2.3 Розрахунок довжин підсилювальних ділянок

У процесі інженерного проектування волоконно-оптичного лінійного тракту необхідно враховувати загасання сигналу, інерційність передавального і приймального пристроїв (обмеженість за частотою), а також дисперсію сигналу у ОВ, оскільки ці фактори викликають міжсимвольну інтерференцію і поряд з загасанням обмежують дальність/якість передачі.

Під волоконно-оптичним лінійним трактом (ВОЛТ) розуміють комплекс технічних пристроїв, призначених для передачі оптичного лінійного сигналу з певною довжиною хвилі, компенсації загасання в середовищі передачі, корекції спотворень сигналу, які забезпечують необхідні значення коефіцієнта помилок (ВЕR) у цифровій системі передачі.

Основними функціональними компонентами ВОЛТ є: електрооптичний перетворювач (Е/О) - джерело випромінювання; середовище передачі у вигляді оптичного волокна; оптоелектричний (О/Е) перетворювач - приймач випромінювання [4].

Для визначення довжини підсилювальної ділянки за загасанням складається бюджет потужності ВОЛТ.

Виконується розрахунок бюджету потужності для ділянки передачі довжиною 59,9 км.

Для забезпечення необхідної дальності передачі планується робота в третьому вікні прозорості (довжина хвилі 1550 нм), а також встановлення на передачі бустера з посиленням по потужності 17 дБ.

Одномодове оптичне волокно на довжині хвилі 1550 нм має коефіцієнт загасання α = 0,22 дБ/км.

Згідно з рекомендацією ITU-T G.671 втрати, внесені WDM-мультиплексорами/демультиплексорами визначаються за формулою:

, (2.1)

де n – кількість вхідних портів мультиплексора або вихідних портів демультиплексорів.

Мультиплексори/демультиплексори платформи XDM-1000 обробляють до 80 портів, тому n = 80.

.

Втрати потужності в оптичному фильтрі (Aф) дорівнюють 1,5 дБ. Тоді втрати, що вносяться обладнанням DWDM:

.

Використовується джерело випромінювання – одномодовий лазерний діод з резонатором Фарбі-Перо з максимальним рівнем потужності передачі 0 дБм (згідно рекомендації ITU-T G.657) з інтегрованим бустером ( потужність 17 дБм ).

Тоді рівень потужності передавального пристою становить:

0 + 17 = 17 дБм .

Застосовується приймальний пристрій з p-і-n фотодіодом, який має потужність -28 дБм для BER = . Використовуємо передпідсилювач з підсилюванням по потужності 12 дБм.

Бюджет потужності апаратури визначається, як різниця між рівнем потужності передачі джерела випромінювання і рівнем чутливості приймального пристрою:

Q = 17 – ( - 28 - 12 ) = 57 дБ .

Втрати в оптичному волокні визначається за формулою:

, (2.2)

де α = 0,22 дБ/км – коефіцієнт загасання оптичного волокна (ОВ).

Lок – довжина кабелю.

.

Кількість зварювальних з’єднань для секції визначається за формулою:

Підставляючи чисельні значення в формулу (2.3), визначаемо кількість стиків, що вносять 0,1 дБ кожен:

У лінійному тракті є шість роз’ємних з’єднань:

а) на виході лазерного діоду;

б) на виході DWDM-мультиплексора;

в) на вході ОВ в DWDM-демультиплексорі;

г) на виході DWDM-демультиплексора;

д) на виході оптичного фільтра (вході оптичного підсилювача (ОП), який інтегровано з пристроєм прийому).

Загасання, що вносяться одним роз’ємних стиком становить 0,5 дБ, тоді загасання, що вносяться стиками складає:

Експлуатаційний запас ВОЛТ за потужністю приймається рзап = 4,8 дБ згідно з рекомендацією ITU-T G.957 [4].

Загасання, що вноситься компенсаторами дисперсії в залежності від типу має наступні значення:

3 дБ – при еквівалентній довжині секції в 20 км,

5 дБ – при еквівалентній довжині секції в 40 км,

9 дБ – при еквівалентній довжині секції в 80 км.

При розрахунках секції загасання Теплодар – Роздільна, довжина якої складає 59,9 км, використовуються компенсатори дисперсії 40 км + 20 км і загасання, що вносяться складає:

Акопм = 3 + 5 = 8 дБ.

Загальне загасання ВОЛТ з урахуванням експлуатаційного запасу становить:

Аволт = АDWDM + Ат + Азв + Ар + рзап + Aкомп. (2.3)

Підставляючи чисельні значення в формулу (2.3), отримаємо результати:

Аволт = 20,5 + 13,1+ 1,4 + 3+ 4,8 + 8 = 50,8 дБ .

