Моделі і методика побудови волоконно-оптичної системи передачі даних

Схема вибору елементної бази ВОСП наведена на рис.1

3.5 Вибір коду сигналів в оптичному лінійному тракті

Вибір того чи іншого коду визначається, в першу чергу, швидкістю передачі до 30 Мбіт/с та обмеженням довжини регенераційної дільниці втратами в оптичному лінійному тракті доцільно використовувати коди з поверненням до нуля (RZ), двопозиційний код (манчестерський), а також коди АМІ першого та третього класів.

При швидкості передачі від 30 до 100 Мбіт/с доцільно використовувати коди без повернення до нуля (NRZ), а також код AMI 2-го класу (DMI), блокові коди.

В системах, де швидкість передачі перевищує 100 Мбіт/с використовують блокові коди, код DMI, а при швидкостях, що наближаються до 1 ГГц - блокові коди та код RZ.

Найбільш вузькосмуговий сигнал реалізується при використанні блокового коду 5В6В.

4. Розрахунок параметрів цифрових ВОСП

При проектуванні цифрових ВОСП виникає потреба у розрахунках таких параметрів як довжина регенераційної дільниці та швидкодія системи. При проектуванні систем синхронізації мереж синхронної цифрової ієрархії також виникає необхідність визначення часу розповсюдження сигналів.

У волоконо-оптичних ЦСП довжина регенераційної дільниці обмежується двома чинниками: втратами в оптичному лінійному тракті та поширенням оптичних імпульсів, що викликається дисперсією світловодів. В загальному випадку виконуються два розрахунки довжини регенераційної дільниці, що обмежується цими чинниками та вибирається менше з одержаних значень.

Розрахунок довжини регенераційної дільниці, обмеженої загасанням оптичного сигналу

Довжина регенераційної дільниці, обмеженої втратами в оптичному лінійному тракті Lрвт, обмежується такими чинниками:

середньою потужністю випромінювача Рв;

порогом чутливості ПРОМ Роmin;

втратами введення-виведення оптичного випромінювання вв, вив;

втратами у роз`ємних з`єднувачах рз;

втратами у нероз'ємних з'єднувачах нз;

загасанням оптичного кабелю к.

На рис. 1 наведена модель волоконно-оптичного каналу, що відображає розподіл втрат на дільниці регенерації.

Рисунок 1 - Модель волоконно-оптичного каналу

Перш за все визначається енергетичний потенціал системи - різниця між ефективною потужністю оптичного випромінювання Реф ПОМ та порогом чутливості ПРОМ Р0min

.

Поріг чутливості ПРОМ Р0min

,

де е - заряд електрона; h - постійна планка; с - швидкість світла; з - квантова ефективність детектора; л - довжина хвилі.

Ефективна потужність оптичного випромінювання визначається середньою потужністю джерела випромінювання, засобом кодування, температурною та часовою деградацією. Поріг чутливості ПрОМ - мінімальна середня потужність оптичного сигналу на вхідному оптичному полюсі ПрОМ, за якої забезпечується заданий коефіцієнт помилок. Середня потужність випромінювання ПОМ - середнє значення потужності оптичного випромінювання на вихідному оптичному полюсі ПОМ за заданий інтервал часу, у заданому куті та заданим струмом накачування. Ефективна потужність випромінювача повинна перевищувати всі втрати в оптичному лінійному тракті, рівень оптичної потужності на вході фотодетектора повинен бути більшим, ніж поріг чутливості Р0min на деяке значення, що зветься експлуатаційним (або енергетичним) запасом. Цей запас необхідний для врахування часової деградації компонентів ВОСП, а також підвищення втрат в ОК при проведенні ремонтно-відновлювальних робіт при пошкодженнях (обривах) кабелю. Звичайно експлуатаційний запас дорівнює 6 дБ.

Визначимо ефективну потужність випромінювача

,

де Рв - середня потужність оптичного випромінювача, дБп; РТ - втрати внаслідок температурної деградації; Рк - втрати внаслідок кодування. При використанні кодів з поверненням до нуля Рк = 6 дБ, без повернення до нуля Рк = 3 дБ.

Допущення на температурну деградацію випромінювачів наведені в табл. 1.

Таблиця 1 - Допущення на температурну деградацію випромінювачів

Втрати під час з'єднання волоконних світловодів

Ефективність введення випромінювання у ВС визначається

,

де РВС - потужність, яка надійшла до ВС; РВП - потужність випромінювача.

Втрати при введенні випромінювання дорівнюють, дБ

.

Якщо діаграма спрямованості випромінювача має осьову симетрію, то втрати при введенні випромінювання визначаються

дБ,

де SВП та - площі випромінювальної частини випромінювача та ВС відповідно, m змінюється від 5 до 20 і для ЛД, і m=1 для СД.

Втрати при введенні випромінювання від лазерного діода дорівнюють

дБ,

де М - довжина випромінюючої смужки лазера, а - радіус серцевини ВС.

При з'єднанні ВС з випромінювачем, фотодетектором, за наявності повітряного зазора між світловодами виникає френелєвське відбиття, що зумовлене різницею показників заломлення середовищ. Коефіцієнт передачі з'єднання дорівнює

,

де n1 і n2 - показники заломлення середовищ.

Втрати френелєвського відбиття дорівнюють, дБ

.

При з'єднанні ВС виникають додаткові втрати, що поділяються на зовнішні та внутрішні. Зовнішні зумовлені неузгодженістю взаємного розташування ВС - розкидом параметрів ВС. Розрахункові формули для різних неузгодженостей наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Втрати для одномодових ВС, де - діаметр модової плями,

- нормована частота.

