Материал: Проектирование цифровых систем передачи

.2.1 Расчет длины регенерационного участка по затуханию

Метод расчёта по затуханию заключается в нахождении длины регенерационного участка по заданному значению затухания усилительного участка, на основе равенства допустимой и ожидаемой (расчётной) защищенности от собственных помех.

, дБ

где - энергетический потенциал ЦСП;

 - уровень мощности сигнала на входе кабеля;

 - уровень мощности сигнала на входе приёмного устройства.

Длина регенерационного участка:

, км

где - километрическое затухание.

Для Сопка-4М и кабеля ОКЛ-01-0.3 эти значения равны:

.

.2.2 Расчёт длины регенерационного участка по дисперсии

Длина регенерационного участка, в зависимости от пропускной способности линии определяется с помощью выражения:

.

Определим километрическое значение полосы пропускания оптического одномодового кабеля:

, МГц/км

где  - ширина спектра излучения источника,

 - удельная дисперсия,

.

Для Сопка-4М и кабеля ОКЛ-01-0.3:

0,0028 нм;

;

.

Пропускная способность ЦСП определяется по формуле:

.

Для Сопка-4М:

;

;

.

Длина регенерационного участка:

.

Длина регенерационного участка выбирается как минимальная величина из рассчитанных по дисперсии и затуханию:

.

.3 Оценка требуемой помехозащищенности регенератора

Под помехозащищенностью регенератора понимают минимальное отношение сигнал/шум на его входе, при котором обеспечивается заданный коэффициент ошибок в регенерированном сигнале. Основными видами помех в линейном тракте ЦСП являются межсимвольные (переходные) помехи, вызванные наличием несогласованностей на участках регенерации, тепловой шум, а также помехи от устройств коммутации (например, приборов АТС) и индустриальные. Мощность помех во многом определяется параметрами линии связи, условиями эксплуатации и схемой организации связи.

Графики зависимости вероятности ошибки от защищенности на входе регенератора

Таким образом, при использовании многоуровневых сигналов для обеспечения заданной вероятности ошибки требуется соответствующее увеличение помехоустойчивости на входе регенератора. Это может быть достигнуто, например, за счет увеличения амплитуды передаваемых импульсов Um либо за счет сокращения длины регенерационного участка.

Более существенное влияние на возникновение ошибок оказывают импульсные помехи АТС, вызванные работой коммутационных устройств в процессе установления соединений. Плотность распределения вероятности для таких помех описывается довольно сложными соотношениями, которые зависят от типа АТС, интенсивности телефонного обмена и многих других факторов. Одно из экспериментально полученных соотношений для вероятности ошибки за счет импульсных помех при использовании кода с ЧПИ выглядит следующим образом:

;

Зависимость вероятности ошибки от защищенности на входе регенератора от импульсных помех представлена на (кривая 2).

Импульсные помехи действуют на прилегающих к АТС участках и в этом случае являются основными. На других участках руководствуются шумовыми помехами.

На практике необходимо увеличивать отношение сигнал/шум на входе РУ регенератора по сравнению с этим отношением для идеального регенератора. Например: допустимому значению коэффициента ошибок 10-11 соответствует величина Аз.шп =21.7 дБ. Принимая запас на заводские допуски изготовления регенератора 3 дБ, а также предполагая равенство мощностей трех составляющих помех из-за переходного влияния на ближнем конце, на дальнем конце и тепловых шумов, следует увеличить Аз.шп на 4.8 дБ (10Lg3) и тогда минимально допустимая защищенность от шумовых помех на входе регенератора: Аз.шп.р=21.7+3+4,8=29.5дБ.

Для случая двухуровневых сигналов, какими являются сигналы, передаваемые по оптическому кабелю, расчет вероятности появления ошибки определяется по следующей формуле: (кривая 3 рис.8 , соответствует значениям, рассчитанным по данной формуле).

Ошибка на 1 интервал Pош.вз =1.3×10-10

.4 Сравнение оптического усилителя и оптического регенератора.

По мере распространения оптического сигнала по оптическому волокну происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины волоконно-оптической линии связи. Если же максимально допустимая длина между приёмником и передатчиком превышена, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько повторителей и оптических усилителей.

Типы повторителей. По методу усиления оптического сигнала повторители подразделяются на две категории: регенераторы и оптические усилители.

В волоконно-оптических линиях связи регенераторы значительно больше распространены, чем оптические усилители. При построении оптических магистралей оптические усилители в последнее время играют незаменимую роль.

Регенератор (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал ().

Электронно-оптический повторитель

Повторитель можно представить как последовательно соединённые приёмный и передающий оптические модули. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала ().

Оптический усилитель

Эрбиевые оптические усилители (EDFA)

Принципиальным отличием оптического усилителя от регенератора, является то, что первый не осуществляет оптоэлектронного преобразования. Оптический усилитель увеличивает амплитуду входных оптических импульсов чисто оптическим путем, не выполняя при этом ни какого дискриминационного восстановления формы импульсов.

В 1990 году, создаются первые оптические усилители на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), и становятся очевидными возможности их широкого использования в протяженных линиях связи. Несмотря на позднее рождение EDFA, первыми проникают на телекоммуникационный рынок, и на сегодняшний день доминируют на нем.

Оптический усилитель имеет три существенных преимущества перед регенератором. Во-первых, оптический усилитель конструктивно проще. Во-вторых, оптический усилитель в отличие от регенератора, не привязан к протоколу или скорости передачи и может преобразовывать (усиливать) входной сигнал любого формата. В-третьих, оптический усилитель способен одновременно усиливать большое число независимых спектрально разделенных каналов, в то время как регенератор может обрабатывать только один канал, одну длину волны. Перечисленные преимущества оптического усилителя настолько сильны, что отодвигают один из его главных недостатков на задний план - оптический усилитель вносит шум.

Таблица сравнительного анализа оптического регенератора и оптического усилителя:

Из таблицы видно, что оптический усилитель обладает существенными преимуществами.

Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается мощность излучения. В качестве активной среды применяются полупроводники и стекловолокна с различными примесями, например, редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием (Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно. При усилении может происходить преобразование спектра входного сигнала, т.е. выходной сигнал может быть смещен по частоте.

Классификация различных видов оптических усилителей приведена на рисункениже.

К усилителям, которые используются в оптических системах передачи, предъявляется ряд требований:

         высокий коэффициент усиления в заданном диапазоне оптических частот;

         малые собственные шумы;

         хорошее согласование с волоконно-оптическими линиями;

         минимальные нелинейные и линейные искажения оптических сигналов;

         большой динамический диапазон входных сигналов;

         требуемое усиление многочастотных (многоволновых) оптических сигналов;

         длительный срок службы;

         минимальная стоимость и т.д.

Этим требованиям в наибольшей степени отвечают полупроводниковые и волоконные усилители, настроенные на окна прозрачности стекловолокна (около 0,85 мкм; 1,31 мкм; 1,55 мкм).

Нелинейные усилители пока получили незначительное применение в ВОСП. Однако для некоторых перспективных методов передачи, например, солитонных и многоволновых, их использование может оказаться ключевым.

Полупроводниковые и волоконно-оптические усилители применяются в качестве усилителей мощности, совмещаемых с оптическими передатчиками, в качестве предусилителей перед фотоприемниками и в качестве промежуточных станций в линейных трактах оптических систем передачи.

Классификация оптических усилителей

. Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда Энергия от оптической волны на частоте, скажем, f1 переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f2.

Если мощная накачка производится на частоте f1, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2. Выходной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

. Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Стимулированное рамановское рассеяние - также нелинейный эффект, который подобно бриллюэновскому рассеянию может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако, при рамановском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f2-f1|) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

. Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет активная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной λ/4 с согласованным показателем преломления, .

Полупроводниковый лазерный усилитель

Полупроводниковые лазерные усилители не получили столь широкого распространения, как усилители на примесном волокне. Дело в том, что ППЛУ свойственны два существенных недостатка.

Светоизлучающий активный слой имеет поперечный размер несколько микрон, но толщину в пределах одного микрона, что много меньше, чем диаметр светонесущей части оптического волокна (~ 9 мкм - для одномодового волокна). Вследствие этого большая часть светового потока из входящего волокна не попадает в активную область и теряется, что уменьшает КПД усилителя. Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и активной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции.