Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

3/STM-1, STS-12/STM-4 и STS-48/STM-16. Они были взяты из табл. 2-4

рекомендации ITU-T G.957 [10.2]. Мы считаем, что эти пороговые уровни

достаточно традиционны.

10.3.2. Пример 1

Допустим, что мы хотим установить ВОСП длиной 100 км,

работающую на скорости 155 Мбит/с (STS-3/STM-1), удовлетворяющую

требованиям к характеристикам, соответствующим G.826 [10.6]. По длине

линии не предполагается использовать регенераторы или усилители.

Выбираем оптическое волокно, которое мы хотели бы использовать, и длину

волны передачи. Используем пороговое значение и необходимые допуски из

табл. 10.1.

10.3.2.1. Анализ

Допустим, что мы будем использовать одномодовое волокно и длину

волны в окне прозрачности 1550 нм. Фактически, 1550 нм — точка

минимальных потерь для одномодового волокна типа G. 654 [10.7].

Убеждаемся, что линия принадлежит к классу ограниченных по потерям.

Используем величину потерь 0,25 дБ/км, как предлагается в гл. 6, табл. 6.3.

Предположим, что каждые 2 км имеются сростки с уровнем вносимых потерь

0,03 дБ; существуют оптические разъемы на самом конце кабеля с каждой

стороны (опорные точки S и R), с уровнем вносимых потерь 0,5 дБ на

каждый разъем (всего 1,0 дБ). На данной линии существуют дополнительные

потери 1,0 дБ, вызванные дисперсией. Предположим, что средняя,

излучаемая лазером MLM, мощность равна 10 дБм.

Пусть порог детектора света задан на уровне —28 дБм, а выходная

мощность лазерного источника на ближнем конце — 0 дБм, тогда линия

может допустить потери на уровне 28 дБ. (Нужно сделать следующее

замечание. Порог -28 дБм по табл. 2-4, ITU-T G.957, соответствует BER =

-10

; можно было бы добавить 1 дБ, чтобы удовлетворить требованиям для

достижения BER=10

-12

. Однако мы полагаем, что значение —28 дБм будет

достаточным для достижения этого последнего значения BER. См. разд. 5.5.3

и табл. 5.2 в этом тексте. Большинство PIN-диодных детекторов работают в

диапазоне – 33 – – 38 дБм для достижения желаемого BER при заданной

скорости.) Предположим следующие уровни потерь:

- потери в оптическом разъеме 1,0 дБ;

- потери в волокне и сростках 25,0 дБ (100 км0,25 дБ/км = 25,0 дБ);

- потери мощности, вызванные

дисперсией 1,0 дБ.

Итого: 27 дБ.

В результате получаем запас по мощности только 1 дБ. Считаем, что

этого запаса не достаточно.

Однако, разд. 6.4 рекомендации ITU-T G.957 устанавливает значения

чувствительности, приведенные в табл. 2-4, в расчете на худший случай, в

конце срока службы. Это дает еще примерно 2 дБ дополнительного запаса

мощности до тех пор, пока не достигнут период окончания срока службы.

При наступлении этого периода можно ожидать, что такая линия начнет

демонстрировать ухудшение своих характеристик.

В этом случае рекомендуется, чтобы проектировщик линии передачи

четко представлял, к какому классу относится используемый световой

детектор: PIN-приемника или APD-приемника. Вернемся к табл. 5.2. PIN-

приемник компании Alcatel имеет порог —35 дБм для BER=10

-10

. Если мы

собираемся использовать это значение и предполагаем, что оно должно быть

номинальным, добавим еще +3 дБ в расчете на ухудшение характеристик в

конце срока службы; примем 4 дБ в качестве дополнительного запаса

мощности (т.е. значение —28 дБм в таблицах 2-4 рекомендации G.957 и

значение —35 дБм — опубликованное значение характеристики PIN-

приемника компании Alcatel для заданной скорости и уровне BER).

Мы предлагаем представить значения, которые здесь обсуждались, в

табличной форме, так, как это можно было бы ожидать, формируя бюджет

линии. В этой таблице должны быть три колонки. Колонка 1 — Параметр

или логический объект, колонка 2 — Значение, колонка 3 — Комментарий,

где проектировщик мог бы написать комментарий или дать какой-то совет.

Мы будем называть такую таблицу Расчетной таблицей 10.5.

