Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

тельно, из (10.3) имеем:

rec

T = 0,35/10  10

= 35  10

= 35 пс = 0,035 нс

(0,035

= 0,001225).

Используя 10.5, получаем:

T = 1,1 (0,01 + 4 + 0,001225)

1/2

= 1,1  4,011225

1/2

= 2,203 нс

Теперь мы можем протестировать полученное значение времени нарас-

тания системы, чтобы убедиться, что система может поддерживать передачу

на скорости 2,5 Гбит/с, используя следующие приблизительные соотно-

шения:

Время нарастания системы

rec



0,7/2,510

или 2,203 нс  0,28 нс.

Неравенство не выполняется, это указывает на то, что система не

прошла тест. Что можно сделать в этом случае? По схеме вычислений видно,

что самый большой вклад во время нарастания дает

fiber

T . Есть два решения:

во-первых, использовать другое волокно — G.653, имеющее хроматическую

дисперсию на уровне 3,5 пс/нм/км. Вычисления в этом случае дают:

fiber

T = 3,51001 = 350 пс = 0,350 нс.

T = 1,1 (0,01 + 0,1225 + 0,001225)

1/2

= 1,10,133725

1/2

= 0,40225 нс

0,40225 нс  0,28 нс.

Неравенство не выполняется, то есть система снова не прошла тест.

Что можно сделать в этом случае? Можно уменьшить длину линии допустим

до 50 км. Возвращаясь к вычислению

fiber

T , имеем:

fiber

T = 3,5501 = 175 пс = 0,175 нс

T = 1,1 (0,01 + 0,030625 + 0,001225)

1/2

= 1,10,04185

1/2

= 0,22503 нс

0,22503 нс  0,28 нс.

Неравенство выполняется, то есть система прошла тест.

Нам хотелось бы снова поднять красный или, на худой конец, желтый

флаг, чтобы привлечь внимание. Оптоволоконная линия передачи состоит из

кабельных секций, или строительных длин, обычно намотанных на 2 км

катушку, но если нужно, могут использоваться катушки с длиной кабеля от 1

до 10 км. Характеристики кабеля (например, дисперсионные) могут доста-

точно отличаться от катушки к катушке, так, что наши вычисления не будут

отражать фактические характеристики. Это может привести к тому, что ра-

ботающая на бумаге линия не будет работать на практике.

Пример 2.

Линия передачи использует волокно G.653 (с хроматической

дисперсией 3,5 пс/нм/км) и передает поток STS-24 (1244 Мбит/с).

Предположим, что линия относится к классу ограниченных по дисперсии.

Можем ли мы растянуть ее на 200 км без использования регенератора? Для

создания усиления, достаточного для того, чтобы иметь надлежащий

пороговый уровень на входе приемника, предполагается использовать

оптический усилитель типа EDFA. Наша озабоченность в этом случае в том,

что линия может быть ограниченной по дисперсии. Линия использует

формат кодирования NRZ. Спектральная ширина источника — 1 нм. Для

удобства расчеты будем вести в нс.

Для линии, ограниченной по мощности, должны выдерживаться

следующие соотношения:

T  0,7 / В, где В = 1244 Мбит/с, следовательно,

T  0,7 / 1244  10

= 0,5627 10

-9

= 0,5627 нс.

Время нарастания для ЛД равно 0,1 нс. Время нарастания для

приемника составляет 0,35/10  10

= 0,035 нс.

21/2

fiber

1,1(0,01 0,001225)

TT

fiber

T = 3,52001 = 700 пс = 0,70 нс.

T = 1,1 (0,01 + 0,49 + 0,001225)

1/2

= 0,7788 нс

Так как фактическое значение

T = 0,7788 больше, чем требуемое -

0,5627, то данное решение не годится.

В уравнении для определения

T наибольший вклад вносит волоконная

составляющая. Следовательно, именно на эту величину нужно обратить вни-

мание. Вспомним, что эта составляющая определяется уравнением вида:

fiber

TDL



, см. выражение (10.7). Используя это выражение, мы можем

уменьшить волоконную составляющую за счет уменьшения:

- хроматической дисперсии (параметр D);

- длины линии L;



 — ширины полосы спектра, излучаемого источником света - ЛД.

Мы можем уменьшить спектральную ширину линии излучения

источника света наполовину (0,5 нм) за счет использования более

качественного источника излучения. Полагая, что теперь ширины полосы

спектра источника света равна 0,5 нм, получим:

fiber

T = 3,52000,5 = 350 пс = 0,35 нс

В результате для

T получаем:

T = 1,1 (0,01 + 0,1225 + 0,001225)

1/2

= 0,4023 нс

Так как фактическое значение

T = 0,4023 меньше, чем требуемое —

0,5627, то данное решение вполне подходит. Итак, мы удовлетворили

требуемым характеристикам путем улучшения спектральных характеристик

световой волны, излучаемой передатчиком.

10.5. Определение уровней оптической мощности

10.5.1. Уровень мощности канала

10.5.1.1. Минимальная мощность канала

В этом разделе мы опишем, как получить значение минимальной

мощности в канале в конце срока службы, которая требуется для

поддержания желаемого отношения оптический сигнал/шум (OSNR). В

первую очередь мы должны получить соотношение между OSNR и ВЕR.

Очень важно понимать, что ВЕR будет различным в системах с усилением и

без усиления. Важным является связь показателя ВЕR с характеристикой

приемника, которая должна быть включена в методику проектирования.

Итоговая минимальная оптическая мощность канала не зависит от числа

каналов (т.е. длин волн) и может быть использована как в одноканальных,

так и в многоканальных системах. В этом разделе описывается также, как

ASE влияет на ограничение минимальной мощности в канале, как для

одноканальных, так и многоканальных оптических систем с оптическим

усилением.

Мощность ASE, приходящаяся на единичный частотный интервал, для

оптического усилителя определяется выражением:

2(1)

ASE SP

PNGhv



 (10.8)

где N

 1 — коэффициент спонтанного шума, G — внутреннее усиление, h -

постоянная Планка и v — оптическая частота. Внешний коэффициент шума

усилителя в дБ определяется выражением:

10log 2

SP in

NF N















(10.9)

где



- потери на входе усилителя в дБ за счет интерфейсной стыковки. Если

сделать упрощенное предположение о том, что общая выходная мощность

(включающая аккумулированную мощность ASE) одинакова после каждого

усилителя и что усиление G много больше 1, то OSNR дается при-

близительно следующим выражением:





10log 10 log

out

OSNR P L NF N hv v   (10.10)

где P

out

— выходная мощность (на канал) в дБм, L — потери на длине пролета

между усилителями в дБ, NF — коэффициент внешнего шума в дБ,



оптическая ширина полосы, N — число пролетов на линии, предполагается,

что потери на всех пролетах одинаковы. В полосе 1550 нм член





10log hv v

= —58 дБм на уровне 0,1 нм оптической ширины полосы. Этот подход может

быть использован и в тех системах, где потери на пролетах разные; полагая,

что потери на пролетах одинаковые и равны или меньше, чем L, мы получаем

оценку OSNR в расчете на худший случай.

Вышеприведенное соотношение дает практичную и полезную оценку,

так как OSNR на входе усилителя (точка R

(N)

на рис. 10.1) является

результатом среднеквадратического усреднения N эффективных шумовых

источника, так что небольшие различия в уровне потерь выходной мощности

на пролетах имеют тенденцию к усреднению. Предположение, что G >>1,

выполняется для большинства систем с усилителями [10.12].

Выражение (10.10) можно использовать для оценки минимальной

выходной оптической мощности, которая требуется для поддержки

желаемого OSNR. Минимальная выходная оптическая мощность могла бы

быть измерена на выходе усилителей. Так как она является ограничением на

минимальную мощность в расчете на канал, которое не зависит от числа

каналов, то может быть использована как для одноканальных, так и для

многоканальных систем.

В случае, когда мощности в отдельных каналах изменяются, можно

считать, что если все канальные мощности больше или равны минимальной

мощности, то все OSNR также будут больше или равны минимально требу-

емым значениям.

В реальных системах WDM выходная мощность в каналах будет,

вероятно, неодинакова, ввиду разницы в коэффициентах усиления, а также

различий шумовых характеристик в отдельных каналах. Кроме того, потери

на длине пролетов также, вероятно, будут разные. Тем не менее, выражение

(10.10) полезно тем, что устанавливает минимальную мощность в

оптическом канале, которую необходимо рассматривать в расчете на худший

случай (т.е. когда все потери на длине пролетов принимаются максимально

возможными и мы рассматриваем тот канал, выходная мощность которого

минимальна).

10.5.1.2. Максимальная мощность канала

Ограничение на максимальный уровень оптической мощности может

базироваться или на нелинейных оптических эффектах, или на соображениях

о лазерной безопасности. Если максимальная общая выходная мощность

(включая ASE) фиксирована на уровне ограничений на лазеры класса 3А,

3А

, то максимальная мощность в канале,

maxch

P , связана с числом каналов

зависимостью вида:





max 3

10log

ch A

PP M (10.11)

где М - число работающих каналов. Это уравнение приводится в иллюстра-

тивных целях, так как выходная мощность может меняться от канала к ка-

налу, до тех пор пока общая выходная мощность меньше, чем

P . Это огра-

ничение справедливо как для систем с линейными усилителями, так и без

них, как это описано в рекомендации ITU-T G.692 [10.12].

В некоторых случаях, нелинейные эффекты в волокне накладывают бо-

лее жесткие ограничения на уровень выходной мощности, чем соображения

лазерной безопасности. В частности, фазовая самомодуляция (SPM), фазовая

кросс-модуляция (ХРМ), вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) на-

кладывают ограничение на максимальную мощность в канале. Эти ограни-

чения на уровень оптической мощности, налагаемые SPM и SBS, независимы

от представленного числа каналов и, в случае SPM, действуют только на

системы, использующие волокно G.652 и G.655. Кроме того, ХРМ действует

только на многоканальные системы и более важна для тех из них, которые

используют малый разнос каналов. Ухудшения от ХРМ более существенны

для систем с волокном G.652, а не систем с волокнами G.653 или G.655.

Максимально разрешенная выходная мощность в каналах, благодаря

ограничениям, накладываемым SPM или ХРМ, будет меняться в зависимости

от кода использования, числа и длины пролетов.

Аналогичные пределы на максимальную выходную мощность в

каналах, накладываемые за счет SBS, находятся в стадии изучения

комитетами ITU-Т и здесь не рассматриваются. Четырехволновое смешение

(FWM) влияет только на многоканальные системы и не представляет

практических ограничений на системы, использующие волокно G.652 и

G.655. Вынужденное рассеяние Рамана также не представляет практических

ограничений на многоканальные системы, использующие волокно G.652, как

это описано в этой секции и в рекомендации ITU-T G.692. Влияние

вынужденного рассеяния Рамана на некоторые многоканальные системы с

неодинаковым шагом несущих, использующих волокно G.653, также

находится в стадии изучения.

10.5.1.3. Максимальный диапазон изменения мощности канала

Три предела уровней мощности, описанные выше в этом разделе,

определяют максимальный диапазон уровней канальной мощности.

Минимальная мощность в канале не зависит от представленного числа

каналов, тогда как максимальная мощность в канале зависит от

представленного числа каналов. Например, если представлено 8 каналов, то

максимальный уровень определяется уровнем лазерной безопасности, тогда

как при наличии одного канала максимальный уровень мощности диктуется

ограничениями, накладываемыми SPM и зависящими от кода использования.

Относительно высокая канальная мощность получается только тогда, когда

используется несколько каналов, причем эта канальная мощность будет

падать при добавлении рабочих каналов. Это, однако, зависит от варианта

исполнения оптического усилителя [10.12].

10.5.2. Максимальная полная мощность

Требуемую полную выходную мощность оптического усилителя

можно оценить, используя следующее выражение:





/10

NF L

tot out

eff

PPNBWhv







(10.12)

Здесь NF и L даются в дБ, а все другие члены выражены в линейных

единицах. Последний член является общей аккумулированной мощностью

ASE, а

eff

W — эффективная полоса ASE, определенная как полная мощность

ASE, деленная на плотность мощности ASE. Это полоса порядка 20-30 нм

для одного усилителя и порядка 15 нм для цепочки из 10 усилителей, до тех

пор пока сигнальное усиление близко к максимальному спектральному

усилению усилителя. Эта аппроксимация достаточна до тех пор, пока в

полной мощности доминирует сигнальная мощность [10.12, 10.13].

ГЛАВА 11 НАРУЖНАЯ ПРОКЛАДКА ВОЛС

11.1. Введение

Наружная часть волоконно-оптической сети может быть кабелем с

прокладкой в грунт, или кабелем, подвешенным на столбах при воздушной

прокладке. В этой главе мы сделаем упор на прокладке в грунт. Сектор

наружной прокладки ВОК может включать также: а) линейные устройства,

такие как регенераторы и оптические усилители, б) пассивные элементы,

такие как разветвители сигнала. Вопросом большой важности для системного

инженера-проектировщика является надежность и встроенные средства под-

держания эксплуатационной надежности. Активные линейные устройства

требуют первичных источников питания. Это питание может быть обеспе-

чено на месте или может быть передано с помощью медных жил ВОК.

11.2. Прокладка кабеля в грунт

11.2.1. Стандарты маркировки наружной кабельной прокладки

Надлежащий выбор трассы прокладки ВОК очень важен, так как это

первый шаг избежать повреждений кабеля в процессе будущей его

эксплуатации в этом регионе.

Ниже приведены указания, которые могли бы быть полезны для

инженеров наружной прокладки, ответственных за планирование прокладки

и укладку кабеля:

1. Планы по прокладке кабеля должны осуществляться на основе

информации, полученной в результате изыскательских работ на трассе про-

кладки кабеля.

2. Рабочие чертежи устанавливают соответствие трассы прокладки

кабеля, содержат информацию о положении и глубине закладки кабеля, и

информацию, достаточную для того, чтобы определить местоположение

подповерхностных структур. Вместе с этим, табл. 11.1 дает стандартный

унифицированный цветовой код для подземных сооружений, который можно

встретить в таких проектах кабельной прокладки.

Таблица 11.1

Стандартный унифицированный цветовой код для маркировки подземных

сооружений и кабельных линий

Цвет Сооружения

Красный

Желтый

Голубой

Зеленый

Оранжевый

Белый

Мерцающий

розовый

Электрические силовые линии и кабельные коллекторы

Газопроводы, бензо- и нефтепроводы, паропроводы

Водопроводы, ирригационные линии, линии подачи цементного раствора

Канализационные и дренажные коллекторы

Линии связи, включая ВОК

Предполагаемые раскопки

Маркировка временных обследований

Источник. ЕIА/ТIА-590-А, табл. 1, с. 4, [11.1]

3. При проектировании трассы приходится предвидеть возможные

узкие места, возникающие в связи с получением права на прокладку, напри-

мер, нужно принять во внимание сооружения, которые в будущем могут

помешать проходу, а также существующие конкурирующие подземные

коммуникации.

4. Приобретение прав на землю и необходимые разрешения должны

быть получены до того, как начнется фактическая установка. Они включают

разрешение на право прохода; а также должны включать места, отведенные

под установку оборудования и рабочее пространство, которое будет

включено в сферу последующего обслуживания.

5. Перед началом работ должна быть проведена встреча с

представителями местных агентств и подрядчиков и другими, включенными

в эти работы, для того чтобы обсудить план работ по сооружению ВОЛС,

сроки их выполнения, последовательность этапов и операций и другие