Выбор оптического кабеля и проектирование ВОЛС.

Выбор ОК для проектируемой ВОЛС осуществляют исходя из следующих ос­новных требований:

1) число оптических волокон (ОВ) в оптическом кабеле и их тип — одномодовые (ООВ), градиентные (ГОВ), многомодовые ОВ со сту­пенчатым профилем (СМОВ) —определяются требуемой пропускной способностью (с учетом развития сети на период 15—20 лет), выбранной системой передачи, которая, как правило, организуется по однокабельной однополосной системе;

2) затухание и дисперсия ОВ в ОК, зависящие от выбора длины волны и ширины полосы источника излучения, должны обеспечивать заданную (или максимальную) длину РУ и высокую экономичность ВОСП и ВОЛС, которые должны конкурировать с существующи­ми системами передачи на базе симметричных и коаксиальных кабелей;

3) защитные покровы и силовые элементы ОК должны обеспечивать необходимую защиту ОВ от механических напряжений и воздействий, достаточную надежность работы ОК. Кабель должен прокладываться примерно так же, как и большинство обычных кабелей;

4) кабели должны с малыми потерями (затуханием), достаточной легкостью и за приемлемый отрезок времени сращиваться в муфтах ОК и соединяться с помощью разъемов в полевых и станционных условиях;

5) механические и электрические свойства ОК должны соответство­вать их конкретному применению и условиям окружающей среды, включая стойкость к воздействию статистических и динамических на­грузок, влаги, содержанию ОК под избыточным воздушным давлени­ем для обеспечения достаточной надежности работы в течение проек­тируемого срока эксплуатации ОК:

6) отдельные световоды в кабеле должны быть различимы для их идентификации.

В оптических кабелях, предназначенных для коротких линий, используются три основных типа кварцевых ОВ (см. §4.7).

- Многомодовые ОВ со сту­пенчатым профилем показателя преломления (ПП) применяются на длинных ВОЛС с невысокой широкополосностью (до 20...40 МГц/ км);

- многомодовые градиентные ОВ используются на зоновых сетях и ГТС для систем передачи с широкополосностью порядка 0,4...1,6 ГГц/км;

- одномодовые ОВ со ступенчатым профилем ПП ис­пользуются для обеспечения максимально возможной широкопо-лосности ВОСП и наибольшей длины РУ.

После выбора типа ОВ и ОК производят расчет полных потерь в системе. При этом должны учитываться потери при вводе излу­чения источника в оптические волокна, в соединительных муфтах, а также дополнительные потери от колебания температуры окружаю­щей среды, из-за возникающих микроизгибов при прокладке кабеля, механического старения OB, воздействия влаги на ОВ и, наконец, в соединениях ОВ с оконечными устройствами. Для проведения этих расчетов необходимо знать не только средние значения ука­занных потерь, но и возможные случайные отклонения, т. е. желатель­но иметь данные о законах распределения случайных отклонений в ОВ, а также значения их дисперсий в строительных длинах ОК. Кро­ме того, должны быть заданы следующие параметры ОВ: эффектив­ное значение апертуры, реальный профиль показателя преломления, среднее значение затухания ОВ на выбранной длине волны источни­ка, строительная длина ОК и требуемое расстояние между ретран­сляторами или оконечными пунктами.

Требуемые длины регенерационных участков ВОЛС вы-бираются исходя из ее трассы и стоимости ВОКМ в целом. При проек­тировании РУ стремятся получить возможно большую длину что приводит к уменьшению числа НРП на ВОКМ.

Длина РУ ВОЛС определяется двумя основными параметрами пе­редачи: затуханием и дисперсией информационных сигналов. Про­тяженность РУ по затуханию а определяется по формуле, км:

(8.1)

Здесь — уровень мощности сигнала источника излучения, дБ;

— требуемый минимальный уровень сигнала на входе приемника, соответствующий заданному отношению сигнал-шум;

— потери мощности на входе ОВ;

— потери мощности на выходе ВОЛС вследствие отражения оптического сигнала от поверхности «торец— ОВ — воздух» и от поверхности приемника;

— среднеквадратическое отклонение затухания в ОВ на строительной длине ОК; т — число строительных длин кабеля ОК на РУ;

— среднее значение затухания сигнала в сростке ОВ; а₃ — запас по затуханию ОВ на РУ, принимаемый равным 3...5 дБ и учитывающий возможные случайные возрастания затухания (например, от дополнительных микроизгибов ОВ, появляющихся после прокладки ОК);

— среднее значение километрического затухания ОВ на заданной длине волы, дБ/км.

