Komponenten für die Überwachung optischer Kenngrößen in Zugangsnetzen – (COMAN) Projekttreffen 11.07.2007, Stuttgart Jörg Hehmann Juli, 2007)

Komponenten für die Überwachung optischer Kenngrößen in Zugangsnetzen – (COMAN)Projekttreffen 11.07.2007, Stuttgart

Jörg Hehmann

Juli, 2007)

COMAN Projekttreffen | Juli 2007 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007

Zielsetzung: Erforschung von Hard- und Softwarekomponenten zur Überwachung von optischen Zugangsnetzen

OLT ONTDemarcationPoint

OTDR

DP

-mon

Data

OTDR

-mon

Data

CentralOffice

OutsidePlant

InhouseNetwork

Partners:Alcatel-LucentCube OpticsMergeOpticsUniv. KarlsruheFhG-HHIDiamondIMST

blue boxes : new functions

COMAN


Agenda

10.30 Uhr Anreise/Begrüßung11.00 Uhr Stand der Arbeiten12.30 Uhr Mittagessen13.30 Uhr Organisatorisches14.00 Uhr Stand der Arbeiten16.00 Uhr Abschlussdiskussion16.30 Uhr Ende


1 Stand der ArbeitenASIC Spezifikation


Collaboration with IMST Target specification

12 bit ADC / DAC 40 MHz clock rate 3 x 3 mm2 chip size 300mW power consumption

Monitoring application Sine wave OTDR (OLT) Pulse OTDR (ONT) -monitoring (OLT/ONT) Demarcation point rec. (OLT)

Time line Design and simulation July 2007 Multi project wafer process September 2007 Packaging, test & characterization October 2007 Redesign November 2007 Second MPW run December 2007 Packaging, test & characterization February 2008

Embedded monitoringmixed signal ASIC

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX

SERDES I2C masterHost board

transceiver


Signal generator 1Hz – 10MHz Modulation depth adjustable

Signal detection AGC routine 12bit ADC Flat frequency response

Signal processing Network analyzer averaging 2* 8k * 24bit (I and Q components)

Embedded monitoringmixed signal ASIC – sine wave OTDR (OLT)

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX


transceiver


Signal generator 1MHz 5% modulation depth

Signal detection AGC routine 12bit ADC

Signal processing Network analyzer averaging 2* 2 * 24bit (I and Q components)

Embedded monitoringmixed signal ASIC – -monitor (OLT)

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX


transceiver


Signal generator 1MHz 5% modulation depth Preamble, 8bit address, 8bit message Bitrate 100kHz


Signal processing 16k * 12bit data volume Sample integration

Embedded monitoringmixed signal ASIC – demarcation point monitor (OLT)

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX


transceiver


Signal generator 1MHz 5% modulation depth on top of pulse


Signal processing Network analyzer averaging 2* 2 * 24bit (I and Q components)

Embedded monitoringmixed signal ASIC – -monitor (ONT)

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX


transceiver


Signal generator Variable pulse length Data feed through Tx enable

Signal detection Cross talk suppression AGC routine 12bit ADC

Signal processing averaging 8192 samples

Embedded monitoringmixed signal ASIC – pulse OTDR (ONT)

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA1

analogue

digitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

LDdriver

GC2

OTDRRX

VGA1

GC1

TIA2 TIA4TIA3

Input/control unit

LDMD

-monRX


transceiver


Stand der ArbeitenASIC Spezifikation

Kritische Parameter Leistungsverbrauch Chip - Fläche DC off-set Korrektur (hohe Dynamikanforderung >60dB) Rauschbeiträge im unteren Frequenzbereich <100kHz Anschlussbelegung durch Gehäusevorgabe QFN48

Externe Kapazitäten (untere Grenzfrequenz, Schwingungsunterdrückung) Maskierung des Übersprechpulses im OTDR Pulses Betrieb



Kenndaten zum Digitalteil 3 RAM Blöcke

jeweils 24 bit * 8k 32 Byte Register zur Steuerung der Messfunktion 32 Byte Register zum Abgleich von ADC und DAC I2C Schnittstelle

einstellbare Device Adresse (4 bit von 7 bit einstellbar) Low und high speed mode möglich (100 kHz oder 400 kHz)

DDS (direct digital synthesizer) 1 kHz bis 10 MHz Frequenzbereich 1 Hz Frequenzauflösung