Надлишок запасу визначається:

Q – Аволт = 57 – 50,8 = 6,2 дБ .

Аналогічно розраховується бюджет потужності для інших ділянок проектованої мережі зв’язку. Дані розрахунку зводимо в таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Розрахунок бюджету потужності ВОЛП

Найменування ділянки мережі зв’язку	Одеса - Теплодар	Теплодар - Роздільна	Роздільна - Радісне	Радісне - Березівка	Березівка -Комінтернівське	Комінтернівське – Одеса
Довжина ділянки зв’язку, км	38,3	59,9	43,8	59,8	47,1	46,5
Рівень потужності ДВ , дБм	0	0	0	0	0	0
Інтегрований в ПП бустер з посиленням по потужності, дБм	17	17	17	17	17	17
Рівень потужності передавального пристрою, дБм	17	17	17	17	17	17
Рівень чутливості р-і-n фотодіоду для BER= , дБм	-28	-28	-28	-28	-28	-28
Інтегрований в ПрП перед підсилювач з посиленням по потужності, дБм	0	12	0	12	0	0
Рівень чутливості приймального пристрою для BER = , дБм	-28	-40	-40	-40	-28	-28
Бюджет потужності апаратури, дБ	45	57	45	57	45	45
Втрати в ЛП: втрати в ОВ, дБ	8,4	13,1	9,6	13,1	10,3	10,2
В роз’ємних стиках, дБ	3	3	3	3	3	3
В нероз’ємних стиках, дБ	0,9	1,4	1	1.4	1.1	1.1
Втрати WDM-обладнанні, дБ	20,5	20,5	20,5	20,5	20,5	20,5
Експлуатаційний запас за потужністю, дБм	4,8	4,8	4,8	4,8	4,8	4,8
Втрати, що вносяться компенсатором дисперсії, дБм	5	8	5	8	5	5
Усього втрат, дБм	42,6	50,8	43,9	50,8	44,7	44,6
Надлишок запасу, дБ	2,4	6,2	1,1	6,2	0,3	0,4

На ділянках Теплодар - Роздільна, Радісне – Березівка енергетичний потенціал ВОСП виявився недостатнім для компенсації втрат, тому на цих ділянках планується встановити передпідсилювачі з посиленням по потужності

12 дБп.

Інерційність активних і пасивних компонентів цифрових ВОЛТ прийнято оцінювати за такими параметрами, як час наростання фронту імпульсу (ЧНФІ).

Час наростання ЕОП tн.еоп – час, протягом якого вихідна оптична потужність Р(t) наростає від 10% до 90% від сталого значення при вхідному сигналі у вигляді струму.

Час наростання ОЕП tн.оеп – час протягом якого вихідний струм фотодіода Р(t) наростає від 10% до 90% від сталого значення при ступінчатій зміні вхідної оптичної потужності Р(t) [4].

Інерційним елементом лінійного тракту ВОСП є середовище передачі – оптичне волокно і тому в ВОСП можливе обмеження дальності (якості передачі) не тільки в наслідок загасання, але й в результаті дисперсії.

Будь-який спектральний канал DWDM-тракту може розглядатися, як індивідуальна ВОЛП, що використовує загальну середу поширення, тому розраховується час наростання фронту імпульсу для одного каналу.

Необхідна ширина смуги пропускання електричного сигналу за рівнем половини від максимуму потужності імпульсу на виході ВОЛТ цифрової системи передачі (ЦСП) з NRZ-кодом з тактовою частотою F визначається за формулою:

. (2.4)

Допустимий час наростання фронту імпульсу на виході системи передачі визначається виразом:

Хроматична дисперсія ОВ розраховується за формулою:

де σхр – питома хроматична дисперсія ОВ на робочій довжині хвилі λ.

ЧНФІ на виході ООП ( оптичного волокна в кабелі довжиною Lок, км) tн,ооп обумовлено хроматичною дисперсією і визначається за формулою:

, (2.7)

де Δλ – ширина спектра джерела випромінювання.

ЧНФІ на виході ОЕП визначається з виразу:

Сумарний час наростання фронту імпульсу ВОЛТ визначається за формулою:

. (2.9)

Отримане значення tн,сум зіставляється із значенням необхідного часу наростання системи передачі. Якщо виконується умова tн.сум < tн.сист то обрані компоненти задовольняють системним вимогам за часом наростання фронту імпульсу. Якщо умова не виконується – обрані компоненти не задовольняють системним вимогам по швидкості і слід вибрати іншу комбінацію компонентів (ЕОП, ООП, ОЕП) з меншими значеннями ЧНФІ.

Виконуємо розрахунок часу наростання фронту імпульсу для ділянки зв’язку довжиною 59,9 км. Для синхронного ВОЛТ з DWDM має значення, чи забеспечують обрані компоненти працездатності ВОСП.

Обране джерело випромінювання ( лазерний діод з резонатором Фарбі-Перо) має ширину спектру випромінювання Δλ = 1нм, час наростання фронту імпульсу (ЧНФІ) tн,еоп = 0,1нс, а приймач (германієвий р-і-n фотодіод) має ширину смуги пропускання (включаючи підсилювач) Δfоеп = 10 ГГц ( G.652 ) з питомою хроматичною дисперсією σ = 19 пс/(нм⋅км) на довжині хвилі λ = 1550 нм [4].

У формулу (2.4) підставляються чисельні значення і визначається необхідна ширина смуги пропускання:

Час наростання фронту імпульсу на виході системи передачі обчислюється з виразу (2.5):

Розраховується хроматична дисперсія ОВ шляхом підстановки в формулу (2.6) чисельних значень:

.

ЧНФІ на виході ООП обчислюється за формулою (2.7):

ЧНФІ на виході ОЕП визначається з виразу (2.5):

Обчислюємо сумарний час наростання фронту імпульсу ВОЛТ за формулою (2.9) :

Отримане значення tн,сум зіставляється із значенням необхідного часу наростання системи передачі:

1,138 нс > 0,281 нс.

Умови не виконуються і система не працездатна вирішення цієї проблеми:

– встановлення компенсатора хроматичної дисперсії;

Очевидно, що найбільший внесок у час наростання фронту імпульсу ВОЛП дає волокно і для зменшення ЧНФІ на виході ООП доцільно використовувати модуль компенсації дисперсії. Використовують наступні модулі компенсації дисперсії, що компенсують дисперсію:

350 пс/нм – відповідає довжині секції 20 км,

700 пс/нм – відповідає довжині секції 40 км,

1400 пс/нм – відповідає довжині секції 80 км.

При розрахунках секції Теплодар – Роздільна, довжина якої складає 59,9 км, використовується компенсатор на (20+40) км з хроматичною дисперсією 350+700 = 1050 пс/нм. Тоді результуюча хроматична дисперсія складає:

σхр,рез.L = 1138,1 – 1050 = 88,1 пс/нм .

Тоді питома результуюча хроматична дисперсія визначається як :

. (2.10)

Підставляючи чисельні значення, отримаємо:

.

ЧНФІ на виході ООП обчислюється за формулою (2.7):

Обчислюється сумарий час наростання фронту імпульсу ВОЛТ:

.

Порівнюється отримане значення з tн,сист :

0,137 нс < 0,281 нс .

Умови виконуються, обрані компоненти задовольняють системним вимогам, система працездатна.

Розраховується запас системи передачі по ЧНФІ:

(2.11)

Підставляючи чисельні значення, отримуємо:

.

Визначається максимана довжина підсилювальної ділянки, що обмежена ЧНФІ за формулою:

. (2.12)

Підставляючи чисельні значення, отримуємо:

Аналагічно розраховуємо бюджет часу наростання фронту імпульсу для всіх ділянок зв’язку.Отримані дані зводяться в таблицю 2.2.

Таблиця 2.2 – Розрахунок часу наростання фронту імпульсу

Найменування ділянки мережі зв’язку	Одеса - Теплодар	Теплодар- оздільна	Роздільна - Радісне	Радісне - Березівка	Березівка-Комінтернівське	Комінтернівське–Одеса
Довжина ділянки зв’язку , км	38,3	59,9	43,8	59,8	47,1	46,5
Хроматична дисперсія ОВ, нс/нм	0,7277	1,1381	0,8322	1,1374	0,8949	0,8835
Хроматична дисперсія компенсатора , нс/нм	0,7	1,050	0,7	1.050	0,7	0,7
Результуюча хроматична дисперсія ОВ , нс/нм	0,0277	0,0881	0,1322	0,0893	0,1949	0,1735
Питома результуюча хроматична дисперсія нс/(нм⋅км)	0,00723	0,00147	0,00301	0,00151	0,00413	0,00373
ЧНФІ ООП, нс	0,0277	0,0881	0,1322	0,0893	0,1949	0,1735
Сумарний ЧНФІ ВОЛТ, нс	0,109	0,137	0,169	0,135	0,222	0,203
Запас системи передачі по ЧНФІ , нс	0,2587	0,245	0,2244	0,245	0,1725	0,1939
Максимальна довжина ділянки, км	359,87	177,04	86,46	174,62	63,01	69,77