Пример проектирования ВОЛТ СЦИ уровня STM-1 с одномодовым ОВ

Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

КАФЕДРА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

КОМПЛЕКСНОЕ ЗАДАНИЕ № 2

НА ТЕМУ:

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНЕРЦИОННОСТИ

ВОЛОКОННО–ОПТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА

по дисциплине «Оптические транспортные системы передачи»

Одесса 2012

Цель комплексного задания

Расчет параметров инерционности приемо-передающего оборудования и оптического волокна их влияния на длину регенерационного участка цифровой ВОСП.

Ключевые положения

Под волоконно - оптическим линейным трактом (ВОЛТ) понимают комплекс технических устройств, предназначенных для передачи оптического линейного сигнала с определенной длиной волны, компенсации затухания в среде передаче, коррекции искажений сигнала, и обеспечивающих требуемые значения коэффициента ошибок (BER) в цифровой системе передачи.

Длина участка регенерации – это максимально допустимое расстояние между передающим и приемным оборудованием ВОСП, при котором обеспечивается заданный (рекомендацией, стандартом) коэффициент ошибок. Например, для SDH BER = 10^–10.

Функциональными компонентами ВОЛТ (рис. 2.1) являются: электро-оптический преобразователь (ЭОП) –передающее устройство, среда передачи – оптическое волокно, опто-электрический преобразователь (ОЭП) – приемное устройство.

Длина регенерационного участка ВОСП может ограничиваться двумя факторами – затуханием сигнала и искажениями длительности импульсов. Поэтому при проектировании ВОСП длина участка регенерации рассчитывается и по затуханию, и по инерционности, а затем выбирается меньшее значение.

Рассмотрим, как ограничивается максимальная длина регенерационного участка с при искажениях формы импульсов.

 

 

2.1 Упрощенный подход

При упрощенном проектировании ВОСП считают, что приемо-передающее оборудование безынерционно*, а искажение длительности оптического сигнала вызывают дисперсионные процессы в оптическом волокне. Тогда максимальная дальность передачи, ограниченная дисперсией, рассчитывается исходя из эмпирического предположения, что накопленное на участке регенерации уширение импульсов не должно превышать четверти от тактового (единичного) интервала линейного цифрового сигнала

, (2.1)

где – коэффициент хроматической дисперсии, ширина спектра источника излучения, F (Гц) – тактовая частота. При упрощенном подходе, очевидно, не учитываются следующие факторы:

– инерционность (ограниченность полосы пропускания) передающего и приемного устройств;

– тип используемого цифрового линейного сигнала (NRZ, RZ или другого), а значит ширина его спектра частот.

 

2.2 Строгий подход

 

В процессе инженерного проектирования ВОЛТ необходимо учитывать как инерционность передающего и приемного устройств, так и дисперсию сигнала в ОВ, поскольку эти факторы вызывают межсимвольную интерференцию (МСИ) и наряду с затуханием ограничивают дальность/качество передачи.

Инерционность активных и пассивных компонентов цифровых ВОЛТ принято оценивать таким параметром, как время нарастания фронта импульса (ВНФИ).

1. Время нарастания ЭОП t _{н эоп} – это время, в течение которого выходная оптическая мощность P (t) нарастает с 10 % до 90 % от установившегося значения при входном сигнале в виде ступеньки тока. Принцип измерения времени нарастания показан на рис. 2.2, а. Входной ток (ток накачки i _н(t)) ЭОП заставляет оптическую мощность, излучаемую ИИ, возрастать от нуля до некоторого установившегося значения. Выходной оптический сигнал на рис. 2.2, а соответствует сигналу на выходе широкополосного приемного устройства, используемого для измерения этой мощности. Время нарастания фронта импульса и ширина полосы пропускания электрического сигнала ЭОП по уровню –3 дБ (половина от максимума) связаны следующим соотношением (для случая гауссового импульсного отклика)

f _–3дБ = 0,35/ t _{н эоп}.

 

2. Время нарастания ОЭП t _{н оэп} – это время, в течение которого фототок (ток фотодиода в нагрузке ФД i _ф(t)) нарастает с 10 % до 90 % от установившегося значения при ступенчатом изменении входной оптической мощности P (t). Принцип измерения времени нарастания приемника излучения (ПИ) показан на рис. 2.2, б. Ширина полосы пропускания электрического сигнала и ОЭП по уровню –3 дБ для случая гауссового импульсного отклика ОЭП

f _–3дБ = 0,35/ t _{н оэп.}. (1.2)

На этой частоте мощность электрического сигнала в нагрузке ОЭП равна половине от значения, полученного при очень низких частотах модуляции гармоническим сигналом, предполагая в обоих случаях одинаковую среднюю мощность оптического сигнала, поступающего на ПИ.

3. Инерционным (частотно ограниченным) элементом линейного тракта ВОСП является и среда передачи – оптическое волокно. Пусть в ОВ длиной l, км вводится оптический импульс мощностью Р ₁ и длительностью t ₁, рис. 2.3. На выходе ОВ импульсная мощность сигнала Р ₂ < P ₁ вследствие затухания, а его длительность по полувысоте t ₂ > t ₁*. Увеличение длительности импульса при его распространении по ОВ в ВОСП называют дисперсией сигнала. Чем длиннее оптический тракт, тем больше длительность сигнала на его выходе. При значительной дисперсии в цифровом линейном тракте возникает межсимвольная интерференция и, как результат, появление ошибок при регенерации.

Таким образом, в ВОСП возможно ограничение дальности (качества передачи) не только вследствие затухания, но и в следствие инерционности компонентов линейного тракта. Поэтому при проектировании длину участка регенерации рассчитывают дважды (по затуханию и по времени нарастания) и выбирают меньшее из полученных значений.

Дисперсия сигнала имеет размерность времени и определяется как среднеквадратическое значение (скз) разности длительностей импульсов на выходе t ₂ и входе t ₁ ОВ длиной l

s_скз(l) = с.

В рекомендациях и стандартах нормируются следующие параметры широкополосности ОВ:

– для ступенчатых (СОВ) и градиентных (ГОВ) многомодовых – коэффициент широкополосности К _F, МГц×км (значение ширины полосы пропускания ОВ длиной 1 км), т.е. нормирование в частотной области;

– для одномодовых – коэффициент дисперсии, пс/(нм×км) (значение уширения сигнала с шириной оптического спектра 1 нм при распространении в ОВ длиной 1 км), т.е. нормирование во временной области;

В ОВ существует несколько видов дисперсии (рис. 2.4) вызванных следующими причинами:

– отличием в траекториях направляемых мод – модовая дисперсия s_мод (присутствует в многомодовых ОВ);

– немонохроматичностью распространяющегося по ОВ излучения – хроматическая дисперсия s_хр. Немонохроматичность света проявляется двояко:
во-первых, различные спектральные составляющие света распространяются с разной фазовой скоростью, вызывая материальную дисперсию s_мат; во-вторых, направляющие свойства ОВ зависят от длины волны излучения реального источника (волноводная или внутримодовая дисперсия s_вв);

– различием в скорости распространения двух взаимно ортогональных поляризационных составляющих основной моды в одномодовом ОВ – поляризационная модовая дисперсия s_пмд. Этот вид дисперсии проявляется и подлежит учету при скорости передачи > 2,5 Гбит/с (STM-16 и выше).

В приведенном ниже алгоритме расчета (см. п.2.3) суммарная дисперсия s (временная область) сигнала в ОВ длиной l пересчитывается в параметр ВНФИ в три этапа:

– в эквивалентную ширину полосы пропускания оптического сигнала [1] (частотная область);

– затем в ширину полосы пропускания электрического сигнала;
– в эквивалентное время нарастания (временная область).

При этом принимается, что импульсный отклик длинного ОВ близок к гауссовому [1].

 

 

2.3 Алгоритм проектирования ВОЛТ по параметрам инерционности [3]

Требуемая ширина полосы пропускания электрического сигнала по уровню 0,5 от максимума мощности импульса на аналоговом выходе ВОЛТ цифровой системы передачи (ЦСП) с тактовой частотой F определяется по формулам

 

В э сист (МГц) =

[ F _NRZ(МГц)]/2 – для ЦСП с NRZ кодом,

F _RZ(МГц) – для ЦСП с RZ кодом,

F _MAN(МГц) – для ЦСП с Манчестерским кодом.

 

Требуемое время нарастания фронта импульса по значениям 0,1…0,9 на аналоговом выходе ВОЛТ (входе регенератора цифрового сигнала)

t _{н сист} (нс) = 0,35/ В _{э сист}(ГГц).