Повні втрати при з'єднанні ВС визначаються сумою їх складових за квадратичним законом

. (4.13)

Розподільники оптичної потужності

Розподільники оптичної потужності (РОП) - пасивні елементи ВОСП, які використовуються в розподілених волоконно-оптичних мережах, кабельного телебачення, та повністю оптичних мережах. В загальному випадку РОП - це багатополюсний пристрій, в якому випромінювання, що подається на вхідні полюси поділяється між вихідними полюсами. РОП поділяються на селективні (чутливі до довжини хвилі оптичної носійної) та неселективні (нечутливі до довжини хвилі оптичної носійної). Основні категорії розподільників: розгалужувач, зіркоподібний розгалужувач, відгалужувач (рис. 2).

Рисунок 2 - Типи розподільників: а) розгалужувач; б) зіркоподібний розгалужувач; в) відгалужувач

Найпростішим є Т-подібний розподільник (рис. 3).

Р1 Р2

Р4 Р3

Рисунок 3 - Т-подібний розподільник

Т-подібний розподільник є основою для деревоподібного розгалужувача та відгалужувача. Ці розподільники мають такі параметри, дБ:

- втрати в прямому напрямку , ;

- внесені втрати , ;

- коефіцієнт відгалуження ;

- втрати відгалуження , ;

- коефіцієнт відгалуження , ;

- загасання у зворотному напрямку ,

цей параметр характеризує інтенсивність небажаного зворотного потоку, що виникає на вихідних полюсах.

Селективні розподільники використовуються в мережах з оптичним мультиплексуванням (хвилевим ущільненням) WDM. Схеми цих пристроїв наведені на рис. 4.

л1 л1

Вхід л2 л1, л2,…, лn л1, л2,…, лn л2

лn Вихід лn

а) б)

Рисунок 4 - Схеми селективних розподільників: а) мультиплексор;

б) демультиплексор

Селективні розподільники мають такі параметри:

- оптичні втрати в і-му каналі на довжині лі ;

- Рвх та Рвих - оптична потужність на вхідному та вихідному полюсах і-го каналу;

- рівень перехресних завад між каналами ;

- загальні оптичні втрати

Енергетичний потенціал апаратури ВОСП повинен компенсувати усі втрати в оптичному лінійному тракті, тобто має місце баланс потужностей

, (*)

де лт - втрати оптичного лінійного тракту на довжині регенераційної дільниці, Рз - експлуатаційний запас.

Втрати в оптичному лінійному тракті дорівнюють, дБ

, (**)

де Nрз - кількість роз`ємних з`єднань, Nрз - кількість нероз`ємних з`єднань, - кілометричне загасання кабелю, Lр - довжина регенераційної дільниці. З (*) та (**) одержимо вираз для запасу по потужності системи, дБ

.

При розрахунках ВОСП повинна виконуватись умова

Рз 6 дБ.

Враховуючи усереднені втрати нероз'ємних з'єднань на будівельній довжині кабелю (Lр /?l?бд), одержимо вираз для максимальної довжини регенераційної дільниці, що обмежується втратами в оптичному лінійному тракті, км

.

Мінімальна довжина регенераційної дільниці дорівнює, км

,

де А - діапазон автоматичного регулювання підсилювання ПРОМ, дБ.

Розрахунок довжини регенераційної дільниці, обмеженої дисперсією

Обмеження швидкості передачі інформації цифрових ВОСП зумовлено такими чинниками:

інерційністю випромінювача;

інерційністю фотодетектора;

дисперсією оптичного волокна.

Для виключення впливу дисперсії, що спричиняє розширення оптичних імпульсів, на якість передачі інформації потрібне виконання умови

В 0,25/,

де В - швидкість передачі, біт/с; - середньоквадратичне розширення імпульсу в кабелі довжиною L км, с. З цього випливає умова обмеження довжини регенераційної дільниці, км

Lр0,25/0В

де 0 - середньоквадратичне розширення імпульсу в кабелі довжиною 1 км, с/км.

Середньоквадратичне розширення імпульсу визначається

,

де мм - міжмодова дисперсія, хр - хроматична дисперсія, хв - хвилеводна дисперсія, мат - матеріальна дисперсія.

Для ВС із ступінчастим профілем показника заломлення міжмодова дисперсія дорівнює

,

та для ВС із градієнтним профілем показника заломлення

,

де L - довжина лінії, км; ; с - швидкість світла.

Хроматична дисперсія дорівнює

,

де - хвилеводна дисперсія, - матеріальна дисперсія; В(л) - питома хвилеводна дисперсія; М(л) - питома матеріальна дисперсія; Дл - ширина спектра випромінювача,нм. Залежність питомих хвилеводної та матеріальної дисперсій від довжини хвилі оптичної носійної наведені на рис.Б.1 ( додаток Б).

Багатомодові ВС характеризуються шириною смуги пропускання за рівнем - 3дБ, який нормується на довжину лінії 1 км

та широкосмуговістю, що дорівнює добутку ширини смуги пропускання на відстань

.

Дисперсія - це погонний параметр, який вимірюється в секундах, нормується на довжину лінії, що дорівнює 1 км. Чим менше мод розповсюджується у ВС, тим менше міжмодова дисперсія.

Межа одномодового режиму ВС визначається

,

де а - радіус ВС, - довжина хвилі оптичної носійної. Кількість хвиль, які розповсюджується у багатомодовому східчастому ВС дорівнює , а в градієнтному - .

З одержаних розрахунків довжини регенераційної дільниці та вибирається менше значення.

Розрахунок швидкодії системи

Швидкодія системи визначається інерційністю електронних компонентів та розширенням імпульсів в оптичному кабелі. Швидкодія системи (нс) дорівнює.