OADM的设计

第32卷增刊光学技术Vol.32 Suppl.2006年8月OPTICAL TECHNIQUEAugust 2006文章编号: 1002-1582(2006)S0528-05OADM的设计张春彦,周志杰2,张文强2(1.电子科技大学,成都610054; 2.解放军理工大学通信工程学院,南京210007)摘要: OADM节点是WDM光网络的关键节点之一。研究了OADM节点的实现方法,提出了一种设计方案,并讨论了光上下路开关阵列的驱动和监控的软硬件制作,完成了下路光功率监测的电路设计以及软件设计。分析了OADM节点保护倒换的原理和节点中的串扰问题。关键词:光通信;波分复用(WDM);光分插复用(OADM); 串扰;上下路;中国高速信息示范网;全光网中图分类号: TN929. 1文献标识码: AA design of the OADMZHANG Chun-yan'，ZHOU Zhi-jie? , ZHANG Wen-qiang'(1. University of Electronic Science and Technology, Chengdu 610054, China)(2. Institute of Comunicaions Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)Abstract: The OADM node is one of the key instuments used in WDM optical networks. The structure of an OADM nodeis ilustrated, the mechanism of protection switch and the crostalk in it is analyzed. How to design the hardware and softwarefor driving and monitoring the OADM node, especially for its add- drop optical switch array are shown. And it also shows thecircuit design and Ssoftware design for the optical drop power detects. Add drop mutiplexing boards are finished and used to ful-fill OADM functions. These will be used in the OADM node and OXC node of CAINONET.Key words: optical communication; WDM; OADM; crastalk; add-drop; CAINONET; AON极大的简化分插复用功能和交叉互连功能的实现,1引言特别是在大容量或超大容量传输网络中,光节点的随着WDM技术的发展,人们已经不再满足于优势更加突出。简单的点对点式的传输,开始构筑基于WDM技术2 OADM节点原理的光传送网,以进--步在信息交换过程中消除电子瓶颈,提高网络的传送速率。目前的光传送网是链OADM节点是WDM光传送网的关键器件之路骨干光层,链路信息在骨干光层上以光的形式直一。其功能是从传输线路信号(Line Signal)中有选接通过网络节点。光传送网将以光接入的形式与现择地取下到达本地的某些波长信号(下路)、将从本有的传统通信网包括SDH网、ATM网、有线电视网地发出的某些波长信号加入线路WDM信号中输出(Cable TV)以及互联网协议(Internet Protocol)等兼(上路) ,线路中其它波长的信号则直接通过,不受影容。光传送网并不排斥有电路控制的部分。由于光响。信号在经过OADM节点的过程中,没有对信号存储及逻辑器件的缺乏,使得在光节点内很难实现进行光/电/光的转换，因而不需要传统电信设备中像电交换设备那样的灵活的分插复用与信号交叉互的电终端设备,从而节省了成本,并且对通过的各路连。对应于传统的电信设备中的分插复用设备信号的调制方式也没有要求。由于OADM节点没(ADM)和数字交叉互连设备(DXC),在光传送网中有交叉互连功能,所以一般只能构建总线网和环状实现其功能的相应设备为光分插复用节点(或光上网。以这些总线网和环状网为基础,通过0XC节点下路节点,0OADM)和光交叉互连节点(OXC),这些可以:去构建更加复杂的网络。节点是在频域中完成交换功能。根据组网设计、业务需求情况和资源配置等,光因为光分插复用节点和光交叉互连节点都是全传送网对用于其中的OADM节点的性能有一定的光节点;在目前的光纤传输系统中引人光节点可以，要求,中国煤化工透明性、多通道YHCNMHG收稿日期: 2006-06-30E-mail: zwq2001@ sina. comn. an作者简介:张春彦(1964-),男.河北省人，成都电子科技大学博士研究牛.主要从事光网络技术的研究。增刊张春彦,等: OADM 的设计处理能力容忍度、信噪比、插人损耗、串扰问题以及OADM节点必须结构合理、工作稳定可靠、并上下路波长信道切换的时延特性等方面。对于能与整个示范网很好的配合,因此实际设计方案将WDM系统,特别是组成网络的时候,串扰是一个关使用光学解复用器、复用器、机械光开关阵列以及网键问题。信道串扰对传输系统的信噪比有直接的影元监控管理模块为核心构建OADM节点。其光路.响和危害,对于数字信号,信道串扰将最终导致信号连接图见图2。误码率(BER)的增加。OADM节点的实现方案有多种,图1所示是一种比较简单的结构。干线信号经解复用器分解为各个单波长信道,在需要动态上下路的信道上加2x2的光开关,使该信号能够与上路信号交换而成为下路信号,而上路信号成为干线信号。在出口处再用hmy[510|复用器把各个信道复用到一根光纤中。图2 OADM 节点的光路连接图光开关阵列OADM节点设备在强调可行性的同时,并强调有高的稳定性。因而采用具有高稳定性的模块化设干线信生复HxcF岛T线信号计。主要包括以下功能模块:网管信道(1510土复器10nm波长)解复用及光/电变换、输人线路信号监测、自愈保护倒换、光上下路模块、网管信道电/光变换及复用、输出线路信号监测、保护信道电控光衰减Add PDrop器、多波长信道在线监控和功率均衡、EDFA预放和图1 OADM 实现方案功放波长变换模块(OTU)、和网元管理系统。整这种方案的优点在于:技术成熟、结构简单、对个OADM设备可以分解为OTU接口、EDFA.保护上下路的控制比较方便、可动态重构。不足之处在倒换.功率均衡、解复用、网管监测、光上下路等单.于光开关切换的延时较大。现在的机械光开关的响盘,盘与盘之间在电路上靠插件连接,光路上靠光纤应速度在十毫秒量级。热光开关的速度约为几百微连接器连接。盘内部的光器件靠尾纤焊接在一起。秒到2毫秒左右,铌酸锂(LiNbO3)开关的响应速度实现上下路功能的核心是光开关阵列模块。经过考在微秒量级,但它们的串扰比机械开关大。其次因虑,光开关阵列和下路功率监测可以放置在一个单为采用的器件本身的损耗比较大,因此使得整个盘内,占据两个槽位。OADM节点的损耗很大。保护光纤和工作光纤同时输人到OADM节点,整个OADM的串扰水平主要决定于解复用器/通过网管信道解复用器把1510土10nm管理信道从复用器。目前解复用器的隔离度可以达到25dB甚WDM信道中解下来,再进行光/电变换成为电信号至更好(通道间隔0.8nm) ,因此可以满足系统要求。输人到网络管理通信模块。输入线路信号监测单元.实际的节点至少还要考虑以下的因素,需要增对线路来的WDM信道的功率水平进行监测,作为加一些功能模块:为了抵消节点内部的损耗,在节点自愈保护倒换动作的判定依据之- - ,在光纤线路出前一般要放置EDFA(预放);为了抵消到下一节点现故障时,根据监测结果,完成自愈保护倒换动作。前光纤链路中的损耗,使节点输出的光功率维持在解复用/复用单元实现对WDM波长信道的解复用- -定水平,在节点后一般也要放置EDFA(功放)。和复用。光开关阵列实现对上下路的控制和重配为了消除不同波长的光信号之间功率的差异(这种置。EDFA 在输人端实现对线路来的信号光功率的差异来源于光纤和光器件对不同波长的光损耗的不预放,在输出端实现功率放大,使输出到线路的光信同),必须放置功率均衡模块。为了构建有自愈功能号的功率水平支持- -定距离(例如80Km以上)光纤的网络,必须使节点具有支持自愈保护的能力。所传输,保护环上的EDFA的设置可以根据实际需要以必须增加自愈保护倒换模块。上路的OTU模进行训中国煤化工块,把上路信号转换为ITU- T的标准波长。因此所以实际的OADM节点结构相当复杂。HCNMHGx2x2光开关起3具体设计方案保护倒换的作用。保护倒换的原理可由图3表示,29光学技术第32卷其中(a)表示的是保护倒换前的连接状态。注意在但它们之间的光程差远大于激光的相干长度。同一根光缆内的两根光纤所传播的光线方向是相反在同时存在相干串扰和非相干串扰的网络中,的。由于相干串扰,将使接收端的信号光和串扰光的强度有一个与网络具体参数有关的概率分布，再由于上下路_光缆AH段非相干串扰,就产生了一个与网络具体参数有关的功率代价的概率分布。实际上,在网络结构不变时,节点A节点B网络参数也是固定的,但我们可能得到较小的功率光缆CA段卫点光缆BC段代价,也可能得到较大的功率代价。在图1所示的OADM节点中,可能的串扰来自于解复用器和光开关。解复用器的串扰在- 22dB(a)保护龙行中左右,而光开关的串扰在-44dB左右,故可以忽略. 光缆1B不计。以波长为λ的光为例，在进人解复用器以后，将从波长为λ的出口进入光开关,如果不下路则到达复用器;由于解复用器的串扰,少量波长为λ的光节点C光缆C4段保护光光缆R段也会从其他三个出口进人光开关,其中不下路的部分也到达复用器,在此相互干涉,形成串扰。由于是来自于同一信号光，所以是相干串扰。如果考虑光.(6开关的串扰,则情况更复杂,而波长相同的干线信号图3 OADM 节点保护倒换原理光和上路信号光会形成非相干串扰。理论和数值分(a)保护倒换前; (b)保护倒换后。析表明,对于一个由OADM节点串联构成的总线网假定光缆AB段发生故障，则故障处的下游节或环形网来说,增加每个OADM中光开关和解复用点B处可以检测到功率变化,如果保护光纤中也有器的串扰,以及增加WDM信道的数目,都会使大功光功率的话,上游节点A也可以检测到功率变化。率代价的概率增加。但是,一个信号通过的节点的然后通过网管或者直接发生如下倒换:上游节点A数目不影响功率代价的概率分布[9]。的输出端的2x2光开关发生保护倒换,下游节点B3.3光上下路 单盘设计的输入端的2x2光开关发生保护倒换。倒换后的如图2的OADM节点,其光开关阵列和下路功光路连接如图3(b)。可以看出，经过保护光纤,光率监测模块相邻,可以考虑放在- -个单盘内。但是线可以不经过AB段就闭合成环,保证了环网的传因为四个开关共有16 根光纤引线，所以必须在面板输通畅。对于多个节点组成的环网来说，保护倒换上引出16个光插头，因此必须占据两个标准槽位。的原理是相同的。该单盘被称为光上下路单盘(OADS,OpticalAdd3.2节点中的串扰Drop Switch)。在OADM节点中可能存在的串扰可以分为两光上下路单盘主要完成光路上下,并具有同时类:同频串扰和异频串扰。同频串扰指串扰光的频上下四路波长信道的能力;可以实时在线监测下路带与信号光的频带有部分或全部重叠;异频串扰中的波长信道的光功率;可以实现本盘监控功能,包括串扰光的频带与信号光的频带没有重叠。对于异频光开关的控制和监测;可以实现和主控盘之间的通串扰来说,最终可以在接收端用滤波器将串扰成分信。