 

ВНФИ на выходе ЭОП t _{н эоп}(нс) выбирается из базы параметров ЭОП в зависимости от требуемой скорости передачи.

ВНФИ на выходе ООП (оптического волокна в кабеле длиной L _ок(км))
t _{н ооп}(нс) обусловлено хроматической и модовой дисперсией.

ВНФИ, обусловленное хроматической дисперсией,

 

t _{н хр}(нс) = çs_хр[нс/(нм×км)]ç Dl(нм)× L _ок(км),

 

s_хр – удельная хроматическая дисперсия ОВ на рабочей длине волны l, Dl – ширина спектра излучения.

Ширина полосы пропускания оптического сигнала, обусловленная модовой дисперсией

где К _F – коэффициент широкополосности многомодового (ММ) ОВ, l _с – строительная длина ОК (l _с = 2…7 км), i – число строительных длин на трассе, g – показатель степени длины, указываемый изготовителем ОК для каждого типа ММ ОВ (g = 0,5…0,9).

Ширина полосы пропускания электрического сигнала ООП, обусловленная модовой дисперсией

В _{мод эл} (ГГц) =0,71× В _{мод опт} (ГГц).

 

ВНФИ на выходе ООП, обусловленное модовой дисперсией,

 

t _{н мод}(нс) = 0,35/ В _{мод эл}(ГГц).

 

ВНФИ на выходе ООП

.

 

ВНФИ на выходе ОЭП t _{н оэп}(нс) выбирается из базы параметров ОЭП в зависимости от требуемой скорости передачи.

Суммарное время нарастания ВОЛТ

 

.

 

Сопоставляем полученное значение t _{н сум}(нс) со значением требуемого времени нарастания системы передачи

t _{н сум}(нс) £ t _{н сист}(нс). (2.2)

 

Если неравенство выполняется, то выбранные компоненты удовлетворяют системные требования по времени нарастания фронта импульса, и рассчитывается запас системы передачи по ВНФИ

 

.

 

Если неравенство (2.2) не выполняется, то выбранные компоненты не удовлетворяют системные требования по ВНФИ, и следует выбрать другую комбинацию компонентов (ЭОП, ООП и ОЭП) с меньшими значениями ВНФИ.

При наличии запаса для случая применения одномодового ОВ максимальная длина участка регенерации, ограниченная ВНФИ,

 

, км. (2.3)

 

Пример проектирования ВОЛТ СЦИ уровня STM-1 с одномодовым ОВ

Требуется выбрать компоненты синхронного ВОЛТ и рассчитать обеспечивает ли их быстродействие работоспособность системы передачи, работающей во втором окне прозрачности (1310 нм) с тактовой частотой 155,52 МГц в NRZ-коде. Длина трасы прокладки кабеля 50 км.

Выбираем компоненты тракта с параметрами, сведенными в табл. 3.1.

 

Решение

1. Ширина полосы пропускания электрического сигнала для системы передачи

 

В _{э сист} = [ F _NRZ(МГц)]/2 = 155,52/2 = 77,76 МГц.

 

2. ВНФИ на выходе системы передачи

 

t _{н сист} = 0,35/ В _{э сист}(ГГц) = 0,35/0,07776 = 4,5 нс.

Таблица 3.1 – Параметры компонентов ВОЛТ уровня STM-1 на l = 1310 нм

Параметр	Значение
Электро-оптический преобразователь – светодиод
Время нарастания ЭОП (включая процессор) Ширина спектра излучения по полувысоте	t н эоп = 2 нс Dl = 20 нм
Оптико-оптический преобразователь – стандартное одномодовое ОВ (рек. G.652)
Материальная дисперсия Волноводная дисперсия Длина прокладываемого ОК (с учетом запаса)	sмат(1310 нм) = –0,006 нс/(нм×км) sвв(1310нм) = 0,005 нс/(нм×км) L ок = 50 км
Опто-электрический преобразователь – германиевый p-i-n– фотодиод
Время нарастания (включая процессор)	t н оэп = 1 нс

3. ВНФИ на выходе ЭОП согласно данным табл. 3.1 t _{н эоп} = 2 нс.

4. Время нарастания на выходе ОМ ОВ длиной 50 км обусловлено вкладом материальной и волноводной составляющих хроматической дисперсии.

4.1. Хроматическая дисперсия согласно данным табл. 3.1

 

s_хр = |s_мат[нс/(нм×км)] + s_вв[нс/(нм×км)]|×=

–0,006 нс/(нм×км) +0,005 нс/(нм×км)] = –0,001 нс/(нм×км).

