Реконструкция ВОЛС

Изменяя расстояние между зеркалами  можно настроиться на условие резонанса и большую фазовую задержку. В одном из подходов подвижное переднее зеркало перемещается взад-вперед относительно полного отражателя. В качестве альтернативы используют температурную регулировку показателя преломления, что приводит к такому же эффекту фазового сдвига на резонансных длинах волн. Резонансные фазовые сдвиги не проявляются очень резко, а размазаны в некотором диапазоне длин волн (см. рис. 4.5). Конструкция эталона допускает возникновение нескольких резонансов на равноотстоящих длинах волн. Таким образом, сразу несколько рабочих каналов могут испытывать фазовую задержку, хотя данный метод не позволяет настраивать разные наклоны дисперсионной кривой.

Рис. 4.5. Фазовая задержка в эталоне  Жире-Турнуа меняется периодически.

Другой тип фазового фильтра  с перестраиваемой фазовой задержкой  в кольцевом резонаторе показан  на рис. 4.4. В состав кольца входит пара термооптических фазовращателей, с  помощью которых регулируют фазовую  задержку и, следовательно, хроматическую дисперсию. (Кольцо с одним фазовращателем обеспечивает постоянную фазовую задержку.) Эта методика не разработана столь хорошо как фазовый фильтр на основе эталона, но допускает исполнение на базе интегральной оптике и обещает налаживание дешевого производства.  

4.1.4. Способы  компенсации   дисперсии,  основанные   на  управлении передатчиком  или  приемником излучения.

В большинстве способов компенсации  дисперсии, основанных на управлении передатчиком, осуществляется частотная модуляция  световых импульсов — чирпирование. Влияние предварительной частотной модуляции на длительность светового импульса описывается выражением (3.3.19). Предварительное чирпирование передаваемого импульса в большинстве случаев создается внешней фазовой модуляцией. Для осуществления внешней фазовой модуляции могут использоваться любые фазовые модуляторы [7].

Простота реализации таких методов  делает их привлекательными для применения в городских сетях связи, работающих при скорости передачи информации 2,5 и 10 Гб/с.

Устранить дисперсионное расширение сигналов на фотоприемнике удается при использовании гетеродинного приема. В когерентном приемнике поступающие  сигналы смешиваются гетеродином с опорным излучением; тем самым любые колебания фаз и амплитуды оптического сигнала передаются на электронную часть приемника. Затем становится возможной компенсация линейной дисперсии сигнала в электронной части фотоприемника.

 

Глава 5. Расчет технических  характеристик магистральной ВОЛС

В качестве приемопередающей аппаратуры предполагается использовать оборудование компании Huawei Technologies, а именно мультисервисную транспортную платформу OptiX 10G, необходимые технические характеристики которой приведены ниже.

 

5.1. Паспортные технические данные  приемопередающего оборудования  и ВОК, используемые при расчетах дисперсии и затухания

При расчете брались худшие технические  характеристики в связи с обеспечением теоретического расчета без допущений [Приложение].

Протяженность ВОЛС  Тюмень - Ялуторовск: L = 80,394 км;

Показатель преломления сердцевины: n = 1,467;

Рабочая длина волны: λ = 1,55 мкм;

Количество муфт (количество сростков): = 23;

Километрическое затухание в ОВ: = 0,24 дБ/км;

Количество разъемных соединений: = 4;

Потери на неразъемных соединениях (сростках): = 0,05 дБ;

Потери на разъемных соединениях: = 0,2 дБ;

Эксплуатационный запас для  аппаратуры: = 3 дБ;

Эксплуатационный запас для  кабеля: = 3 дБ;

Мощность источника оптического  излучения: = + 13 дБм; 

Чувствительность приемника: = - 25 дБм;

Диапазон длин волн с нулевой  дисперсией: от l₀ = 1301,5 1321,5 нм;

Максимальная величина крутизны нулевой дисперсии: S₀ = 0,092 пс/(нм²·км);

Максимальная ширина спектра излучения  источника: Δλ = 0,04 нм;

Коэффициент поляризационной модовой  дисперсии: = 0,5 пс/км^1/2.

Скорость передачи при STM-4 = 622,08 Мбит/с;

Скорость передачи при STM-64 = 9953,28 Мбит/с;

Начальная длительность импульса для  STM-4 = 401,88 пс;

Начальная длительность импульса для  STM-16 = 25,13 пс;

 и  берутся из технических условий (контрактных спецификаций) для оборудования ВОЛС.

