ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

IX. Расчет быстродействия:

23. Определение полного допустимого быстродействия системы

V, нс.

24.Быстродействие излучателя (передающего модуля) t24, нс.

25.Быстродействие фотодетектора (цифрового) t25, нс.

26.Быстродействие приемного модуля (аналогового) t26, нс.

Рисунок 9.5 − Схема алгоритма расчета и выбора приемника

231

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

27. Модовая дисперсия Тмод, нс/км, (расчет или выбор из справочников или технических условий на кабель). Суммарная дисперсия, нс, в:

− последовательной распределенной системе t27 = Тмод∑L; − в звездообразной системе t27 = ТмодLмакс.

28. Материальная дисперсия Тмат, нс/км, рассчитывается или определяется по графикам для выбранного типа ОВ. Суммарная дисперсия, нс, в последовательной системе tп = Тмод∑L, в звездообразной tз =ТмодLмакс

Таблица 9.4. Допуски на ухудшение параметров элементов ВОСС

Примечание. Q — скважность импульсов; SR — коэффициент дискретизации = 2,5 [78, 91], если специально не оговорен; Бит/отсчет — количество бит, которое тратится на передачу одного отсчета сигнала, приблизительно равное (с/ш/6) + 1,2 или разрядность кода при ИКМ.

Учет волноводной дисперсии Твд, нс/км, в отдельных случаях учет дисперсии профиля

t′п = Твд∑L;

t′з = ТвдLмакс;

t28п = (t2п + t′2п); t28з = (t2з + t′2з)t′п.

29. Результирующее быстродействие системы, нс2

S = t224 +(t225 или t226) + t227 + t228.

30. Быстродействие системы, нс

232

Введение в радиооптику

tз0 = (1,1 – 1,2)S0,5.

Если tз0 > V, следует выбрать более быстродействующие фотоприемник и (или) источник и (или) кабель с меньшей дисперсией.

X. Анализ системы:

31. После расчета системы можно определить, какие параметры ограничивают возможности системы: энергетические или быстродействие.

9.1 Оценка величины усилительного участка ВОСС

Во многих случаях использования волоконно-оптических линий приходится применять регенераторы сигналов, особенно в системах значительной протяженности (более нескольких километров). Однако использование указанных регенераторов оказывает существенное влияние на экономические характеристики системы и ухудшает качество передачи сигналов. Поэтому во всех ВОСС, использующих регенераторы, стремятся уменьшить их количество, т.е. увеличить расстояние между ними - длину регенерационного участка. Наиболее перспективными в этом отношении являются системы с одномодовымиОВ диапазона 1,3 − 1,6 мкм, которые при малых потерях (менее 1 дБ/км) позволяют получить высокую информационную емкость (выше ГГц км). В этом диапазоне длин волн можно увеличить пропускную способность ОВ компенсацией отрицательной материальной дисперсии ОВ с помощью положительной волноводной дисперсии в широком диапазоне длин волн (∆λ=1,3...1,5 мкм); кроме того, использование диапазона λ ≥ 1,3 мкм по сравнению с λ = =0,8...0,9 мкм дает возможность изготовить ОВ с большим диаметром сердцевины, что упрощает их практическое использование.

Для сравнительной оценки типовых величин длины регенерационного участка различных ВОСС на рис. 9.6 [89] приведены зависимости расстояния между регенераторами L от скорости передачи информации для двух систем с одномодовыми ОВ, параметры которых указаны в табл. 9.6, и системы с градиентным многомодовым ОВ, описанной в табл. 9.7 [82].

При расчете графиков, показанных на рис. 9.6, предполагалось:

−использование в качестве фотоприемника ЛФД с коэффициентом шума 0,7, квантовым выходом более 80 % (темновым током можно пренебречь);

−средняя мощность оптического излучения, вводимого в ОВ, равна 5 дБм;

−места сращивания ОВ расположены через каждые 2 км;

−Рош = 10−11, каждый ретранслятор ухудшает отношение с/ш на 4

дБ;

233

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

−средняя ширина спектра излучения лазера по уровню половинной мощности 3 нм;

−концентрация ионов ОН− в волокне составляет 3 10-8.

