Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ)
Введение.
Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы
передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические
приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут
уплотнятся
различными
методами.
Ниже
рассматриваются
перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р.
Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение)
Методы уплотнения ВОЛС. Временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM).
Данный метод предполагает объединение нескольких информационных потоков в один.
Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов (рис. 18.1) две серии импульсов (может быть N источников), поступающие с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал. Последний в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую,
Оптическое излучение распространяется по 0В и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы
А' и В'. В настоящее время данный способ уплотнения ВОЛС является основным.
УО
ОПер
ОПр
УР
ОВ
А
В
А’
В’
Рис. 18.1. Принцип временного уплотнения на уровне объединения электрических сигналов
Схема объединения оптических цифровых потоков показана на рис. 18.2.
Электрические цифровые потоки от N источников поступают на N оптических передатчиков, в которых осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на Δt; 2Δt; 3Δt;……..(N-1)Δt.
После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование.
При временном уплотнении на уровне оптических сигналов требуется передача коротких (10
-9
с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонент приемопередающего оборудования ЦМТС, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами оптического волокна.
90 ОПер 1 ОПер 2 ОПер N ОС t tN ) 1 ( 1 2 N ОВ Рис. 18.2. Принцип временного уплотнения на уровне объединения оптических сигналов К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение коэффициента использования пропускной способности оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8...16 Гбит/с и более); возможность создания полностью оптической сети связи. Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это позволяет создавать оптический кабель, содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле, а следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком пространственного уплотнения являются большой расход оптического волокна, значительные затраты на каблирование, а следовательно, и высокая относительно стоимость линейного тракта. Для магистральных ЦМТС, где стоимость 1 кан/км определяется в основном стоимостью кабеля, метод пространственного уплотнения не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности. Спектральное уплотнение. Одним из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ – является спектральное уплотнение или мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В настоящее время WDM играет в оптических синхронных системах ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи данных. Структурная схема ВОСП-WDM, соответствующая рекомендации G.692 МСЭ-Т, приведена на рис. 18.3. Здесь ТХ i , RX i ; (i = 1, 2,..., n) - передающие и приемные транспондеры (приемопередатчики) каждого канала N-канальной ВОСП - WDM; ОМ - оптический мультиплексор; ОА - оптический усилитель; OD - оптический демультиплексор; R Ti - контрольная точка (интерфейс) на входе i-го передающего транспондера; S Ti - контрольная точка на выходе i-го приемного транспондера; S i ÷S n - контрольные точки на выходах оптических соединителей (ОС) передающих транспондеров для каналов 1 ... n; R Mi ÷R Mn - контрольные точки на входе ОС перед блоком ОМ/ОА для каналов 1 ... n; MPI-S - контрольная точка (интерфейс) на выходе ОС после блока ОМ/ОА; S' - контрольная точка на выходе ОС после линейного усилителя LA; R' - контрольная точка на входе ОС перед линейным оптическим усилителем; MPI-R - контрольная точка (интерфейс) на входе ОС перед оптическим усилителем ОА на входе оптического демодулятора (OD); S D1 ÷S Dn - контрольные точки на выходе ОС после блока OA/OD; OSC - точки подключения оптического служебного канала; OADM - мультиплексор ввода-вывода оптических каналов; S, R - интерфейсы на выходе передатчиков и входе приемников аппаратуры STM-N (обычно N= 16, либо 64) или ATM. 91 ОМ/ ОА OA/ OD S T M - 1 6 T X 1 A T M R X 1 R X 2 R X N S T M - 1 6 0 0 0 S S S R Tn R T2 T X 2 T X n 1 2 n S 1 S 2 S n R M1 R M2 R Mn MPI-S R’ R’ LA S’ S’ MPI-R OSC STM-16 STM-16 1 2 n 0 0 0 S D1 S D2 S Dn R 1 R 2 R n S T1 S T2 S Tn R R R S T M - 1 6 S T M - 1 6 A T M OSC OSC R T1 - оптический соединитель TX OP RX Рис. 18.3. Структурная схема ВОСП - WDM Как