Digitale Signalverarbeitungslösungen in optischen Netzwerken

<BODY> <H1>www.duv24.net : Digitale Signalverarbeitungslösungen in optischen Netzwerken</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>20.11.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>National Instruments Germany:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Digitale Signalverarbeitungslösungen in optischen Netzwerken</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Weitere Miniaturisierung bei gesteigerter Leistung</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent> <TABLE WIDTH=1 BORDER=0 ALIGN=left CELLPADDING=0 CELLSPACING=0> <TR> <TD><IMG width=150 border=0 src="http://www.publish-industry.net/publish-industry/company-resources/publish-industry-master_279347663.jpg"></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailBildunterschrift></TD> </TR> </TABLE> Erschienen im <font color=#0000FF>DESIGN & VERIFICATION NR.6 2001 S. 14</font><br><br><BR>in der <a href="#toolbox" style="color:red;"><b>'toolbox'</b></a>unter dieser Meldung können Sie, als registrierter USER, zu dem Fachbeitrag mit dem<BR><ul><li>'details-Button' - eine Vollversion mit allen Bildern als pdf-Datei downloaden</li><BR><li>'Email-Button' - per E-Mail direkten Kontakt zum Ansprechpartner aufnehmen</li><BR><li>'discuss it-Button' - den Beitrag mit Anderen in einem Forum diskutieren</li></ul><BR>Sollten Sie noch kein registrierter User sein, können Sie das sofort und kostenfrei in der linken Spalte nachholen!<br><br>Optische Kommunikationsnetzwerke sind eine äußerst attraktive Lösung, um den Hunger der weltweiten Telekommunikations-Infrastruktur nach immer größeren Bandbreiten zu stillen. Optische Lösungen mit älteren Technologien wie SONET benötigen optisch-elektrisch-optische Wandler; volloptische Netzwerklösungen sind heute dagegen Realität. Volloptische Systeme bestehen aus Komponenten wie z.B. erbiumdotierten Faserverstärkern, optischen Cross-Connect-Schaltern (OXCs), Add-Drop-Multiplexern (ADMs), variablen Dämpfungsgliedern und einstellbaren Lasern.<BR><BR>Jedes System zur optischen Signalverarbeitung erfordert ein Hochleistungs- Steuersystem, um Größen wie z.B. Lichtwellenlänge, Leistungsabgabe oder Signalmodulation so zu steuern, wie sie vom entsprechenden Baustein benötigt werden. Als eingebettetes Controller- System im Applikationsbereich für optische Netzwerke bietet die DSP-Serie TMS320 (DSP – Digital Signal Processing) von Texas Instruments eine Reihe von Vorteilen, die leistungsfähige Instruktionssätze und hohe Taktfrequenzen für die Verarbeitung komplexer Berechnungen, Hochleistungs-C-Compiler, integrierte Echtzeit- Entwicklungswerkzeuge für schnelle Marktreife sowie CMOS-Designs nach dem neuesten Stand der Technik für eine hohe Leistungseffizienz beinhalten.<BR><BR>Im Allgemeinen erfordert die Steuerung optischer Bausteine zumindest teilweise die Implementierung klassischer digitaler Signalverarbeitungs- und Feedback-Steuerungsalgorithmen. Beispiele dafür sind Fourier-Transformationen für die Prüfung von Frequenzleistungsbereichen, digitale Filter zum Entfernen von Signalrauschen und unerwünschten Frequenzbändern und eine proportional-integral-derivative Steuerung (PID) oder andere erweiterte Algorithmen, wie z.B. die adaptive oder nichtlineare Feedback-Steuerung für die Steuerung von Leistungsausgabebereichen. DSP-Architekturen wurden speziell für die effektive Implementierung dieser Algorithmen konzipiert.