Понятие энергетического потенциала ВОСП. Расчёт длины регенерационного участка

 

При передаче сигнала по ОВ величина ослабления и искажений зависит от длины участка регенерации l_уч. При увеличении l_уч уровень оптического сигнала p_пр падает плавно на строительных отрезках ОВ и скачком в точках их соединений. Для восстановления сигнала необходимо, чтобы на входе приёмного тракта уровень сигнала p_пр ³ p_{пр min,} где p_{пр min} - минимальный уровень приёма оптического излучения, при котором происходит полное восстановление сигнала, т.е. можно записать:

p_пер - а_в - n_ра_р - n_на_н - al_уч ³ p_пр, (4.1)

где p_пер - уровень сигнала на выходе станции, а_в - потери при вводе и выводе излучения в волокно; а_р, а_н – потери в разъёмных и неразъёмных соединениях на длине регенерационного участка, a -коэффициент затухания оптического волокна. Современные сварочные аппараты обеспечивают потери в неразъёмных соединениях от 0,01 до 0,1 дБ. Потери в лучших образцах разъемных соединителей (оптических коннекторах) составляет 0,35-0,5 дБ на одно соединение. Потери при вводе и выводе излучения в волокно составляют порядка 3 дБ.

Одной из самых важных характеристик ВОСП является значение энергетического потенциала Э. Это максимальное затухание оптического тракта между станциями, при котором ещё происходит полное восстановление сигнала на приёме. Энергетический потенциал рассчитывается по формуле:

Э = pпер - ав - pпр, (4.2)

Зная энергетический потенциал системы, можно рассчитать длину регенерационного участка ВОСП по формуле: lуч = (Э - nрар - nнан) / a.

Задача 1. ВОСП длинной 100 км работает на длине волны 1,55 мкм. В линии используется одномодовое ОВ с затуханием a=0,25 дБ/км. Строительная длина кабеля = 2 км, потери на каждой сварке – 0,05 дБ. Потери в оптических разъёмах, установленных на конце кабеля с каждой стороны составляют по 0,5 дБ. Мощность сигнала на выходе ППЛ pпер = 0 дБ. Возникает вопрос, можно ли использовать в качестве приёмника оптического сигнала PIN-фотодиод или необходимо использовать ЛФД? При этом известно, что минимальный уровень оптического сигнала на входе PIN-фотодиода pпр min = -28 дБ, а тот же параметр у ЛФД pпр min = -35 дБ.

Решение: Число строительных длин кабеля равно 100/2=50. Число сварок на одну меньше – 49. Суммарные потери на сварках составят 49×0,05 = 2,45 дБ. Потери в ОВ составят 100×0,25 = 25 дБ. Тогда уровень оптического сигнала на входе фотоприёмника составит 0 – 25 – 1 – 2,45 = -28,45 дБ. Эта цифра ниже минимально допустимого уровня на входе PIN-фотодиода pпр min = -28 дБ, что приведёт к повышенному коэффициенту ошибок, что означает необходимость использования для данной линии ЛФД.

Задача 2. ВОСП длинной 160 км работает на длине волны 1,55 мкм. В линии используется одномодовое ОВ с затуханием a=0,25 дБ/км. Строительная длина кабеля = 2 км, потери на каждой сварке – 0,05 дБ. Потери в оптических разъёмах, установленных на конце кабеля с каждой стороны составляют по 0,5 дБ. Мощность сигнала на выходе ППЛ pпер = 0 дБ. В качестве приёмника оптического сигнала используется PIN-фотодиод, pпр min = -28 дБ. Возникает вопрос, достаточно ли использовать оптический усилитель на выходе передатчика или необходимо установить ещё предусилитель на входе приёмной станции? Усиление каждого из усилителей равно 17 дБ.

Решение: Число строительных длин кабеля равно 160/2=80. Число сварок – 79. Суммарные потери на сварках составят 79×0,05 = 3,95 дБ. Потери в ОВ составят 160×0,25 = 40 дБ. Оптический усилитель, включённый на выходе ППЛ, усилит сигнал до величины +17 дБ. Тогда уровень оптического сигнала на входе фотоприёмника составит +17 – 40 – 1,5 – 3,95 = -28,45 дБ. Эта цифра ниже минимально допустимого уровня на входе PIN-фотодиода pпр min = -28 дБ. В этом случае придётся включить на входе приёмной станции предусилитель, что даст увеличение чувствительности фотоприёмника до величины минус 45 дБ (-28-17).

 

Измерение затухания оптического сигнала в ОВ

 

Во время строительства, монтажа и эксплуатационного обслуживания линий волоконно-оптической связи, а также в процессе профилактических проверок и настроечных работ для измерения оптических потерь используют специальные приборы - оптические тестеры и оптические рефлектометры.

