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

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

2 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Zielsetzung: Erforschung von Hard- und Softwarekomponenten zur Ü berwachung von optischen Zugangsnetzen OLTONTDemarcation Point OTDR DP -mon Data OTDR -mon Data Central Office Outside Plant Inhouse Network Partners: Alcatel-Lucent Cube Optics MergeOptics Univ. Karlsruhe FhG-HHI Diamond IMST blue boxes : new functions COMAN

3 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Agenda Uhr Anreise/Begrüßung Uhr Stand der Arbeiten Uhr Mittagessen Uhr Organisatorisches Uhr Stand der Arbeiten Uhr Abschlussdiskussion Uhr Ende

4 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli Stand der Arbeiten ASIC Spezifikation

5 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  Collaboration with IMST  Target specification  12 bit ADC / DAC  40 MHz clock rate  3 x 3 mm 2 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 monitoring mixed signal ASIC DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

6 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  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 monitoring mixed signal ASIC – sine wave OTDR (OLT) DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

7 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  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 monitoring mixed signal ASIC – -monitor (OLT) DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

8 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  Signal generator  1MHz  5% modulation depth  Preamble, 8bit address, 8bit message  Bitrate 100kHz  Signal detection  AGC routine  12bit ADC  Signal processing  16k * 12bit data volume  Sample integration Embedded monitoring mixed signal ASIC – demarcation point monitor (OLT) DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

9 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  Signal generator  1MHz  5% modulation depth on top of pulse  Signal detection  AGC routine  12bit ADC  Signal processing  Network analyzer  averaging  2* 2 * 24bit (I and Q components) Embedded monitoring mixed signal ASIC – -monitor (ONT) DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

10 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007  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 monitoring mixed signal ASIC – pulse OTDR (ONT) DDS RAM MUX I 2 C Logic block LP2 TIA1 analogue digital ADC DAC VGA2 LP1 Pulse LD driver GC2 OTDR RX VGA1 GC1 TIA2 TIA4 TIA3 Input/ control unit LD MD -mon RX SERDES I 2 C master Host board transceiver

11 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten ASIC 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

12 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten ASIC Spezifikation 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  I 2 C 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

13 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten ASIC Spezifikation Spezifikation für den ASIC erstellt Wöchentliche Abstimmungsgespräche durchgeführt Design Review am 18./19. Juni in Kamp-Lintfort Definition der Messabläufe im Digitalteil Digital code (VHDL) erstellt und an IMST übermittelt Zusammenstellung der Punkte für das Redesign

14 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli Stand der Arbeiten Numerische Simulationen

15 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Crosstalk in OTDR testhead I2C bus data out data in Laser Diode Driver Post Amplifier LD PD + TIA (data) OTDR test signal OTDR signal OTDR Rx ,2 OTDR signal processing and control optical transceiver module electrical crosstalk - radiative coupling - ground loops - … optical crosstalk : - discrete reflections - stray light (multipath) - … fiber Crosstalk originating from - OTDR test signalsis correlated, deterministic can be reduced via subtraction / blanking (pulse method) - data signalsis uncorrelated, noise-likemust be reduced via averaging

16 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Trace correction: numerical cancellation of crosstalk raw measurement after full crosstalk correction (optical + electrical) after partial crosstalk correction (only electrical)

17 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Electrical noise power vs. Rayleigh-induced photocurrent With single reflection electrical bandwidth2.5 MHz receiver noise0.6 pA/Hz^0.5 shot noise2q*i optical linewidth1 GHz reflection: photo current1 µA laser RIN-140 dB/Hz

18 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Electrical noise power vs. laser linewidth Parameters electrical bandwidth2.5 MHz Rayleigh signal 1 nA unmodulated DFB laser Gbps modulated DFB laser FP laser

19 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Numerical simulation of ASIC response : OTDR trace for 20 km fiber (after FFT) zoom

20 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 ct‘d: previous ASIC design zoom

21 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli Stand der Arbeiten Integration Transceiver Modul

22 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten Transmitter power control – look up table  Open control loop  Simple set-up  Wide temperature range  Aging effects are not included

