Fachhochschule Flensburg

Diplomarbeit

Thema:
Messtechnische Untersuchungen spektraleffizienter Signale in einem breitbandigen optischen Übertragungssystem für WDM-Betrieb

eingereicht von

Viktor Peter Jagst

2002

Inhaltsverzeichnis

1 ZUSAMMENFASSUNG ... 1
1.1 Abkürzungen ... 2
1.2 Inhaltsverzeichnis ... 3

2 EINLEITUNG ... 6
2.1 WDM-Technik in LWL-Systemen ... 8
2.2 Datenübertragung mit spektraleffizienten Signalen ... 9
2.2.1 Datenübertragung im NRZ-Format ... 10
2.2.1.1 Spektrale Eigenschaften des NRZ-Signals ... 11
2.2.2 Duobinärer Code ... 14
2.2.2.1 Struktur ... 14
2.2.2.2 Erzeugung ... 16
2.2.2.3 Spektrale Eigenschaften ... 18
2.2.3 Modifizierter duobinärer Code ... 20
2.2.3.1 Struktur ... 20
2.2.3.2 Erzeugung ... 21
2.2.3.3 Spektrale Eigenschaften ... 22
2.3 Spektraleffiziente Modulation in LWL-Systemen ... 23
2.3.1 Modulation ... 24
2.3.2 Demodulation ... 26

3 MESSTECHNIK IN DWDM-SYSTEMEN ... 28
3.1 Messungen mit optischen Spektrumanalysatoren ... 28
3.1.1 prinzipieller Versuchsaufbau ... 30
3.1.2 tatsächlicher Versuchsaufbau ... 30
3.1.3 Versuchsdurchführung ... 31
3.1.4 Messungen ... 33
3.2 Messungen mit Fabry-Perot-Resonator ... 34
3.2.1 prinzipieller Versuchsaufbau ... 35
3.2.2 tatsächlicher Versuchsaufbau ... 37
3.2.3 Versuchsdurchführung ... 38
3.2.4 Messungen ... 39
3.2.5 Besonderheiten ... 42
3.2.5.1 Einfluss des Logarithmierers ... 43
3.2.5.2 Einfluss der Kanalbandbreite ... 43
3.2.5.3 Einfluss des optischen Empfängers ... 45
3.3 Messungen nach dem Überlagerungsprinzip ... 48
3.3.1 prinzipieller Versuchsaufbau ... 48
3.3.2 tatsächlicher Versuchsaufbau ... 49
3.3.3 Versuchsdurchführung ... 49
3.3.4 Messungen ... 50
3.3.5 Besonderheiten ... 54
3.4 Abschließende Beurteilung ... 57

4 ANHANG: verwendete Geräte ... 59

5 ANHANG: Konstruktion eines Logarithmierers ... 62
5.1 Möglichkeit 1: Logarithmierer mit Operationsverstärker ... 63
5.2 Möglichkeit 2: Digitale Messwerterfassung ... 64
5.3 Möglichkeit 3: Verwendung handelsüblicher Logarithmierer ... 64
5.3.1 Der Baustein AD 606 ... 65
5.3.1.1 Funktionsweise ... 66
5.3.1.2 Konstruktive Merkmale ... 68
5.3.2 AD 606 in DC-Anwendungen ... 68
5.4 Schaltungsaufbau ... 70
5.4.1 AM-Modulator ... 71
5.4.1.1 Schaltplan ... 71
5.4.1.2 Schaltungsbeschreibung ... 72
5.4.1.3 Platinenlayout ... 73
5.4.2 Logarithmierer ... 74
5.4.2.1 Schaltplan ... 74
5.4.2.2 Schaltungsbeschreibung ... 75
5.4.2.3 Platinenlayout ... 75
5.4.3 Netzteil ... 76
5.4.3.1 Schaltplan ... 76
5.4.3.2 Schaltungsbeschreibung ... 77
5.4.3.3 Platinenlayout ... 78
5.5 Funktionsnachweis ... 79
5.5.1 DC-Kennlinie ... 79
5.5.1.1 Einsatz der Schaltung im Sub-Millivolt-Bereich ... 82
5.5.2 AC-Kennlinie ... 83
5.6 Gehäuse ... 87
5.6.1 Gehäusezeichnungen ... 89

6 ANHANG: Messreihen zur AC-Kennlinie ... 91

7 ANHANG: Quellcode des Encoder-Programms ... 93

8 ANHANG: Quellenverzeichnis ... 96

9 ANHANG: Datenblätter der verwendeten Halbleiter ... 104

1 ZUSAMMENFASSUNG

Moderne Übertragungssysteme werden häufig in Lichtwellenleitertechnik aufgebaut, um möglichst große Datenraten übertragen zu können. Vor wenigen Jahren schien diese Technik nahezu grenzenloses Kapazitätsvolumen bereit zu stellen. Doch im Zuge des explosionsartig steigenden Bandbreitenbedarfs stoßen in neuerer Zeit auch optische Übertragungssysteme immer häufiger an ihre Übertragungsgrenzen.
Der Bandbreitenbedarf machte es notwendig, auch in optischen Systemen nach neuen bandbreiteneffizienten Übertragungsverfahren zu suchen, was letztlich zu zwei wichtigen technologischen Entwicklungen führte:

• Erstens ermöglichte der technologische Fortschritt die Herstellung von stabilen Halbleiterlasern mit hoher spektraler Reinheit. Damit wurde es möglich, Signale parallel auf mehreren dicht nebeneinander liegenden Wellenlängen in sogenannten DWDM-Systemen zu übertragen.
• Zweitens wird zunehmend über die Verwendung von bandbreiteneffizienten Modulationsverfahren diskutiert. Dieses sogenannte Partial-Response-Signalling ermöglicht, die einzelnen Kanäle der DWDM-Systeme noch dichter nebeneinander zu betreiben. Als nützlicher Nebeneffekt wird sinkt mit abnehmender Bandbreite die chromatische Dispersion in der Faser, wodurch letztlich größere Übertragungslängen ermöglicht werden.