Spezifikation für den ASIC erstelltWöchentliche Abstimmungsgespräche durchgeführtDesign Review am 18./19. Juni in Kamp-LintfortDefinition der Messabläufe im Digitalteil Digital code (VHDL) erstellt und an IMST übermittelt

Zusammenstellung der Punkte für das Redesign


2 Stand der ArbeitenNumerische Simulationen


Crosstalk in OTDR testhead

I2C bus

data out

data in Laser DiodeDriver

PostAmplifier

LD

PD + TIA(data)

OTDR test signal

OTDR signal

OTDRRx

1

2

1

1,2

OTDR signal processingand control

optical transceiver module

electrical crosstalk- radiative coupling- ground loops- …

optical crosstalk :- discrete reflections- stray light (multipath)- …

fiber

Crosstalk originating from - OTDR test signals is correlated, deterministic can be reduced via subtraction / blanking (pulse method)- data signals is uncorrelated, noise-like must be reduced via averaging


Trace correction: numerical cancellation of crosstalk

0 50 100 150 2000.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u.

raw measurement

0 50 100 150 2000.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u.

after full crosstalk correction(optical + electrical)

0 50 100 150 2000.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u.

after partial crosstalk correction(only electrical)

not connected to fiber link,negligible optical reflection

OTDRDigital Processing

and Control

LaserDiode

DataRx

OTDRRx

open optical connector

#1 #4

dummyelectrical

input

analog

digital

outputelectronics:

LDDfilter

amplifierDAC

inputelectronics:

muxamplifierfilterADC

not connected to fiber link,negligible optical reflection


and Control


and Control

LaserDiodeLaserDiodeLaserDiode

DataRx

DataRx

OTDRRx

OTDRRx

OTDRRx

open optical connector

#1 #4

dummyelectrical

input

dummyelectrical

input

analog

digital

outputelectronics:

LDDfilter

amplifierDAC

inputelectronics:

muxamplifierfilterADC


Electrical noise power vs. Rayleigh-induced photocurrent

1 10 12 1 10 11 1 10 10 1 10 9 1 10 8 1 10 7 1 10 61 10 20

1 10 19

1 10 18

1 10 17

1 10 16

1 10 15

1 10 14

1 10 13

1 10 12

1 10 11

total noisethermal receiver noiseshot noiselaser RINRayleigh noiseRayleigh signal

photocurrent due to Rayleigh, A

elec

tric

al p

ower

, A^2

With single reflection

electrical bandwidth2.5 MHzreceiver noise 0.6 pA/Hz^0.5shot noise 2q*ioptical linewidth 1 GHz

reflection:photo current 1 µAlaser RIN -140 dB/Hz


Electrical noise power vs. laser linewidth

1 10 3 0.01 0.1 1 10 100 1 103 1 104 1 105 1 1061 10 241 10 231 10 221 10 211 10 201 10 191 10 181 10 171 10 161 10 151 10 141 10 131 10 121 10 11

Rayleigh noise for no reflectionRayleigh noise for i.refl = 1 µARayleigh noise for i.refl = 10 µARayleigh noise for i.refl = 100 µARayleigh signal power

optical linewidth, MHz

elec

tric

al n

oise

pow

er, A

^2

Parameters

electrical bandwidth2.5 MHzRayleigh signal 1 nA

unmodulatedDFB laser

Gbps modulatedDFB laser

FPlaser


Numerical simulation of ASIC response : OTDR trace for 20 km fiber (after FFT)

0 200 400 600 8000.01

0.1

1

10Rx response function

frequency, Hz

mag

nitu

de

0 200 400 600 8004

2

0

2


frequency, Hz

phas

e, ra

d

0 2000 4000 6000 8000 1 1040.02

0

0.02

0.04

0.06OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u.

400 500 600 700 800 900 10000.02

0

0.02

0.04

0.06OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u. zoom


ct‘d: previous ASIC design

0 200 400 600 800 10000.01

0.1

1


frequency, Hz

mag

nitu

de

0 200 400 600 800 10004

2

0

2


frequency, Hz

phas

e, ra

d

0 2000 4000 6000 8000 1 1040.02

0

0.02

0.04

0.06OTDR trace

time, µsec

OTD

R s

igna

l, a.

u.