Оптические тестеры, или измерители оптических потерь предназначены для измерения среднего уровня мощности оптического излучения на рабочих длинах волн волоконно-оптических линий (850, 1300 и 1550 нм) и определения затухания сигнала в кабелях и отдельных компонентах линии. Тестеры могут работать как с многомодовыми, так и с одномодовыми ОВ. В состав оптического тестера входят два основных прибора : измеритель оптической мощности и источник излучения. Способ измерения затухания оптического сигнала с помощью оптических тестеров достаточно прост, но он не показывает, произошло ли затухание по всей длине волокна, либо это затухание, локализованное в одном поврежденном месте. Он не показывает, в каком месте кабеля возникла неоднородность.

В связи с этим широкое распространение получили специальные приборы – оптические рефлектометры – Optical Time Domain Reflectometer (OTDR). Благодаря своей универсальности, так как обеспечивают одновременное определение целого ряда важнейших параметров ОК: мест неоднородностей и повреждений, потерь в местах соединений, затухания и расстояний до мест соединений, длин ОВ и т.д 90% всех измерений выполняется именно этим прибором, который является очень дорогим. Единственное, что нужно ОТДР для произведения замеров – это подключение его к одному концу волокна.

Принцип работы ОТДР

 

Работа ОТДР напоминает работу радара. Он посылает короткие световые импульсы и измеряет время, требуемое для получения отражённого сигнала. В случае радара, это может быть импульс, отражённый от корабля или самолёта. В нашем случае ОТДР излучает световой импульс, который распространяется вдоль волокна до тех пор, пока не встретит какое-то препятствие. Возвращённый сигнал состоит из обратно рассеянного света вдоль волокна и света, отражённого от дефектов волокна. ОТДР представляет результаты измерений в форме следа (графика) затухания на дисплее.

Оптический рефлектометр использует эффект Рэлеевского рассеивания и отражения Френеля для измерения характеристик оптического волокна. Путем подачи импульса света по волокну, измерения времени прохождения («time domain» в ОТДР) и силы отражения («reflectometer» в ОТДР) в точках внутри волокна он вычерчивает траекторию характеристик («trace») расстояния по отношению к уровню отраженного сигнала на дисплее.

Траектория может быть сразу же проанализирована, напечатана для анализа в будущем. Обученный оператор может точно определить, где находится другой конец волокна, местонахождение и потери на сварке, потери всего волокна.

При прохождении по материалу (такому, как оптическое волокно) свет сталкивается с материалом другой плотности (таким, как воздух), некоторая часть света до 4% отражается обратно, в сторону источника света, в то время как остальная часть света проходит дальше. Такие изменения в плотности встречаются на концах волокон, на обрывах волокон и (иногда) в местах сварки.

Отражение зависит от величины изменения в плотности материала, характеристикой которого является коэффициент преломления, чем больше коэффициент преломления, тем выше плотность, и угла, под которым свет ударяется о границу между двумя средами. Волокно, отражающее свет, оставляет впечатление среды с откликом в виде прямой линии с постоянным наклоном. Прямая линия представляет обратное рассеяние от неоднородностей волокна. Вдоль следа наблюдаются ступеньки. Ступенька – это мгновенное изменение мощности. Большинство из этих ступенек, видимые вдоль следа ОТДР, представляют сварные сростки. Ступенька также может быть результатом света, отражённого от микроизгиба волокна.

Поскольку исходный импульс становится слабее при прохождении по волокну (в силу Рэлеевского рассеивания, вызывающего потери), возвращенный уровень обратного рассеивания также становится слабее с удалением от ОТДР. Поэтому данные обычно имеют уровни, уменьшающиеся от начала к концу. Но в случае отражения, уровень мощности резко идет вверх до максимального уровня в соответствующей точке данных до этого места, а именно, над уровнем обратного рассеивания, прямо перед ним.

Первая точка данных (рисунок 4.2) высвечивается с левого конца кривой, как начальная точка волокна. Ее вертикальная позиция основана на уровне мощности возвращенного сигнала: чем выше мощность, тем выше расположение кривой на экране. Следующие точки данных размещаются правее. В результате кривая вычерчивается в виде наклонной линии, идущей с верхнего левого угла по направлению к нижнему правому. Наклон линии по­казывает значение потерь на единицу длины (дБ/км). Резкие наклоны означают большее значение километрического затухания. Точки данных, относящиеся к уровню обратного рассеивания, составляют линию. Отражение выглядит в виде резкого подъема над уровнем обратного рассеивания. Внезапный скачок подъема или спуска уровня обратного рассеивания показывает «точку потерь», что говорит либо о месте сварки, либо о точке механического воздействия на волокно, в которой свет выходит наружу.

 

Оператор может работать с курсорами на экране для выбора любой точки данных на траектории волокна. Когда курсор находится на какой-либо точке данных, на экране высвечивается расстояние до этой точки. ОТДР с двумя курсорами покажет расстояние до каждого курсора и разницу в уровне обратного рассеивания между ними. Результаты измерений выводятся на дисплей.

