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Die ursprünglich für den Metro-Telekommunikationsmarkt entwickelte CWDM- Technologie (Coarse Wavelength Division Multiplexing) ist mittlerweile in allen Telekommunikationsmärkten sowie im Unterwassermarkt allgegenwärtig.
CWDM ist eine kostengünstige und technologisch effiziente Methode zum Multiplexen mehrerer Signale auf einer Glasfaser. Abhängig von der Anzahl der Wellenlängen können verschiedene Wellenlängenmultiplexverfahren eingesetzt werden. Standard-WDM (Wavelength Division Multiplexing) nutzt mithilfe von Standardlasern entweder zwei, drei oder in manchen Fällen auch vier Wellenlängen. CWDM-Technologie kann bis zu 18 einzelne Wellenlängen auf einer einzigen Glasfaser multiplexen. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) kann typischerweise 40 oder 80 Wellenlängen auf einer einzigen Glasfaser multiplexen. Aufwändigere DWDM-Verfahren ermöglichen ein noch dichter dichteres Wellenlängenmultiplexen. Die gängigste Methode zum Wellenlängenmultiplexen im Unterwassermarkt ist CWDM. Dabei können kostengünstigere Laser und Lasertreiber eingesetzt werden, während gleichzeitig eine große Vielfalt und Menge uni- und bidirektionaler Signale gemultiplext werden kann.
CWDM-Technologie ist sowohl für Singlemode- als auch für Multimode-Systeme verfügbar. Singlemode ist der gebräuchlichste Typ, da er verbesserte Multiplexing- und Reichweitenkapazitäten bietet. Die meisten CWDM-Systeme sind in Schritten von 4 Wellenlängen oder Kanälen (von 4 bis 16 Wellenlängen) verfügbar. Abbildung 1 veranschaulicht den CWDM-Wellenlängenplan. Die erste oder niedrigste Wellenlänge beträgt 1270 nm, die längste Wellenlänge 1610 nm in Schritten von 20 nm. Während einige Systeme mit 18 Wellenlängen verfügbar sind, nutzen die meisten bis zu 16 Wellenlängen und lassen die mittleren beiden (1430 und 1450 nm) als Schutzband frei, wenn die unteren 8 mit den oberen 8 Wellenlängen kombiniert werden.
Ein CWDM-System besteht aus drei einzigartigen Elementen: einem wellenlängenspezifischen Laser, einem CWDM-Multiplexer und einem CWDM-Demultiplexer.
Laser – Die in CWDM-Systemen verwendeten Laser sind sogenannte DFB-Laser (Distributed FeedBack). Das wichtigste Merkmal dieser Laser, das in CWDM-Systemen wichtig ist, ist die geringe spektrale Breite bzw. Wellenlängenverteilung des Laserlichts. Der in vielen Glasfasersystemen häufiger verwendete Laser ist der FP- oder Fabry-Perot-Laser. Diese Laser haben eine spektrale Breite von 3–6 nm, während DFB-Laser eine spektrale Breite von 0,1 nm oder weniger aufweisen. Dadurch eignen sie sich perfekt für den Einsatz in CWDM- und DWDM-Systemen (Dense Wavelength Division Multiplex). Wie die Kurve in Abbildung 1 zeigt, decken diese DFB-Laser für CWDM-Systeme Wellenlängen von 1270 nm bis 1610 nm in Schritten von 20 nm ab. Ein Vorteil von CWDM-Systemen gegenüber DWDM besteht darin, dass CWDM-Laser keine Temperaturkompensation benötigen, um Wellenlängendrift zu vermeiden. Die Wellenlängenvariation dieser DFB-Laser als Funktion der Temperatur liegt in der Größenordnung von 0,1 nm/°C. Der Durchlassbereich des CWDM-Multiplexers und -Demultiplexers liegt je nach Hersteller und Design in der Größenordnung von 10 nm bis 13 nm. Darüber hinaus kann die absolute Wellenlänge der Laser um einige Nanometer variieren. Somit beträgt der Betriebstemperaturbereich der Laser und Übertragungsgeräte etwa 70 bis 100 °C, typischerweise etwa 80 °C. Unter Berücksichtigung der verschiedenen Komponententoleranzen und der Temperaturdrift des Lasers ergibt sich ein Betriebstemperaturbereich von etwa -10 °C bis +70 °C – also durchaus im Bereich von Unterwassersystemen. DWDM-Systeme hingegen erfordern aufwendige Wellenlängenstabilisierungsschaltungen, um jegliche Drift der Laserwellenlänge als Funktion von Temperatur- und Leistungsschwankungen zu verhindern.