следует из рис. 18.3, структурная схема ВОСП-WDM содержит оптический передатчик (ТХ), оптический приемник (RX) и главный оптический тракт (ОР). Оптический передатчик содержит канальные приемопередатчики (транспондеры) TX i ÷TX n , которые, в частности, преобразуют длину волны STM-N (или ATM) λ0 в длины волн спектра каналов λ1 ÷λn, Как правило, операцию преобразования выполняют конверторы, входящие в состав транспондеров. На выходе ТХ i образуется канальный сигнал, спектр которого соответствует скорости передачи STM-N. Канальные сигналы, а, следовательно, и их спектры объединяются с помощью оптического мультиплексора (ОМ); на его выходе образуется групповой сигнал, спектр которого содержит суммарный спектр канальных сигналов: , ) 1 ( нчр кс гс fnff где ΔfГС - спектр группового сигнала; Δf КС - спектр канального сигнала; ΔfНЧР - номинальное частотное разнесение (НЧР) каналов. Групповой сигнал усиливается оконечным оптическим усилителем ОА (бустером), с помощью которого в интерфейсе MPI-S устанавливается необходимая общая средняя мощность линейного сигнала P ЛС Главный оптический тракт (ОР) содержит линейные оптические усилители (LOA), компенсирующие затухание, вносимое участками оптических волокон длиной l1…li…lkВместо любого из усилителей может быть включен мультиплексор ввода/вывода каналов OADM с такими же интерфейсами R' и S', как и у оптического усилителя. Приемник (RX) содержит предварительный оптический усилитель (ОА), усиливающий линейный сигнал, оптический демультиплексор (OD), разделяющий групповой сигнал на канальные сигналы, приемные транспондеры RX i , в состав которых, в частности, входят конверторы, преобразующие длины волн λ1 ÷λn, в длину волны λ0, соответствующую STM-N или ATM. Оптический служебный канал (OSC) организуется на длине волны, лежащей либо вне диапазона спектра WDM, либо внутри его. OSC вводится и выводится как в оптических передатчике и приемнике, так и в линейных усилителях и мультиплексорах ввода/вывода (OADM) оптического тракта.
92
Таким образом, при построении ВОСП-WDM используются три вида усилителя: линейный, предварительный и усилитель мощности.
Современные ЦМТС -WDM рассчитаны для работы в третьем и четвертом окнах прозрачности спектра ОВ (рис. 18.4). Весь спектр разбит на два диапазона С и L (С - Band, L
- Band). С-диапазон разбит на два поддиапазона S(R) и L(R). Границами этого диапазона являются длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм (соответственно частоты 191,0 ТГЦ и 196,2
ТГц). L-диапазон характеризуется граничными длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм
(соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9 ТГц). Таким образом, ширина спектра С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L - диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц).
В зависимости от расположения каналов в этих спектрах ВОСП-WDM подразделяются на:
- простыеWDM – системы (номинальное частотное разнесение каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число каналов не более 8);
- плотные WDM – системы DWDM (частотное разнесение каналов не менее 100
ГГц, число каналов не более 40);
- сверхплотные WDM – системы HDWDM (частотное разнесение каналов порядка
50 и 25 ГГц , число каналов порядка 80 и 160).
Во всех случаях частотное разнесение каналов определяется следующими факторами: линейными переходами между каналами, возникающими в мультиплексорах, демультиплексорах и между оптическими фильтрами, расположенными в блоке OA/OD; нелинейными переходами между каналами, возникающими в ОВ.
Наиболее опасными являются переходы из-за четырехволнового смешивания
(FWM). Так как для ОВ различных типов мощности помех от этих переходов разные, то частотные планы разрабатываются отдельно для каждого типа волокон.
В рекомендации МСЭ-Т G.692 разработаны частотные планы только для третьего окна прозрачности и волокон, соответствующих рекомендациям G.652, G.655, G.653.
Один из частотных планов, предложенных для волокон G.652/G.655 приведен в табл.
18.1. В ней даны значения оптических несущих для DWDM с числом каналов п = 40 (этот же план можно применить при любом числе каналов п > 8, и НЧР = 1000 ГГц), а также значения оптических несущих при НЧР = 200 ГГц (4 < п < 20), для п = 8 (НЧР = 500 ГГц), п = 4 (НЧР =
600 ГГц и НЧР = 1000 ГГц).
C(B)
S(R)
L(R)
40,82 1528,77 1545,32 1569.59 196,2 194 191,0
L(B)
43 1612,65 185,9
нм
,
f, ТГц
5,2 5,1
Рис. 18.4. Спектр ВОСП-WDM
Аналогичные частотные планы разработаны и для OB G.653.
Для уменьшения влияния четырехволнового смешивания при организации ВОСП-
WDM на волокнах G.653 предлагается использовать неодинаковое НЧР между каналами.