5.2. Расчет дисперсии ВОЛС

При передаче сигналов по ВОЛС используются методы ИКМ, в результате чего передаваемая информация представляется в виде двоичных кодов - битов 1 и 0, причем 1 соответствует высокому уровню мощности, а 0 - низкому. Модулированный сигнал передается по ОВ импульсами с длительностью и скоростью передачи бит/с. В процессе распространения вследствие дисперсии происходит «размывание» импульсов, т.е. увеличение их длительности.

Если длительность полученных приемником импульсов превысит битовый интервал, то произойдет наложение соседних импульсов друг на друга, что вызовет межсимвольную интерференцию. Следовательно, приемник не сможет распознать отдельные импульсы, и в результате этого увеличится коэффициент битовых ошибок BER. Битовый интервал связан со скоростью передачи сигналов соотношением:

.        (5.2.1)

Таким образом, для нормального  функционирования ВОЛС необходимо:

• обеспечить длительность полученного импульса , не превышающую исходный битовый интервал;
• обеспечить полученную мощность равную чувствительности приемника или ввести запас, превышающий .

Вот почему при проектировании ВОЛС с большей скоростью передачи важнейшими техническими характеристиками являются дисперсия и затухание ОВ.

5.2.1. Расчет поляризационной  модовой дисперсии

Поляризационная модовая дисперсия  рассчитывается из выражения (3.4.7):

 пс.

5.2.2. Расчет хроматической  дисперсии

Предельное значение коэффициента хроматической дисперсии с учетом диапазона длин волн нулевой дисперсии определяется из следующих выражений (см.ф. 3.2.16):

     (5.2.2)

Отсюда, = 0,092·(1550 - (1301,5) /1550 )/4 = 17,92 пс/(нм·км), что соответствует техническим характеристикам, взятым из паспорта волоконно-оптического кабеля,  для длины волны   λ = 1,55 мкм [Приложение].

Отсюда можно рассчитать значение хроматической дисперсии:

17,92·0,04·80,394 = 57,63 (пс), которое определяет  увеличение длительности импульса (см. п. 3.2).

С учетом поляризационной модовой  дисперсией результирующая дисперсия  будет определяться из следующего выражения [5]:

 пс.

Т.к. битовый интервал получим:

для STM-4: = 1607,5 пс, 

для STM-64: = 100,5 пс.

Максимально допустимая величина уширения импульсов определяется из условия, что допустимая длительность импульса [9]:

.        (5.2.3)

Следовательно, при скорости передачи 622,08 Мбит/с (STM-4) допустимая длительность импульса будет пс, а при скорости передачи 9953,28 Мбит/с – пс. Начальная длительность импульсов определяется из выражения [9]:

.        (5.2.4)

Конечная длительность импульса выражается через его начальную длительность соотношением [5]:

.       (5.2.5)

Тогда длительность импульса, увеличенная  за счет дисперсии, будет:

для STM-4:

= 406,01 пс,

для STM-64:

= 63,01 пс. Т.е. при скорости передачи  9953,08 Мбит/с (STM-64), оптический импульс, уширенный вследствие дисперсии, превысит допустимую величину пс. Поэтому, чтобы по ВОК передавать сигналы STM-64, необходимо компенсировать хроматическую дисперсию в линии связи.

5.3. Расчет энергетического бюджета

Используя данные, затухание ВОЛС рассчитывается по формуле (3.1.4):

0,05·23 + 0,24·80,394 + 0,2·4 =

= 1,15 + 19,295 + 0,4 = 21,045(дБ)

Следовательно, энергетический бюджет будет [формула 3.1.4]:

+ 13 – (– 25) – 3 – 3 – 21,045 =

= 10,955 (дБм)

Полученное значение затухания  волоконно-оптической линии находится  в пределах допустимых значений, т.к. рассчитанный энергетический бюджет ( ) получился положительным.

5.4. Расчет линии связи с учетом компенсации дисперсии

Модули для компенсации дисперсии  должны удовлетворять ряду требований:

• малые потери;
• малые габариты и вес;
• малая потребляемая мощность;
• малая стоимость.

На сегодняшний день для компенсации  дисперсии применяют два метода:

• основанный на использовании DC волокна;
• на основе FBG.

