ТПСС. 3.ТПСС Лекции -2021 г. Конспект лекций по учебной дисциплине транспортные проводные системы связи 3 курс по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 2.21 Mb.
|
|
Лекция 19 Спектральное уплотнение (продолжение) 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 9.1. Спектральное уплотнение (продолжение) Технология CWDM. Развитие систем WDM (Wavelength Division Multiplexing), цель которых - увеличение ширины полосы канала связи для пользователя, шло сначала по интенсивному пути за счет сокращения шага оптических несущих. Причина была в том, что рабочая полоса систем WDM ограничивалась полосой активного усиления оптических усилителей (ОУ) EDFA, составляющей 30 нм (1530-1560 нм). Системы развивались в направлении WDM - DWDM (Dense WDM) - HDWDM (High-Dense WDM), что вело не только к увеличению числа несущих (то есть к уменьшению их шага), но и к существенному удорожанию плотных (шаг 0,8-0,4 нм) и сверхплотных (шаг 0,2-0,1 нм) систем WDM. Последний фактор стал тормозить процесс их внедрения. Экстенсивный путь развития систем WDM стал возможен только в последние несколько лет благодаря улучшению технологии оптического волокна (OВ), позволившей на порядок расширить рабочую полосу пропускания OВ: с 30 до 340 нм. Затухание в полосе пропускания плавно менялось в относительно небольших пределах: ±3 дБ, что в свою очередь позволило значительно (в 10-50 раз) увеличить шаг несущих и тем самым существенно упростить фильтрацию несущих на приемной стороне, исключив дорогостоящие элементы систем WDM. В результате появился новый класс решений WDM - разреженные системы WDM, или CWDM (Coarse WDM), в которых используется очень большой стандартный шаг между несущими (20 нм) и дешевые средства их выделения - многослойные тонкопленочные оптические фильтры. Системы CWDM быстро завоевали признание специалистов и стали широко применяться в городских сетях (MAN), получив название систем WDM класса Metro. Решения CWDM рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях, когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM. Применение систем WDM такого класса стало возможным после того, как удалось ликвидировать "водяной" пик поглощения на кривой затухания ОВ в районе длины волны 1383 нм. В соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более 18 несущих с фиксированным шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 ... 1570, 1590, 1610, если требуемый диапазон длин волн не превышает 340 нм. Естественно, что затухание на краях такого диапазона достаточно велико, особенно на его левом крае в области коротких волн. Поэтому при передаче сигнала по стандартному одномодовому волокну (SSF) число несущих следует ограничить 8 длинами волн, лежащими в диапазоне 1470-1610 нм шириной в 140 нм. Если требуется использовать больше несущих, то, оставаясь в рамках стандарта CWDM, мы имеем, еще 200 нм полосы, или 10 дополнительных каналов с шагом 20 нм. В 2002 г. МСЭ принял стандарт, определяющий несущие частоты для систем CWDM – рекомендация ITU-T G.694.2. Кроме известных диапазонов C, S и L, в системах CWDM появляются два новых диапазона длин волн – диапазон O (1260-1360нм) и диапазон E (1360- 1460 нм). На рис. 19.1 приведено распределение длин волн по диапазонам: В 2003 г. МСЭ утвердил рекомендацию ITU-T G.695, определяющую допустимые значения затухания сигнала, уровня мощности и перекрываемого расстояния. 126 Рис. 19 .1. Распределение длин волн по диапазонам Наряду с ранее выбранной скорость 2.5 Гбит/с была регламентирована новая скорость передачи – 1.25 Гбит/с, что позволило упростить и унифицировать применение преобразователей Gigabit Ethernet в мультиплексорах CWDM. Технология CWDM применяется для волнового (спектрального) уплотнения нескольких каналов Gigabit Ethernet в одну пару физического оптоволокна, что экономит ресурс волокна и дает возможность получить новые топологические решения с использованием оптических мультиплексоров. Технология CWDM может применяться везде, где используется передача Ethernet-трафика по оптической линии, и при этом она не предъявляет новых требований к оптоволокну. Таким образом, один и тот же ресурс используется для нескольких Gigabit потоков (на одно волокно – до 9 потоков). CWDM системы используют лазеры, которые не нуждаются в охлаждении. Эти системы обычно используются при температуре от 0 0 до 70 0 С с отклонением длины волны лазера от этого диапазона примерно на 6 нм. Это смещение длины волны складывается со смещением, вносимым самим лазером (±3 нм), в результате суммарное отклонение длин волн составляет ±12 нм. Полоса пропускания оптических фильтров и разделение каналов лазера должны быть достаточны широкими, чтобы обеспечить (поддержать) колебание длин волн неохлажденного лазера в системах CWDM (рис. 19.2). Разделение каналов в таких системах обычно составляет 20 нм с полосой пропускания канала 13 нм. Рису. 19.2. Колебания длин волн неохлаждаемого лазера с распределенной обратной связью (длина волны – 1.55 нм) 127 Проблемы реализации систем WDM связаны, главным образом, с преодолением воздействия трех факторов: влияния эффекта ЧВС (четырехволнового смешения); воздействия помех от соседних каналов; ограничения суммарной мощности светового сигнала, вводимого в волокно. Влияние первого фактора достаточно успешно снижается за счет использования волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), неравномерного распределения частот несущих, а также за счет использования схем интерливинга. Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнового смешения в этих системах. Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM (CWDM) – недавно стандартизованное оптическое волокно G.656 (табл. 19.1). Таблица 19.1. Применение различных типов волокон Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в системах связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где кварцевое оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью. Влияние второго фактора (который имеет разную природу на передающем и приемном концах) может быть снижено разными способами: увеличением шага несущих (действует на обоих концах), использованием внешнего модулятора (уменьшающего уширение несущей), применением солитонной технологии или техники модуляции с подавлением одной боковой полосы (ОБП). Все три метода действуют на передающем конце. Кроме того, можно применить процедуру интерливинга, при которой плотный набор из n несущих длин волн (с шагом s) разделяется на приемном конце на два или четыре (каскадно 2x2) набора по n/2 (с шагом 2s) или n/4 (с шагом 4s) несущих. Влияние третьего фактора обусловлено тем, что максимальная мощность каждой оптической несущей P C max (в дБм) зависит от полной оптической мощности, подаваемой с выхода транспондера на вход волокна Ptotal (оптическая мощность в дБм на выходе агрегатного канала WDM) и числа мультиплексированных длин волн п. Согласно стандарту, P c max = Pном - 10lgn. Мощность Pном ограничена безопасным уровнем излучения лазера (или допустимым уровнем суммарных нелинейных искажений в сердцевине волокна) и составляет для разных производителей оборудования WDM величину от 17 до 30 дБм. По табл. 19.2 можно оценить, как меняется эта мощность в расчете на 1 несущую для разного числа несущих в системе WDM при равномерном распределении. Тип волокна G.652.C/D G.655 G.655, G.656 Основн ое применение Системы SDH/CWDM/DWDM Магистральная, зоновая, городская сеть, кабельное телевидение, PON, сети FTTH Замена волокна G.652.A/B с окном прозрачности на 1400 нм Системы SDH/DWDM От 2.5 до 10 Gbit/s на один оптический канал Магистральная, зоновая, городская сеть Системы SDH/CWDM/DWDM От 10 до 100 Gbit/s на один оптический канал Магистральная, зоновая, городская сеть 128 Таблица 19.2. Максимальная мощность на одну несущую WDM, дБм Число несущих, n 2 4 8 16 32 64 128 256 Pном=17 дБм 14 11 8 5 2 -1 -4 -7 Pном=30 дБм 27 24 21 18 15 12 9 6 Из табл. 19.2 видно, что при большом числе несущих падение мощности может составить (против исходного уровня для двух несущих) 21 дБ. В результате не использования WDM исключается возникновение проблемы обеспечения нужного уровня BER в оптическом канале. Единственный способ борьбы с этим - увеличение эффективной площади сечения волокна, то есть использование специально разработанных волокон, например, LEAF, Siecor, брэгговских волокон или волокон на основе фотонных кристаллов. Область