Примечание: α − собственные потери ОВ, вызываемые поглощением в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, а также тиндалеворэлеевским рассеянием; β − потери, связанные с несовершенством структуры световода; они растут пропорционально величине ∆, если порождены флуктуациями радиуса сердцевины вдоль ОВ; γ − потери, обусловленные поглощением на примесях ионов ОН−; δ − потери, вызванные микроизгибами.

Рисунок 9.6. Зависимость расстояния между ретрансляторами от скорости передачи информации: — −одномодовое ОВ 1; - - - − одномодовое ОВ 2; —·—·— − градиентное многомодовое ОВ; о − результаты экспериментов.

Таблица 9.7

234

Введение в радиооптику

Как видно из рис. 9.6, во всех рассмотренных системах при относительно низких скоростях передачи (менее 100 Мбит/с) ограничение дальности передачи при конкретных ее скоростях происходит за счет потерь в ОВ.

Типовые значения потерь в различных ОВ, работающих на разных оптических диапазонах: α = 2...4 дБ/км при λ = 0,8...0,9 мкм; 0,2 − 0,8 дБ/км при λ = 1,3...1,6 мкм. Весьма перспективным с точки зрения ВОСС является также диапазон 2 − 15 мкм, где оптические потери могут соста-

вить 10−1...10−3 дБ/км [92 − 94].

При высоких скоростях передачи (более 100 Мбит/с) в одномодовом ОВ (рис. 9.6, участок А) ограничение длины peгeнерационного участка происходит за счет шумов разделения мод лазера. Интенсивность каждой продольной моды лазера флуктуирует в процессе высокоскоростной двоичной модуляции, хотя полная интенсивность при этом остается постоянной. Эти флуктуации вызывают изменение формы каждого импульса после передачи по длинному ОВ.

Изменения связаны с различными искажениями одновременно излучаемых продольных мод, обусловленных хроматической дисперсией ОВ. Такая флуктуация формы оптического сигнала и называется шумом разделения мод [92].

Этот шум ограничивает расстояние между ретрансляторами в ВОСС. Если допустимое уменьшение отношения с/ш, обусловленное шумом разделения мод, составляет 3 дБ, то максимально возможное произведение скорости передачи информации на длину линии можно оценить с помощью соотношения, Мбит/с·км,

BL = 3,5·105/(mσλ ),

где В − скорость передачи, Мбит/с; L - расстояние между ретрансляторами, км; m − хроматическая дисперсия волокна, пс/(км·нм); σλ − ширина спектра излучения лазера по уровню половинной мощности, нм.

Если уширение импульсов за счет дисперсии в ОВ и расширения спектра излучения лазера вызывает уменьшение отношения с/ш на 3 дБ, то широкополосность системы, Мбит/с·км,

BL = 8·105/(mσλ).

Как видно из приведенных соотношений и рис. 9.6 для реализации линий передачи со значительным расстоянием между ретрансляторами, необходимо использовать лазеры, генерирующие на одной про-

235

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

дольной или поперечной моде. При одномодовых лазерах ограничение дальности связи может происходить за счет скачкообразного изменения длины волны генерируемой моды при изменении тока и температуры или за счет возникновения многомодового спектра генерации при высокоскоростной модуляции [81]. Решением указанной задачи является использование динамически одномодовых лазеров. При отсутствии одномодового лазера для передачи сигналов на большие расстояния с высокой скоростью можно использовать ОВ с малой хроматической дисперсией (например, в диапазоне 1,3; 1,5 мкм) путем спектрального уплотнения каналов. Из экспериментов над когерентными оптическими системами видно, что можно уменьшить требуемый уровень принимаемого оптического сигнала на 10 − 20 дБ [95].

В многомодовых ОВ (см. рис. 9.6) при больших скоростях передачи (выше 100 Мбит/с) ограничение длины усилительного участка происходит из-за модовой дисперсии (участок Б). В системах с широкополосными излучателями (СИД) существенное значение имеет также хроматическая дисперсия. В настоящее время наиболее перспективными являются градиентные многомодовые ОВ, поскольку в них по сравнению с волокнами со ступенчатым ППП ниже модовая дисперсия. Дисперсия мод в градиентном ОВ зависит от ППП. Для изготовления широкополосных многомодовых градиентных ОВ с малыми потерями необходимо подбирать оптимальные параметры профиля [84, 88].

Оценить широкополосность волоконно-оптического тракта с

многомодовым ОВ можно с помощью соотношения, Мбит/с·км, B = fсL-γ,

где fс − широкополосность оптического ОВ, Мбит/с; L − длина ВС, км; γ − показатель степени, характеризующий зависимость ширины полосы от длины ОВ и лежащий в пределах от 0,5 до 1.

Эксперименты показали [96], что на длине волны, где ППП оптимизирован, коэффициент γ ≈ 0,65. Если система позволяет уменьшить отношение с/ш, обусловленное дисперсией мод, на 3 дБ, то широкополосность можно увеличить до Bl = В/0,55 (Мбит/с) км. Как видно из данных рис. 9.6 для высокоскоростных систем, существующих в настоящее время, достижима длина регенерационных участков 50 − 70 км и более. По результатам экспериментов по определению возможных расстояний между регенераторами [89, 93, 97, 98] построена табл. 9.8.

Есть результаты и по более широкополосной и дальней связи, например достигнута передача сигнала со скоростью 1 Гбит/с по 101километровому одномодовому ОВ в диапазоне 1,55 мкм при значении Рош = 2 10−10 [98].

236

Введение в радиооптику

В табл. 9.9 приведены результаты расчетов и экспериментов по оценке длин регенерационных участков цифровых систем со скоростью передачи информации 280 Мбит/с в диапазоне 1,55 мкм при использовании одномодового волокна.

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Примечание. Для системы с В = 280 Мбит/с на одномодовом ОВ диапазона 1,55 мкм.

Работы по определению пределов информационной емкости ВОЛС [99, 100] показали, что чувствительность приемника в системах связи с приемниками прямого усиления может достигнуть −80 дБм при скорости передачи информации в несколько сотен Мбит в секунду.

Применение одномодовых ВОК с потерями 0,2 дБ/км и лазерных источников мощностью несколько десятков через 450 − 500 км.

9.2 Выбор сигналов цифрового линейного тракта ВОСС

Вид сигналов в линейном тракте ВОСС выбирают с учетом особенностей оптических элементов. Шумовой характер излучения источников света, как правило, ограничивает применяемые виды модуляции излучателей и в практически используемых системах находит место модуляция по интенсивности [87, 101]. Однако развитие технологии компонентов ВОСС обусловило перспективность применения в оптических системах и когерентных систем связи [81, 95]. Когерентные ВОСС, основанные на модуляции параметров несущей оптической волны, а не интенсивности света, позволяют максимально использовать преимущества оптической связи. В таких системах используются модуляция − демодуляция оптической несущей, оптический гетеродинный прием с оптическим предусилением, оптическое усиление. Передающей средой в когерентных ВОСС является одномодовое ОВ, предпочтительно с одной поляризацией излучения; особые требования накладываются и на источник излучения − одномодовые полупроводниковые лазеры, ширина спектра излучения которых должна быть мала и стабильна.

Основные преимущества когерентной ВОСС можно свести к следующему [102].

1. Выигрыш по чувствительности по сравнению с модуляцией интенсивности излучения оптического источника (прямое детектирование оптического сигнала) составляет 12 − 20 дБ и зависит от схемы модуляции − демодуляции, параметров фотодетекторов. Это позволяет довести длины регенерационных участков линий связи до 100 − 200 км.

2. Возможность использования вместо ретрансляторов полупроводниковых оптических усилителей и ОВ с потерями менее 1 дБ/км − позволяет организовать линии связи длиной до 104 км с расстояниями между оптическими усилителями 40 − 60 км.

3. Чрезвычайная узкополосность лазерных излучателей, присущая когерентным методам связи. Снимает ограничения на длину линии связи, накладываемые материальной дисперсией ОВ. Единственным па-

238

Введение в радиооптику

раметром, ограничивающим длину линии, остаются потери в линейном тракте.

4.Возможность использования когерентной модуляции: фазовой

ичастотной с известными из радиотехники преимуществами этих видов модуляции.

5.Уплотнение по оптической частоте с очень точным разделением несущих в приемнике.

Благодаря преимуществам цифровых систем передачи [91] в большинстве ВОСС используются именно цифровые сигналы, которые модулируют оптическое излучение источников. Для передачи цифровой информации в настоящее время системы строят почти исключительно с импульсно-кодовой модуляцией, которая характеризуется высокой помехоустойчивостью и слабым накоплением шумов; кроме того, оптические системы с ИКМ легко сопрягаются с существующими цифровыми сетями передачи информации. При выборе линейного сигнала (кода) ИКМ систем приходится учитывать две категории факторов [85, 103, 104].

1.Высокую помехоустойчивость кода, которая определяет минимальную среднюю мощность сигнала в линии, обеспечивающую заданное качество приема на фоне принципиально неустранимых шумов (фотодетектирования, лавинного умножения в ЛФД, теплового) при условии идеально работающей аппаратуры (идеальной синхронизации, отсутствии флуктуации порога в решающем устройстве цифрового приемника, температурной стабильности параметров элементов ВОСС и т.д.).

2.Технические преимущества кода, к которым относятся: возможно низкая скорость передачи в линии, что упрощает требования к электронным компонентам системы и ее широкополосности; простота кодера и декодера, т.е. преобразователей сигналов оконечной аппаратуры

ксигналам линейного тракта и обратно; высокое содержание информации о синхрочастоте, что упрощает систему синхронизации; минималь-

ное содержание в коде низкочастотных компонент − это снижает флуктуации уровней; возможность обнаружения ошибок.

С точки зрения помехоустойчивости в оптическом диапазоне существует оптимальный ИКМ сигнал, когда единица передается импульсом, ноль − пауза (код NRZ). Недостатками такого кода являются невозможность обнаружения ошибки и высокое содержание низкочастотных компонент. Чтобы устранить эти недостатки и выполнить вторую группу требований, предъявляемых к линейному коду, нужно ввести избыточность в линейный сигнал. Это можно сделать, увеличив скорость передачи в линейном тракте или применив многоуровневый код. При выборе второго пути в ВОСС, вследствие нелинейности модуляционной характеристики лазерного диода, приходится неравномерно размещать

239

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

уровни линейного сигнала и пороги решающего устройства приемника, что делает регенератор весьма сложным устройством. Кроме того, межсимвольная интерференция [103] приводит к более быстрому, чем в двухуровневых системах, росту требуемой мощности сигнала. Поэтому в большинстве практических случаев используются двухуровневые коды.

Для устойчивой работы системы синхронизации в ИКМ трактах частота синхронизации должна извлекаться из приходящего оптического сигнала. Если в коде двоичные посылки используются для передачи информации, а 0 и 1 равновероятны, то вероятность появления подряд N идентичных символов равна 2−N. Ряд из большого количества N идентичных посылок не содержит временной информации, и приемник может ошибиться при приеме посылок, если система синхронизации не является достаточно стабильной. Кроме того, в цифровых системах предполагается, что должно пройти определенное время включения высокостабильной системы синхронизации для вхождения в синхронизм после длинной последовательности одинаковых посылок, и за это время теряется информация.

На практике применяются коды, в которые в исходную информационную последовательность введены дополнительные символы, располагающиеся на регулярных и логически обоснованных позициях. При этом минимизируется или уменьшается число возможных последовательных идентичных символов и снижается содержание в коде низкочастотных компонентов. Примером простого кода такого типа является код, в котором исходный символ 0 представляется символами 01, а 1 − символами 10 (двухфазный код типа L или Манчестерский код).

9.3 Подход к расчету длины регенерационного участка ВОСС

Длину регенерационного участка ВОСС определяют на основе требований качества связи и пропускной способности линии, после того как выбраны типовая аппаратура передачи, тип линейного оптического сигнала, ВОК. Качество связи в цифровой системе передачи характеризуется вероятностью ошибки при приеме символов «0» или «1» − Рош, которая в первом приближении определяется уровнем флуктуационных шумов на выходе фотоприемника и межсимвольной интерференцией, т.е. перекрытием импульсов при их расширении в процессе передачи по ВОК. С ростом длины линии расширение импульсов (характеризуемое величиной L, где σn − погонное уширение импульса на единицу длины) увеличивается и Рош возрастает. Следовательно, длина усилительного участка ограничена требованием допустимого уширения импульсов передаваемых по линии, обеспечивающим нужное Рош, т.е. временными характеристиками направляющей системы. Для качественного приема

240