 

4.2. Время нарастания ООП, обусловленное хроматической дисперсией,

 

t _{н ооп} = t _{н хр} = ½s_р(нс/нм×км)½Dl(нм)× L _ок(км) =

½–0,001 нс/(нм×км)½×20 нм×50 км =1,0 нс.

 

5. Время нарастания ОЭП согласно данным табл. 3.1 t _{н оеп} = 1 нс.

6. Суммарное время нарастания ВОЛТ

 

нс.

7. Сопоставляя полученное значения t _{н сум} = 2,45 нс со значением требуемого времени нарастания системы передачи t _{н сист} = 4,5 нс, делаем вывод, что выбранные компоненты удовлетворяют системным требованиям по быстродействию

8. Запас системы передачи по времени нарастания

 

9. Максимально допустимая длина участка регенерации ВОСП по времени нарастания

превышает требуемую условиями задачи в несколько раз.

Результаты расчетов сведены в табл. 3.2.

 

Таблица 3.2 – Значения рассчитанных параметров ВОЛТ

 

Параметр	Символ	Значение параметра
Системное требование на ВНФИ	t н сист	4,5 нс
Время нарастания ЭОП (СД) Время нарастания ООП (ОМ ОВ) Время нарастания ОЭП (p-i-n -фотодиод)	t н эоп t н ооп t н оэп	2,0 нс 1,0 нс 1,0 нс
Время нарастания ВОЛТ	t н сум	2,45 нс < 4,5 нс
Системный запас	t н зап	3,775 нс
Максимальная длина участка регенерации по времени нарастания	L р макс	195,3 км

Выводы. Выбранные компоненты ВОЛТ удовлетворяют системным требованиям (есть запас по времени нарастания). Можно выбрать менее быстродействующие компоненты и тем самым снизить стоимость оборудования ВОЛТ. Отметим, что в этом примере использован дешевый источник излучения – светодиод, а не дорогостоящий лазер.

 

4 Ключевые вопросы

 

3.1 Дайте определение волоконно-оптического линейного тракта (ВОЛТ).

3.2 Дайте определение длинны участка регенерации.

3.3 Перечислите основные компоненты ВОЛТ и поясните их назначение.

3.4 Поясните методы измерения быстродействия активных компонентов ВОЛТ – времени нарастания фронта импульса ЭОП и ОЭП какие изиерительные приборы при этом необходимы?

3.5 Поясните метод измерения параметра быстродействия среды передачи – ОВ.

3.6 Дайте определение дисперсии сигнала в ВОСП.

3.7 Назовите причины возникновения материальной, волноводной, модовой и поляризационно-модовой дисперсии.

3.8 Дайте определение хроматической дисперсии. Поясните от параметров каких компонентов ВОЛТ она зависит и как ее можно уменьшить?

3.9 Какие виды дисперсии следует учитывать при проектировании SDH сетей?

3.10 Как рассчитываются следующие параметры ВОЛТ:

– ширина полосы пропускания электрического сигнала ВОСП;

– ВНФИ на аналоговом выходе линейного тракта;

– ВНФИ на выходе одномодового ОВ;

– суммарное время нарастания линейного тракта;

– максимально допустимая длина участка регенерации ВОЛТ по ВНФИ.

 

Комплексное задание

 

5.1 Изучите алгоритм проектирования линейного тракта ВОСП с учетом основных факторов, вызывающих линейные искажения сигналов – инерционность приёмо-передающего оборудования и дисперсии сигнала в ОВ.

5.2 Рассчитайте максимальную длину регенерационного участка L _ру по затуханию и дисперсии ВОЛТ (при расчете L _ру с учетом дисперсии использовать эмпирическую формулу (2.1)).Применяемый оптический кабель и длина волны приведены в табл. 5.1. Значение эксплуатационного запаса ∆ Р _зап, затухания разъёмного и неразъемного (сварного) стыков А _р и А _св выбрать в соответствии с действующими в Украине стандартами.

 

Таблица 5.1 – Исходные данные для выполнения КЗ (Внимание!!!! № варианта соответствует нумерации в журнале преподавателя)

№ вар.