применения CWDM. Многие сети крупных городов не модернизировались уже десять лет. Постоянное увеличение трафика привело некоторые зоны к тому, что у них уже почти не осталось ресурсов для роста. Недостаточная пропускная способность сети, известная также под названием «истощение волокон», является той проблемой, которую операторы связи хотели бы разрешить незамедлительно. Добавление CWDM в оптическую транспортную систему является простым и экономически выгодным решением проблемы истощения (нехватки) волокон. По уже существующему оптическому волокну может производиться дополнительное обслуживание без прерывания обслуживания уже имеющихся абонентов. Условия, в которых целесообразно применение CWDM систем: - городские и региональные оптические сети; - строительство сети в условиях дефицита ОВ (или высокой стоимости аренды ОВ); - необходимость увеличения пропускной способности существующих сетей на базе ВОЛС; - предоставление множества услуг по оптоволоконной паре; - построение оптических сетей для предоставления в аренду «виртуального» волокна - CWDM решения независимы к различным протоколам передачи информации. Это позволяет создавать различные телекоммуникационные услуги в одной транспортной среде. Выводы. 1. При использовании технологии DWDM для увеличения дальности связи используют оптические усилители. 2. Применение оптических усилителей приводит к снижению помехозащищенности сигнала, поэтому необходимо определить максимальное число оптических усилителей на участке регенерации. 3. Технология CWDM является пассивной, то есть не содержит в линейном тракте активных узлов. 4. Максимальная дальность связи не превышает 80 – 100 км. 5. Максимальное число спектральных каналов не превышает 18 (9 дупл.) Вопросы для самоконтроля. 1. Что такое технология DWDM? 129 2. Какие требования предъявляются к источнику оптического излучения? 3. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 4. Какие окна прозрачности предназначены для технологии DWDM? 5. Сколько спектральных каналов можно организовать в диапазонах C и L? 6. В чем смысл эталонных цепей для технологии DWDM? 7. Какие факторы ограничивают длину участка ретрансляции? 8. Какое излучение является источником шумов в оптических усилителях? 9. В чем состоит сущность технологии CWDM? 10. В чем состоят принципиальные отличия технологий CWDM и DWDM? 11. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 12. Какие окна прозрачности предназначены для технологии СWDM? 130 Лекция 20 Перспективные транспортные проводные системы связи (2 часа) Введение. Перспективными ТПСС 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 10.1. Перспективные транспортные проводные системы связи 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 столкновениях 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 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, 131 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 ТПСС 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.20.1б представленная схема ТПСС 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 ТПСС с компенсацией потерь в ООВ (рис. 20.1в) и использованием фоновых оптических усилителей. Усиление осуществляется не по всей длине линейного тракта, а на некоторых локальных участках (порядка 100 м). Существенные преимущества такого принципа – возможность применить один источник накачки для каждого из ОУ, а также относительно малые величины мощности накачки (5,2 мВт). 132 Структурная схема рис. 20.1г, соответствует случаю построения ТПСС 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 ТПСС 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 гигабит 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. 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. 20.1 Структурные схемы построения ТПСС с использованием солитонов. 133 ГСС Г+S Свип ОУ М ФМ И ЛГ z U см Рис. 20.2 Структурная схема устройства СЛ на основе линейной компрессии На рис. 20.2 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 ТПСС. Контрольные вопросы. 1. История солитонов. 2. Перечислите основные свойства солитонов. 3. Нарисуете структурную схему ТПСС с использованием солитонов и поясните принцип работы. |