<BR><BR>Erbiumdotierte Glasfaser-Verstärkersteuerung<BR><BR>Optische Verstärker haben erhebliche Vorteile gegenüber OEO-Repeatern, wie z.B. die Unabhängigkeit von Datenraten und die Anzahl der gemultiplexten Wellenlängen, niedrigere Kosten und höhere Zuverlässigkeit. Seit deren Aufkommen in den späten 80er Jahren ist der erbiumdotierte Glasfaserverstärker (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) zu einem Stützpfeiler der optischen Kommunikationssysteme geworden. Abb. 1 zeigt eine typische Konfiguration zur Steuerung der Leistungsabgabe eines EDFA. In diesem Szenario wird das Leistungsniveau des abgegebenen Lichtes vom optischen Detektor gemessen (z.B. einer p-i-n Photodiode). Die analoge Spannungsausgabe von der Photodiode wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) in ein digitales Signal umgewandelt und in den DSP eingespeist. Der vom DSP implementierte Feedback-Steueralgorithmus reguliert die Ausgangsleistung durch die Steuerung des Eingangsstromes zur Laserpumpe im EDFA.<BR><BR>Mikro-elektromechanische Systemsteuerung<BR><BR>Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) liefern einen Ansatz für den Bau einer Anzahl verschiedener Bausteine für optische Netzwerke. Eine auf ein Kardangelenk oder einen Drehzapfen eines MEMS montierte verspiegelte Oberfläche bietet eine intuitive physische Methode zur Steuerung des Pfades eines Lichtstrahls. Solche MEMS-Spiegel haben für den Bau optischer Cross-Connect-Schalter, Add-Drop- Multiplexer und verschiedener optischer Dämpfer Anwendung gefunden. MEMS-Spiegel gibt es mit zwei Arten der Winkeleinstellung: Unbegrenzt verstellbar (auch Analogspiegel genannt) und mit diskret verstellbaren Festwinkeln (auch Digitalspiegel genannt). Für beide wird ein Feedback-Steuerungssystem zur Einstellung der Winkelposition des Spiegels benötigt, das mit einem DSP leicht implementiert werden kann. Eine andere Applikation der MEMS-Technologie sind verstellbare Laser. Durch Einbringen von MEMS-Fähigkeiten in einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) kann die physikalische Länge des Laser-Hohlraumes verändert werden. Damit kann eine direkte Steuerung der Wellenlänge des emittierten Laserlichtes erreicht werden. Die Vorteile der Verwendung von einstellbaren Lasern in einem optischen Netzwerk sind eine leichte Netzwerk-Neukonfiguration und reduzierte Kosten, da dieselbe Laserlichtquelle im gesamten Netzwerk verwendet werden kann.<BR><BR>Steuerung thermoelektrischer Kühler<BR><BR>Die Temperatur beeinflusst die Leistung vieler optischer Kommunikationselemente durch mechanische Ausdehnung und Kontraktion physischer Geometrien in erheblichem Maße. Die betroffenen Bauteile sind u.a. Laser, EDFA und sogar optische Gitter. Temperaturänderungen können hier die Ausgangsleistungen und Ausgangswellenlängen beeinflussen und sogar die Gesamtfunktionsfähigkeit des Bausteins in Frage stellen. Für Bausteine, die selbst Wärme erzeugen (z.B. Laser und EDFA), ist eine aktive Temperaturregelung für die Leistung des Bausteins von Bedeutung. Die Bausteintemperatur muss, je nach Baustein, für gewöhnlich im Bereich von 0,1 °C bis 1 °C reguliert werden (d.h. ein fester Frequenzlaser erfordert eine engere Temperaturregelung, wogegen ein einstellbarer Laser hierfür weniger strenge Anforderungen aufweist). Die Temperaturregelung wird normalerweise mit einem Peltier-Element durchgeführt, das als Wandler zwischen elektrischem und thermischem Bereich agiert. Temperatur ist eine Größe, die sich relativ langsam ändert; sie wird gewöhnlich mit einer einfachen proportional-integralen (PI) Steuerung geregelt. Dieser Controller wurde ursprünglich mit analogen Komponenten (z.B. Op- Amps) implementiert. Jedoch sind für so einfache Steuerungen wie PI die Vorteile von digitalen über analoge Steuerungen wohl bekannt: gleichmäßige Leistung zwischen den Controllern aufgrund wesentlich reduzierter Abweichung zwischen den Komponenten, weniger Drift, der aus Temperaturänderungen und Bausteinalterungen resultiert, sowie automatische Einstellmöglichkeit des Controller beim Einschalten des Bausteins. Digitale Implementierungen zur Temperatursteuerung erfordern lediglich Loop-Abtastraten in der Größenordnung von einigen 10 Hz und verbrauchen daher nur eine vernachlässigbare Menge der Verarbeitungskapazitäten eines digitalen Signalprozessors. Wenn bereits ein DSP im System für andere Aufgaben