Заметим, что максимальная скорость передачи В
мах
ВОСП-WDM во многом определяется приятым частотным планом.
,
max
n
B
B
ch
где В
ch
- максимальная скорость передачи в канале; п - число каналов.
93
Поэтому увеличить скорость передачи системы WDM можно, увеличивая скорость передачи в канале. Например, если п = 4, В= 2,5Гбит/сек (STM-16), то S
max
= 10 Гбит/с, что соответствует 64-му уровню STM-N.
Строгая регламентация оптических частот для систем HDWDM, DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих(λ
1…
λ
N
). В рекомендации ITU-T G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому, в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений спектральных каналов и частотного интервала между ними можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (Δ), а также допустимую величину нестабильности оптической частоты.
При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 100
ГГц спектральная ширина линии излучения Δ не должна превышать величину Δ = ± 0,08 нм, нестабильность оптической несущей не более 10 ГГц. В случае передачи методом
DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены.
Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δ = 0,5 нм
(для STM-16), для STM-64 - Δ = 0,1 нм , а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм.
Таблица 18.1 Значения центральных частот каналов при использовании ОВ
G.652/G.655
Частота
ТГц
Интервал
100 ГГц
(8 каналов и более)
Интервал
200 ГГц (4 канала и более)
Интервал
400 ГГц
(только 4 канала)
Интервал
500/400
ГГц
(только 8 каналов)
Интервал
600 ГГц
(только 4 канала)
Интервал
1000 ГГц
(только 4 канала)
Длина волны, нм
196,1
*
*
1528.77 196,0
*
1529,55 195,9
*
*
1530,33 195,8
*
1531,12 195,7
*
*
1531,90 195,6
*
1532,68 195,5
*
*
*
*
1533,47 195,4
*
1534,25 195,3
*
*
*
1535,04 195,2
*
1535,82 195,1
*
*
1536,61 195,0
*
1537,40 194.9
*
*
*
1538,19 194,8
*
*
1538,98 194,7
*
*
1539,77 194,6
*
1540,56 194,5
*
*
*
1541,35 194,4
*
1542,14 194,3
*
*
*
*
1542,94 194,2
*
1543,73 194,1
*
*
1544,53 194,0
*
1545,32 193,9
*
*
*
*
1546,12
94 193,8 * 1546,92 193,7 * * * * 1547,72 193,6 * 1548,51 193,5 * * * * 1549,32 193,4 * * 1550,12 193,3 * * * 1550,92 193,2 * 1551,72 193,1 * * * * 1552,52 193,0 * * 1553,33 192,9 * * * 1554,13 192,8 * 1554,94 192,7 * * * 1555,75 192,6 * 1556,55 192,5 * * * * * * 1557,36 194,4 * 1558,17 192,3 * * * 1558,98 192,2 * 1559,79 192,1 * * * 1560.61 Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства - транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется N оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для первого канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ1 , для второго λ2 и т.д. до λN. Свыходов транспондера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического муль- типлексора, соответствующие указанным длинам волн λ1…λNСледует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери ОМ на канал составляют 7 ... 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величинасоставит14...18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния. Для того чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления проявляются начиная с указанной мощности в виде допол-
95 нительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS (или ВРМБ - вынужденное рассеяние
Манделынтамм - Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (или ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Величина суммарной оптической мощности в системах WDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне +17дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами
— допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации
ITU-T увеличена до +23 дБм.
Особо следует отметить, что с внедрением технологии WDM появилась возможность создавать многофункциональные системы передачи. Пример одной из таких схем организации связи приведен на рис. 18.5.
Рис. 18.5. Схема организации связи.
Выводы.
1. При уплотнении ВОЛС можно применять следующие методы:
временное
уплотнение
(Times
Division
ultiplexing,TDM),
пространственное уплотнение и спектральное.
2. Основным способом уплотнения является временное уплотнение
(Times Division ultiplexing,TDM).
3. С целью повышения эффективности использования пропускной
способности оптических волокон в настоящее время внедряются
системы со спектральным уплотнением.
96
Контрольные вопросы.
1. Нарисуйте
схему временного уплотнения (Times Division
ultiplexing,TDM) и поясните принцип ее работы.
2. Нарисуйте схему пространственного уплотнения и поясните
принцип ее работы.
3. Нарисуйте схему спектрального уплотнения и поясните принцип ее
работы.
4. Требования к источникам излучения при спектральном уплотнении.
|
Скачать 3.38 Mb.