23 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten Transmitter power control – use of monitor diode  Closed control loop  AC blocker at < 100 Hz  Aging effects are included  Tracking error at MD

24 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten Transmitter power control – use of -mon photo diode  Closed control loop  Control loops not separated  Bias-T (< 100 Hz)  Aging effects included

25 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli Stand der Arbeiten Demarkationspunkt - Spezifikation und Systemintegration

26 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten Demarkationspunktüberwachung DP Monitor  Überwachung der Faserverfügbarkeit  Netzausbaus  Netzbetriebs  Unabhängig vom ONT  Trennung Heimnetz und Betreibernetz

27 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 OLT ONT - 20 dB Tx OTDR Rx 1:10 tap coupler 1: 64 splitter 5 km attenuation: dB 99% reflector DPM2 4.3 km 340 m 180 m 310 m Fiber length OTDR response 5 km 9.3 km 9.3 km + 180m m DPM1 DPM3 reflex from splitter Stand der Arbeiten Demarkationspunktüberwachung – 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

28 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Automatically acting DPM Photo generator solution Status Transmit unit (periodic) Level detect PG Akku TX 10% Stand der Arbeiten Demarkationspunktüberwachung – 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 OLT OLT ONT 15.2 km Tx OTDR Rx VCSEL 3 dB coupler VCSEL ( λ = 1550 nm): Ppeak= - 8 dBm Pmean = dBm 4 dBm Ppeak= dBm attenuator time bandwidth: 1.2 MHz Control/ data signal 23  sec

29 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Stand der Arbeiten Demarkationspunktüberwachung – 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

30 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 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 Arbeiten Demarkationspunktüberwachung 2.5 Gbit/s data stream 5% modulation of 1MHz sine wave 10µs long bit information (modulation on /off)

31 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli Stand der Arbeiten GPON Systemintegration

32 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Evaluation and control functions are spread over GPON transmission system and the related management system Result OSS Request XML Evaluation / Database SNMP GUI Result Request HTTP(S) GPON (OMCI, OAM) (DP protocol) OLT ONT’s Element management system User information system Geographic information system OTDR function DP monitor -monitor OTDR function -monitor DP OTDR register OTDR analysis Alarming Reference trace OTDR diagnostic Event history DP analysis Configuration Maintenance Embedded monitoring Integration of control and evaluation functions

33 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Cold start-up or reset TIA 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 monitoring flow chart for mixed signal ASIC

34 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 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 dataI ² C bus 1 Transceiver/SoC Architecture New transceiver SoC TX/RX data I ² C bus 4 Transceivers/SoC Architecture GPON MAC New transceiver New transceiver New transceiver GPON MAC  Processor MUX 2-wire select

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

36 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Organisatorisches COMAN – Projektlaufzeit vom bis Kooperationsvereinbarung bis  Schriftliche Mitteilung an Projektträger (Koordinator)bis  Empfangsbestätigung (Verzicht auf Rechtsbehelf) Verwendungsnachweis  (Sachbericht und zahlenmäßigen Nachweis) Statusseminare zur Beurteilung der Projektergebnissen. Abstimmung  (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet) Zwischenberichte (zweifacher Ausfertigung)jeweils 15.2 u  Zusätzl. zusammenfassender Statusberichtjeweils 1.3 u. 1.9 Zusammenfassenden Abschlussbericht (zweif. Ausfertigung)  (Verbundpartner sind zur Mitarbeit verpflichtet) Reisebericht zu außereuropäischen Reisen und europäischen1 Monat danach Konferenzen (3-4 Seiten) Vorgänge zur Durchführung u. Abwicklung des Vorhabens an Projektträger melden

37 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Organisatorisches COMAN Zwischenberichte  Jeder Partner erstellt seinen eigenen Zwischenbericht   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  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 ?

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

39 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Abschlussdiskussion Diskussionspunkte:

40 All Rights Reserved © Alcatel-Lucent 2007 COMAN Projekttreffen | Juli 2007 Abschlussdiskussion Vielen Dank! und eine gute Heimreise

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


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