vorhanden ist (z.B. EDFASteuerung), so kann die Temperatur-Steuerschleife ohne weiteres ebenfalls von diesem DSP übernommen werden. In einer alternativen Konfiguration wurde der DAC weggelassen; stattdessen werden pulsweitenmodulierte (PWM) Ausgänge des DSP direkt dazu verwendet, einen H-Brücken-Leistungswandler zu steuern. Die DSP-Familie TMS320C2000 bietet integrierte ADC- und PWM-Peripherien sowie On-Chip Flash-Speicher und stellt so eine außergewöhnlich kompakte Lösung dar, bei Gehäusegrößen bis hinunter zu 7 x 7 mm. Andere DSP-Familien von TI können mit einem externen ADC- und PWM-Generierungschip verwendet werden. Der gleiche ADC, der schon für die Bauteilsteuerung verwendet wird, kann bisweilen auch für die Schnittstelle zum Temperatursensor verwendet werden, was einen zusätzlichen ADC-Chip überflüssig macht.<BR><BR>Leistung und Ausstattung<BR><BR>Texas Instruments hat 1982 den ersten Einzelchip- DSP hergestellt. Die DSP-Palette von TI besteht aus drei wesentlichen Instruktionssatz- Architekturen (ISAs): Den DSP-Familien TMS320C6000, TMS320C5000 und TMS320- C2000. Die C6000-Plattform bietet instruktionssatzkompatible Fest- und Gleitkomma- Prozessoren und ist für höchste Leistung und einfache Bedienung bei der Programmierung mit komplexen Sprachen optimiert. Die C5000- DSP-Familie mit 16-Bit-Festpunktprozessoren ist auf niedrigen Stromverbrauch optimiert. Die C55x-Bausteine aus dieser Familie bieten eine Roadmap mit nur bis 0,05 mW/MIPS sowie Taktraten bis zu 400 MHz. Die C2000-DSPGeneration schließlich bietet erhöhte On-Chip- Integration und Rechenfähigkeiten. Das verringert deutlich die Systemkosten und ermöglicht entscheidende Verbesserungen beim Platzbedarf auf der Leiterplatte. Die Embedded-Entwickler von heute wissen, dass der Fokus der Entwicklung auf der Software liegt. Um kritische Marktreifeanforderun- gen zu bewältigen, brauchen Entwickler eine Umgebung, mit der sie besser und schneller arbeiten können. Das Code Composer Studio IDE (Integrated Development Environment) ist, kombiniert mit dem DSP/BIOS-II-Echtzeit- Kernel, für Programmierer das Entwicklungswerkzeug ihrer Wahl für heutige und zukünftige Anforderungen. Die integrierte Entwicklungsumgebung Code Composer Studio beinhaltet eine vollständige Compiler-, Simulator- und Fehlersuchunterstützung für die beschriebenen DSP-Familien. Die leicht zu verwendende Schnittstelle bietet Zugriff auf alle Funktionalitäten und hochentwickelte Datenvisualisierungsfähigkeit. Die gewohnte Umgebung integriert traditionelle Werkzeuge für Bearbeitung, die Neuerstellung, die Fehlersuche, die Codeprofilierung und das Projektmanagement. Diese arbeiten eng mit den noch weiter entwickelten integrierten Funktionen zusammen, wie z.B. Signalprüfung, Multiprozessorunterstützung, Daten- und Systemvisualisierung, sowie einer flexiblen, C-basierten Scriptsprache für automatisiertes Testen und Einrichten. Zudem ist kostenlos der skalierbare Echtzeit-Kernel DSP/BIOS II bzw. eine Bibliothek von Echtzeit-Systemdiensten integriert.<BR><BR>C-abrufbare mathematische Funktionsbibliotheken<BR><BR>Aus diesem Grund bietet TI handoptimierte Assembly-Funktionsbibliotheken für allgemeine DSP-Algorithmen. Jede Funktion ist C-abrufbar und obwohl spezifische Bibliotheksinhalte von der jeweiligen DSP-Familie abhängig sind, sind folgende typische Funktionen lieferbar: FIR-Filter, Adaptive LMS-FIR-Filter, IIR-Filter, FFT, Korrelation, Konvolution, Bruchdivision, Suche nach Vektormaximalen und -minimalen sowie Matrix- und Vektorberechnungen. Die DSP-Bibliotheken sind in den Code-Composer- Entwicklungswerkzeugen enthalten.<BR><BR>Abb. 1: Feedback-Leistungssteuerung eines erbiumdotierten Glasfaserverstärkers<BR>Abb. 2: MEMS-Spiegel-Element<BR>Abb. 3: MEMS-Spiegel-Steuerung<BR><BR>more @ click DV61201<a name="toolbox"></a ><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:12 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>