400 500 600 700 800 900 10000.02

0

0.02

0.04

OTDR trace

time, µsec

OTD

R si

gnal

, a.u

.

zoom


3 Stand der ArbeitenIntegration Transceiver Modul


LD

OTDRPD

PD+TIA

LDdriver

Lim Amp

Optical sub module

MD

Mon, filterPD

Mon, powerPD

WDM filter

10 % tapcoupler

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA

TIA

VGA1

analoguedigitalADCDAC

VGA2

LP1

Pulse

TIA

TIA

Linearfilter

LUT

ONTonly

10 % tapcoupler

bias

modulation

Sine wave OTDR calibration

Stand der ArbeitenTransmitter power control – look up table

Open control loop Simple set-up Wide temperature range Aging effects are not included


LD

OTDRPD

PD+TIA

LDdriver

Lim Amp

Optical sub module

MDWDM filter

10 % tapcoupler

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA

TIA

VGA1


VGA2

LP1

Pulse

TIA

TIA

Linearfilter

ONTonly

10 % tapcoupler

ACblocker


Mon, filterPD

Mon, powerPD

DC

Stand der ArbeitenTransmitter power control – use of monitor diode

Closed control loop AC blocker at < 100 Hz Aging effects are included Tracking error at MD


LD

OTDRPD

PD+TIA

LDdriver

Lim Amp

Optical sub module

MD

WDM filter

10 % tapcoupler

DDS

RAM

MUX

I2C

Logic block

LP2

TIA

TIA

VGA1


VGA2

LP1

Pulse

TIA

TIA

Linearfilter

ONTonly

10 % tapcoupler

Bias-T


Mon, filterPD

Mon, powerPD

AC

DC

Stand der ArbeitenTransmitter power control – use of -mon photo diode

Closed control loop Control loops not separated Bias-T (< 100 Hz) Aging effects included


4 Stand der ArbeitenDemarkationspunkt - Spezifikation und Systemintegration


Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung

DP Monitor

Überwachung der Faserverfügbarkeit

Netzausbaus Netzbetriebs

Unabhängig vom ONT

Trennung Heimnetz und Betreibernetz


•OLT

ONT•-•20 dB•

Tx

OTDR Rx

1:10 tap coupler•1: 64

•splitter •

•

•5 km • attenuation: •-• 0.5 dB•

99% reflector

• •DPM2

•4.3 km

•340 m

•180 m

•310 m

•Fiber length•

OTDR response

5 km9.3 km 9.3 km +

180m 310 + 340 m

• DPM1

DPM3

reflex from splitter

Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Passive Lösung

Reflektor

Faserabschluss

10% Tap coupler

Einfach und kostengünstig

Keine Informationsübertragung

Erkennung mit OTDR

<30 m Auflösung

78 dB Empfindlichkeit-73dBm an OTDR RX


Automatically acting DPMPhoto generator solution

StatusTransmit unit

(periodic)

Level detect

PG

Akku

TX

10%

Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Aktive Lösung I

Statisch operierender DP

Photogenerator

Batteriebetrieben

Kurze Nachricht (Adresse und Status)

Geringe Kollisionswahrscheinlichkeit

<0,01% bei 10 min Widerholzeit und 64 DPs

Geringer Stromverbrauch

Extra Monitorpfad am OLTOLT

ONT

15.2 km

Tx

OTDR

Rx

VCSEL

3 dB coupler

VCSEL (λ = 1550 nm):Ppeak= - 8 dBmPmean = -13.2 dBm

4 dBm

Ppeak= - 47.3 dBm

attenuator

time

Response @ bandwidth: 1.2 MHz

Control/data signal

23 sec


Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung – Aktive Lösung II

Dynamisch operierender DP

Nachricht an DP

Adressierung und Nachricht

DP Antwort nur nach Aufforderung

Eigene Adresse und Statusinformation

Sehr flexible einsetzbar

Stand-by Betrieb

Kompatible mit OTDR


Demarkationspunktadressierung Aufwachsequenz 8 bit Präambel 8 bit Adresse 8 bit Nachricht

Information vom Demarkationspunkt 8 bit Präambel 8 bit Adresse 16 bit Statusinformation

Stand der ArbeitenDemarkationspunktüberwachung

2.5 Gbit/s data stream5% modulation of 1MHz sine wave

10µs long bit information (modulation on /off)

