Специализированные ЦСП и ОСП / UP_VOSP_SR_Shishova_Shar__kopia

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Р.М. Шарафутдинов, Н.А. Шишова

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

Учебное пособие

Москва 2021

0

МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Р.М. Шарафутдинов, Н.А. Шишова

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

Учебное пособие

Направления подготовки:

11.03.02, 11.04.02 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Москва 2021

1

УДК 621.315

ББК 32.889

Шарафутдинов Р.М., Шишова Н.А. Расчет параметров оптических систем связи со спектральным мультиплексированием: учебное пособие / МТУСИ.

– М., 2021. – 35 с.: ил.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 11.04.02 − Инфокоммуникационные технологии и системы связи, направленности "Сети, системы и устройства телекоммуникаций" (уровень высшего образования − магистратура). В соответствии с учебным планом ФГОС3++ в перечне обязательных дисциплин предусмотрено изучение дисциплины "Спектральное мультиплексирование в оптических системах связи", в рамках которой на тему настоящего пособия выполняется курсовая работа.

Пособие содержит теоретический и справочный материал, позволяющий выполнить студентам курсовую работу как при очной, так и заочной формах обучения. Будет полезным также для студентов, обучающихся по направлению 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи (уровень высшего образования − бакалавриат), при выполнении курсовых проектов и выпускных квалификационных работ.

Ил. 7, табл. 8 , список лит. 13 назв.

Рецензенты: В.А. Бурдин, д.т.н., профессор (ПГУТИ) С.С. Шаврин, д.т.н., профессор (МТУСИ)

© Московский технический университет связи и информатики (МТУСИ), 2021

2

ВВЕДЕНИЕ

Учитывая динамичный рост потребностей в непрерывно возрастающих объемах передаваемой цифровой информации, ужесточение требований к качеству её передачи, защищенности и управляемости соединений на сетях связи Международный Союз Электросвязи (МСЭ-Т, сектор стандартизации телекоммуникаций) постоянно разрабатывает и совершенствует стандарты на передачу информации в оптических системах связи. Все современные оптические системы связи, применяемые на транспортных сетях связи, используют в качестве среды распространения сигналов одномодовые оптические волокна (ОВ), входящие в состав оптических кабелей (ОК).

В настоящее время увеличение пропускной способности одномодовых ОВ наиболее эффективно достигается в системах связи со спектральным мультиплексированием, построенных по известному принципу частотного разделения каналов (ЧРК). Он хорошо известен и широко применялся в аналоговых многоканальных системах связи, работающих по электрическим кабелям в радиодиапазоне электромагнитных волн [ 3 ]. На определенном этапе развития техники оптической связи стало возможным практически реализовать этот принцип и в оптическом диапазоне, что является иллюстрацией известного философского вывода о том, что развитие происходит по спирали.

Физико-технические аспекты спектрального мультиплексирования (используются также термины: спектральное уплотнение, спектральное разделе-

ние, технология WDM, Wavelength Division Multiplexing) были разработаны в

70…80 годах прошлого столетия. Тогда же появились первые пригодные для практического применения оптические системы связи со спектральным мультиплексированием, которые в отечественной технической литературе часто называют волоконно-оптическими системами передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР). Они представляли собой системы с небольшим числом оптических каналов (от двух до четырех) и с относительно невысокой скоростью передачи. В дальнейшем по мере освоения третьего окна прозрачности ОВ (диапазон длин волн около 1550 нм) были разработаны высокоскоростные системы на 40, 80 и более оптических каналов, с передачей по каждому из них сигналов со скоростью до 40 и более Гбит/с.

Практическая реализация таких систем стала возможной во многом благодаря появлению оптических усилителей, позволяющих усиливать оптические сигналы в достаточно широком спектре, а также разработке разнообразных компонентов интегральной оптики, необходимых при производстве оборудования систем связи со спектральным мультиплексированием.

3

Следует также отметить исключительно важную роль данных систем в развитии оптических транспортных сетей (OTN − Optical Transport Network). Построенные на принципах спектрального мультиплексирования каналов оптические транспортные сети позволяют достигать суммарной скорости передачи по одному одномодовому ОВ в десятки терабит (1012 бит) в секунду, что близко к теоретическому пределу их пропускной способности, составляющему примерно 100 Тбит/с.

1.ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ СО СПЕКТРАЛЬНЫМ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕМ

1.1. Спектральное мультиплексирование

Сущность спектрального мультиплексирования для N-канальной системы связи показана на рисунке 1. Как видно из рисунка, всем каналам системы

в некотором оптическом диапазоне от λн до λв шириной Δλ отводятся непере-

крывающиеся спектральные участки с одинаковой шириной спектра ∆λк. Таково же и расстояние между центральными значениями длин волн соседних каналов. Информация в каналах переносится модулированными оптическими несущими, спектр которых обычно представляется гауссовой формой.

В каждом канале оптические несущие генерируются независимыми источниками оптического излучения лазерными диодами, которые не требуют взаимной синхронизации и могут модулироваться цифровыми сигналами различных технологий, например SDH, IP, Ethernet и др. Образуемые при этом оптические каналы могут использоваться для переноса любой информации, и в этом смысле они считаются "прозрачными".

……………

Рисунок 1 - Принцип спектрального мультиплексирования

4

В системах связи со спектральным мультиплексированием под оптическим каналом понимается комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу оптического сигнала любого цифрового формата в диапазоне длин волн (частот), характерном для данного канала. Таким образом, оптические каналы данных систем являются цифровыми.

Реализация принципа спектрального мультиплексирования представлена на рисунке 2 в виде обобщенной структурной схемы оптической системы связи со спектральным мультиплексированием (ОСС-СМ). Для простоты здесь приведено одно направление передачи и показаны ввод и вывод компонентных сигналов различных технологий на оконечных пунктах ОП-А и ОП-Б.

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема ОСС-СМ Компонентные1 (канальные) сигналы разных длин волн, генерируемые

на передаче транспондерами (TРS), объединяются оптическим мультиплексором (ОМ) в агрегатный (многоканальный) оптический сигнал, который распространяется по оптическому волокну. Индекс S у транспондера означает ис-

точник (Source) оптического излучения.

Увеличение дальности связи достигается путем повышения уровня агрегатного сигнала, осуществляется оптическими усилителями: на передаче усилителями мощности (УМ), на приеме предусилителями (ПУ) и в промежуточных пунктах линейными усилителями (ЛУ), выполняющими функцию ретрансляции 1R (Reamplification), т.е. восстановление амплитуды сигнала. На приемной стороне оптический демультиплексор (ОД) выделяет из агрегатного сигнала канальные сигналы разных длин волн и направляет их на соответ-

1 Используется также термин "трибутарный" (отвечающий определенным требованиям).

5

ствующие приемные транспондеры TРR. Индекс R у транспондера означает приемник Receiver.

Транспондеры на передающей стороне TРS преобразуют компонентные входные сигналы различных технологий, например формата SDH, в оптические сигналы технологии WDM, т.е. в сигналы с параметрами (длина волны, допуски на ее отклонения, ширина спектра и др.), нормируемыми технологией WDM. На приемной стороне транспондеры TРR выполняют обратные преобразования. При этом в транспондерах осуществляется сначала преобразование оптического сигнала в электрическую форму с последующей регенерацией, а затем обратное преобразование электрического сигнала в оптический.

Ввод и вывод части каналов в промежуточных узлах связи выполняется посредством оптических мультиплексоров ввода/вывода (OМВВ), содержащих пассивные устройства ОМ и ОД. В состав ОМВВ также входят соответственно на входе ПУ и на выходе МУ оптические усилители. На рисунке они не показаны.

Для оптического излучения, как и для любой электромагнитной волны, используются понятия частота и длина волны. При описании полос пропускания и полос непропускания в терминах длины волны или частоты важно знать соотношение между ними.

Связь между длиной волны , выраженной в размерности [м], и частотой

где знак "минус" означает, что положительному приращению частоты соответствует отрицательное приращение длины волны и наоборот.

Так как на практике требуется знание абсолютных значений и , то при расчетах знак "минус" в этих формулах можно опустить. При этом следует помнить, что высокая точность расчетов может быть получена только при условиях /λ → 0 и f / f → 0 . Поэтому формулы (2) и (3) следует использовать в расчетах при значениях относительных величин /λ и f / f , не пре-

6

вышающих 10-3. В противном случае и f находятся, как обычно, путем вычисления разности между большим и меньшим значениями и f соответственно.

В оптических системах связи, как и в любой системе электросвязи, широко используется известное понятие уровня мощности (сигнала, помехи и т.д.), которое определяется по формуле

где Рх - мощность оптического излучения, например, сигнала в мВт, уровень которого требуется найти, а Р0 = 1 мВт – эталонная мощность.