整个单盘的主要构成结构如图4所示。2x2滤掉,将它的影响减少到最小限度。相对来说,同频光开关阵列完成四路波长信道的上下路。光开关驱串扰因为无法通过滤波器滤掉，其对信号光的影响动与监测单元是光开关的电路接口,实现以TTL电要比异频串扰大的多。同频串扰又可以分为相干串平控制光开关的目的。监测与数据采集单元将下路扰和非相干串扰。相干串扰指的是串扰光与信号光功率转换为电信号并完成A/D变换。本盘监控单来自于同一激光光源,但经历了不同的光程而相遇，元是本 盘控制的核心,控制其他各部分的工作,控制且光程差远小于激光的相干长度,因而它们之间具中国煤化工(MCP)的通信。有固定的相位差。非相干串扰指的是串扰光与信号:48V电源,故除了光之间的相位差是随时间随机变化的。两束光或者图4.THCNM H G单盘还应该提供电是来自于不同的激光器,或者是来自于同一激光器，源转换模块(把-48V电源转化为本盘所需的+5V530增刊张春彦,等: OADM 的设计电源)。此外还需要电接插件、光接口活动连接器等路,也可以配置成直通状态。4套光功率监测系统单元。用于监测OADM节点下路光信号功率和本模块的来白解复用盘接: 光功率均衡及复用盘开关动作完成状态。如图5。2x2光开关光功率监测系统由光耦合器、PIN单管、放大电路和A/D变换电路组成,如图6。其中光耦合器和PIN单管属于光路部分。光开关的下路输出端接光耦合器的输入端、耦合器输出的大部分光功率接单盘的下路接口,小部分功率进入PIN单管。2X2光开关光路设计还应包括光接口的设计和光纤走向的设计。因面板狭小,故光接口的位置几乎是固定的。上路光开关驱4下路因光器件的体积普遍比电路元件大,而且对光纤引出线的走势有- -定要求(转弯半径不得小于32mm,否则损耗增大),所以应该优先考虑光器件本盘监控单元(MCU)的布局。本盘状态显示援:土控盘(MCP)3.3.2电路设计光上下路单盘电路部分主要完成根据上级网管图4光上下路单盘(OADS)原理图单元的信号控制光开关的动作;光开关状态监测信2X2 1|光开关号的采集;下路功率监测信号的采集、转换;本盘告警:控制告警灯的状态;本盘与MCP(主控板)之间的通信等功能。光开关采用80C320 单片机作为主要控制单元(MCU)。本盘与MCP之间通过串行总线进行通信。本盘的串行口即80C320的串口1,为了使信号能够传比较远的距离,将单片机发出的TTL电平信丁ory号转换为RS485电平信号,再与MCP连接。本盘控制器OADS盘电路系统由四个模块组成,即单片机一系统模块(OADS_ SCM. SCH)、光开关驱动及监测模接:子架控制器I 链路连通与本盘块(OADS-DRV. SCH).下路功率探测模块(OADS-工作状态显示DPM. SCH)和电源模块(OADS POW. SCH)。单片图5 OADS 单盘光路图机系统模块由80C320、外部存储器62256、 接口芯=V1:24光耦合器>片PSD311以及复位电路.本盘识别电路、串行口通讯电路构成,是本盘控制电路的核心,同时完成与子架控制器的通信。下路功率监测模块由两片光功率探测器门LM324运算放大器及一片8位8通道AD变换芯片↓门→[ 本保工作状态显示]组成。由两级运放将PIN单管给出的微弱电流信↑号变为可测量的电压信号,然后通过AD变换转换为数字信号送给单片机模块。AD变换支持中断方式,使用80C302外部中断1(INT1)。光开关驱动.图6下路波长信道光功率监测部分及监测模块的作用是直接驱动光开关的动作,并读OADS单盘的设计可分为光路设计、电路设计取光开关的状态信号,送给单片机模块。电源模块和软件设计。将子架提供的-48V电压转换为单盘所需的+5V3.3.1光路设计电压中国煤化工附加电路。光路部分为4个2x2光开关,完成光分插复用产的与51系列兼功能，可以同时处理4个波长信道的分插复用。可容的MH, CNMH G的优点。