•unknown start time of message

•response from DP•(= 32 bits)

•1 bit•(= 8 chips)

•1 chip•(= 5 samples)

•OLT listen window

204 µs

•32 µsec

•1 µsec•= 8 x 125 ns

•125 nsec•= 5 x 25 ns


5 Stand der ArbeitenGPON Systemintegration


Evaluation and control functions are spread over GPON transmission system and the related management system

Result

OSS

Requ

est

XML

Evaluation /Database

SNMP

GUI

Result

Requ

est

HTTP(S)

GPON (OMCI, OAM)(DP protocol)OLT

ONT’s

•Element management system•User information system•Geographic information system

OTDR functionDP monitor-monitor

OTDR function-monitor

DP

DP

DP

•OTDR register•OTDR analysis•Alarming•Reference trace

•OTDR diagnostic•Event history•DP analysis

•Configuration•Maintenance

Embedded monitoringIntegration of control and evaluation functions


Cold start-up or resetTIA selection, Filter calibration, ADC calibration, Calibration of modulation depth

OTDR OLT VGA setting start, step and stop settling time No of averages modulation depth shift register usage of CF

start OTDR trace read out

-monitor VGA setting sine frequency modulation depth No of averages settling time MUX input (optional) PSI (ONT only)

start monitor read out memory

DP Monitor (OLT) VGA setting sine frequency modulation depth DP addressing DP message bit length

start DP recognition read out memory

monthly system calibration (TBD)AGC routine, CF measurement

Test routines Memory test sine wave frequency test

OTDR ONT VGA setting pulse length pulse enable No of averages int / ext pulse pulse mask width record delay /time

start OTDR trace read out

Embedded monitoringflow chart for mixed signal ASIC


Embedded monitoring Changes to OLT/ONT SoC

Optical transceivers will be upgraded with new physical layer supervision capabilities (OTDR Asic and SFP-MSA-Interface).

Readout and control via I²C bus (“2-wire-serial-interface”). OLT/ONT Processor needs an I²C bus master (Transceiver is slave).

New transceiver

SoC

GPON MAC

Processor

TX/RX data

I²C bus

1 Transceiver/SoC

Architecture

New transceiver

SoC

TX/RX data

I²C bus

4 Transceivers/SoCArchitecture

GPON MAC

New transceiver

New transceiver

New transceiver

GPON MACGPON MAC GPON MAC

Processor MUX2-wire select


6 Organisatorisches


OrganisatorischesCOMAN – Projektlaufzeit vom 1.2.2007 bis 31.1.2009 Kooperationsvereinbarung bis 31.7.2007

Schriftliche Mitteilung an Projektträger (Koordinator) bis 31.7.2007 Empfangsbestätigung (Verzicht auf Rechtsbehelf)

Verwendungsnachweis (Sachbericht und zahlenmäßigen Nachweis)

Statusseminare zur Beurteilung der Projektergebnisse n. Abstimmung (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet)

Zwischenberichte (zweifacher Ausfertigung) jeweils 15.2 u. 15.8 Zusätzl. zusammenfassender Statusbericht jeweils 1.3 u. 1.9

Zusammenfassenden Abschlussbericht (zweif. Ausfertigung) 1.9.2009 (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet)

Reisebericht zu außereuropäischen Reisen und europäischen 1 Monat danachKonferenzen (3-4 Seiten)

Vorgänge zur Durchführung u. Abwicklung des Vorhabens an Projektträger melden


OrganisatorischesCOMAN Zwischenberichte

Jeder Partner erstellt seinen eigenen Zwischenbericht 15.8.2007 Nach Vorlage aus den Nebenbestimmungen Anlage 1 Alle Punkte sollten behandelt werden Ca. 3-4 Seiten plus Anhang mit Detailbeschreibung (optional)

Gesamtbericht von Alcatel-Lucent 1.9.2007

Statusseminar Terminvorschlag: 12. oder 13. September 2007

Projektträger möchte alle Partner kennen lernen Jeder sollte einen Beitrag leisten Zusammenarbeiter der Partner sollte deutlich werden Ort ?


7 Abschlussdiskussion


Abschlussdiskussion

Diskussionspunkte:


Abschlussdiskussion

Vielen Dank! und eine gute Heimreise


www.alcatel-lucent.com

Documents

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