Заметим, что в технической документации вместо мощности какоголибо параметра часто указывается уровень, т.е. в тексте пишется мощность, а в размерности используется обозначение дБм. Поэтому, если необходимо знать саму мощность Рх , то необходимо выполнить её расчет по формуле

ВОСС-СМ в качестве оптических усилителей применяются волоконнооптические усилители (ВОУ) на активных волокнах, а также волоконнооптические усилители на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния в рабочем волокне ОК системы (рáмановские усилители). Физика работы ВОУ на активных волокнах основана на возбуждении энергетических уровней примеси редкоземельных элементов, легирующих сердцевину кварцевого одномодового волокна, внешним источником мощного оптического излучения. Такой источник называется источником накачки. В результате воздействия излучения сигнала происходит преобразование энергии источника накачки в энергию сигнала, т.е. его усиление.

Втретьем окне прозрачности ОВ редкоземельный элемент эрбий2 обеспечивает полосу усиления от 1530 до 1565 нм. Данную полосу можно расширить, если использовать оптические усилители на фтористом волокне, легированном тулием или празеодимом. Можно получить полосу усиления от 1470 до

1650 нм.

Наиболее значимыми для ОСС-СМ являются ВОУ на активных волокнах, позволяющих получить наибольшее усиление (порядка 20….40 дБ) и компенсировать тем самым затухание протяженных участков линий связи. Применение рáмановских усилителей ограничено в качестве предварительных каскадов, т.к. их уси-

2 Такие усилители получили название "Эрбиевые ВОУ". Они являются самыми распространенными.

7

ление не превышает 8…10 дБ, но позволяет увеличить общее усиление и улучшить шумовые параметры. Их полоса усиления лежит в тех же пределах, что и у усилителей с волокном, легированным эрбием.

Кратко рассмотрим основные параметры оптических усилителей, к которым относятся коэффициент усиления и коэффициент шума. Коэффициент усиления G (Gain, усиление) представляет собой отношение мощности сигна-

где рс вых и рс вх - уровни сигналов соответственно на выходе и входе усилителя.

При каскадном соединении n оптических усилителей c коэффициентами усиления результирующий коэффициент усиления

= ∑1 , дБ.

Коэффициент шума или шум-фактор NF (noise-factor) характеризует уменьшение отношения сигнал/шум на выходе усилителя по сравнению с входным отношением сигнал/шум. В оптических усилителях оно обусловлено шумами усиленной спонтанной эмиссии, возникающей в процессе усиления сигнала. По определению

= ООСШвх⁄ООСШвых ,

где ООСШВХ и ООСШВЫХ – оптические отношения сигнал/шум на входе и выходе усилителя соответственно.

В логарифмической форме

= 10 lg = Аз вх − Аз вых , дБ ,

где Аз вх и Аз вых – помехозащищенности на входе и выходе усилителя соответственно.

Таким образом, логарифмический коэффициент шума количественно характеризует величину потерь помехозащищенности оптического сигнала после его усиления при прохождении через оптический усилитель. Коэффициент шума многокаскадного усилителя в основном определяется коэффициентом шума первого каскада.

8

В расчетах результирующей помехозащищенности оптических каналов на протяженных волоконно-оптических линиях связи удобно использовать, как и в каналах аналоговых многоканальных систем связи, понятие приведенного к входу уровня шума усилителя [ 3 ]. Для оптических усилителей с логарифмическим коэффициентом шума n f уровень приведенного к входу шума

где ркв ш – уровень квантового шума в оптической полосе частот ∆ fопт . Применение к оптическим усилителям понятия приведенного к входу

уровня шума позволяет учесть вносимые ими шумы, заменяя сами усилители на идеальные (не шумящие), с приведенными к их входам уровнями шума.

Уровень квантового шума в оптической полосе частот ∆ f опт на частоте f определяется исходя из мощности квантового шума, которая равна

где h ≈ 6,626 10-34, Дж/Гц − постоянная Планка.

Кчислу основных характеристик ВОУ относятся амплитудно-волновая

иамплитудная характеристики. Амплитудно-волновая характеристика (АВХ) представляет собой зависимость логарифмического коэффициента усиления от длины волны, а амплитудная характеристика (АХ) – от уровня входного сигнала. Эти характеристики показаны соответственно на рисунках (3) и (4).

, дБ

λ, нм

Рисунок 3 - Амплитудно-волновая характеристика ВОУ

На рисунке 3 в виде сплошной линии показана АВХ усилителя без ам- плитудно-волновой коррекции. Как видно, усиление в пределах диапазона длин волн от нижней λ н до верхней λ в, в котором работает ОСС-СМ, происходит неравномерно. Реальная АВХ должна быть близка к пунктирной линии (иде-

9