DWDM-Systeme erfordern besonders präzise Messtechniken, um die benachbarten Kanäle getrennt erfassen zu können. Unter Umständen muss die spektrale Auflösung dieser Anordnungen so hoch sein, dass die Spektren der modulierten optischen Signale detailliert untersucht werden können. Dies erfordert dann optische Auflösungsbandbreiten bis hinunter zu einigen MHz.

In dieser Arbeit werden verschiedene Modulationsverfahren hinsichtlich ihrer typischen spektralen Eigenschaften verglichen. Anhand exemplarischer Messungen wird die Eignung verschiedener Messverfahren für WDM-Systeme untersucht, gleichzeitig sollen Grenzen für den Einsatz üblicher Laborgeräte in diesen Systemen aufgezeigt werden.

2 EINLEITUNG

Die Telekommunikationsbranche ist weltweit eines der am stärksten expandierenden Wirtschaftsfelder.
Durch leistungsfähige Prozessorsysteme, kurze Innovationsperioden mit entsprechend hohen Preisverfallsraten und Unternehmen, die sich einem globalen Wettbewerb stellen müssen, sind Produkte der Kommunikationstechnik so erschwinglich geworden, dass sie heutzutage in nahezu allen Büros und Haushalten der Industrienationen anzutreffen sind. Ihre Bedienung ist meist selbst erklärend und sie werden oft schon von Kindern sicher beherrscht. Die Systeme werden laufend verbessert und zeichnen sich aus durch Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und einen hohen Grad an Verfügbarkeit.

Mit der stetigen Weiterentwicklung dieses Marktsegmentes geht ein ebenfalls wachsender Bedarf an Übertragungsbandbreite einher. Je schneller die Prozessoren, je komplexer die Software und je anspruchsvoller die Dienste werden, welche die Kommunikationsunternehmen ihren Kunden zur Verfügung stellen, desto größer werden auch die zu übertragenden Datenvolumina. Kommunikation zwischen den Nutzern kann nur dann zufriedenstellend bewerkstelligt werden, wenn die dafür erforderliche Datenmenge ausreichend schnell transportiert werden kann.
Beschreibt man ein Kommunikationssystem, das im Allgemeinen aus mehreren Teilsystemen zusammengesetzt ist, hinsichtlich seiner Leistungsfähigkeit, so wird schnell deutlich, dass das jeweils Leistungsschwächste Element die obere Leistungsgrenze des Gesamtsystems festlegt.

Die Historie der Telekommunikationstechnik zeigt, dass dieses Leistungsschwächste Element sehr häufig der Übertragungskanal selbst ist [15]. Eine Betrachtung des ISO-OSI Referenzmodells [47] in Abbildung 2 1 verdeutlicht, dass Engstellen in den Schichten 2 bis 7 vergleichsweise leicht durch schnelle Prozessorsysteme, effiziente Protokollstacks und geschickte Komprimierungsalgorithmen vermieden werden können. Dagegen stellt die Bitübertragungsschicht im Allgemeinen eine durch physikalische Effekte begrenzte Übertragungsbandbreite zur Verfügung.
Treten in der Bitübertragungsschicht Kapazitätsdefizite auf, so können sie manchmal durch ausgleichende Maßnahmen in den anderen Schichten kompensiert werden. Der Aufwand für diese Maßnahmen ist jedoch oft hoch, und es entstehen z.T. erhebliche Kosten. In einigen Fällen kann es daher erforderlich werden, das bisherige Übertragungsmedium gegen eins mit höherer Leistungsfähigkeit auszutauschen. Kleinere LANs innerhalb von Gebäuden lassen sich unter Umständen noch relativ leicht zu moderaten Kosten modernisieren. Problematisch sind aber größere MAN- und WAN-Netzwerke. Hier werden fast immer erhebliche Kosten verursacht, wenn das (oftmals in der Erde verlegte) Übertragungsmedium ausgetauscht werden muss.

So ist es naheliegend, bereits bei der Konzeption von Telekommunikationssystemen eine möglichst große Übertragungskapazität einzuplanen.

Dort, wo bestehende Systeme modernisiert werden sollen, müssen geeignete Methoden gefunden werden, um die bestehenden Übertragungsmedien so effektiv wie möglich auszunutzen. In der Vergangenheit wurden dazu verschiedene Technologien entwickelt, die auch in LWL-Systemen eingesetzt werden. In den folgenden Kapiteln sollen die bekanntesten Ansätze aufgeführt und messtechnisch untersucht werden.

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