ЦМТС. ЦМТС Лекции. Конспект лекций по учебной дисциплине цифровые многоканальные телекоммуникационные системы (цмтс) 3 курс (ускоренная подготовка) по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 3.38 Mb.
|
|
Тема 14. Спектральное уплотнение (8 часов) Введение. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. Раздел 14.1. Спектральное уплотнение (продолжение) Оборудование CWDM. CWDM системы являются частью сети оператора связи и устанавливаются между двумя или более узлами связи. Для того, что бы обеспечить работу CWDM системы на узле связи необходимо наличие активных сетевых устройств с достаточным суммарным количеством портов для установки CWDM SFP трансиверов. Такими сетевыми устройствами обычно являются коммутаторы и маршрутизаторы. В случае недостаточного количества активных сетевых устройств с необходимым суммарным количеством SFP портов возможно использование медиаконверторов со слотами под CWDM SFP трансиверы. Такое решение в ряде случаев так же является экономически выгодным. Например, основными элементами CWDM систем, предлагаемых "Контур-М" являются: - CWDM мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX); позволяют суммировать и разделять оптические сигналы. - OADM модули - CWDM мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим. - SFP CWDM модули (SFP трансиверы), формируют и принимают оптические сигналы (длины волн) в CWDM системе; переводят сигнал из электрического (активное оборудование) в оптический и обратно. На рис. 35.1 показан пример системы передачи с использованием комплекса оборудования CWDM. Стоит обратить внимание на то, что мультиплексоры/демультиплексоры и CWDM SFP трансиверы работают в парах. Соответственно это оборудование Type I и Type II. Такая необходимость обусловлена тем, что каждый канал на разных концах имеет зеркальные значения по приему (RX) и передаче (Tx) т.к. сформирован из двух несущих (длин волн). CWDM SFP трансиверы SFP - Small Form Factor Pluggable является общепризнанным индустриальным форматом производства сменных трансиверов. Трансиверы SFP широко используются в активном сетевом оборудовании: маршрутизаторах, коммутаторах, медиаконверторах. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feedback), в случае использования в CWDM-системах, не требуют термической стабилизации, громоздких и сложных схем управления, являются малогабаритными, экономичными и имеют малую стоимость. Типичный DFB-лазер имеет температурную стабильность, что дает изменение генерируемой длины волны в пределах 6–8 нм в диапазоне температур 0–70°С CWDM SFP трансиверы предназначены для формирования оптических CWDM сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм). Каждый SFP CWDM трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX на двух разных длинах волн – приемник по одной длине волны и передатчик по другой. Для 194 образования канала данных в системе CWDM SFP трансиверы комплектуются «попарно» - Type I и Type II (табл. 35.1). В силу того, что CWDM системы являются пассивными, осуществление мониторинга состояния CWDM оборудования и всей трассы в целом в режиме реального времени представляется затруднительным. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используются CWDM SFP трансиверы с функцией DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Функция DDM позволяет в режиме реального времени контролировать параметры, которые имеет SFP трансивер: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы трансивера. Изменения данных параметров позволяют судить об износе CWDM системы и состоянии трассы в целом. Функция DDM также используется при оценке оптического бюджета CWDM решения. Сравнение данных SFP трансиверов позволяет определить реальные потери по несущим в волокне. SFP трансивер так же отличается по дальности своей работы (мощности сигнала). CWDM SFP трансивер имеет стандартный километраж 10 км, 20 км, 40 км или 80 км. Стандартный тип разъема для коннектора на SFP трансивере – LC. Таблица 35.1. Комплектация трансиверов 195 Рис. 35.1. Система передачи с использованием комплекса оборудования CWDM. Оптические мультиплексоры. Оптический мультиплексор/демультиплексор (рис. 35.2) предназначен для суммирования и разделения оптических сигналов, передаваемых на CWDM длинах волн по одномодовому (Single Mode) оптическому кабелю. Прибор предназначен для совместной работы с трансиверами SFP CWDM сигналов, образуя 4 или 8 каналов на 8-и или 16-ти длинах волн в одном волокне или до 32 каналов на двух волокнах. 196 Рис. 35.2. Оптический мультиплексор/демультиплексор Устройства отличаются низким отражением сигнала, высокой изоляцией каналов и малыми потерями. WDM мультиплексоры являются устройствами двунаправленного действия, т.е. могут, как разделять, так и смешивать оптические сигналы. Устройства доступны в различных исполнениях, что позволяет использовать их в различных системах передачи. В зависимости от поставленной задачи конфигурация CWDM мультиплексора/демультиплексора (Mux/Demux) определяется по следующим характеристикам: - двухволоконный мультиплексор (2 fiber); - одноволоконный мультиплексор (1 fiber (single fiber) или bidirectional);. - 4-х или 8-ми канальный мультиплексор (8 или16 длин волн), работающий на одном волокне; - 8-ми или 16-ти канальный, работающий на двух волокнах; - мультиплексор с двумя «общими» (COMMON) выводами для реализации «кольцевой» топологии; - для топологий «Точка-Точка» или «Кольцо» необходима «попарная» (порты Tx–Rx) комплектация мультиплексоров – Mux/Demux Type I , Mux/Demux Type II; - коннекторы – FC,SC,LC,ST,FA,SA. OADM модули. Модули Ввода/Вывода (Add/Drop (OADM) CWDM выделяют определенные длинны волн из CWDM потока (оптической линии). Основные свойства: - ввод/вывод одного CWDM канала (две несущие, частотная сетка совпадает с частотной сеткой SFP CWDM модулей); - пассивная оптика; - низкие вносимые потери для транзитных CWDM каналов; - выделенная длина волны конечному пользователю. Принципиально выделяются OADM модули одноканальные и двухканальные. Их отличие заключается в способности принимать и получать оптический сигнал от одного или двух мультиплексоров и физически обусловлено наличием одного или двух приемо- передающих блоков. Соответственно одноканальный OADM модуль имеет один приемо- передающий блок и способен работать только с одним мультиплексором (см. далее топология «Точка с ответвлениями») в «одну сторону». Двухканальный OADM модуль имеет два приемо-передающих блока и способен работать «в две стороны» с двумя мультиплексорами / демультиплесорами. Варианты топологии показаны на рис. 35.3. 197 Рис. 35.3. Топология модулей ввода/вывода (Add/Drop (OADM) CWDM) Приемо-передающий блок одноканального OADM модуля имеет четыре интерфейса: Com порт – получает сигнал со стороны мультиплексора Express порт – пропускает сигнал на другие элементы CWDM системы Add порт – добавляет в линию канал на определенной длине волны CWDM, Drop порт – извлекает из линии канал на определенной длине волны CWDM. Ограничений по протоколам или ширине полосы такие устройства не имеют. Соответственно двухканальный OADM модуль обладает двумя дополнительными портами Add и Drop. В случае использования двухволоконной системы так же добавляются порты Com2 и Express2. Одноканальный OADM модуль работает в паре с 1 CWDM SFP трансивером, двухканальный OADM – с двумя (Type I и Type II). Выводы. 1. Основным оборудованием технологии CWDM являются трансиверы, мультиплексоры, демультиплексоры, модули ввода/вывода (Add/Drop (OADM) CWDM). Вопросы для самоконтроля. 1. В чем состоит сущность технологии CWDM? 2. В чем состоят принципиальные отличия технологий CWDM и DWDM? 3. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 4. Какие окна прозрачности предназначены для технологии СWDM? 5. Сколько спектральных каналов можно организовать при использовании технологии CWDM? 6.Какие диапазоны длин волн используются при использовании технологии СWDM? 7. Какие факторы ограничивают длину участка ретрансляции? 8. Что входит в состав оборудования СWDM? 198 Лекция 36 Тема 14. Перспективные цифровые многоканальные телекоммуникационные системы (2 часов) Введение. Перспективными ЦМТС являются системы с использованием солитонов. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения своей формы и сохраняется при столкновении друг с другом, восстанавливая направление движения, скорость и амплитуду, т.е. демонстрируя свойства, характерные для частиц. Раздел 14.1. Перспективные цифровые многоканальные телекоммуникационные системы Оптические солитоны. Термин «солитон» появился в 1964 году при исследовании учеными Принстонского университета движения волны, возникающей при нелинейном колебании одномерной решетки (описываемой так называемым уравнением KdV) и не разрушающейся при столкновениями с другими волнами. Исторически открытие солитона как физического явления относится к 1834 году, когда случайно инженер-судостроитель наблюдал в Шотландии одиночную носовую волну, возникшую в канале от внезапно остановившейся баржи. Эта волна оторвавшись от носа баржи продолжала распространяться, не меняя скорости, высоты и формы на протяжении нескольких километров. Она была названа волной переноса/трансляции. В 1895 году датские ученые объяснили этот феномен, получив решение нелинейного уравнения, названного их именем (D. Korteweg и H.de Vries). Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем волновое решение этого уравнения было названо солитонной (одиночной) волной. Однако, эти исследования не были связаны с оптическими волнами в дисперсных средах, т.е. в средах, где фазовая скорость волны зависит от ее частоты. В 1971 году существование солитонов в нелинейных дисперсных средах было доказано теоретически В.Захаровым и А. Шабатом, в результате решения нелинейного уравнения Шредингера (НУШ), описывающего распространения электромагнитной волны в такой среде. В 1973 году А.Насегава и Ф.Тапперт заявили о возможности использования солитонов в оптоволокне, а в 1980 году коллективом исследователей Bell Laboratories было экспериментально доказано, что решение НУШ физически осуществимо в одномодовом волокне, что дало возможность сформировать оптические солитоны и продемонстрировать их уникальные для систем передачи свойства. Оптические солитоны – это волны (или волновые пакеты) специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной)дисперсии. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения своей формы и сохраняется при столкновении друг с другом, восстанавливая направление движения, скорость и амплитуду, т.е. демонстрируя свойства, характерные для частиц. Физика солитонов. В обычных ВОЛС основным фактором, ограничивающим скорость передачи, является уширение импульса благодаря дисперсии групповых скоростей ДГС и рассмотренных выше нелинейных эффектов. Их влияние снижают выбором значения несущей частоты вблизи точки нулевой дисперсии. Однако желание увеличить длину участка регенерации против 199 обычной – 120 км приводит к необходимости использовать более мощные лазерные источники или же использовать оптические усилители с более мощными источниками накачки, что позволяет достигать длин участка регенерации до 250 км. В обоих случаях ограничением является остаточная дисперсия и резкое увеличение нелинейных искажений, вызванное возрастанием интенсивности светового потока через малую и ограниченную площадь поперечного сечения ОМ волокна. Частично эта проблема снимается разработкой специальных волокон, например, типа LEAF, однако это не может кардинально решить проблему. Увеличения дальности неискаженного распространения светового импульса можно также достичь, если использовать длину волны в области отрицательной дисперсии, например 1550 нм, и сбалансировать для нее влияние ДГС и нелинейных эффектов, например, ФСМ, как было указано выше. Однако, чтобы понятие «сбалансировать» из качественного перешло в количественное необходимо иметь аналитическое или численное решение волнового уравнения (НУШ), которое отражало бы при определенных начальных условиях это состояние баланса. Речь идет о получении общего решения НУШ, определяющего условия возникновения и распространения солитонов. Такое общее решение, полученное Захаровым и Шабатом, показало, что при всем возможном многообразии комбинаций существует фундаментальный солитон (солитон первого порядка) и солитоны N-го порядка. Решение для фундаментального солитона дает начальную форму импульса солитона в виде гиперболического секанса. Итак, солитон может быть сформирован в среде с отрицательной дисперсией и только в том случае, если пиковая мощность начального импульса будет больше некоторого порогового значения. Причем мощности, необходимые для генерации солитонов N-порядка растут в квадратической последовательности. Основные эффекты и ограничения, связанные с солитонами: - потери мощности солитона в световоде; - наличие частотной модуляции в начальном импульсе; - взаимодействие соседних солитонных импульсов. Возможности применения солитонов: - в области создания солитонных лазеров; - в области сжатия оптических импульсов; - в области создания солитонных линий связи. Рассмотрим различные структурные схемы построения ВОСП с использованием солитонов. В качестве передающей среды используются волокна с низкими потерями инфракрасного диапазона. Благодаря очень малым потерям солитоны могут передаваться на большие расстояния без применения специальных способов, компенсирующие эти потери. На выходе солитонного лазера (СЛ) генерируется непрерывная последовательность солитонов с заданной скважностью. Последовательность солитонов проходит через оптический изолятор И и модулятор М, в котором импульсная последовательность модулируется. На выходе ООВ эти сигналы регистрируются фотоприемным устройством ФП. На рис.10.1б представленная схема ВОСП с периодической компенсацией потерь путем рамановского усиления в ООВ по всему участку передачи на длине волны накачки н , отличающейся от длины волны информационного сигнала на стоксовую компоненту. Как следует из схемы, накачка осуществляется на каждом участке с обеих сторон в противоположных направлениях с помощью лазеров накачки ЛН через оптический ответвитель. В схеме используется оптический фильтр Ф, не пропускающий излучение в фотоприемное устройство. Возможен и другой вариант построения ВОСП с компенсацией потерь в ООВ (рис. 10.1в) и использованием фоновых оптических усилителей. Усиление осуществляется не по всей длине линейного тракта, а на некоторых локальных участках (порядка 100 м). 200 Существенные преимущества такого принципа – возможность применить один источник накачки для каждого из ОУ, а также относительно малые величины мощности накачки (5,2 мВт). Структурная схема рис. 36.1г, соответствует случаю построения ВОСП без устройства компенсации потерь. Солитонный режим достигается благодаря использованию в линейном тракте некоторой последовательности ООВ с постоянной дисперсией D i в пределах каждого i-го участка, но убывающей по линейному закону от участка к участку. Возможно схемное решение построения ВОСП на основе солитонов с компенсацией потерь в ООВ при совместном использовании волоконных усилителей на основе Er 3+ и рамановского усиления. Один из функциональных узлов – солитонный лазер. К нему предъявляются высокие требования в отношении формы огибающей генерируемых импульсов. Их малой длительности, отсутствия «чирпинг-эффекта» (паразитной фазовой модуляции) и соответствующих пиковых значений мощностей. Этот узел может быть оптимально построен на основе лазеров с относительно узким спектром излучения, оптическими усилителями с высоким порогом насыщения и устройствами оптический компрессии. Использование компрессора, осуществляющего сжатие оптического импульса, обусловлено следующими соображениями. Для исключения взаимного влияния соседних солитонов в кодовой комбинации надо, чтобы соотношение между периодом повторения Т и длительностью солитона 2 0 было: Т/(2 0 )>10 При скорости передачи порядка нескольких гегабит в секунду скважность импульсов на выходе лазера, как правило, небольшая. Это обусловлено ограничениями его амплитудно- частотной характеристики. Известны два основных способа компрессии (сжатия) оптических сигналов с целью реализации солитоновой передачи. Первый способ основан на использовании фазовой модуляции передаваемого оптического сигнала. 201 СЛ ФП М И а) СЛ И М ФП Ф ЛН ЛН ЛН ЛН н б) СЛ И М ОУ Ф Ф ОУ ЛН ЛН Ф Ф ОУ Ф ФП ЛН н н н в) СЛ И М ФП ОВ 1 ОВ N ОВ 2 D 1 D N D 2 г) Рис.36.1 Структурные схемы построения ВОСП с использованием солитонов. ГСС Г+S Свип ОУ М ФМ И ЛГ z U см Рис. 36.2 Структурная схема устройства СЛ на основе линейной компрессии 202 На рис. 36.2 представлена структурная схема устройства СЛ на основе линейной компрессии. На вход ЛГ подается напряжение от генератора синусоидальных сигналов ГСС с частотой, соответствующей скорости информационных сигналов, а также напряжение смещения U см для выбора рабочей точки на ваат-амперной характеристике лазера. Рабочая точка выбирается таким образом, чтобы на выходе ЛГ была последовательность длительностью 2 лг . Для исключения обратной связи в схеме используется оптический изолятор И. Фазовая модуляция осуществляется с помощью модулятора ФМ, на вход которого подается напряжение от свип генератора через интегрирующую цепочку. В основу другого способа компрессии положено свойство N солитонного решения НУШ. Такое решение соответствует связанному состоянию N солитонов и представляет собой на входе ООВ обычный солитон с амплитудой поля, увеличенной в N раз по сравнению с критическим занчением. Важная особенность такого импульса - то что на начальном этапе его распространения происходит самосжатие. Это обстоятельство указывает на возможность его эффективной компрессии. Выводы. 1. Использование солитонов для передачи цифровой информации позволит создать очень скоростные, экономичные, надежные ОЦТС. Контрольные вопросы. 1. История солитонов. 2. Перечислите основные свойства солитонов. 3. Нарисуете структурную схему ЦМТС с использованием солитонов и поясните принцип работы. |