其机器周以通过网管系统灵活配置,实现不同波长光的上下期为晶振周期的4倍,晶振频率可达32M,在本系531光学技术第32卷统中采用11.0592M晶振。外部存储器62256为实时的,所以在软件设计上也必然要求是实时的,因32kx 8bit的静态RAM。PSD311 为可编程通用单此多数功能要采用中断方式完成。但是单片机的中片机外围接口芯片。它具有32kX 8bit紫外擦除可断资源是有限的,需要合理分配。中断之间的优先编程ROM及8kX 8bit静态RAM,还具有三个可编顺序也应合理设置,不能产生冲突。主程序的流程程的扩展端口。在OADS单盘电路系统中,将PA图如图7。口编辑为低八位地址锁存。PB口编辑为IO口,用开始来产生驱动光开关的信号。PC1 、PC2和PC3编辑为片选信号,其中PC3未使用。RAM白检CSP的地址为内部寄存器的起始地址,CSP+ 5王N对应PB口的状态寄存器,设为1表示PB口相应的<日检通过2位为输出,设为0表示相应的位为输人。在本系统Y1中只做输出用。CSP+7对应PB口的数据寄存器。韧始化告警复位电路由MAX707构成,它能够同时给出高主循环开始电平和低电平的复位脉冲。另外还需要--个识别电路,它用来赋予每个单盘-一个编号,以确保MCP能分别控制每个单盘。YT串口通讯电路用来实现串口通讯。主要芯片是指向下校拟通道MAX1482,用来在TL电平和RS485电平之间相互转换。此外还有- -些控制电路。启动AD变換光开关采用JDS的SN2x2光开关,是机械光[ 收果上报信息开关。这种光开关需要的驱动电流为20mA,故不工并启动发送l能直接用普通的TTL电路驱动,需要经过足够功率设置告警指示的驱动芯片以给出驱动电流。光开关存在两个状态,有两个驱动线圈,阻值在主循环结束1250左右,故驱动电平为5V。在Set线圈上加足够长的脉冲电流,将使光开关切换到Set态;在Re-图7 OADS 单盘软件流程图set线圈上加足够长的脉冲电流,将使光开关切换到开机完成RAM自检。自检的方法是向每个内Reset态。试验中，驱动脉冲持续在5ms以上已能存单元写人不同的数,然后读出与写人的数比较。成功驱动,但为确保成功驱动,驱动脉冲的持续时间为了可靠,必须给每个内存单元写人两次,两次写人应不小于20ms(根据光开关资料)。光开关在状态的数应互为反码。不变时不需要加驱动电流。驱动信号来源于如RAM自检成功则转人初始化,如失败则产PSD311的PB口,驱动信号须由单片机编程给出,生告警指示,并重新开始运行。可以采用定时器。每- -开关的Set和Reset分别由初始化主要完成PSD311端口、各个时钟、各个中断以及串口通讯的初始化。初始化时应注意顺序一位驱动,共8位可驱动4个光开关。光开关监测电路模块内部带有模拟开关，可以的合理安排,避免产生冲突和功能的互相覆盖。反映光开关的状态,故状态监测可直接由光开关的在系统正常运行的时候,程序应一直处在主循引脚引出。然后通过锁存器接人数据总线。环过程里。因为多数功能是由中断程序完成的,所以使得主程序特别短。为了实时监控下路功率,就3.3.3软件设计光上下路单盘软件设计的原则为可靠性。可靠必须采用轮询的方式不停地采集数据,把数据放在性的原则在电路设计时已经充分考虑，比如屏蔽及指定的内存单元里,以便上报,并且根据数据作出告警指示。抗干扰措施、保护措施等。但是在软件上也应该具光开关驱动和监测的功能因为必须和MCP指有可靠的设计,包括能够通过软件监测出单盘可能令结合中国煤化工里。这样就可以存在地一些故障并产生告警;在程序运行出现错误在命令YHCNMHG时延。信息的上的情况下,能够使程序重新从开始运行或从某个人报也可以在请求指令接收完毕后立即回传。口进入主循环，而不是死机;由于单盘完成的功能是(下转第536页)532光学技术第32卷1级闪耀输出的光栅方程,从理论上研究了深浮雕[4] Fondeur B. 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