Лекция 14

Тема 11. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) (6 часов)

Введение.

Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ.

Раздел 11.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ)

В настоящее время в развитых странах оптические цифровые телекоммуникационные системы (ОЦТС) широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях, ОЦТС обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также предоставлять абоненту наряду с телефонной связью любые виды услуг связи (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, телематическое и справочное обслуживание, рекламу, местную связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и возможность организации регенерационных участков большой протяженности; значительная экономия меди и потенциально низкая стоимость оптического кабеля (ОК) и др.

На передающей станции А (рис. 14.1) первичные сигналы в электрической форме поступают на каналообразующего оборудования (КОО), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. ОЛТ включает в себя оптический передатчик (ОПер), оптическое волокно (ОВ), ретранслятор и ОПр. Опер. преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. При распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые и необслуживаемые станции (оптические ретрансляторы – ОР), где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания и восстановление. В ОПр. Осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Рисунок 14.1. Принцип организации волоконно-оптической связи

На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический сигнал и обратным преобразованием на выходе. В настоящее время возможно построение чисто оптических ретрансляторов на основе оптических квантовых усилителей и регенераторов. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде:

E(t)=E_мcos(ω₀t+φ₀),

где E_м – амплитуда поля; ω₀ и φ₀ – соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно:

P_мг= E²(t)=E_м²cos²(ω₀t+φ₀),

а усреднение по периоду T_0­=2π/ω₀ дает величину P = 0,5E_м², которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р из­меняется в соответствии с модулирующим сигналом с(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов (фотонов) с энергией hf₀, где h —по­стоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J =Р/hf₀. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) ~ с(t).

Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оп­тических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средст­вами. Для управления интенсивностью излучения полупроводни­кового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивает­ся электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Моду­ляция по интенсивности оптического излучения приводит и к про­стым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной, ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.

Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относит­ся к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энер­гетический прием). Другим методом приема является метод фо­тосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием),

Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимае­мого оптического сигнала.

Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что час­тоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с не­обходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гете­родина.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоус­тойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателя­ми и др. Аналоговые СП не применяются на волоконно-оп­тических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности ис­точников оптического излучения и технической сложности обес­печения требуемой помехозащищенности. Тем не менее, исследо­вания в области аналоговых ВОСП показывают их перспектив­ность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, теле­метрия, системы оперативной и служебной связи).

Методы уплотнения ВОЛС. Временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM). Данный метод предполагает объедине­ние нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов (рис. 14.2) две серии импуль­сов (может быть N источников), поступающие с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в опреде­ленной последовательности чередования в групповой сигнал. По­следний в оптическом передатчике модулирует оптическую несу­щую, Оптическое излучение распространяется по 0В и в оптиче­ском приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А' и В'. В настоящее время данный способ уплотнения ВОЛС является основным.

Рис. 14.2. Принцип временного уплотнения на уровне объединения электрических сигналов

Схема объединения оптических цифровых потоков показана на рис. 14.3. Электрические цифровые потоки от N источников поступают на N оптических передатчиков, в которых осуществля­ется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на Δt; 2Δt; 3Δt;……..(N-1)Δt. После такой задержки на выходе оп­тического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование.

При временном уплотнении на уровне оптических сигналов требуется передача коротких (10^-9 с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет высокие требования к быст­родействию оптоэлектронных компонент приемопередающего оборудования ВОСП, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена диспер­сионными свойствами оптического волокна.

Рис. 14.3. Принцип временного уплотнения на уровне объединения оптических сигналов

К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение коэффициента использования пропускной способности оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8...16 Гбит/с и более); возможность создания полностью опти­ческой сети связи.

Пространственное уплотнение. Этот метод использует преиму­щества оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это по­зволяет создавать оптический кабель, содержащий несколько де­сятков ОВ. При таком методе число ВОСП равно чис­лу ОВ в оптическом кабеле, а следовательно, пропускная способ­ность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком простран­ственного уплотнения являются большой расход оптического во­локна, значительные затраты на каблирование, а следовательно, и высокая относительно стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 кан/км определяется в основном стоимостью ка­беля, метод пространственного уплотнения не обеспечивает улуч­шения технико-экономической эффективности.

Спектральное уплотнение. Одним из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ – является спектральное уплотнение или мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В настоящее время WDM играет в оптических синхронных системах ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи данных.

Структурная схема ВОСП-WDM, соответствующая рекомендации G.692 МСЭ-Т, приведена на рис. 14.4. Здесь ТХ_i, RX_i; (i = 1, 2,..., n) - передающие и приемные транспондеры (приемопередатчики) каждого канала N-канальной ВОСП - WDM; ОМ - оптический мультиплексор; ОА - оптический усилитель; OD - оптический демультиплексор; R_Ti - контрольная точка (интерфейс) на входе i-го передающего транспондера; S_Ti - контрольная точка на выходе i-го приемного транспондера; S_i÷S_n - контрольные точки на выходах оптических соединителей (ОС) передающих транспондеров для каналов 1... n; R_Mi÷R_Mn - контрольные точки на входе ОС перед блоком ОМ/ОА для каналов 1... n; MPI-S - контрольная точка (интерфейс) на выходе ОС после блока ОМ/ОА; S' - контрольная точка на выходе ОС после линейного усилителя LA; R' - контрольная точка на входе ОС перед линейным оптическим усилителем; MPI-R - контрольная точка (интерфейс) на входе ОС перед оптическим усилителем ОА на входе оптического демодулятора (OD); S_D1÷S_Dn - контрольные точки на выходе ОС после блока OA/OD; OSC - точки подключения оптического служебного канала; OADM - мультиплексор ввода-вывода оптических каналов; S, R - интерфейсы на выходе передатчиков и входе приемников аппаратуры STM-N (обычно N= 16, либо 64) или ATM.

Рис. 14.4. Структурная схема ВОСП - WDM

Как следует из рис. 14.4, структурная схема ВОСП-WDM содержит оптический передатчик (ТХ), оптический приемник (RX) и главный оптический тракт (ОР).

Оптический передатчик содержит канальные приемопередатчики (транспондеры) TX_i÷TX_n, которые, в частности, преобразуют длину волны STM-N (или ATM) λ₀ в длины волн спектра каналов λ₁ ÷λ_n, Как правило, операцию преобразования выполняют конверторы, входящие в состав транспондеров. На выходе ТХ_i образуется канальный сигнал, спектр которого соответствует скорости передачи STM-N. Канальные сигналы, а, следовательно, и их спектры объединяются с помощью оптического мультиплексора (ОМ); на его выходе образуется групповой сигнал, спектр которого содержит суммарный спектр канальных сигналов:

где Δf_ГС - спектр группового сигнала; Δf_КС - спектр канального сигнала; Δf_НЧР - номинальное частотное разнесение (НЧР) каналов.

Групповой сигнал усиливается оконечным оптическим усилителем ОА (бустером), с помощью которого в интерфейсе MPI-S устанавливается необходимая общая средняя мощность линейного сигнала P_ЛС.

Главный оптический тракт (ОР) содержит линейные оптические усилители (LOA), компенсирующие затухание, вносимое участками оптических волокон длиной l₁…l_i…l_k. Вместо любого из усилителей может быть включен мультиплексор ввода/вывода каналов OADM с такими же интерфейсами R' и S', как и у оптического усилителя.

Приемник (RX) содержит предварительный оптический усилитель (ОА), усиливающий линейный сигнал, оптический демультиплексор (OD), разделяющий групповой сигнал на канальные сигналы, приемные транспондеры RX_i, в состав которых, в частности, входят конверторы, преобразующие длины волн λ₁ ÷λ_n, в длину волны λ₀, соответствующую STM-N или ATM.

Оптический служебный канал (OSC) организуется на длине волны, лежащей либо вне диапазона спектра WDM, либо внутри его. OSC вводится и выводится как в оптических передатчике и приемнике, так и в линейных усилителях и мультиплексорах ввода/вывода (OADM) оптического тракта.

Таким образом, при построении ВОСП-WDM используются три вида усилителя: линейный, предварительный и усилитель мощности.

Современные ВОСП-WDM рассчитаны для работы в третьем и четвертом окнах прозрачности спектра ОВ (рис. 14.5). Весь спектр раз­бит на два диапазона С и L (С - Band, L - Band). С-диапазон разбит на два поддиапазона S(R) и L(R). Границами этого диапазона являются длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм (соответственно частоты 191,0 ТГЦ и 196,2 ТГц). L-диапазон характеризуется граничными длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм (соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9 ТГц). Таким образом, ширина спектра С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L - диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц).

В зависимости от расположения каналов в этих спектрах ВОСП-WDM подразделяются на:

- простыеWDM – системы (номинальное частотное разнесение каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число каналов не более 8);

- плотные WDM – системы DWDM (частотное разнесение каналов не менее 100 ГГц, число каналов не более 40);

- сверхплотные WDM – системы HDWDM (частотное разнесение каналов порядка 50 и 25 ГГц, число каналов порядка 80 и 160).

Во всех случаях частотное разнесение каналов определяется сле­дующими факторами: линейными переходами между каналами, возникающими в мультиплексорах, демультиплексорах и между оптическими фильтрами, расположенными в блоке OA/OD; нелинейными переходами между каналами, возникающими в ОВ.

Наиболее опасными являются переходы из-за четырехволнового смешивания (FWM). Так как для ОВ различных типов мощности по­мех от этих переходов разные, то частотные планы разрабатываются отдельно для каждого типа волокон.

В рекомендации МСЭ-Т G.692 разработаны частотные планы только для третьего окна прозрачности и волокон, соответствующих рекомендациям G.652, G.655, G.653.

Один из частотных планов, предложенных для волокон G.652/G.655 приведен в табл. 14.2. В ней даны значения оптических несущих для DWDM с числом каналов п = 40 (этот же план можно применить при любом числе каналов п > 8, и НЧР = 1000 ГГц), а так­же значения оптических несущих при НЧР = 200 ГГц (4 < п < 20), для п = 8 (НЧР = 500 ГГц), п = 4 (НЧР = 600 ГГц и НЧР = 1000 ГГц).

Рис. 14.5. Спектр ВОСП-WDM

Аналогичные частотные планы разработаны и для OB G.653.

Для уменьшения влияния четырехволнового смешивания при ор­ганизации ВОСП-WDM на волокнах G.653 предлагается использовать неодинаковое НЧР между каналами.

Заметим, что максимальная скорость передачи В_мах ВОСП-WDM во многом определяется приятым частотным планом.

где В_ch - максимальная скорость передачи в канале; п - число каналов.

Поэтому увеличить скорость передачи системы WDM можно, увеличивая скорость передачи в канале. Например, если п = 4, В= 2,5 Гбит/сек (STM-16), то S_max = 10 Гбит/с, что соответствует 64-му уровню STM-N.

Строгая регламентация оптических частот для систем HDWDM, DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих(λ_1…λ_N). В рекомендации ITU-T G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому, в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений спектральных каналов и частотного интервала между ними можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (Δ), а также допустимую величину нестабильности оптической частоты.

При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 100 ГГц спектральная ширина линии излучения Δ не должна превышать величину Δ = ± 0,08 нм, нестабильность оптической несущей не более 10 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены.

Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δ = 0,5 нм (для STM-16), для STM-64 - Δ = 0,1 нм, а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм.

Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства - транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется N оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для первого канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ₁, для второго λ ₂ и т.д. до λ_N. С выходов транспондера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического муль­типлексора, соответствующие указанным длинам волн λ₁…λ_N.

Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери ОМ на канал составляют ~ 7 ... 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величинасоставит14...18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния. Для того чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне.

После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления проявляются, начиная с указанной мощности в виде допол­нительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS (или ВРМБ - вынужденное рассеяние Манделынтамм - Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (или ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Величина суммарной оптической мощности в системах WDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне +17дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами — допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм.

Особо следует отметить, что с внедрением технологии WDM появилась возможность создавать многофункциональные системы передачи.

Выводы.

1. При уплотнении ВОЛС можно применять следующие методы: временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM), пространственное уплотнение и спектральное.

2. Основным способом уплотнения является временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM).

3. С целью повышения эффективности использования пропускной способности оптических волокон, в настоящее время внедряются системы со спектральным уплотнением.

Контрольные вопросы.

1. Нарисуйте схему временного уплотнения (Times Division ultiplexing,TDM) и поясните принцип ее работы.

2. Нарисуйте схему пространственного уплотнения и поясните принцип ее работы.

3. Нарисуйте схему спектрального уплотнения и поясните принцип ее работы.

4. Требования к источникам излучения при спектральном уплотнении.

Дата добавления: 2014-01-07