Марка оптического кабеля

ОКЛ-3-ДА12-1*4Е-0,40Ф3,5/0,30Н19-4/0

ОКЛБ-3-ДА12-2*4Е-0,35Ф3,4/0,25Н18,5-8/0

ОКЛБГ-3-М12-1*4Е-0,37Ф3,3/0,27Н18,6-4/0

ОКЛК-3-М12-2*4Е-0,30Ф3,6/0,24Н18,9-8/0

ОКЛКК-3-ДА12-3*4Е-0,38Ф3,2/0,22Н17,7-12/0

ОКЛН-3-М12-2*4Е-0,32Ф2,8/0,26Н17-8/0

ОКЛ-3-ДА12-1*4Е-0,36Ф3,1/0,25Н16,9-4/0

ОКЛБ-3-М12-3*4Е-0,33Ф3,3/0,25Н17,5-12/0

ОКЛБГ-3-ДА12-2*4Е-0,34Ф3,0/0,21Н17-8/0

ОКЛК-3-М12-1*4Е-0,37Ф3,4/0,28Н18-4/0

ОКЛКК-3-ДА12-2*4Е-0,33Ф2,9/0,23Н16,8-8/0

ОКЛН-3-М12-3*4Е-0,38Ф3,2/0,27Н17,7-12/0

ОКСБ-3-ДА12-1*4Е-0,32Ф2,8/0,22Н17,4-4/0

ОКСБГ-3-М12-2*4Е-0,39Ф3,5/0,29Н18,7-8/0

ОКЛК-3-ДА12-3*4Е-0,31Ф2,7/0,21Н18,6-12/0

ОКЛ-3-ДА12-1*4Е-0,40Ф3,5/0,30Н19-4/0

ОКЛБ-3-ДА12-2*4Е-0,35Ф3,4/0,25Н18,5-8/0

ОКЛБГ-3-М12-1*4Е-0,37Ф3,3/0,27Н18,6-4/0

ОКЛК-3-М12-2*4Е-0,30Ф3,6/0,24Н18,9-8/0

ОКЛКК-3-ДА12-3*4Е-0,38Ф3,2/0,22Н17,7-12/0

λ, нм

∆λ, нм

0,8

0,5

1,2

0,7

1,3

1,2

1,5

1,1

1,7

0,6

0,3

0,8

5.3 Выполните расчет максимальной длины регенерационного участка по инерционности согласно алгоритма, описанного в разделе 2, используя исходные данные из табл. 5.2.

 

Таблиц 5.2 – Исходные данные для расчета длины регенерационного участка в лаборатории (№ варианта соответствует нумерации в журнале преподавателя)

 

№ варианта Параметр
ЭОП
1. ВНФИ, нс	1,8			1,5	1,9	1,6	1,7	1,8	1,3	1,9	1,4	1,7	1,5	1,1	1,2	1,8			1,5	1,9
2. Длина волны λ, нм
3. Ширина спектра излучения ∆λ, нм				0,8		0,5	1,2	0,7	1,3	1,2	1,5	1,1	1,7	0,6	0,3				0,8
ООП
4. Материальная дисперсия нс/(нм×км)	–0,007	–0,0023	–0,010	–0,025	–0,009	–0,025	–0,011	–0,030	–0,012	–0,029	–0,013	–0,027	–0,015	–0,025	–0,007	–0,007	–0,0025	–0,008	–0,025	–0,009
5. Волноводная дисперсия, нс/(нм×км)	0,0041	0,005	0,005	0,007	0,0055	0,006	0,0067	0,013	0,0088	0,012	0,001	0,006	0,0121	0,005	0,005	0,0041	0,005	0,005	0,007	0,0055
ОЭП
6. ВНФИ, нс	0,55		0,5	0,6	0,5	0,7	0,6	0,8	0,7	0,9	0,8	0,3		0,25	0,35	0,55		0,5	0,6	0,5
Параметры ВОСП
7. Длина трассы, км
8. Уровень SDH	STM-1	STM-1	STM-4	STM-4	STM-1	STM-4	STM-1	STM-4	STM-1	STM-4	STM-1	STM-4	STM-1	STM-4	STM-4	STM-1	STM-1	STM-4	STM-4	STM-1
9. Линейный код	NRZ
10. BER	10–10

5.4 Сравните результаты расчета максимальной длины участка регенерации, полученные: по эмпирической формуле (2.1), учитывающей только дисперсию в ОВ, и с учетом инерционности всех устройств линейного тракта (ПОМ, ОВ и ПРОМ). Сделайте выводы.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: