Исследование параметров волоконно-оптической линии передачи

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и

информатики

Кафедра линий связи и измерений в технике связи

     Сдана на проверку                                      Допустить к защите

   "_____"___________ 2011 г.                         "_____"___________2011 г.

                                                            Защищена с оценкой_____

                                                                            "_____"___________2011 г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ

ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ»

Самара

2011

Содержание

Введение.

Постановка задачи

Задачей данной работы является исследование бюджета

мощности волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), работающей по одномодовому ступенчатому оптическому волокну (ОВ) на одной оптической несущей, без чирпа, на регенерационном участке (РУ) без линейных оптических усилителей (ОУ) и компенсаторов дисперсии. В процессе выполнения задания необходимо определить длину регенерационного участка (РУ) для заданных параметров волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), рассчитать зависимость бюджета мощности от скорости передачи информации в линии и определить максимально допустимую скорость передачи для данного РУ.

Основы функционирования волоконно-оптических линий передачи

Обобщенная структурная схема волоконно-оптических систем передачи

         Обобщенная структурная схема РУ волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) без устройств компенсации и линейных усилителей представлена на рис. 1. Приведен пример оптической  системы  передачи  работающей  на  одной  оптической несущей, без чирпа (с внешним модулятором) и прямым детектированием.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема ВОСП

Передатчик ВОСП обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или  аналогового)  сигнала  в  выходной  световой (цифровой или  аналоговый)  сигнал. Скорость передачи  в линии  современных  систем  синхронной цифровой иерархии  составляет 2,5 -10 Гбит/с и  более. Соответственно  длительность импульса источника оптического излучения не должна превышать 0,2 – 0,05 нс. Это  требует применения когерентных источников излучения – лазеров.  В общем случае передатчик включает в себя лазерный диод (ЛД), модулятор (М) и кодек, на который поступает кодовая

последовательность от  цифровой системы передачи (ЦСП).

Модулятор производит модуляцию генерируемой лазером оптической несущей.

         Кодек  осуществляет  преобразование  кода  ЦСП (аналогового  сигнала)  в  линейный  код  оптической  системы  передачи  и обратно.

         Приемник  ВОСП  осуществляет  обратное  преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического  тока. Он  включает  в  себя  фотодиод (ФД),  оптический усилитель (ОУ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и кодек. Основной элемент – ФД. Применяются p-i-n или  лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.

        Оптический кросс  служит для оперативного соединения и разъединения оптических волокон станционных и линейных оптических кабелей в процессе технической эксплуатации ВОЛП. 

Основы линейного кодирования

          Полученный  в  результате  квантования  и  двоичного  кодирования  цифровой  поток  оптимален  с  точки  зрения  ошибок квантования,  но  требует  оптимизации  для  передачи  по  каналу связи. Это обусловлено в основном следующими причинами: - широкий спектр цифрового потока затрудняет как передачу его по каналу связи с ограниченной полосой пропускания, так и обеспечение, и, особенно, восстановление синхронизации;

          - спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных  составляющих,  которые  могут  интерферировать  с  составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;

          - спектр содержит большую постоянную составляющую, что осложняет фильтрацию напряжения сети питания.

Чтобы оптимизировать спектр сигнала для передачи в линии необходимо обеспечить:

          - минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

          - информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в  виде  дискретной составляющей,  легко  выделяемой  на  фоне непрерывной части спектра;

          - достаточно  узкополосный непрерывный  спектр для передачи сигнала в линии без искажений;

          - малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в линии;

          - минимально  возможные длины блоков повторяющихся символов - «1» или «0», - и неравенство числа единиц и нулей в кодовых комбинациях (диспаритетность).

          Задачи  оптимизации  сигнала  для  прохождения  через  устройство  сопряжения  с  линией (интерфейс)  и  по  линии  решают интерфейсное кодирование и линейное кодирование.

          Кодирование может быть как однополярным,  так  и  двухполярным.

Рис. 2. Двухполярные и однополярные  линейные коды

         В оптических системах передачи используют, как правило, однополярные блочные коды.

          Факторы  шумов  и  искажений  волоконно-оптической линии передачи              

          В  целом,  в  соответствие  со  структурной  схемой  ВОСП, шумы и искажения сигналов волоконно-оптической линии передачи разделяют на шумы источника излучения, шумы фотоприемного устройства и линейные шумы и искажения. К основным шумам источника излучения относятся собственные шумы лазера, фазовый шум и щумы обусловленные оптической обратной связью, чирп-эффект.  Основные шумы фотоприемного устройства – это тепловые и дробовые шумы фотодиода и шумы предусилителя.   Линейные  шумы -  это,  в первую  очередь,  шумы межсимвольной интерференции (ISI), которые включают в себя

перекрестные помехи и шумы синхронизации. 

          Основные факторы искажений оптических импульсов при распространении  в оптических волокнах – потери, дисперсия и нелинейные эффекты.

         Оптические потери в одномодовых волокнах.

          Типичная характеристика  затухания кварцевого оптического волокна и ее эволюция  с  развитием  технологии  производства  волокон  представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость затухания сигнала в ОВ

         К фундаментальным факторам потерь  относятся механизмы поглощения и  рассеяния. Основной  вклад  вносят потери  за счет  релеевского  рассеяния  и  инфракрасного  поглощения.

         Как  показывает  рис.7  в  области малых  длин  волн  затухание кварцевого оптического волокна уменьшается с увеличением  длины  волны  в  основном  по  закону  Релеевского  рассеяния. Релеевское  рассеяние  обусловлено  флюктуациями  показателя преломления материала сердцевины вдоль и поперек оси волокна,  что  приводит  к  рассеянию  света  на  случайных  изменениях показателя  преломления.  Часть  рассеянного  светового  потока

образует  поток  обратного  релеевского  рассеяния,  распространяющийся к источнику излучения, часть - попутный поток, направление распространения которого совпадает с направлением распространения полезного сигнала,  а часть уходит в оболочку.

          В области длин волн более 1,7 – 1,8 мкм начинают проявляться  потери  из-за  инфракрасного  поглощения  в  кварце,  вызванного  резонансами  атомов  в  кристаллической  решетке SiO2.

Диапазон работы ВОСП выбирается в области минимального затухания кварцевых оптических волокон и лежит в пределах 1260 -1675 нм. Выделяют шесть спектральных диапазонов, данные которых сведены в таблице 1. 

                                                                                                                          Таблица 1

Дисперсионные  характеристики  одномодовых  оптических  волокон

Дисперсией  оптических  волокон  называют  увеличение  длительности  оптических  импульсов  при  их  распространении  по  оптическому  волокну.  Дисперсия  обусловлена

тем,  что  отдельные  составляющие  оптического  импульса  распространяются с разной скоростью. Дисперсия ОВ создает переходные  помехи,  ведет  к  межсимвольным  искажениям  и,  как следствие,  ограничивает  скорость передачи  в  линии (длину  регенерационного участка).

Одномодовые  оптические  волокна  характеризуются  хроматической и поляризационной модовой дисперсией. Хроматическая дисперсия обусловлена конечной шириной линии излу-

чения лазера и различием скоростей распространения отдельных спектральных  составляющих  оптического  сигнала.  Под  хроматической  дисперсией  понимают  изменение  формы  огибающей оптического  сигнала,  обусловленное  зависимостью  постоянной распространения моды от длины волны. Хроматическая дисперсия есть величина детерминированная. Она равна сумме материальной  и  волноводной  дисперсии.  Материальная  дисперсия обусловлена  зависимостью  показателя  преломления  материала сердцевины и оболочки от  длины волны, которая, в свою очередь, вызывает изменения с длиной волны скорости распространения.

Волноводная  дисперсия  обусловлена  спектральной зависимостью скорости передачи, характер которой определяется  профилем показателя преломления оптического волокна.

Изменяя  профиль  показателя  преломления,  можно  соответственно  изменить  спектральную  характеристику  хроматической дисперсии.

Поляризационная  модовая  дисперсия (PMD -  polarization mode dispersion) – величина случайная. Ее  компенсировать значительно сложнее, чем хроматическую.  Причина  поляризационной  модовой  дисперсии -  явление двулучепреломления, которое имеет место при нарушении круговой  симметрии  геометрических  характеристик  или  внутренних  механических  напряжений  ОВ.

Нелинейные явления

Нелинейные явления в оптическом волокне  имеют  место  при  увеличении  интенсивности  оптического излучения, равной отношению оптической мощности, передаваемой в волокне, к эффективной площади сечения волокна

I=P/Aeff.  Различают явления рассеяния или явления преломления.

Чирп-эффект

Еще одна причина искажений оптических импульсов - чирп-эффект [5, 22–23]. В лазерах с прямой модуляцией излучения при изменении тока накачки (прямая модуляция) меняется

не только коэффициент усиления диода, но и показатель преломления. Как следствие, меняется частота излучения лазера. Это и есть чирп. Характерно, что при скоростях модуляции выше 1 ГГц этот чирп имеет положительный знак. В этом случае длительность чирпированных импульсов при передаче в волокне с положительной дисперсией  увеличивается, а в волокне с

отрицательной дисперсией – нет.

Технические данные ОВ

Таблица 2

Исходные данные

Таблица 3

Рассчитаем значения уровня мощности оптического излучения лазера () и уровня чувствительности приемника ():

Рассчитаем центральную длину волны:

Ширина линии излучения  лазера определяется:

,  нечетное .

Результаты занесем в таблицу:

Таблица 4

Расчёт коэффициента затухания

Исходные данные представлены в таблице 5:

Таблица 5

Расчёт коэффициента затухания производиться двумя способами.

1 способ (без поправок):

2 Способ (расчёт с поправками):

Из двух способов выбираем способ 1, т. к. затухание полученное этим способом, наиболее близко к данному нам диапазону.

Рассчитанная центральная длина волны попадает в Основной спектральный диапазон (1260 нм – 1360 нм).

Рис. 4. Спектральная характеристика затухания

Расчёт хроматической дисперсии

Таблица 6

Рис. 5. Изменение дисперсионных характеристик ОВ

Расчёт длины элементарного кабельного участка

Таблица 7