Если полученное значение _ру, то рассматриваемые типы ОВ и ОК подходят для проектируемой ВОЛС. Если же то необходимо в проекте предусмотреть мероприятия по уменьшению потерь в ОК. К числу этих мероприятий относятся: груп­пирование волокон в нескольких муфтах РУ с целью выравнивания значений затухания ОВ, что приводит к уменьшению (см. § 9.4); ус­тановка фоконов и микролинз для снижения потерь на входе ОВ (т. е. ); использование антиотражающих покрытий или иммерсионных жидкостей для уменьшения потерь на отражения от соответствующих площадок источников излучения, фотодетекторов и оптических воло­кон; рациональный выбор длины волны источника, при которой зна­чения параметров и минимальны;

повышение требований к качеству монтажа муфт ОК. и прокладки кабеля с целью снижения потерь и Если эти мероприятия не приводят к увеличению до требуемого значения, то сокращают длину до

Расчет длины РУ по значению дисперсии производится с целью определения совместимости полосы пропускания кабеля с требуемой ско'ростью передачи информации. Отметим, что для современных кварцевых ОВ, используемых на высоких скоростях передачи инфор­мации, длина РУ обычно ограничивается величиной

Расчет начинается с определения допустимого значения

дисперсии которое зависит от системы передачи (скорости пере­дачи ЦСП) и требуемого значения отношения сигнал-шум. В частнос­ти, обычно принимают, что если среднеквадратическая ширина им­пульсов (с учетом уширения от дисперсии) оказалась меньше интервала между импульсами, то дисперсионные эффекты можно не учитывать. При ширине импульсов более указанного интервала появляются значительные межсимвольные помехи, затрудняющие возможность различения соседних сигналов, возрастают уровни шумов в системе, что приводит к уменьшению чувствительности приемника и возрастанию вероятности ошибки.

Дисперсия ступенчатых многомодовых оптических волокон (СМОВ) определяется в основном межмодовой дисперсией, среднее значение которой оценивается уравнением, с/км:

(8.2)

а ее максимальное значение

(8.3)

где — относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки СМОВ; с — скорость света в вакууме; — показатель преломления сердцевины ОВ. Значения т_дСМОВ для кварцевых СМОВ находятся в пределах 12...50 нс/км, что позволяет использовать их для организации ЦСП типов ИКМ-30 и ИКМ-120 при' Зависимость дисперсии СМОВ от длины РУ определяется качеством оптического волокна. Для идеальных ОВ дисперсия с увеличением длины ВОЛС возраста­ет линейно, а в нерегулярных ВОКМ, в которых вследствие наличия неоднородностей наблюдаются перемешивание и фильтрация мод, дисперсия определяется формулой

(8.4) где q = 0,5...0,65.

 

Таким образом, зная значение дисперсии, -можно определить сред­нюю длину РУ для реальных (нерегулярных) ОВ по формуле, км:

(8.4а)

где — допустимое значение дисперсии; = 1 км.

Дисперсия градиентных оптических волокон (ГОВ) также вызы­вается в основном межмодовой дисперсией. Ее значения в очень сильной степени зависят от соблюдения оптимального профиля пока­зателя преломления. Так, если для идеальных ГОВ с оптимальным профилем показателя преломления п(r) = п1[1 —2^(г/а)^{2(1-^)}]'^/2

(8.5)

то при имеем

(8.6)

При настоящем уровне технологии производства ГОВ среднее зна­чение рекомендуется оценивать формулой, с/км:

(8.7)

Сопоставляя выражения (8.2) и (8.7), находим, что т. е. в 20 раз меньше, чем в СМОВ, и равна примерно 0,6...2 нс/км. Вместе с тем по мере совершенствования технологии производства заготовок, позволяющих с более высокой точностью аппроксимиро­вать, оптимальный профиль ГОВ, можно ожидать уменьшения гов в 3...5 раз. Случайные составляющие дисперсии ГОВ в отличие от СМОВ могут принимать большие значения: у 5...10 % числа испы­туемых ОВ они достигают ±(35...50) % величины дисперсии.

В одномодовых оптических волокнах (ООВ) межмодовая диспер­сия отсутствует, а широкополосность определяется хроматической дисперсией, являющейся алгебраичес кой суммой материальной и волноводной дисперсий (см. гл. 4). Среднее значение дисперсии ООВ колеблется в пределах 10...20пс/км, а на длинах волн 1,33 и 1,5 мкм, соответствующих минимальным значениям затухания, в ря­де конструкций ООВ оно может составлять 1...2 пс/км за счет компен­сации вышеуказанных составляющих хроматической дисперсии, дос­тигаемой оптимизацией относительного показателя преломления Д. Широкополосность ООВ принимает значения ГГц-км-нм.

Дисперсия ООВ увеличивается пропорционально ширине излуче­ния источника Современные полупроводниковые лазеры имеют в среднем полосу излучения порядка 1...3 нм. Кроме того, при вы­соком быстродействии в ОВВ возникает шум разделения мод, что приводит к снижению его широкополосности до 150...300.ГГц-км. Эллиптичность сердцевины ООВ вызывает дальнейшее уменьшение широкополосности за счет поляризации основной моды НЕ11. В ре­зультате этого появляются случайные составляющие дисперсии и в ООВ (см. гл. 4).

 

 

С увеличением длины линии дисперсия ООВ также возрастает (линейно):

(8.8)

где — среднее значение дисперсии, с/км, определенное по пас-

портным данным.

При т строительных длин ОК

(8.9)

При отсутствии в паспорте значения в проекте необходимо предусмо- треть измерение этой величины.

Другой причиной появления случайных составляющих дисперсии ООВ при длинах волн 1,3 или 1,55 мкм и очень высоких скоростях передачи являются небольшие отклонения длины волны излучателя от номинала, что приводит к нарушению компенсации материальной и волноводной дисперсий и к существенному относительному возрас­танию суммарной дисперсии.

Если дисперсия сигналов на длине РУ превышает требуемое зна­чение, то в проекте строительства ВОЛС предусматривают меры, по­зволяющие уменьшить Основными из них являются: группиро­вание ОВ и ОК при монтаже ВОЛС с целью уменьшения случайных отклонений; выбор источников с возможно меньшими значениями 6А, и со средними значениями (основной длины волны полупроводни­кового лазера), близкими к А,_опт, на которой осуществлялась оптими­зация ОВ по минимуму дисперсии; оптимизация параметров кода ЦСП; применение оптимальных корректоров в приемных устройствах ретрансляторов; обеспечение минимальных уровней шумов фото­детекторов.

На рис. 8.1 приведена схема последовательности расчета и выбо­ра решений при проектировании ОК для ВОЛС большой протяжен­ности. Такие схемы расчета могут быть запрограммированы для каждого элемента проектируемой системы и введены в вычислитель­ную машину на основе набора данных о реальных параметрах существующих серийных или уникальных элементов, включая и пас­портные данные о параметрах передачи оптического волокна ОК.

Основное преимущество проектирования с помощью ЭВМ состоит в возможности анализа большого числа вариаций и выбора наилуч­шего из них.

Для внутриобъектовых сетей, характеризующихся малой протя­женностью ВОЛС (от десятков метров до 2 км), большим числом терминалов и относительно невысокой скоростью передачи информа­ции (порядка 3...10 Мбит/с), часто применяются ОК. с полимерными одноволоконными или жгутовыми световодами. Затухание и диспер­сия этих световодов в 3...5 раз, а апертура в 2...3 раза больше, чем у кварцевых СМОВ. В качестве источников излучения в подобных сетях используют, как правило, СИД.

Проектирование передатчика.

Проектирование передатчика за­ключается в основном в определении типа источника излучения и схе­мы модуляции.

При выборе источника передатчика учитывают следующие па­раметры: оптическую мощность источника; длину волны и спектральную ширину излучения; скорость и линейность отклика; температур­ную нестабильность и эффективность схемы температурной ком­пенсации.

Значение оптической мощности источника определяется требуе­мым уровнем сигнала в блоке приемника с учетом всех потерь в ОК и на стыковку элементов. Длина волны выбирается вблизи длин волн, соответствующих минимальным значениям затухания ОВ, а для ООВ с учетом оптимальных длин волн, при которых дисперсия этих ОВ принимает значения, близкие к нулю. Кроме того, необходимо также учитывать спектральную чувствительность детектора.

Требо­вания к спектру источника ограничиваются в основном шириной полосы пропускания ВОЛС и требуемой скоростью передачи.

Требования к скорости и линейности отклика источника излуче­ния зависят от системы передачи. При организации АСП основные требования предъявляются к линейности модуляционной характерис­тики источника, которая зависит от допустимого уровня искажения сигналов.

Для выполнения этих требований в связи с относительно невысокой линейностью источников излучения приходится ограничи­вать мощность источника, информационную полосу сигналов, а также предельную длину ВОКМ (обычно двумя — тремя РУ). При исполь­зовании цифровой модуляции необходимо учитывать быстродействие источника излучения и выбранный способ кодирования.

 

 

После выбора источника излучения и схемы модуляции проверяют достаточность вводимой в ОВ оптической мощности, а затем рассчи­тывают и фиксируют следующие параметры: отношение сигнал-шум, потребляемую мощность и влияние изменения температуры на мощ­ность излучаемого сигнала.

При необходимости в проекте передатчика следует предусмотреть меры по температурной компенсации изменений така питания источ­ника с помощью соответствующей схемы обратной связи или точного регулятора тока, а также мультиплексирование. Мультиплексирова­ние осуществляется для увеличения информационной емкости ОК путем объединения сигналов от двух или нескольких передатчиков в один групповой сигнал. Это объединение производят до или после преобразования оптических сигналов в электрические.

На рис. 8.2 представлены простейшие варианты объединения двух сигналов в одном ОВ.

При мультиплексировании электрических сигналов (рис. 8.2, а) две серии импульсов, поступающих со входов А и В, с помощью муль­типлексора М объединяются в определенной последовательности в один групповой сигнал. Групповой сигнал в оптическом передатчике Пер модулирует оптический сигнал, направляемый в ОВ. В оптичес­ком приемнике Пр сигнал вновь превращается в электрический. В демульти- плексоре ДМ этот сигнал разделяется на две серии импуль­сов, тождественных входным, которые передаются на входы

При мультиплексировании оптических сигналов (рис. 8.2, б) две серии электрических импульсов со входов А и В поступают в опти­ческие передатчики и обычно объединенные в один блок, где модулируют оптические несущие с длинами волн соот­ветственно. Волоконно-оптический разветвитель Р (см. гл. 6) объеди­няет монохроматические световые потоки в групповой поток, который проходит по ОВ в блок оптического приемника Пр. В этом блоке групповой оптический сигнал разделяется на два монохроматических потока с длинами волн которые затем в блоках преобразо­вания превращаются в электрические сигналы.

 

 

В линиях без регенераторов одно ОВ можно использовать в режиме многоканальной связи во встречных направлениях (дуплекс­ная система) на различных оптических несущих (рис. 8.2, в). Разделение встречных сигналов на концах оптических линий осущест­вляется с помощью оптических разветвителей Р и полосовых оптичес­ких дифракционных фильтров которые разделяют оптичес­кие сигналы с длинами волн соответственно. Возможны и другие конструкции демультиплексоров (см. гл. 6).

Проектирование приемника.