Учитывая достоинства и недостатки упомянутых методов (см. п. 4.1.1 и п. 4.1.2) фирмы, занимающиеся предоставлением  услуг волоконно-оптической связи, предпочитают использовать модули компенсации с DCF.

Модули с DC волокнами удовлетворяют большинству требований, в частности не потребляют мощность и обладают небольшими габаритами и весом, и в основном используются в системах со скоростью передачи 10 Гбит/с (STM-64).

Компании Corning и Lucent Technologies в настоящее время являются основными производителями модулей с DC волокнами. В таблице 5.4 для сравнения показаны технические характеристики устройств, производимых этими компаниями [9].

Таблица 5.4. Параметры модулей с  DCF для компенсации дисперсии.

Компания	Corning			Lucent Technologies
Тип модуля	DCM-40	DCM-60	DCM-80	DK-40	DK-60	DK-80
Компенсируемая длина линии	40	60	80	40	60	80
Среднее значение PMD, пс	1,1	1,4	1,5	0,6	0,75	0,9
Вносимое затухание, дБ	5,0	6,8	8,6	5,2	7,0	7,9
Полная дисперсия, пс/нм	- 658	- 988	- 1317	- 680	- 1020	- 1360

 

В результате анализа приведенных  данных автор дипломной работы сделала  вывод, что для эффективной компенсации  дисперсии в линии связи Тюмень – Ялуторовск необходимо использовать модуль DK-80 Lucent Technologies.

Физически модуль для компенсации  дисперсии устанавливается в  стойке приемопередающей аппаратуры, один компенсатор на одно оптическое волокно. Но из-за больших потерь, вносимых модулем, его нежелательно устанавливать  на выходе оптического кабеля, т.к. это приведет к уменьшению сигнала на входе в оптический усилитель, и, следовательно, к увеличению отношения сигнал/шум.

На практике принято компенсировать дисперсию по всему линейному  тракту после каждого оптического  усилителя. Но так как в данной ВОЛС усилители входят в состав приемопередающей аппаратуры, то оптимальным является размещение модуля между оптическим усилителем передающего оборудования и оптическим кабелем.

Полная скомпенсированная дисперсия  рассчитывается с учетом раннее полученных параметров и данных из таблицы 5.4.

Полная отрицательная дисперсия  модуля компенсации:

(пс).

Следовательно, полная скомпенсированная  дисперсия в каждом ОВ линии связи  будет [9]:

(пс).

В результате, конечная длительность импульса на выходе оптического кабеля при скорости передачи = 9953,28 Мбит/с (STM-64) будет:

(пс),

что намного меньше допустимого  значения.

Поскольку компенсатор дисперсии  вносит дополнительные достаточно большие потери, необходимо рассчитать энергетический бюджет с учетом этих потерь:

  = + 13 – (– 25) – 3 – 3 –  21,045 – 7,9 = 3,055 (дБ),

где – потери, вносимые модулем компенсации дисперсии.

Таким образом, из полученных значений параметров можно заключить, что после компенсации дисперсии энергетический бюджет остается положительным, а конечная длительность импульса находится в допустимых пределах. Следовательно, передача информации со скоростью 10 Гбит/с на данной ВОЛС  становится осуществимой.

Заключение

В данной дипломной работе перед  исполнителем поставлены задачи, для  решения которых были изучены  следующие вопросы:

1. Основы теории волоконно-оптических линий связи, параметры оптического волокна и его конструкция. Конструкция волоконно-оптического кабеля, его технические характеристики.
2. Основные принципы цифровой системы передачи STM-64, основы синхронной цифровой иерархии и методы мультиплексирования информационных потоков.
3. Процессы, происходящие при распространении света в оптическом волокне. Их влияние на скорость и дальность передачи информационных сигналов.
4. Обзор методов компенсации хроматической дисперсии.

В ходе работы над дипломом из предварительных  расчетов было обнаружено, что по эксплуатируемому в настоящий момент ВОК невозможна передача информации со скоростью 9953,28 Мбит/с (STM-64) из-за значительного уширения оптических импульсов вследствие хроматической дисперсии на выходе оптического волокна. Для решения образовавшейся проблемы автором работы была предложена компенсация дисперсии специальным устройством (модулем компенсации дисперсии). Было произведено сравнение возможных методов компенсации дисперсии, и на основании соответствующих технических характеристик из предлагаемых на сегодняшний момент модулей был выбран наиболее эффективный.