Расчетная таблица 10.5

Параметр или логический объект Значение

Комментарий или совет

Выходная мощность источника света 0 дБм Как правило, используются

СИД передатчики, линия с

ограничением по потерям

Световой детектор: порог приемника -35 дБм PIN-диодный приемник

компании Alcatel

Бюджет линии 35 дБ Децибелы вычитаются

алгебраически

Потери линии:

Потери оптических разъемов

Потери в волокне (0,25 дБ/км) на длине 100

км

Дополнительные потери от дисперсии

Запас по мощности

Общие потери линии

Излишний запас по мощности

1,0 дБ

25 дБ

1,0 дБ

4,8 дБ

31,8 дБ

3,2 дБ

По 0,5 дБ вносимых потерь на

каждом конце в опорных

точках S и R

Волокно типа ITU-T G.654,

длина волны 1550 нм

Включая запас по мощности

Излишний запас используется

для неучтенного допуска на

длину кабеля, обычно

добавляют 5% для покрытия

этого допуска

а)

10.3.3. Пример 2

Допустим, что длина трассы 160 км, а скорость передачи - 622 Мбит/с

и не предполагается использовать регенераторы или усилители. Однако

мощный усилитель (бустер) может быть встроен в источник света, а

предусилитель - в приемник на удаленном конце. Эти усилители основаны на

волоконно-оптическом усилении (EDFA) и работают в окне 1550 нм. Они

имеют (каждый) усиление на уровне 17 дБ. Другими словами, мы

рассчитываем, что лазерный передатчик имеет выход 0 дБм, который затем

будет усилен до величины +17 дБм, благодаря включению усилителя EDFA.

Четырехволновое смешение не окажет какого-то влияния, учитывая, что

используется только одна несущая. Приемник имеет порог —28дБм (табл.

10.1) для работы со скоростью 622 Мбит/с. Наличие усиления за счет EDFA

(17 дБ) снижает порог до величины —45 дБм. Вычитая —45 дБм из +17дБм,

получаем бюджет для линии передачи в 62 дБ. Мы можем теперь перейти

непосредственно к табличным вычислениям, см. табл. 10.6.

Расчетная таблица 10.6

Параметр или логический объект

Значение

Комментарий или совет

Выходная мощность источника - лазерного

диода SLM с EDFA

Световой детектор: порог приемника с

усилителем EDFA

Бюджет линии

Потери линии:

Потери оптических разъемов

Потери в волокне на длине 160 км

(160+0,05 х 160)

Дополнительные потери на сростки из

расчета 0,1 дБ/сросток

Дополнительные потери от дисперсии

Запас по мощности

Общие потери линии

Излишний запас по мощности

+ 17дБм

-45 дБм

62 дБ

2.0 дБ

42 дБ

2.1 дБ

2.0 дБ

4,8 дБ

52,9 дБ

9.1 дБ

Используется мощный

усилитель типа EDFA

4 оптических разъема

5% длины добавляется для

учета «лишнего» кабеля;

потери в кабеле — 0,25

дБ/км

Строительная длина кабеля

2 км, т.е. требуется 21

сросток

Наличие нескольких децибел лишнего запаса — это плюс, однако запас

9,1 дБ кажется слишком большим. Мы можем рекомендовать уменьшить

усиление в связке передатчик-усилитель. Излишняя мощность может при-

вести к возрастанию уровня искажений за счет нелинейностей, таких, как

фазовая самомодуляция, фазовая кросс-модуляция и других. Если мы про-

ектируем систему большой длины, то ее длина может быть увеличена на 40

км за счет использования указанного лишнего запаса.

10.3.4. Пример 3

Предполагается построить кольцо SONET вокруг Муниципальной

горы. Длина кольца - 36 км. В кольце будут использованы 12 волокон кабеля:

4 резервных и по 4 в каждом направлении. В качестве первой очереди

предполагается использовать транспортный поток уровня STS-3. Однако, с

минимумом полевых затрат должна быть предусмотрена возможность

последующей модернизации кольца до уровня STS-24 (1244 Мбит/с). Шесть

мультиплексоров ввода/вывода (ADM) будут использованы для питания

кольца трафиком. При расчете ADM можно считать регенераторами,

расположенными на равных расстояниях по кольцу — 6 км. Аналогично,

можно рассматривать коммутатор SONET как регенератор в том плане, что

мы должны спуститься на электрический уровень, чтобы иметь возможность

доступа к фрейму SONET и заголовку ОА&М, чтобы иметь возможность

осуществлять переключение электрических (а не оптических) сигналов.

Коммутатор в этом случае не имеет потерь или усиления. Если это был бы

оптический коммутатор, то были бы большие вносимые потери.

Некоторые выводы можно было бы получить непосредственно из

вышесказанного:

- используемая скорость передачи должна быть 1244 Мбит/с;

- все секции линии должны быть класса ограниченных по потерям;

- на первом этапе расчета используем СИД в качестве стандартизован-

ного источника, заметим, что мы можем достичь предела по скорости при

использовании СИД. Это должно быть исследовано. Если вместо него может

быть использован лазерный диод, то бюджет линии должен включать

максимальную входную мощность PIN-диода. Если входная мощность

приемника выше, чем этот максимум, то надо либо уменьшить выходную

мощность источника, если это возможно, либо установить (как и следует)

аттенюатор;

- волокно должно выбираться эффективным по критерию цена-

качество. Кандидатом может быть даже многомодовое волокно.

Смотри расчет бюджета в табл. 10.7.

Расчетная таблица 10.7

Параметр или логический объект Значение Комментарий или совет

Выходная мощность источника света,

передаваемая в волокно

Порог приемника при BER =10

-12

Бюджет линии

Потери линии:

Потери оптических разъемов

Потери на сростки

Потери в волокне (0,5 дБ/км) на

длине 6 км для 1310 нм

Дополнительные потери от дисперсии

Запас по мощности

Оптический аттенюатор

а)

Вносимые потери переключателя

маршрутов

-3 дБм

-25 дБм

22 дБ

1,0 дБ

3,0 дБ

1,0 дБ

3,0 дБ

13,0 дБ

0,0 дБ

MLM-лазер, модуляционная ши-

рина полоса СИД не достаточна

для такой скорости

Это порог для PIN-диодного при-

емника при скорости 1244 Мбит/с

По 0,5 дБ в опорных точках S и R

Рассматривается расстояние толь-

ко между соседними ADM

а)

Опция, используемая для уменьшения выходной мощности лазерного

передатчика на 10-12 дБ

10.3.5. Пример 4

Допустим, что требуется установить ВОСП, состоящую из одной

линии длиной 100 км. Эта линия должна нести 8 каналов WDM, каждый из

которых рассчитан на скорость передачи STM-16 (2,5 Гбит/с).

Предполагается, что система будет использовать частотный план ITU-T с

шагом по частоте 200 ГГц. При оценке потерь волокна будем

ориентироваться на волокно ITU-T G.654 с потерями 0,25 дБ/км, включая

потери на сростки, и аккумулированной хроматической дисперсией на

уровне 20 пс/нм/км.

Вносимые потери за счет использования оборудования WDM

предполагаются большими. Для оценки этих потерь, вернемся к ITU-T G.671

[10.8], в котором описаны пассивные волоконно-оптические элементы. В

этой рекомендации приведены следующие указания.

Мулътиплексоры-демулътиплексоры WDM. Вносимые потери равны

1.5log n , где п — число портов (т.е. каналов либо входящих в мультиплексор,

либо выходящих из мультиплексора — наша интерпретация ссылки [10.8]).

Для нашего примера имеем 8 входных портов для мультиплексора и 8

выходных портов демультиплексора, что дает по 4,5 дБ вносимых потерь для

каждого их них. Вносимые потери для фильтра — 1,5 дБ. Следовательно,

вносимые потери для 8-канального оборудования WDM, включая фильтры,

равны 10,5 дБ (4,5 + 4,5 + 1,5 = 10,5).

Учитывая, что каждый канал работает на скорости 2,5 Гбит/с и

покрывает пролет 100 км, делаем вывод, что нужно анализировать, к какому

классу принадлежит линия: ограниченной по потерям или по дисперсии.

Такой анализ будет проведен в разделе 10.4. Мы же, в связи с этим,

предположим, что эта линия является ограниченной по потерям. Расчет

бюджета мощности можно найти в табл. 10.8.

Расчетная таблица 10.8

Параметр или логический объект Значение Комментарий или совет

Выходная мощность источника —

лазерного диода SLM

PIN-детектор: порог приемника с

усилителем EDFA

Бюджет линии

Потери линии:

Потери оптических разъемов

Потери в волокне и сростках на длине

100 км

Потери от оборудования WDM +

потери фильтра

Запас по мощности

Общие потери линии

Излишний запас по мощности

+3 дБм

-45 дБм

48 дБ

3,0 дБ

26,25 дБ

10,5 дБ

4,8дБ

44,55дБ

3,45 дБ

Максимально рекомендуемый

выход,, см. табл. 4 в рекомендации

G.957

(-28 + -17 = 45 дБ); скорость 2,5

Мбит/с, BER = 10

-10

, см. табл. 4 в

рекомендации G.957]

6 оптических разъемов, включая

разъем WDM

(100+0,05100)0,25 = 26,25 дБ (5%

«лишнего» кабеля; потери в кабеле

- 0,25 дБ/км)

а)

Разъемы следующие: на выходе ЛД, на входе WDM-мультиплексора,

на выходе WDM-мультиплексора в волокно, на входе волокна в

демультиплексор, на выходе демультиплексора в фильтр, на выходе фильтра

в предусилитель EDFA, который интегрирован с приемником.

Заметим, что шаг между каналами в 200 ГГц выбран, чтобы исключить

влияние ЧВС. Усиление EDFA предполагается равным 17дБ.

10.4. Полоса пропускания линии связи, время нарастания фронтов,

накопленная дисперсия

10.4.1. Бюджет времени нарастания

Время нарастания в системе рассчитывается так, чтобы обеспечить

нормальную работу рассматриваемого линии на данной скорости. Время

нарастания фронта и время спада импульса определяется стандартом IEEE

[10.9] так: «Время нарастания — это время, требуемое для роста

интенсивности света от 0,1 до 0,9 номинального значения. Время спада —

это время, требуемое для спада интенсивности света от 0,9 до 0,1

номинального значения».

Следующее уравнение связывает время нарастания интенсивности

света в системе

T с временами нарастания составляющих ее элементов:

222 2

fiber recrtr

TTT T 

(10.1)

где

T ,

fiber

T и

rec

T — времена нарастания передатчика света, оптического

кабеля и приемника света, соответственно [10.10].

Мы можем связать ширину полосы,



и время нарастания

T с

помощью следующего выражения:

2, 2 / 2 0,35 /

Tff





  (10.2)

Это выражение, с другой стороны, говорит нам, что такое соотношение

между шириной полосы и временем нарастания соответствует линейной

системе. С величиной 0,35 для произведения



нужно обращаться очень

аккуратно. При проектировании оптоволоконных линий, как правило, ис-

пользуют эту величину, для того чтобы сохранить некий консерватизм в

подходе к решению.

Можно предположить, что соотношение между скоростью передачи В,

и шириной полосы,

 зависит от формата цифрового потока, т.е. от того, бу-

дет это RZ или NRZ формат. (См. раздел 4.7, где обсуждаются эти форматы.)

Следующие ниже указания могут быть полезными при проектировании опто-

волоконных линий. Если их соблюдать, то можно быть уверенным в том, что

ширина полосы системы будет достаточна для обработки битовой скорости

В.

T должно быть меньше следующих максимальных значений:

для формата RZ: 0,35 /



;

для формата NRZ: 0, 7 /



. См. [10.10].

Следующие оценки времени нарастания возможно будут полезны

инженерам при вычислении времени нарастания

T и применении уравнения

(10.2):

для передатчика с СИД

T должно быть порядка 2 нс;

для передатчика с ЛД

T должно быть порядка 0,1 нс.

Когда задана полоса на уровне — 3дБ для оптоволоконных

приемников, время нарастания приемника может быть вычислено из

уравнения (10.2), где под

 и понимается эта полоса приемника:

0,35 /

rec



 (10.3)

и используя уравнение (10.1):

222 2

tr fiber recr

TTT T  (10.4)

Теперь инженер-проектировщик может вычислить время нарастания

системы, используя 10% коэффициент ухудшения, так:





1/ 2

22 2

tr fiber rec

1,1

TTTT (10.5)

fiber

T можно вычислить из выражения:

22 2

fiber m odal GVD

TT T

(10.6)

где T

GVD

— время нарастания, определяемое дисперсией групповых скорос-

тей, а Т

modal

— время нарастания, определяемое модовой дисперсией.

Для одномодового волокна Т

modal

равно нулю и

fiber GVD

TT , а

GVD

T можно

вычислить из следующего приблизительного соотношения

GVD

TDL





 (10.7)

где D - дисперсионный параметр,





- ширина спектра оптического источ-

ника на уровне половины от максимума, a L — длина линии передачи в км.

Значения



 могут быть взяты из таблиц 2-4 в рекомендации ITU-T G.957

[10.2]. Следует заметить, что дисперсионный параметр D может меняться по

длине волокна, если различные секции кабеля имеют различные дисперси-

онные характеристики. Следовательно, мы должны иметь ввиду какое-то

среднее значение D [10.10, 10.11].

Пример 1.

Вычислить время нарастания системы, при условии, что заданы

следующие значения параметров (см. раздел 10.3.5):

- длина линии: 100 км, волокно G.654;

- время нарастания для передатчика с ЛД: 0,1 нс;

- спектральная ширина источника (табл. 10.4): 1 нм;

- полоса частот приемника: 10 ГГц.

Используемый цифровой формат — NRZ. Скорость передачи — 2,5

Гбит/с.

- Волокно G.654: для данного упражнения используем значение D = 20

пс/нм/км, для более аккуратных вычислений следует воспользоваться

материалом раздела 6.2 в рекомендации G.654.

- Волокно G.653: для диапазона 1525-1575 нм используем значение D =

3,5 пс/нм/км, для более аккуратных вычислений следует воспользоваться

материалом раздела 6.2 в рекомендации G.653.

fiber GVD

TT DL





fiber

T = 20 пс/нм/км  100 км  1 нм = 2000 пс или 2 нс.

Полоса пропускания приемника на уровне -3 дБ равна 10 ГГц, следова-