ЛИНЕЙНЫЕ КОДЫ ВОСП

 

 

Требования, предъявляемые к линейному сигналу ВОСП:

1) Возможность восстановления из линейного сигнала импульсов тактовой частоты для нормальной работы регенераторов, а также для запуска ГО приёма.

2) Число следующих друг за другом одноимённых символов 0 или 1 должно быть минимальным.

3) Спектр кода должен быть узким и ограничен по частоте как снизу, так и сверху.

4) Код должен быть сформирован так, чтобы при передаче по ОВ межсимвольные помехи были минимальными.

5) Линейный код должен отображать любую двоичную последовательность (в том числе последовательность с большим числом следующих друг за другом одноимённых символов).

6) Аппаратурная реализация преобразователей кодов должна быть простой по схемотехнике.

На рисунке 5.1 представлена классификация кодов ВОСП.

.

Рисунок 5.1 – Классификация кодов ВОСП

 

1) Код NRZ (Non Return to Zero) - без возвращения к нулю. Его название отражает то обстоятельство, что при передаче последователь­ности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод NRZ прост в реализации, но в этом сигнале возможно появление длинных серий нулей или единиц, что может привести к выходу системы из синхро­низма. Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей в его спектре (рисунок 5.3). В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, например, код NRZ скремблированный.

Коды группы 1В2В

 

Рисунок 5.2 – Коды 1В2В

 

Под линейными кодами 1В2В понимают коды, в которых один бит исходного сигнала преобразуется в комбинацию из двух битов. Эти коды используются при сравнительно низких скоростях передачи и на коротких линиях связи. Существует значительное число их разновидностей:

а) бифазный абсолютный BI-L (Biphase-Level);

б) с инверсией групп символов CMI (Complemented Mark Inversion.

в) модифицированный CMI - МCMI.

Во всех трёх кодах “0” передаётся кодовым словом “01”. “1” в коде BI-L передаётся кодовым словом “10”. а в коде CMI «1» передаётся поочерёдной передачей кодовых слов «11» и «00».

Код МCMI формируется из кода HDB-3 согласно алгоритму, приведённому в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Формирование кода МCMI

HDB-3	-1		+1
MCMI

Рисунок 5.3 - Спектры кодов типа 1В2В

К достоинствам кодов 1В2В относят малое число последовательностей одинаковых символов, простые схемы кодеров/декодеров, устойчивый тактовый синхронизм и возможность контролировать величину вероятности ошибки достаточно простыми средствами. Коды 1В2В применяются при скоростях не более 10-12 Мбит/с.

Коды mBnB

В этих кодах вместо m двоичных символов импульсной последовательности формируется n двоичных символов. При этом m 2, а n>m. Широкое применение получили коды: 2В4В, 4В5В, 5В6В, 8В10В. Данные коды обладают избыточностью, введение избыточности сопровождается увеличением тактовой частоты линейного сигнала.

(5.1)

Увеличение f_л означает расширение спектра сигнала в ОВ, что увеличивает дисперсию и при широкополосных исходных сигналах (типа телевизионных) может привести к сокращению дальности связи.

 

Таблица 5.2 - Алгоритм формирования кода 5В6В

Исходный сигнал	Разрешенные кодовые комбинации	Запрещенные кодовые комбинации	Исходный сигнал	Разрешенные кодовые комбинации	Запрещенные кодовые комбинации

 

В таблице 5.2 представлен алгоритм формирования кода 5В6В. Разрешённые кодовые комбинации в коде 5В6В не содержат более трех нулей подряд, что обеспечивает устойчивый тактовый синхронизм приёмной станции.

Код скремблированный NRZ

Скремблирование – преобразование двоичного сигнала без изменения скорости передачи информации с целью исключения длинных серий нулей или единиц. Метод скремблирования основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на ли­нии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble — свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоич­ные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. В простейшем случае на передающей станции с помощью скрэмблера к двоичным символам передаваемого сигнала в коде NRZ по правилам двоичной арифметики прибавляется некоторая псевдослучайная двоичная последовательность - ПСП. В результате формируется линейный сигнал (NRZ скремблированный), в котором отсутствуют длинные серии нулей или единиц.

 

Таблица 5.3 – Алгоритм формирования кода NRZ скремблированный

Исходный цифровой поток

ПСП

NRZ скремблированный

 

На приёмной станции с помощью дескрэмблера поступивший сигнал снова складывается с той же ПСП, в результате чего формируется исходный сигнал.

Код скремблированный NRZ применяется в большинстве ВОСП: в аппаратуре SDH при передаче потоков STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, в отечественной плезиохронной аппаратуре ТЛС-31производства пермского завода - Морион, FlexGain FOM4 и многих других ВОСП.