Внедрение технологии спектрального уплотнения на участке ст. Свердловск – ст. Тюмень

Усилитель EDFA обеспечивает в системе OptiX BWS 1600G усиление сигналов C-диапазона. В оптическом усилителе реализованы функции фиксации коэффициента усиления и управления переходными процессами, позволяющие поддерживать коэффициент усиления каждого канала на определенном уровне независимо от количества каналов и избегать возникновения большого числа битовых ошибок в существующих каналах во время вставки или выделения каналов.

3.2.1 Классификация усилителей по способам применения

Усилители EDFA могут использоваться по разному в зависимости от выбранной области коэффициента усиления. Применения различают предварительные усилители, линейные усилители и усилители мощности.

Предварительные усилители (предусилители) устанавливаются непосредственно перед оптическим приемником терминального оборудования или на выходе оборудования регенерации. Основная функция данного усилителя заключается в усилении малых сигналов, ослабленных во время передачи по каналу , и увеличении приемной чувствительности оптического приемника. Оптические предусилители часто используются в качестве замены сложных и обычно дорогих когерентных оптических приемников.

Линейные усилители устанавливаются в промежуточных точках протяженных линий связи между регенераторами или на выходе оптических разветвителей с целью компенсации ослабления сигнала, которое происходит из-за затухания в оптическом волокне или из-за разветвления в оптических разветвителях, ответвителях, мультиплексорах DWDM. Линейные усилители заменяют оптоэлектронные повторители и регенераторы в тех случаях, когда нет необходимости в точном восстановлении сигнала.

Усилители мощности (бустеры) устанавливаются непосредственно после лазерных передатчиков и предназначены для дополнительного усиления сигнала до уровня, который не может быть достигнут на основе лазерного диода. Бустеры могут также устанавливаться перед оптическим разветвителем, например при передаче нисходящего трафика в гибридных волоконно-коаксиальных архитектурах кабельного телевидения .

Рисунок 3.3 - Применение разных типов оптических усилителей

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.

3.3 Передатчики

Современные передатчики имеют гибридную конструкцию. Лазеры и интегральные микросхемы, модулирующие излучение, объединены в единый компактный модуль, что позволяет достичь больших частот модуляции и высокой надежности. Такой модуль является электронно-оптическим преобразователем, в котором интенсивность выходного светового сигнала модулируется входным цифровым электрическим сигналом. При низких скоростях передачи модулируется управляющий ток (лазеры с внутренней модуляцией), при высоких - сам оптический сигнал (лазеры с внешней модуляцией). В системах DWDM наиболее широко применяют специализированные лазеры с распределенной обратной связью (DFB), предназначенные для работы в окне 1550 нм и обеспечивающие скорость передачи до 10 Гбит/с [4].

Полоса пропускания системы DWDM распределяется между многочисленными каналами с различными длинами волн. Все эти длины волн должны разместиться в рабочей области усилителя. Если в системе много каналов, то каждый из них необходимо тщательно контролировать. Успешное решение данной задачи определяется характеристиками источников излучения каждого канала. Системы DWDM с малым частотным интервалом можно использовать только при наличии лазера с узкой линией излучения. Узкая ширина линии минимизирует искажения импульсов, вызываемых дисперсией волокна, позволяет применять на входе перед приемником узкополосные фильтры для улучшения отношения сигнал/шум. Сильное подавление остаточных боковых полос источника излучения применяется для того, чтобы сигнал источника не взаимодействовал с другими каналами.

Передатчик не должен менять длину волны излучения со временем, т.е. оставаться в пределах полосы пропускания канала системы. Лазер оптически изолируют и на него не должны влиять паразитные отражения от среды передачи, особенно возвращающиеся от первого оптического усилителя в линии связи. Эффект старения в системах DWDM - это предельная мощность, длина волны максимума излучения и подверженность чирпированию (уширение линии излучения) источника излучения при долговременном и кратковременном использовании. Данный эффект должен оставаться в допустимых пределах.

Лазерные источники должны быть защищены от обратных отражений, так как они могут вызвать нестабильность генерации источника. Лазерные модули сами по себе довольно дороги и их замена может потребовать сложной и дорогостоящей операции по разборке и последующей перенастройки компонентов, обеспечивающих эффективную работу линии. Поддержка постоянной температуры лазерного источника обеспечивается термоэлектрическими холодильниками, которые поглощают ту часть энергии, которая не преобразуется в световую. Она рассеивается в виде тепла и влияет на характеристики лазера (длина волны, мощность) и вызывает нестабильность.

3.4 Фотоприемники

Оптический фотоприемник преобразует входные оптические сигналы в электрические и осуществляет, таким образом, их демодуляцию. Фотоприемник должен быть полностью совместим с передатчиком как по спектральной области чувствительности в пределах номинальных длин волн, так и временным характеристикам модуляции излучения. Кроме того, фотоприемник должен обладать устойчивостью к ошибкам, которые могут возникнуть в сигнале при прохождении других оптических компонентов.

Оптический сигнал подается на фотоприемник непосредственно из волокна, что обеспечивается традиционным способом - их торцевой стыковкой. Полученный на фотоприемнике электрический сигнал необходимо усилить до требуемого уровня, внеся при этом как можно меньше шумов. Может понадобиться также электронная фильтрация, для сглаживания эффективного частотного отклика усилителя. Все эти операции выполняются одним гибридным модулем, на который поступает входной оптический сигнал из волокна. Обычно в качестве фотоприемников используется два типа фотодиодов: PIN- фотодиоды и лавинные фотодиоды APD.

Важнейшие характеристики при выборе фотоприемника - это спектральная чувствительность, пороговая чувствительность, динамический диапазон, уровень шума. Эффективность приемника измеряется относительным уровнем ошибок по битам BER, которые он может обеспечить.

Необходимо также учитывать окружающие условия и конструктивные особенности, включая размер, вес, требуемую мощность и приемлемую температурную чувствительность приемника (особенно для лавинных фотодиодов), а также простоту его обслуживания и замены.

3.5 Компенсаторы дисперсии

Оптическое волокно и некоторые компоненты систем DWDM обладают хроматической дисперсией. Показатель преломления волокна зависит от длины волны сигнала, что приводит к зависимости скорости распространения сигнала от длины волны (материальная дисперсия). Даже если показатель преломления не зависел бы от длины волны, сигналы разных длин волн все равно распространялись бы с разной скоростью из-за внутренних геометрических свойств волокна (волноводная дисперсия). Результирующее воздействие материальной и волноводной дисперсий называется хроматической дисперсией.

Хроматическая дисперсия приводит к уширению оптических импульсов по мере их распространения по волокну. При большой протяженности линии связи это проявляется в том, что близко идущие импульсы начинают перекрываться, ухудшая сигнал.

Эффективная методика компенсации дисперсии заключается в умении правильно измерять как полную дисперсию основного волокна, так и коэффициент дисперсии корректирующего волокна, а также возможность проверки того, что компенсирующее волокно расчетной длины действительно устранило дисперсию.

Волокно с компенсацией дисперсии является основным компонентом при статическом подавлении хроматической дисперсии. Его отрицательная хроматическая дисперсия в несколько раз превышает положительную хроматическую дисперсию одномодового волокна. Добавление участка волокна с компенсацией дисперсии определенной длины компенсирует дисперсию линии передачи, обращая ее в ноль. Для систем передачи DWDM необходимо также компенсировать и различные наклоны дисперсионных характеристик для разных длин волн передачи. Так как наклоны в основном и компенсирующем волокне не совпадают точно, то и не происходит идеального зануления дисперсии. В итоге, накопленная дисперсия системы передачи изменяется с длиной волны как показано на рисунке 3.4.



Рисунок 3.4 - Статическая компенсация хроматической дисперсии.

Она оставляет слабую волновую зависимость полной дисперсии в некотором диапазоне длин волн, поэтому с увеличением расстояния передачи разброс накопленной дисперсии увеличивается.

Компенсация может также осуществляться и с помощью дискретных компонентов, таких как брэгговские дифракционные решетки [4].

Для системы OptiX BWS 1600G наиболее подходящие оптоволоконные кабели G.655 и G.652. Они имеют положительный коэффициент дисперсии и положительный наклон дисперсии в диапазоне 1550нм. После передачи оптического сигнала на определенное расстояние накопление положительной дисперсии расширяет оптический импульс сигнала. Это сильно влияет на эффективность передачи системы. Для минимизации этого эффекта в сети применяется DCM (модуль компенсации дисперсии). DCM имеет отрицательный наклон дисперсии для компенсации положительной дисперсии передачи оптоволоконного кабеля, таким образом поддерживается первоначальная форма импульса сигнала.

Система OptiX BWS 1600G имеет различные модули компенсации дисперсии для диапазонов С и L (нас интересует С-диапазон):

Диапазон С, применяемый для оптоволоконного кабеля G.655: DCM-10, DCM-20, DCM-40, DCM-80, DCM-100.

3.6 Аттенюаторы

В линии связи после оптического передатчика часто устанавливают аттенюаторы, которые позволяют уменьшить их выходную мощность до уровня, соответствующего возможностям расположенных далее мультиплексоров и усилителей EDFA.

Применение мощных лазеров в передатчиках оправдано при отказе от необходимости использования промежуточных усилителей сигнала на линии. При этом на определенных участках сети может понадобиться ослабление мощности сигнала с помощью аттенюатора, чтобы большая мощность сигнала не приводила к нелинейным явлениям в некоторых компонентах систем DWDM. Избирательное (по длинам волн) ослабление мощности часто требуется и для того, чтобы “выровнять” спектр сигнала на входе усилителя EDFA и обеспечить равномерное усиление для всех каналов. Это особенно важно, когда в усилителе EDFA происходит добавление или выделение каналов.

На рисунке 3.5 изображен механически регулируемый оптический аттенюатор OptiX BWS 1600G.

Рисунок 3.5 - Механически регулируемый оптический аттенюатор

Поворот регулировочного винта по часовой стрелке приводит к увеличению значения затухания, т. е. к уменьшению выходной оптической мощности. Поворот регулировочного винта против часовой стрелки приводит к уменьшению значения затухания, т. е. к увеличению выходной оптической мощности. Оптический аттенюатор является высокочувствительным прибором, поэтому регулируют оптическую мощность с малым шагом.

4. Измерения и настройка систем DWDM

трасса сигнал участок мультиплексор

Применение технологии DWDM дает многочисленные преимущества, однако требует высокого уровня подготовки технического персонала и современного контрольно-измерительного оборудования.

После того, как система полностью смонтирована, необходимо провести измерения оптических и электрических характеристик линии связи и убедиться, что каждый канал работает на заданной длине волны, а все элементы системы спектрально выровнены в соответствии с техническими требованиями. С разработкой и появлением систем DWDM возникли и новые методы тестирования и контроля, позволяющие убедиться, что каждый компонент и набор компонентов работают корректно и обеспечивают заданные характеристики.

Определить характеристики сигналов и компонентов DWDM на порядок сложнее, чем при тестировании технологий с передачей сигнала на фиксированной длине волны. По мере развития технологии плотного волнового уплотнения частотные интервалы между каналами уменьшаются, эксплуатационные характеристики и требования к компонентам становятся все выше, а процедуры тестирования все сложнее. Такие оптические параметры, как вносимые потери, затухание при отражении, поляризационные эффекты, должны тестироваться для целого диапазона длин волн. А новые параметры, такие, как ширина полосы частот и перекрестная связь каналов, становятся не менее критичными для характеристики системы. Основные производители тестового оборудования незамедлительно отреагировали выпуском полнофункциональных и автоматических анализаторов оптического спектра специально для тестирования систем DWDM. Продолжающееся внедрение и возрастающая сложность компонентов DWDM поднимают вопрос об интеграции с существующими системами связи технологий их контроля, а также полной автоматизации испытаний.

