Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова

КАФЕДРА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

КОМПЛЕКСНОЕ ЗАДАНИЕ № 2

НА ТЕМУ:

Расчет параметров инерционности волоконно–оптического линейного тракта

по дисциплине «Оптические транспортные системы передачи»

Одесса 2012

1 Цель комплексного задания

Расчет параметров инерционности приемо-передающего оборудования и оптического волокна их влияния на длину регенерационного участка цифровой ВОСП.

2 Ключевые положения

Под волоконно-оптическим линейным трактом (ВОЛТ) понимают комплекс технических устройств, предназначенных для передачи оптического линейного сигнала с определенной длиной волны, компенсации затухания в среде передаче, коррекции искажений сигнала, и обеспечивающих требуемые значения коэффициента ошибок (BER) в цифровой системе передачи.

Длина участка регенерации – это максимально допустимое расстояние между передающим и приемным оборудованием ВОСП, при котором обеспечивается заданный (рекомендацией, стандартом) коэффициент ошибок. Например, для SDH BER = 10^–10.

Ф ункциональными компонентами ВОЛТ (рис. 2.1) являются: электро-оптический преобразователь (ЭОП) –передающее устройство, среда передачи – оптическое волокно, опто-электрический преобразователь (ОЭП) – приемное устройство.

Длина регенерационного участка ВОСП может ограничиваться двумя факторами – затуханием сигнала и искажениями длительности импульсов. Поэтому при проектировании ВОСП длина участка регенерации рассчитывается и по затуханию, и по инерционности, а затем выбирается меньшее значение.

Рассмотрим, как ограничивается максимальная длина регенерационного участка с при искажениях формы импульсов.

2.1 Упрощенный подход

При упрощенном проектировании ВОСП считают, что приемо-передающее оборудование безынерционно^, а искажение длительности оптического сигнала вызывают дисперсионные процессы в оптическом волокне. Тогда максимальная дальность передачи, ограниченная дисперсией, рассчитывается исходя из эмпирического предположения, что накопленное на участке регенерации уширение импульсов не должно превышать четверти от тактового (единичного) интервала линейного цифрового сигнала

, (2.1)

где – коэффициент хроматической дисперсии, ширина спектра источника излучения, F(Гц) – тактовая частота. При упрощенном подходе, очевидно, не учитываются следующие факторы:

• инерционность (ограниченность полосы пропускания) передающего и приемного устройств;

• тип используемого цифрового линейного сигнала (NRZ, RZ или другого), а значит ширина его спектра частот.

2.2 Строгий подход

В процессе инженерного проектирования ВОЛТ необходимо учитывать как инерционность передающего и приемного устройств, так и дисперсию сигнала в ОВ, поскольку эти факторы вызывают межсимвольную интерференцию (МСИ) и наряду с затуханием ограничивают дальность/качество передачи.

Инерционность активных и пассивных компонентов цифровых ВОЛТ принято оценивать таким параметром, как время нарастания фронта импульса (ВНФИ).

1. Время нарастания ЭОП t_{н эоп} – это время, в течение которого выходная оптическая мощность P(t) нарастает с 10 % до 90 % от установившегося значения при входном сигнале в виде ступеньки тока. Принцип измерения времени нарастания показан на рис. 2.2, а. Входной ток (ток накачки i_н(t)) ЭОП заставляет оптическую мощность, излучаемую ИИ, возрастать от нуля до некоторого установившегося значения. Выходной оптический сигнал на рис. 2.2, а соответствует сигналу на выходе широкополосного приемного устройства, используемого для измерения этой мощности. Время нарастания фронта импульса и ширина полосы пропускания электрического сигнала ЭОП по уровню –3 дБ (половина от максимума) связаны следующим соотношением (для случая гауссового импульсного отклика)

f_–3дБ = 0,35/t_{н эоп}.

2 . Время нарастания ОЭП t_{н оэп} – это время, в течение которого фототок (ток фотодиода в нагрузке ФД i_ф(t)) нарастает с 10 % до 90 % от установившегося значения при ступенчатом изменении входной оптической мощности P(t). Принцип измерения времени нарастания приемника излучения (ПИ) показан на рис. 2.2, б. Ширина полосы пропускания электрического сигнала и ОЭП по уровню –3 дБ для случая гауссового импульсного отклика ОЭП

f_–3дБ = 0,35/t_{н оэп.}. (1.2)

На этой частоте мощность электрического сигнала в нагрузке ОЭП равна половине от значения, полученного при очень низких частотах модуляции гармоническим сигналом, предполагая в обоих случаях одинаковую среднюю мощность оптического сигнала, поступающего на ПИ.

3. Инерционным (частотно ограниченным) элементом линейного тракта ВОСП является и среда передачи – оптическое волокно. Пусть в ОВ длиной l, км вводится оптический импульс мощностью Р₁ и длительностью t₁, рис. 2.3. На выходе ОВ импульсная мощность сигнала Р₂ < P₁ вследствие затухания, а его длительность по полувысоте t₂ > t₁^. Увеличение длительности импульса при его распространении по ОВ в ВОСП называют дисперсией сигнала. Чем длиннее оптический тракт, тем больше длительность сигнала на его выходе. При значительной дисперсии в цифровом линейном тракте возникает межсимвольная интерференция и, как результат, появление ошибок при регенерации.

Т аким образом, в ВОСП возможно ограничение дальности (качества передачи) не только вследствие затухания, но и в следствие инерционности компонентов линейного тракта. Поэтому при проектировании длину участка регенерации рассчитывают дважды (по затуханию и по времени нарастания) и выбирают меньшее из полученных значений.

Дисперсия сигнала имеет размерность времени и определяется как среднеквадратическое значение (скз) разности длительностей импульсов на выходе t₂ и входе t₁ ОВ длиной l

_скз(l) = с.

В рекомендациях и стандартах нормируются следующие параметры широкополосности ОВ:

• для ступенчатых (СОВ) и градиентных (ГОВ) многомодовых – коэффициент широкополосности К_F, МГцкм (значение ширины полосы пропускания ОВ длиной 1 км), т.е. нормирование в частотной области;

• для одномодовых – коэффициент дисперсии, пс/(нмкм) (значение уширения сигнала с шириной оптического спектра 1 нм при распространении в ОВ длиной 1 км), т.е. нормирование во временной области;

В ОВ существует несколько видов дисперсии (рис. 2.4) вызванных следующими причинами:

– отличием в траекториях направляемых мод – модовая дисперсия _мод (присутствует в многомодовых ОВ);

– немонохроматичностью распространяющегося по ОВ излучения – хроматическая дисперсия _хр. Немонохроматичность света проявляется двояко: во-первых, различные спектральные составляющие света распространяются с разной фазовой скоростью, вызывая материальную дисперсию _мат; во-вторых, направляющие свойства ОВ зависят от длины волны излучения реального источника (волноводная или внутримодовая дисперсия _вв);

– различием в скорости распространения двух взаимно ортогональных поляризационных составляющих основной моды в одномодовом ОВ – поляризационная модовая дисперсия _пмд. Этот вид дисперсии проявляется и подлежит учету при скорости передачи  2,5 Гбит/с (STM-16 и выше).

В приведенном ниже алгоритме расчета (см. п.2.3) суммарная дисперсия  (временная область) сигнала в ОВ длиной l пересчитывается в параметр ВНФИ в три этапа:

– в эквивалентную ширину полосы пропускания оптического сигнала [1] (частотная область);

– затем в ширину полосы пропускания электрического сигнала; – в эквивалентное время нарастания (временная область).

При этом принимается, что импульсный отклик длинного ОВ близок к гауссовому [1].