CWDM-Multiplexer/Demultiplexer – CWDM-Mux/Demux-Geräte sind normalerweise in 4- oder 8-Kanal-Schritten verfügbar.
Die gängigen Bänder sind wie folgt:
Band 1 (4-Kanal) ............................. 1510 bis 1570 nm
Band 2 (8-Kanal) .............................. 1470 bis 1610 nm
Band 3 (12-Kanal) ............................ 1310 bis 1370 nm
Band 4 (16-Kanal) ............................ 1270 bis 1610 nm
Alle diese Wellenlängenkanäle sind in 20-nm-Schritten unterteilt. Beachten Sie, dass die einzelnen Wellenlängen entweder als gerade oder ungerade Wellenlängen, z. B. 1530 nm oder 1531 nm, aufgeführt werden. Im ursprünglichen CWDM-Wellenlängenplan wurden die Laser mit geraden Wellenlängen gekennzeichnet. 2003 überarbeitete die ITU (International Telecommunications Union) die Spezifikation um 1 nm, sodass der Wellenlängenbereich des CWDM-Gesamtplans nun von 1270 bis 1610 nm von 1271 bis 1611 nm reicht. CWDM- und Mux/Demux-Hersteller können die Wellenlängen in beiden Formaten angeben. Sie sind austauschbar.
Bidirektionale Übertragung – Die CWDM-Technologie bietet eine hervorragende Plattform für die bidirektionale Übertragung verschiedener Signale über eine Singlemode-Glasfaser. Für die bidirektionale Übertragung von Signalen (z. B. Ethernet, Daten usw.) müssen zwei Wellenlängen zugewiesen werden – eine für jede Signalrichtung. Mittels TDM (Time Division Multiplexing) kann jede Wellenlänge mehrere Signale unterstützen. So lassen sich beispielsweise mit zwei Wellenlängen mehrere Videos sowie eine Daten- oder Ethernet-Richtung übertragen, während die zweite Wellenlänge die Rückleitung der Daten unterstützt. Da Glasfaser signalunabhängig ist, unterstützt jede Wellenlänge alle Signaltypen – vom einfachen Kontaktschluss oder TTL bis hin zu komplexeren HDSDI- und GigE-Signalen mit hoher Bandbreite. Ein typischer 8-Kanal-CWDM-Mux/Demux kann eine beträchtliche Anzahl uni- und bidirektionaler Signale unterstützen. Zu diesen Signalen gehören im Allgemeinen: Analogvideo, HDSDI-Video, Ethernet (entweder 10/100 oder GigE), Daten und TTL. Je nach ROV-Typ und spezifischer Mission können auch andere Signale wie Audio, USB und Kontakte übertragen werden.
Systemarchitektur – Die optischen Übertragungsgeräte in CWDM- und DWDM-Systemen weisen gewisse Unterschiede auf. Aus Sendesicht hat jeder CWDM-Laser eine eigene Wellenlänge und ist mit dem entsprechenden Wellenlängenport des CWDM-Multiplexers verbunden. Der optische Empfänger hingegen verwendet einen breitbandigen optischen Detektor, der alle Wellenlängen des CWDM-Wellenlängenbereichs (1270 bis 1610 nm) erkennt. Die Wellenlängentrennung erfolgt im CWDM-Demultiplexer. Daher verfügen die Empfänger über keine wellenlängenspezifischen Geräte, die mit den einzelnen Wellenlängen des CWDM-Demultiplexers kompatibel wären. Verwendet beispielsweise ein 4-Kanal-CWDM-System vier HDSDI-Signale, die jeweils auf einer anderen Wellenlänge arbeiten, gibt es für diese Sender vier eindeutige Teilenummern (eine für jede der Wellenlängen von 1510 bis 1570 nm). Da die Wellenlängendemultiplexierung bzw. -trennung jedoch im Demultiplexer erfolgt, hätten alle vier HDSDI-Empfänger die gleiche Teilenummer und wären austauschbar. CWDM-Multiplexer und -Demultiplexer können in der Regel die gleiche Teilenummer haben. Obwohl die Spezifikationen für Mux- und Demux-Geräte leicht unterschiedlich sind, eignet sich das CWDM-Mux-Gerät aufgrund der meisten Unterwasseranwendungen, die eine bidirektionale Signalübertragung nutzen, sowohl für Unterwasser- als auch für Überwasseranlagen.