4.1 Параметры сигналов и компонентов

Конечной целью измерений параметров сигналов в системах DWDM является проверка работоспособности линии, по которой идет множество информационных потоков, т. е. подтверждение того, что полезная информация не только передается по всему оптическому тракту и что ее можно выделить из общего сигнала на принимающей стороне.

Так как реальный сигнал имеет очень сложную структуру, к тому же меняющуюся во времени, то задачу контроля упрощают, измеряя несколько ключевых характеристик: спектральных, временных и поляризационных. Основными, конечно, являются параметры спектра, связывающие длину волны излучения и его мощность, измеренную в какой-либо точке оптического тракта. Анализ полученной зависимости позволяет достаточно точно судить о прохождении реальных сигналов, при условии незначительности нелинейных явлений, неизбежных в любой оптической системе. Важнейшими параметрами отдельного канала при контроле за реальными линиями являются центральная длина волны, максимальная мощность сигнала и ширина спектра канала.

Центральная длина волны, согласно рекомендации МСЭ, должна соответствовать одному из стандартных значений. В данном дипломном проекте применяется сетка каналов с шагом 100 ГГц.

Канальная мощность представляет интерес для расчета отношения сигнал/шум, что позволяет судить о надежности выделения полезной информации из пришедшего сигнала. Уровень шума при этом определяется по диаграмме спектра, точнее, по пороговому уровню сигнала. В протяженной линии, имеющей промежуточные усилители, на стадии строительства и ввода в эксплуатацию необходимо применять эталонные источники лазерного излучения, поскольку при расчетах используется так называемое «актуальное» отношение сигнал/шум как показано на рисунке 4.1, т. е. разница между полезным сигналом и уровнем аккумулированных шумов. В этом случае пороговый уровень включает в себя аккумулированные шумы и, соответственно, располагается выше.

Рисунок 4.1 - Влияние аккумулированного шума.

Чем длиннее линия, тем шире спектр сигнала, во-первых, из-за влияния нелинейных эффектов во всем волоконно-оптическом тракте и, главным образом, в усилителях, а во-вторых, в результате поляризационно-модовой дисперсии (Polarized Mode Dispersion, PMD) сигнала в оптическом кабеле. Контроль спектральной ширины канала особенно важен для систем с близко расположенными каналами, где даже небольшое расширение сигнала в спектральной области может означать его переход в соседнюю область.

Еще одна важная характеристика сигнала -- стабильность указанных параметров во времени, в особенности стабильность центральной длины волны источника излучения в течение длительного времени, а также стохастические процессы вследствие, например, флуктуаций поляризационно-зависимых потерь на любом участке оптического тракта.

В идеальной системе DWDM демультиплексор должен выделить каждый компонент входного сигнала и направить его на отдельный выход, независимо от мощности сигнала в любом другом канале. Однако поведение реальных устройств отклоняется от описанного, и сигнал на выходе одного канала частично передается в другие каналы. Величина остаточного сигнала, появляющегося на различных выходах, определяется взаимным влиянием каналов (crosstalk).

Если измерения параметров тракта передачи дают неудовлетворительные результаты, то переходят к тестированию параметров отдельных компонентов: источников излучения, пассивных устройств и усилителей сигнала.

Пассивные оптические компоненты -- соединительные муфты, мультиплексоры и демультиплексоры -- характеризуются вносимыми потерями, связывающими длину волны тестирующего сигнала с мощностью сигналов на входе (каждом входе мультиплексора) и выходе (каждом выходе демультиплексора) устройства. При измерениях нелинейные эффекты обычно не учитываются, поскольку их практическая обработка слишком сложна. Поэтому о вносимых потерях судят только по нескольким параметрам работы каждого отдельного канала.

В первую очередь, это максимальные вносимые потери и соответствующая им центральная длина волны канала. Максимальные вносимые потери -- критическая величина для работоспособности системы, от которой зависит амплитуда переданного сигнала. Если вносимые потери превышают суммарно допустимые потери системы, то сигнал нужно дополнительно усилить, чтобы компенсировать такое ослабление.

Рисунок 4.2 - Пропускная способность и полоса пропускания.

В системах DWDM всегда большое внимание уделяется взаимоувязке характеристик оптических фильтров. Вместо полной функции зависимости вносимых потерь от длины волны используются две близкие по смыслу величины -- полоса пропускания (passband) и пропускная способность (bandwidth), показанные на рисунке 4.2. Ширина сигнала на уровне 1 дБ ниже максимума называется полосой пропускания, а ширина сигнала на уровне 20 дБ ниже максимума -- пропускной способностью и относится обычно к устройствам фильтрации сигналов. При этом отношение указанных величин указывает на крутизну наклонов боковых сторон в диаграмме фильтра и существенно влияет на величину перекрестной связи каналов. Идеальные устройства должны иметь пропускную способность немногим более широкую, чем полоса пропускания, что позволило бы им производить практически полное подавление сигналов вне полосы пропускания светофильтра.

К пассивным элементам относится и волоконно-оптический кабель, основное влияние которого -- вносимые потери, в том числе и поляризационно-зависимые. Обычно их эффект мал, но на протяженных линиях PMD начинает играть заметную роль. На прохождение сигнала в длинной линии оказывает значительное влияние и другой вид дисперсии -- хроматическая, которая приводит к росту взаимного влияния соседних каналов.

Оптические усилители характеризуются, в первую очередь, своим коэффициентом усиления, зависящим, к сожалению, от длины волны. Для компенсации этой зависимости применяют дополнительные аттенюаторы. Кроме того, усилители вносят существенный вклад в межканальное влияние. Особенно сильно нелинейные эффекты проявляются при больших мощностях сигнала. Поэтому в современных системах суммарная мощность излучения по всем каналам не должна превышать 17 дБм. Проверка полной мощности сигнала до и после усилителя функционально необходима [6].

4.2 Методы измерения и контроля

Измерение и контроль оптических сигналов и компонентов обычно производятся по одной из трех методик: в первой используют лазер с перестройкой частоты и измеритель оптической мощности, в другой -- широкополосный источник излучения и оптический анализатор спектра; третья методика предназначена для контроля поляризационно-зависимых потерь.

Согласно первой схеме все каналы проверяются последовательно, для чего приходится так же последовательно перестраивать источник излучения (точность ±0,01нм).

Для изменения длины волны в них обычно применяется принцип Фабри-Перо. Фильтр Фабри-Перо состоит из двух частично отражающих пластин, интервал между которыми изменяется с помощью пьезоэлементов, управляемых электрически. Фильтр прозрачен для тех волн, которые при многократном отражении между пластинами синфазны, а поэтому усиливают друг друга. Для всех других длин волн происходит сильное ослабление. Собственно источниками излучения служат лазеры с внешним резонатором (External Cavity Lasers, ECL) или перестраиваемые полупроводниковые лазеры. Лазеры с перестройкой частоты дают излучение с точностью до 50 пм. В зависимости от требуемой точности, к системе тестирования может быть добавлен дополнительный измеритель длины волны. С добавочным измерителем длины волны точность измерения повыситься до 1 пм и выше. Для определения частоты тестируемого излучения эти приборы используют принцип генерации и сравнения интерферограмм внутреннего и исследуемого сигналов (точность ±0,0001нм).

Таким образом, на вход подается монохроматическое излучение для одного определенного канала. Далее мощность сигнала измеряется в различных точках оптического тракта, для чего можно использовать обычный оптический ваттметр. По полученным данным рассчитываются вносимые потери отдельных участков тракта либо тестируемых устройств.

Главный недостаток этого метода -- временные затраты, необходимые для перевода излучения в желаемый диапазон длин волн, а также для проверки длины волны дополнительным устройством.

Второй метод предусматривает использование широкополосного источника излучения наподобие оптического светодиода (LED) или эрбиевого источника (ASE), а также анализатора оптического спектра (OSA).

Широкополосный источник излучает во всем спектре частот проверяемого устройства. Таким образом, измерения проводятся для всех длин волн. При этом дополнительные устройства не требуются, поскольку анализатор спектра разделяет излучение по длине волны для всего диапазона и измеряет передаваемую мощность для каждой длины волны отдельно.

4.3 Анализатор оптического спектра

Анализаторы спектра -- это новый вид приборов. Обычно OSA позволяют контролировать центральную длину волны, расстояние между соседними каналами, а также общие характеристики, такие, как мощность, отношение сигнал/шум и др. Однако их разрешающая способность зависит от используемой модели и обычно ограничена 0,1 нм.

Принцип работы анализатора спектра состоит в разделении светового потока на монохроматические компоненты с последующим измерением мощности каждой составляющей, т.е. OSA позволяет исследовать весь спектральный профиль сигнала в требуемом диапазоне длин волн. Далее профиль отображается на графике в координатах «длина волны--мощность». Таким образом, для мультиплексированного сигнала, проходящего по волокну системы DWDM, могут быть проанализированы и отображены оптические характеристики каждого канала, а также взаимовлияние разных каналов.

Использование дифракционной решетки -- наиболее известный метод, применяемый для деления света на его компоненты (цвета). Параллельные линии на поверхности дифракционной решетки разделяют световой сигнал в оптический спектр. Как только сигнал разделен, мощность заданной длины волны может быть измерена путем установки детектора в месте максимальной концентрации света нужной длины волны.

Рисунок 4.3 - Схема действия простейшего OSA

На рисунке 4.3 схематически показано устройство самого простого OSA с фиксированным детектором -- это так называемый однопроходный монохроматор. В выпускаемых сегодня OSA данная технология улучшена за счет применения новых дисперсионных решеток, многопроходных схем и более точных схем измерения мощности. Но подобные OSA все же недостаточно компактны, к тому же они требуют достаточно деликатного обращения -- это типично лабораторные приборы. Анализаторам спектра, где для разделения сигналов используется интерферометр Майкельсона, вышеперечисленные недостатки присущи в полной мере. Сегодня наибольшее распространение получили анализаторы на основе перестраиваемых фильтров, главным образом, работающих по принципу Фабри-Перо.

Коэффициент оптического отклонения (Optical Rejection Ratio, ORR) -- одна из важнейших характеристик OSA. Он характеризует максимальное значение отношения сигнал/шум, которое OSA может измерить в данном диапазоне при пиковом значении сигнала.

Основной интерес для пользователя OSA представляет детальное изображение реального спектрального профиля. Если ORR измерительного прибора оказывается ниже отношения сигнал/шум системы, то оператор получает график, на котором изображены скорее собственные ограничения такого прибора, чем реальное поведение оптического сигнала. Чем больше каналов и `уже интервал каждого, тем выше должен быть ORR для измерения той же мощности. Динамический диапазон по мощности отражает пропускную способность оптического детектора в OSA, т. е. способность измерить все различные уровни мощности, требуемые для приложений DWDM. Прибор с широким динамическим диапазоном позволяет точно измерить сигналы как высокой, так и низкой мощности, в результате чего получается более ясное изображение спектра.

Большинство современных высокоэффективных OSA представляют собой вставные модули, разработанные как для инсталляторов сетей, так и для исследовательских нужд. Эти модули могут также применяться и для автоматических измерений. С другой стороны, такие переносные OSA, пригодные для работы в полевых условиях, не уступают в оптической эффективности лабораторным приборам. Чаще всего переносные OSA опционально содержат батареи.

Инсталляция систем DWDM и поиск неисправностей в них требуют от OSA процедур гораздо более сложных, чем обычное тестирование. Оптическое волокно должно быть проверено на общие потери, ORL, дисперсию в режиме поляризации и т.д. Для ситуаций, где необходима очень высокая точность измерения длины волны, совместно с OSA может быть задействован монохроматор -- измеритель длин волн..

Подобный универсальный анализатор подходит для контроля служебных каналов (Optical Supervisory Channel, OSC), используемых для мониторинга систем DWDM. Для таких каналов выделяют одну из следующих длин волн -- 1510, 1625 или 1490 нм.

Стандартные анализаторы позволяют точно определить все оптические параметры, но, вместе с тем, не обеспечивают анализа битовых ошибок. Поэтому при использовании для наладки и контроля информационных оптических сетей OSA должны иметь специальный выход для подключения тестера коэффициента битовых ошибок. В этом случае внутренний фильтр в OSA настраивается на требуемую длину волны для выделения соответствующего канала в системе DWDM и передачи сигнала на анализатор ошибок .

4.4 Анализ поляризационно-зависимых потерь

В технологии DWDM существенное влияние на качество передачи информации также оказывают поляризационно-зависимые потери (Polarization Dependet Loss, PDL), т. е. различие в потерях по-разному поляризованных мод излучения. Фотоприемник реагирует на комбинацию этих мод, и результирующий импульс света хаотически изменяется по амплитуде. Чтобы избежать порождаемых таким явлением нежелательных эффектов, оптические характеристики устройств тракта DWDM должны быть слабо чувствительными к поляризации излучения.

Производители волокна хорошо понимают, насколько важно поддерживать близкую к идеальной геометрию сердцевины по всей длине волокна, и стараются не создавать излишних изгибов и напряжений при перематывании кабеля на катушки. Операторы сетей связи научились учитывать воздействие внешних условий на явление PMD.

Мгновенное значение PMD для конкретной длины волны может меняться со временем. Однако тесты, выполняемые в реальных условиях интерферометрическим методом, показывают, что усредненное по длинам волн значение PMD относительно стабильно. Важно измерять PMD в реальных условиях эксплуатации сети.

Наличие PDL выражается в максимальном изменении мощности сигнала на выходе устройства. При расчете полных вносимых потерь и величины перекрестной связи устройств DWDM необходимо вводить поправку на PDL. Потенциальные неисправности системы, вследствие чрезмерной чувствительности компонентов к виду поляризации сигнала, могут быть минимизированы, если каждый компонент протестировать по величине PDL, а затем включить в расчет величины общих потерь системы самый худший вариант.

PDL могут быть измерены одним из двух методов, для каждого из которых требуется специальный поляризационный контроллер, способный генерировать сигнал с различной поляризацией.

Первый подход использует контроллер для генерации сигналов различной поляризации. Оптические потери вычисляются по наблюдаемой выходной мощности прошедшего сигнала. Максимально наблюдаемые потери на выходе принимаются за величину PDL тестируемого устройства. Данный метод представляется трудоемким, поскольку для определения величины поляризационно-зависимых потерь требуется провести целую серию измерений.

Второй подход состоит в том, что на проверяемое устройство подается набор сигналов определенных видов поляризации: горизонтальной, вертикальной, диагональной и правой круговой поляризации. Чтобы вычислить PDL по зарегистрированной для каждого состояния выходной мощности, применяется анализ Мюллера-Стокса. Главное преимущество этого подхода -- минимум измерений.

Важнейшие параметры практически всех многочисленных компонентов, используемых в системах DWDM, могут зависеть от температуры и влажности, поэтому обеспечение работоспособности системы при всех возможных изменениях компонентов выглядит проблематичным. Чтобы обеспечить высокую управляемость измерительной системы на всех этапах тестирования, необходимо выработать методики, позволяющие тестировать в одной измерительной процедуре как можно большее число параметров желательно всех устройств, или набор методик, использующих одну и ту же измерительную установку. Там, где это возможно, используют полностью автоматизированные процедуры тестирования и компьютеризованные средства сбора, обработки, отображения и анализа данных.

Современный модульный подход к построению измерительного оборудования упрощает эту задачу. Модули, имеющие общую структуру и командный язык управления, можно соединять многочисленными способами и удовлетворять при этом требованиям большинства измерительных процедур. Программное обеспечение управления измерительными установками позволяет перепрограммировать процедуры измерений на языках высокого уровня.

4.5 Рефлектометрические измерения

Оптический рефлектометр OTDR (Optical time-domain reflectometer) представляет собой электронное устройство, и являются наиболее полнофункциональным прибором для эксплуатационного анализа оптических кабельных сетей.

Наиболее распространены рефлектометры, использующие принцип измерения уровня обратного рассеяния. Мощность отраженного или рассеянного в обратном направлении света измеряется и изображается на экране дисплея. С помощью рефлектометра можно оценить распределение затухания по длине линии, определить местонахождение неоднородностей и оценить степень их влияния на передаваемый сигнал. Рефлектометр удобен для диагностики состояния волокна, позволяет проводить измерения с одного конца волокна.

По рефлектограмме определяют:

- общие потери в волокне и его коэффициент затухания;

- распределение потерь по длине волокна;

- расположение муфт (сварных и механических соединений и потери в них;

- место повреждения волокна;

- оптическую длину волокна.

Динамический диапазон рефлектометров находится в пределах 25-40 дБ, что позволяет им измерять ОВ длиной до 200 км.

Встроенный процессор и соответствующее программное обеспечение делают возможной скоростную автоматическую обработку данных, усовершенствованный фильтр и возможность многократного (до 1 млн.) усреднения результатов измерений позволяют обнаружить и измерить локальные потери точнее 0.01 дБ.

В настоящее время полномасштабные рефлектометры используются в тех случаях, когда необходимы очень высокие разрешение и динамический диапазон. К сожалению, эти технологические преимущества не позволяют уменьшить размеры и вес приборов. С другой стороны, требование миниатюризации измерительных приборов является сильным стимулом развития волоконно-оптической техники. Данное требование привело к созданию рефлектометров вчетверо меньших, чем стационарные рефлектометры, и менее дорогих. Мини-рефлектометры уступают стационарным по своим возможностям, но иногда превосходят их по уровню автоматизации измерений.

Принцип работы оптического рефлектора (Optical time - domain reflectometer) основан на обратном рассеянии света при прохождении через волокно. Рассеянный назад свет представляет собой оптический сигнал, достигающий входного конца волокна. Рассеяние назад складывается из эффектов Релеевского рассеяния и отражения Френеля. В качественном волокне рассеянный свет распределяется случайным образом. Френелевское отражение возникает из-за скачков показателя преломления на соединителях и концах волокна. Часть света, рассеянного и отраженного назад, достигает входного конца волокна, составляет отраженный назад сигнал.

На экране дисплея оптического рефлектометра показывается вертикальная развертка сигнала в зависимости от его мощности и горизонтальная временная развертка. Затухание в волокне определяется кривой амплитуды сигнала, спадающей слева (от входного конца волокна). Оба сигнала, входной и рассеянный назад, затухают с расстоянием, при этом сигнал с временем уменьшается. Соединитель или кольцевой скол волокна, равно как любое несовершенство волокна, проявляются в виде увеличения амплитуды сигнала на дисплее, при этом вклад эффекта Френелевского отражения в рассеянный назад сигнал значительнее по сравнению с вкладом Релеевского рассеяния. Качество выполненного соединения может быть оценено по амплитуде рассеянного назад сигнала: большее расстояние означает более высокие потери на соединении. Включение соединителя обуславливают как проявление некоторого дополнительного рассеянного сигнала, так и спад мощности из-за дополнительных потерь. Величина вносимых соединителем потерь определяет его качество.

Большинство оптических рефлектометров используют курсор для обозначения места нахождения особых точек на линии, и показывает на дисплее расстояние до них как в терминах времени, так и физической длины. Например, можно измерить расстояние до соединителя с точностью до 50см.

Величина диапазона длин, для которого пригодно использование оптического рефлектометра зависит от двух характеристик. Во-первых, от динамического диапазона, который определяется минимальным и максимальным значениями оптической мощности, воспринимаемой детектором. Кроме того, определенную роль играют затухание волны и потери на соединителях. Динамический диапазон оптического рефлектометра и потери внутри волоконной системы определяют максимальную длину оптического кабеля, которая еще может быть проверена на основе анализа улавливания управления рассеянного назад сигнала.

Оптический рефлектометр дает пользователю много информации и позволяет детально исследовать некоторые ее элементы.

На рисунке 4.4 в качестве примера представлен образец рефлектограммы ОВ. Импульс в точке 0 соответствует локальному Френелевскому отражению от стыка входного торца общего канала ответвителя и входного торца тестируемого ОВ, точка 1 соответствует месту соединения волокон (например, при сращивании строительных длин). Наличие импульса и заметного скачка свидетельствует о плохом качестве соединения. Выброс 3 может свидетельствовать о наличии локальной неоднородности типа микротрещины, точка 4 - френелевскому отражению от выходного торца ОВ.

Рисунок 4.4 - Рефлектограмма ОВ

5. Расчет параметров регенерационного участка

5.1 Определение длины участка по затуханию и дисперсии

При проектировании высокоскоростных ВОСП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию (La) и длина участка регенерации по широкополосности (Lш), т.к. причины, ограничивающие предельные значения La и Lш независимы.

В общем случае необходимо рассчитывать две величины длины участка регенерации по затуханию:

La max - максимальная проектная длина участка регенерации;

La min - минимальная проектная длина участка регенерации.

Для оценки величины длин участка регенерации могут быть использованы следующие выражения:

(5.1)

(5.2)

(5.3)

где Аmax, Аmin (дБ) - максимальное и минимальное значения перекрываемого затухания аппаратуры ВОСП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 1*10-10;

бок=0,22 дБ/км - километрическое затухание в оптических волокнах кабеля;

бнс=0,05 дБ - среднее значение затухания мощности оптического излучения неразъемного оптического соединителя на стыке между строительными длинами кабеля на участке регенерации;

Lстр=4 км - среднее значение строительной длины кабеля на участке регенерации;

брс=0,5 дБ - затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя;

n - число разъемных оптических соединителей на участке регенерации;

D=3 пс/нм.км - суммарная дисперсия одномодового оптического волокна;

d=0,09 нм - ширина спектра источника излучения;

B=9953 МГц - широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по оптическому тракту;

М=6 дБ - системный запас ВОСП по кабелю на участке регенерации.

Если по результатам расчетов получено: Lш < La max , то для проектирования должны быть выбраны аппаратура или кабель с другими техническими данными (D,d), обеспечивающие больший запас по широкополосности на участке регенерации. Расчет должен быть произведен снова. Критерием окончательного выбора аппаратуры или кабеля должно быть выполнение соотношения:

Lш > La max , (5.4)

с учетом требуемой пропускной способности трафика (В) на перспективу развития.

Максимальное значение перекрываемого затухания (Amax) определяется как разность между минимальным уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем чувствительности приемника для ВОСП.

Минимальное значение перекрываемого затухания (Аmin) определяется как разность между максимальным уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем перегрузки приемника для ВОСП.

Уровни чувствительности и перегрузки приемника определяются соответственно как минимальное и максимальное значения уровня мощности оптического излучения на входе приемника, при которых обеспечивается коэффициент ошибок не более 1*10-10 к концу срока службы аппаратуры.

Уровни мощности оптического излучения на передаче, ширина спектра источника излучения (d), затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя (брc), уровни чувствительности и перегрузки приемника должны быть приведены в технических характеристиках на аппаратуру и для ВОСП СЦИ должны удовлетворять требованиям ОСТ.45.104-97.

Параметры оптических волокон и кабелей в выражениях (5.1), (5.2) и (5.3) приведены в технических характеристиках на поставляемый оптический кабель (бок, D) или определяяются условиями и технологией прокладки (бнc, Lстр).

Системный запас (М) учитывает изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных (ремонтных) вставок, сварных соединений, a также изменение характеристик оптического кабеля, вызванных воздействием окружающей среды и ухудшением качества оптических соединителей в течение срока службы, и устанавливается при проектировании ВОСП исходя из ее назначения и условий эксплуатации оператором связи, исходя из статистики повреждения (обрывов) кабеля в зоне действия оператора.

Рекомендуемый диапазон устанавливаемых значений системного запаса от 2 дБ (наиболее благоприятные условия эксплуатации) до 6 дБ (наихудшие условия эксплуатации).

Найдем энергетический потенциал аппаратуры (Амакс) - максимальное затухание участка без учета передающего и приемного стыков аппаратуры:

Амакс = Рпер - Рпр, (5.5)

где Рпер - уровень передачи;

Рпр - уровень приема минимальный с предусилителем;

Амакс = Рпер - Рпр = 2 - ( - 42) = 44 дБ;

Найдем энергетический потенциал аппаратуры (Амин) - минимальное затухание участка:

Амин = Рист - П, (5.6)

где П - уровень перегрузки приемника (-1 дБ);

Рист - передающий уровень источника излучения, Рист = 2 дБ.

Амин = 2 - (-1) = 3 дБ

Подставляя найденные значения в формулы (5.1), (5.2), (5.3), получаем

км,

км,

км.

По результатам расчетов получено, что Lш > La max , значит, аппаратура и кабель выбраны с техническими данными, обеспечивающими запас по широкополосности на участке регенерации. Исходя из приведенных расчетов, разместим оптические усилители на ст. Богданович, ст. Талица и длины усилительных участков lуу составляет 102, 114 и 113 км соответственно.

5.2 Расчет дисперсии

При передаче сигналов по ВОЛС используются методы ИКМ, в результате чего передаваемая информация представляется в виде двоичных кодов - битов 1 и 0, причем 1 соответствует высокому уровню мощности, а 0 - низкому. Модулированный сигнал передается по ОВ импульсами с длительностью и скоростью передачи бит/с. В процессе распространения вследствие дисперсии происходит «размывание» импульсов, т.е. увеличение их длительности.

Если длительность полученных приемником импульсов превысит битовый интервал, то произойдет наложение соседних импульсов друг на друга, что вызовет межсимвольную интерференцию. Следовательно, приемник не сможет распознать отдельные импульсы, и в результате этого увеличится коэффициент битовых ошибок BER. Битовый интервал связан со скоростью передачи сигналов соотношением:

. (5.7)

Таким образом, для нормального функционирования ВОЛС необходимо:

- обеспечить длительность полученного импульса , не превышающую исходный битовый интервал;

-обеспечить полученную мощность равную чувствительности приемника Рпр или ввести запас, превышающий Рпр.;

Вот почему при проектировании ВОЛС с большей скоростью передачи важнейшими техническими характеристиками являются дисперсия и затухание ОВ.

5.2.1 Расчет поляризационной модовой дисперсии

Если линия состоит из N сегментов ВОК, дисперсия в каждом из которых равна, то результирующая поляризационная модовая дисперсия определяется из выражения в соответствии с законом суммы независимых случайных величин:

, (5.8)

Поляризационная модовая дисперсия , пс для каждого участка рассчитывается из выражения (5.9):

,пс (5.9)

пс,

пс,

пс.

Уширение импульса за счет хроматической дисперсии определяется из выражения(5.10):

, пс (5.10)

пс,

пс,

пс.

С учетом поляризационной модовой дисперсией результирующая дисперсия будет определяться из следующего выражения [8]:

 ,пс (5.11)

пс,

пс,

пс.

Т.к. битовый интервал получим:

для STM-64: пс.

Максимально допустимая величина уширения импульсов определяется из условия, что допустимая длительность импульса:

. (5.12)

Следовательно, при скорости передачи 9953,28 Мбит/с допустимая длительность импульса будет пс. Начальная длительность импульсов определяется из выражения [9]:

. (5.13)

Конечная длительность импульса выражается через его начальную длительность соотношением

. (5.14)

Тогда длительность импульса, увеличенная за счет дисперсии на первом участке, будет равна:

пс

Т.е. при скорости передачи 9953,08 Мбит/с (STM-64), оптический импульс, уширенный вследствие дисперсии, не превысит допустимую величину =50,25 пс. Но т.к. по линии проходит транзитный трафик недопустимо ухудшение качества сигнала, поэтому, чтобы по ВОК передавать сигналы STM-64, необходимо компенсировать хроматическую дисперсию в каждом пункте.

Для компенсации дисперсии выберем модуль DCM-10 и DCM-20 с вносимым затуханием 3,7; 4,1 дБ и полной дисперсией (-170); (-340) пс/нм соответственно.

Полная отрицательная дисперсия модулей компенсации:

пс,

пс.

Следовательно, полная скомпенсированная дисперсия на каждом участке линии связи будет:

,пс (5.15)

пс,

пс,

пс.

В результате, конечная длительность импульса на выходе оптического кабеля на каждом участке при скорости передачи = 9953,28 Мбит/с (STM-64) будет:

, пс (5.16)

 пс,

пс,

пс.

Этот результат довольно меньше допустимого значения, значит качество сигнала почти не ухудшилось.

5.3 Расчет энергетического бюджета

Определим потери вносимые мультиплексором и демультиплексором по формуле (5.17):

бOMUX/ODMUX = 1,5.log2Z (5.17)

где: Z - число портов или каналом OMUX/ODMUX.

бOMUX/ODMUX = 1,5.log27 = 4,2 дБ

Энергетический бюджет линии определяется по формуле (5.18)

Э=Рпер-Рпр- L.бок-nрс.брс- nнс.бнс- бOMUX/ODMUX - бф-?бDC+?Sус, (5.18)

где бф - потери фильтра, бф=1,5 дБ;

бDC - затухание вносимое модулем компенсации дисперсии,

Sус - коэффициент усиления усилителя, дБ.

Э=2-(-14)-329.0,22-12.0,5-84.0,05-4,2-1,5-(3,7+4,1+4,1)+(17+23+28+28)=7,62 дБ

Этот запас обеспечит работоспособность системы при деградации лазеров, дополнительных вставках кабеля и старении волокна.

На рисунке 5.1 представлена диаграмма уровней на участке ст. Свердловск - ст. Тюмень.

Рисунок 5.1 - Диаграмма уровней на участке ст. Свердловск - ст. Тюмень.

Исходя из расчетов принято решение установить в направлении от ст. Свердловск - ст.Тюмень: бустер на 17 дБ на ст. Свердловск, оптический усилитель 23 дБ на ст. Богданович, оптический усилитель 28 дБ на ст. Талица и предусилитель 28дБ на ст. Тюмень.

Диаграмма уровней в направлении ст. Тюмень - ст. Свердловск представлена на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 - Диаграмма уровней на участке ст. Тюмень - ст. Свердловск.

Исходя из расчетов принято решение установить в направлении от ст. Тюмень - ст.Свердловск: бустер на 17 дБ на ст. Тюмень, оптический усилитель 28 дБ на ст. Талица, оптический усилитель 28 дБ на ст. Богданович и предусилитель 23дБ на ст. Свердловск.

6. Расчет стрелы провеса кабеля

Расчет стрелы провеса оптического кабеля производится по методике [10] с целью определения максимально-допустимого напряжения растяжения. При расчете самонесущего оптического кабеля, подвешенного на опорах контактной сети, на механическую прочность необходимо учитывать собственный вес кабеля, а также дополнительные нагрузки за счет образования льда и ветрового давления на ОК. Для удобства проведения расчетов воздушных конструкций на механическую прочность принято выражать все нагрузки, действующие в них, через так называемые удельные нагрузки.

Удельная нагрузка от силы тяжести (собственного веса) оптического кабеля , Н/м3 находится по формуле (6.1):

, (6.1)

где P - удельная масса оптического кабеля, Р=0,11 кг/м;

S - площадь поперечного сечения кабеля, S=1,13.10-4 м2;

g - ускорение свободного падения, g= 9,81 м/с2.

Н/м3

Удельная нагрузка от наличия на воздушных конструкциях льда , Н/м3 определяется по формуле (6.2):

, (6.2)

где b - толщина стенки льда на кабеле, b=5.10-3 м;

- плотность льда, = 900 кг/м3;

d - наружный диаметр оптического кабеля, d=1,2.10-4 м.

Н/м3

Удельная нагрузка от силы тяжести оптического кабеля и силы тяжести отложившегося на нем льда ,Н/м3 вычисляется по формуле (6.3):

, (6.3)

Н/м3.

Удельная нагрузка от давления ветра на воздушные конструкции при отсутствии льда , Н/м3 определяется по формуле (6.4):

, (6.4)

где - скорость ветра, =20 м/с;

Н/м.

Удельная нагрузка от давления ветра на оптический кабель, покрытый льдом , Н/м3 выражается по формуле (6.5):

, (6.5)

где - скорость ветра, =30 м/с.

Н/м3.

Удельная нагрузка от силы тяжести оптического кабеля и давления ветра при отсутствии льда , Н/м3 определится по формуле (6.6):

, (6.6)

Н/м3.

Удельную нагрузку от силы тяжести оптического кабеля, льда и давления ветра на воздушные конструкции, покрытые льдом , Н/м3 найдем по формуле(6.7):

, (6.7)

Н/м3.

Напряжение растяжения в оптическом кабеле , МПа определим по формуле (6.8):

, (6.8)

где l- длина пролета, l=50 м;

- суммарная удельная нагрузка , МН/м3;

f - стрела провеса оптического кабеля в пролете, f=1,2 м.

МПа

Вычислим допустимое напряжение растяжения выбранного кабеля , МПа по формуле (6.9):

, (6.9)

где F - стойкость к продольному растяжению кабеля, F=4 кН;

МПа.

Сравним рассчитанную величину напряжения растяжения с допустимой величиной для выбранного оптического кабеля:

28<35,4

Неравенство выполняется - значит стрела провеса выбрана верно и стойкость кабеля к продольному растяжению соответствует рассчитанным параметрам.

7. Расчет показателей надежности

Надежность - свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от условий строительства и эксплуатации может включать различные свойства или их сочетания. В соответствии с руководящим техническим материалом «Линии передачи волоконно-оптические на магистральных и внутризоновых первичных сетях России» при проектировании ВОЛП должны быть заданы требования по надежности:

- коэффициент готовности Кг (тем выше, чем ниже плотность повреждений и меньше время их устранения);

- срок службы - календарная продолжительность рабочего состояния кабеля с момента ввода в эксплуатацию до момента перехода в предельное состояние, то есть в состояние, при котором дальнейшая эксплуатация ОК недопустима или нецелесообразна. В среднем срок службы ОК равен 25 годам;

- среднее время восстановления Тв (время устранения отказов ОК).

Требуемыми показателями надежности аппаратуры линейного тракта магистральной первичной сети СМП с максимальной протяженностью L = 12500 км без резервирования являются [11]:

1. Коэффициент готовности Кг=0,92;

2. Среднее время между отказами То>40 часов;

3. Время восстановления ОК Тв < 10 часов (в том числе время подъезда 3,5 ч).

м = 0,34, (7.1)

где м- среднее число (плотность) отказов ОК за счет внешних повреждений на 100 км кабеля в год (по статистике повреждений на коаксиальный кабель равно 0,34).

Интенсивность отказа за 1 час на 329 км трассы определяется по формуле

, (7.2)

где L = 329 км - длина кабеля;

8760 - количество часов в году.

Интенсивность отказа линейного тракта ,1/ч определяется по формуле (7.3):

(7.3)

где лОП = 30·10-6 - интенсивность отказов на ОП в час;

nОП = 2 - количество ОП;

лНРП =1,5·10-6 - интенсивность отказов на НРП в час

nНРП=2 - количество НРП;

1/ч

Наработка на отказ линейного тракта Тлт,ч определится по формуле (7.4):

(7.4)

ч

Среднее время восстановления линейного тракта Твлт, ч определится по формуле (7.5):

(7.5)

где Твк = 10 ч - среднее время восстановления одного километра кабеля;

ТВОП = 0,5 ч - среднее время устранения повреждения на ОП;
ТВНРП = 2,5 ч - среднее время устранения повреждения на НРП.