коэффициентов деления ответвителей а, который обеспечивает минимальную среднеквадратичную ошибку Err между детектируемым сигналом и первоначальным сигналом без искажений. (2)
где u - сигнал на выходе из оптической линии связи, F - функция преобразования устройства, которая зависит от набора коэффициентов деления ответвителей α, D - функция детектора, Y - сигнал до передачи по линии оптической связи, i - номер передаваемого символа от 0 до N.
Способ создания описанного устройства состоит в следующем:
Для численного определения коэффициентов деления ответвителей устройство предлагается заменить на эквивалентную схему (Фиг 2.).
На Фиг. 2
8. Блок волоконных ответвителей с коэффициентом деления α
9. Блок волоконных аттенюаторов w.
10. Волоконный объединитель.
В эквивалентной схеме коэффициенты деления всех ответвителей приравниваются к фиксированному значению k, а после каждого ответвителя введен аттенюатор с коэффициентом поглощения Wj, где j - номер аттенюатора. Таким образом, коэффициент деления n-го ответвителя в устройстве определяется рекуррентной формулой (3)
Предлагаемый подход позволяет выразить функцию преобразования устройства в матричной форме. Входной сигнал, проходя через систему ответвителей разбивается на m сигналов, где i-ый сигнал имеет амплитуду ki(1-k) от входной амплитуды сигнала и задержку по времени dt * i, где i=0,…m-1, a dt - время прохождения сигнала через волокно между ответвителями. Данные m сигналов можно представить в виде матрицы размерностью (m х N * d+m), где N - количество символов в сигнале, a d - дискретизация сигнала (d точек на символ). Пустые места матрицы заполнены нулями. Обозначим за X центральную часть матрицы размера (m х N*d), то дальнейшее прохождение сигналов через аттенюаторы, объединитель и детектор можно записать в матричной форме:
где uout сигнал на детекторе. Таким образом можно выразить среднеквадратичную ошибку между сигналом, который мы получаем на детекторе и сигналом, который хотим передать изначально:
где w - вектор столбец коэффициентов аттенюаторов. Для данного выражения можно аналитически выписать градиент по w и методом обратного распространения ошибки найти такие значения для коэффициентов аттенюаторов, которые минимизируют среднеквадратичную ошибку.
После вычисления вектора w эквивалентной численной схемы устройства, коэффициенты деления ответвителей реального устройства (Фиг. 1.) рассчитываются согласно формуле (3).
Пример осуществления способа.
Для примера возьмем волоконную линию связи длиной 27 км и сигнал 4-РАМ модуляции с двойной поляризацией. Средняя мощность сигнала 0 дБм, а скорость передачи 14 Гига-бод. В процессе определения параметров схемы, описанном выше, мы получили следующую архитектуру устройства: 4 ответвителя с расстоянием 0.9116 мм между ними. И коэффициентами 0.99; 0.45; 0.08; 0.25 соответственно. Интенсивность битовых ошибок (BER) без применения предлагаемого изобретения составляет 0.00415 а после применения 0.00026. На Фиг. 3 представлены глазковые диаграммы сигнала после детектирования для случая, когда применялось изобретение (а) и для случая прямого детектирования (б). Такие же расчеты были проделаны для сигнала мощностью 4 дБм. BER без применения предлагаемого изобретения составил 0.0042 а после применения 0.00038. Глазковые диаграммы представлены на Фиг. 4. Коэффициенты ответвителей составили 0.95; 0.4; 0.09 и 0.66 соответственно.
Использованные источники информации
1. "IEEE Standard for Ethernet, Standard 802.3bs", 2017.
2. Du L.В., Lowery A.J. Improved single channel backpropagation for intra-channel fiber nonlinearity compensation in long-haul optical communication systems //Optics express. - 2010. - T. 18. - №. 16. -C. 17075-17088.
3. Cartledge J.C, McKay R.G., Nowell M.C. Performance of smart lightwave receivers with linear equalization //Journal of lightwave technology. - 1992. - T. 10. - №. 8. - C. 1105-1109.
4. Winters J.H., Gitlin R.D. Electrical signal processing techniques in long-haul fiber-optic systems // IEEE Transactions on Communications. - 1990. - T. 38. - №. 9. - C. 1439-1453.
5. Koch Т., Alferness R. Dispersion compensation by active predistorted signal synthesis //Journal of lightwave technology. - 1985. - T. 3. - №. 4. - C. 800-805.
6. McNicol J. et al. Optical dispersion compensation in the electrical domain in an optical communications system: пат. 9559778 США. - 2017.
7. Argyris A., Bueno J., Fischer I. PAM-4 transmission at 1550 nm using photonic reservoir computing post-processing // IEEE Access. - 2019. - T. 7. - C. 37017-37025.
8. Vandoorne K. et al. Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip //Nature communications. - 2014. - T. 5. - C. 3541.
Claims (6)
- Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией, представляющее собой волноводную систему, содержащую оптическую линию связи и детектор, отличающееся тем, что на выходе оптической линии связи перед детектором включены последовательно расположенные ответвители с установленными параметрами и последовательно расположенные объединители, при этом у каждого ответвителя один выход через волоконную линию соединен с последующим ответвителем, а второй выход соединен с входом соответствующего объединителя, количество ответвителей и длина волоконной линии между ними являются фиксированными и зависят от частоты передаваемого сигнала, при этом длина L волоконной линии между двумя соседними ответвителями не должна превышать значения, определяемого формулой (1)
- где с - скорость света, n - коэффициент преломления, f - частота сигнала;
- количество ответвителей зависит от их коэффициентов деления, которые определяют методом обратного распространения ошибки, находящим набор значений коэффициентов деления ответвителей α, который обеспечивает минимальную среднеквадратичную ошибку Err между детектируемым сигналом и первоначальным сигналом без искажений в соответствии с выражением (2)
- где u - сигнал на выходе из оптической линии связи, F - функция преобразования устройства, которая зависит от набора коэффициентов деления ответвителей α, D - функция детектора, Y - сигнал до передачи по линии оптической связи, i - номер передаваемого символа от 0 до N.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121206A RU2749670C1 (ru) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020121206A RU2749670C1 (ru) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2749670C1 true RU2749670C1 (ru) | 2021-06-16 |
Family
ID=76377502
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020121206A RU2749670C1 (ru) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2749670C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485688C2 (ru) * | 2011-08-09 | 2013-06-20 | Государственное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) | Способ передачи аналоговых сигналов по аварийной цифровой волоконно-оптической системе передачи и устройство, его реализующее |
WO2014127715A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-28 | Huawei Technologies Co., Ltd. | System and method for orthogonal frequency division multiplexing-offset quadrature amplitude modulation |
RU2562965C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Способ передачи данных по оптическому каналу связи и устройство для его реализации |
WO2015192771A1 (en) * | 2014-06-18 | 2015-12-23 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Method and apparatus for recovering time-domain hybrid modulated qam signals |
WO2016202246A1 (en) * | 2015-06-18 | 2016-12-22 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Cascaded waveform modulation with an embedded control signal for high-performance mobile fronthaul |
RU2624594C1 (ru) * | 2016-02-19 | 2017-07-04 | Общество с ограниченной ответственностью "БГ-ОПТИКС" | Способ оценки вибрационных или акустических сигналов вдоль протяженных объектов на базе волоконно-оптического когерентного рефлектометра с амплитудной и фазовой модуляцией зондирующего излучения |
-
2020
- 2020-06-19 RU RU2020121206A patent/RU2749670C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485688C2 (ru) * | 2011-08-09 | 2013-06-20 | Государственное казённое образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) | Способ передачи аналоговых сигналов по аварийной цифровой волоконно-оптической системе передачи и устройство, его реализующее |
WO2014127715A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-28 | Huawei Technologies Co., Ltd. | System and method for orthogonal frequency division multiplexing-offset quadrature amplitude modulation |
WO2015192771A1 (en) * | 2014-06-18 | 2015-12-23 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Method and apparatus for recovering time-domain hybrid modulated qam signals |
RU2562965C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева", НГТУ | Способ передачи данных по оптическому каналу связи и устройство для его реализации |
WO2016202246A1 (en) * | 2015-06-18 | 2016-12-22 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Cascaded waveform modulation with an embedded control signal for high-performance mobile fronthaul |
RU2624594C1 (ru) * | 2016-02-19 | 2017-07-04 | Общество с ограниченной ответственностью "БГ-ОПТИКС" | Способ оценки вибрационных или акустических сигналов вдоль протяженных объектов на базе волоконно-оптического когерентного рефлектометра с амплитудной и фазовой модуляцией зондирующего излучения |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104104445B (zh) | 非线性加权系数的计算装置以及方法 | |
US8909061B1 (en) | Chromatic dispersion pre-compensation | |
Udayakumar et al. | Analysis of polarization mode dispersion in fibers and its mitigation using an optical compensation technique | |
Jopson et al. | Dispersion compensation for optical fiber systems | |
Mishra et al. | Investigation of a 16 channel 40 Gbps varied GVD DWDM system using dispersion compensating fiber | |
CA2369113A1 (en) | Device and method for compensating polarization mode dispersion in an optical communication system | |
RU2749670C1 (ru) | Устройство оптического восстановления телекоммуникационного сигнала с амплитудной модуляцией и способ создания этого устройства | |
Panda et al. | Performance comparison of Fiber Bragg Grating for different Grating length, Apodization function and Chirp function | |
Yadav et al. | Design performance of high speed optical fiber WDM system with optimally placed DCF for dispersion compensation | |
Kiaee et al. | Design of a 32× 5 Gb/s DWDM Optical Network over a Distance of 1000 km | |
JP5658610B2 (ja) | 光ファイバ伝送システム及び光受信装置 | |
Song et al. | Physics-Informed Neural Operator-based Full Wavefield Back-Propagation for Multi-span Optical Transmission | |
Zhang et al. | An efficient split-step optical fiber simulation package with global simulation accuracy control | |
Schmauss et al. | Progress in digital backward propagation | |
Hasan | A Comparative Analyses for NRZ and RZ to the Best Performance in Optisystem Program to Cary Data Over Fiber Optics | |
Hamza et al. | Split step fourier method based pulse propagation model for nonlinear fiber optics | |
Han et al. | Cross phase modulation model based on Volterra series transfer function in hybrid coherent QPSK/OOK systems | |
Marlina et al. | Signal Quality Improvement in Optical Communication at Varying Bit Rates using Machine Learning: A Preliminary Study | |
Gemechu | Comparison of nonlinear frequency division multiplexing and OFDM for optical fiber transmissions | |
Salih et al. | Parameters for non-solitons in fiber and their impact on transmission performance over long distances | |
Jha et al. | Extinction Ratio and the Fiber Optic Transmission Networks | |
Effendi et al. | Study of Dispersion Compensation with Dispersion Compensating Fiber in 10 Gbps Single-Mode Fiber | |
Yang | DSP optimization technique based on deep learning to account for the effects of fiber nonlinearity | |
Pratama et al. | Optimizing Optical Signal Quality with Deep Learning Dispersion Compensation at Various Distances | |
Cossa et al. | Artificial Neural Networks for Self-phase Modulation Compensation in Unrepeated Digital Coherent Optical Systems |