Die CWDM-Mux/Demux -Module sind klein und können zwischen diesen Platinen untergebracht werden. Kleine 900-μm-Glasfaser-Patchkabel von jeder der Glasfaser-Tx/Rx-Karten werden mit dem internen CWDM-Mux-Modul verbunden. Der Ausgang des Mux ist ein einzelner optischer Port, der dann mit dem Halteseil für die Übertragung nach oben verbunden wird. Die Glasfaser im Halteseil wird dann mit der Empfängerkarte an der Oberseite verbunden und mit dem Eingang des CWDM-Demultiplexers. Dieses Modul trennt dann alle Wellenlängen von der Unterwasser-Übertragungsausrüstung und fügt alle Wellenlängen von der Ausrüstung an der Oberseite hinzu, die an die Unterwassereinheit übertragen werden sollen. Beachten Sie, dass die typische optische Steckverbinderschnittstelle in der Regel über ein UPC-Ende (Ultra Physical Contact) verfügt, damit optische Reflexionen auf ein Minimum reduziert werden. Es ist wichtig, dass sich dieses UPC-Ende auf beiden Ferrulen eines gepaarten Steckverbinders befindet. Obwohl die typische Schleif- und Poliertechnik für Schiffsanschlüsse gängige Praxis ist, wird sie nicht empfohlen, da die Verluste und optischen Reflexionen der Anschlüsse höher als erwartet ausfallen und die Gefahr einer Beschädigung der Anschlusshülsen beim Zusammenstecken von Ferrulen mit unterschiedlicher Endpolitur besteht. Dies wird in einem späteren Artikel über Anschlüsse, Reinigung und Inspektion von Anschlüssen ausführlicher erläutert.
Wellenlängenprüfung – Da die Leistung aller übertragenen Wellenlängen gleichzeitig auf der gemeinsamen Tetherfaser vorhanden ist, ist ein spezielles Leistungsmessgerät erforderlich, um das Vorhandensein jeder Wellenlänge auf der Tetherfaser und ihren optischen Leistungspegel zu ermitteln. Herkömmliche Leistungsmessgeräte verfügen über einen breiten, nichtselektiven Wellenlängendetektor. Da die Tetherfaser alle Wellenlängen aufweist, misst dieses Leistungsmessgerät die Summe aller dieser Wellenlängen und ermittelt nicht die mit jeder Wellenlänge verbundene Leistung. Um ein Standardleistungsmessgerät verwenden zu können, muss ein optischer CWDM-Demultiplexer verwendet werden, um alle Wellenlängen zu trennen, bevor sie an das Leistungsmessgerät angeschlossen werden. Dies funktioniert zwar, führt jedoch ein zusätzliches Teil (Demultiplexer) ein, das seinen eigenen optischen Verlust aufweist und somit die Testergebnisse beeinträchtigt. Wie im obigen Glasfaser-Multiplexer-Stapel gezeigt, kann der Zugriff auf den Ausgang jedes Demux-Ports bei der Verwendung eines Standardleistungsmessgeräts schwierig sein.
Abbildung 3 zeigt eine typische bidirektionale CWDM-Verbindungsanwendung. Die Wellenlängen 1–5 und 7 dienen der Informationsübertragung nach oben, während die Wellenlängen 6 und 8 Daten von oben empfangen. Diese „Rücksignale“ können Ethernet-Daten, Kontaktschließungen usw. sein. Jede Faser am Ein-/Ausgang des optischen Multiplexers überträgt ihre eigene Wellenlänge. Daher misst ein herkömmlicher Leistungsmesser die optische Leistung der Wellenlänge auf der zugehörigen Faser. Der gemeinsame Port des Multiplexers/Demultiplexers enthält jedoch alle Wellenlängen einer Faser. Hier kommt der CWDM-Leistungsmesser zum Einsatz.
CWDM-Leistungsmessgeräte demultiplexen die einzelnen Wellenlängen der Glasfasern und zeigen die zugehörige Leistung grafisch oder tabellarisch an. Diese Messgeräte verfügen über verschiedene Funktionen, mit denen die Leistung einzelner Wellenlängen oder als Gruppe angezeigt und zur weiteren Verarbeitung ausgegeben werden kann. Angesichts der Allgegenwärtigkeit von CWDM im ROV-Markt ist es sinnvoll, eines dieser CWDM-Leistungsmessgeräte in die Ausrüstung eines Technikers aufzunehmen.
CWDM bietet ein hohes Maß an Vielseitigkeit bei der Signalübertragung. Die Kombination aus TDM und CWDM verleiht dem System nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, alle Funktionen eines ROVs über große Entfernungen hinweg latenzfrei anzuzeigen, zu überwachen und zu steuern. Wie dieser Artikel zeigt, ist CWDM eine bewährte Technologie mit außergewöhnlichen Fähigkeiten und Erweiterungspotenzial.
Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an den Autor unter www.fiber-mart.com
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