Фотоприемники выпускаются в виде отдельных элементов или модулей, состоящих из фотодиода и предусилителя. Современные модули легки, миниатюрны, надежны, имеют хорошие частотные характеристики и низкий уровень шума. Их но­менклатура постоянно расширяется. Большинство существующих приемников имеет в области максимальной чувствительности относи­тельно узкую полосу пропускания (порядка 30 МГц) и предназначе­ны для работы в области волн 0,8...0,9 мкм. Для более длинноволно­вой области спектра (1,3...1,6 мкм), в которой значения параметров кварцевых ВОЛС близки к оптимальным значениям, детекторы менее совершенны и являются предметом исследований и опытно-конструк­торских работ. Для передачи информации с высокими скоростями, как правило, приходится разрабатывать приемники с учетом приме­нения их в заданных условиях, включая и особенности окружающей среды. Эти условия фиксируются на этапе определения системных требований и ограничений к проектируемому приемнику. Одним из основных вопросов при проектировании приемника является решение вопроса об использовании цифровой или аналоговой модуляции. Пос­ле выбора и расчета схемы (см. гл. 6) модулятора производят расчет уровня шума приемника в полосе частот сигнала принятой системы передачи. В ходе определения уровня шума учитываются все его компоненты, а также возможность ослабления шумов за пределами полосы частот передаваемых сигналов. На основании этих расчетов оценивается отношение сигнал-шум на входе системы.

Выбор конкретного типа фотодетектора осуществляется по задан­ному значению рабочей длины волны, уровню сигнала на входе фотодетектора, допустимых нелинейных искажений и дополнитель­ных шумов. Выбранный тип или модуль детектора должен обеспечи­вать максимальную мощность электрического сигнала при заданной оптической мощности, высокую надежность и стабильность основ­ных характеристик при заданных условиях эксплуатации, иметь не­большие размеры и невысокую стоимость. В настоящее время этот выбор ограничивается в основном двумя типами фотодетекторов: p-i-n и ЛФД. В табл. 8.3 приведены средние значения основных параметров этих фотодетекторов.

После определения источника излучения и фотодетектора выби­рают предуси-литель из следующих двух типов: интегрирующий на полевых (ПТ) или биполярных (БТ) транзисторах и с изменяющейся обратной связью. При малых скоростях передачи информации часто используют интегрирующие усилители на ПТ, а при высоких скорос­тях (100 Мбит/с и выше)—интегрирующие усилители на БТ.

Для достижения высокой чувствительности приемников в диапа­зоне 1,3...1,6 мкм с p-i-n детекторами необходимы усилители со сверхнизким уровнем шумов. С этой целью в настоящее время исследуются ПТ на основе GaAs в сочетании с диодами на ос­нове GaAs.

Установив уровень шумов, рассчитывают минимальный уровень детектируемого сигнала, который определяется наименьшей величи­ной оптической мощности принимаемого сигнала, генерирующего ток, равный шумовому току в полосе частот сигнала. Затем вычисляют мощность сигнала, обеспечивающую заданное отношение сигнал-шум. Если результаты расчетов показывают, что требуемых уровней сигнала достичь не удается, то следует выбрать лучший фотоде­тектор либо изменить рабочую полосу частот сигналов.

Следующий этап проектирования приемника состоит в рассмотре­нии динамического диапазона ретранслятора. На этом этапе определяется не только динамический диапазон ретранслятора при нормаль­ных условиях его работы, учитываются влияния изменяющихся факторов окружающей среды:

□ различия в длине линий свя­зи между ретрансляторами и терминалами;

□ изменения технических характеристик компонентов и параметров передачи ВОЛС во време­ни;

□ колебания температуры окружающей среды;

□ влияния внешних электромагнитных полей, включая засветку фотодетектора и электрическую схему приемника.

При расчете характеристик приемника обычно предусматривают­ся наихудшие варианты изменения параметров системы. Если ожи­даемые изменения технических характеристик приемника недопусти­мо велики, то в проекте предусматриваются мероприятия по их ста­билизации. Примерами таких мероприятий являются:

□ установка схе­мы температурной стабилизации;

□ предусмотрение определенного за­паса динамического диапазона и ширины полосы приемника;

□ вве­дение защитных устройств от влияния внешних электромагнитных по­лей, влаги, механических нагрузок (например, вибраций, возникаю­щих на летательных аппаратах) и т. д.

Литератур: Осн. 2 [ 282-297 ]

Доп. 6 [ 258-274 ]