Введение в передачу сигнала по оптическому волокну требования к полосе пропускания

• Название: Введение в передачу сигнала по оптическому волокну требования к полосе пропускания
• Дата: 25.01.2022
• Размер: 418.5 Kb.
• Имя файла: 1_0.doc
• Тип: Глава; #341969

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В ПЕРЕДАЧУ СИГНАЛА ПО ОПТИЧЕСКОМУ ВОЛОКНУ

1.1. Требования к полосе пропускания
Оптическое волокно — среда передачи, используемая в современных назем­ных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информа­ции. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, счи­тая, что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, что емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь ис­пользуемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц — 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует зна­чительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу дли­ны, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение ко­леблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно мень­ше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последо­вательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Ис­пользуя при этом технологию волнового мультиплексирования можно про­пустить по одному волокну не менее 80 таких потоков (В момент перевода этой книги это число составляло уже 320). Простое умноже­ние дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. В момент, когда эта книга уже вышла, один битовый поток мог переносить уже 40 Гбит/с. Зна­чит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20 по­зволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправлен­ных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая со­временные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

1.2. Модель волоконно-оптической системы передачи
Рис. 1.1 представляет простую модель ВОСП. В тексте ниже мы будем часто ссылаться на эту модель. Не нужно большого воображения, чтобы увидеть, что ВОСП аналогична некой радиосистеме или беспроводной системе передач.



Рис. 1.1. Упрощенная модель ВОСП

В табл. 1.1 приведено сравнение аналогичных рис. 1.1 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) си­стемы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Мно­гие кабельные телевизионные системы используют аналоговый фор­мат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Дру­гая форму аналоговых приложений — передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рис. 1.1, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразова­тель (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптичес­кий NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов. Формы импульсной последовательности и кодов рассмотрены в гл. 4.
Таблица 1.1

Сравнение по методу аналогий

Волоконно-оптическая линия связи	Радио/беспроводная/ проводная линия связи	Комментарий
Электрооптический преобразователь	Модулятор или форми­рователь сигнала	Все три случая требуют какого-то преобразования формы сигнала, напр., AMI в NRZ
Источник оптическо­го сигнала	Источник сигнала (передатчик или модем)	Выход источника сигнала, как правило низкого уровня
Волоконно-оптичес­кая среда передачи	Передача радиосигнала через атмосферу или радио/аудио сигнала по медным проводам
Детектор оптического сигнала	Приемник или демоду­лятор модема	Порог срабатывания прием­ника во всех 3 случаях опре­деляет показатели ошибок
Схема формирования выходного сигнала	Выход приемника или модема и формирователь сигнала

Принципиальный упор в гл. 4 сделан на волоконно-оптический источ­ник светового излучения. В некоторых местах по ходу изложения этот ис­точник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод — СИД (LED) и лазерный диод — ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от —10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна использу­ются для других целей, в том числе и для резервирования). ВОК подробно рассмотрен в гл. 2. Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономичес­кие, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, ка­кой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

ВОК поставляется на катушках (или барабанах), представляющих одну кабельную секцию, которая имеет длину 1, 2, 5 и 10 км. (Может определятся также конкретными строительными длинами, требуемыми за­казчику). Соединительные оптические разъемы (или коннекторы) используются на концах ка­белей (с обоих сторон) для соединения кабеля с указанными источником и детектором. Для длинных линий (ВОСП) может потребоваться несколько таких катушек. Строительные длины соединяются друг с другом путем сращивания. Сростки и оптические разъемы рассматриваются в гл. 3. В связи с этим, обычно, рассматриваются два наиболее важных параметра: вносимые потери и возвратные потери. Вносимые потери, вызванные на­личием сростка, должны быть меньше 0,1 дБ, тогда как аналогичные по­тери, вызванные наличием оптического разъема, должны быть меньше 1 дБ. Возвратные потери (или потери на отражение), определяющие уро­вень согласования импедансов между сростком и кабелем, должны быть не менее 30 дБ.

Приемник, или детектор светового излучения на удаленном конце воло­конно-оптической линии, является, по сути, счетчиком фотонов. Большин­ство ВОСП в настоящее время используют два типа приемников: PIN-duodи лавинный фотодиод (ЛФД). PIN-диод, в целом, проще и менее чувствите­лен к изменению окружающей среды, так как не имеет внутреннего усиле­ния. ЛФД — более сложен и более чувствителен к изменению окружающей среды, но может обеспечить 10-20 дБ дополнительного усиления. Проекти­ровщик ВОСП выбирает порог приемника, руководствуясь заданным уров­нем коэффициента ошибок по битам — BER. (Ниже под BER будем понимать Bit Error Ratio (коэффициент ошибок), а не Bit Error Rate (частость ошибок), термин, используемый в оригинале, но не рекоменду­емый стандартами ITU-T.).

Порог приемника — уровень входной мощности, выраженный отрицатель­ной величиной дБм и зависящий от ряда факторов: типа приемника, в ка­кой-то мере, его конструкции, скорости передачи и, конечно, уровня ВЕR. При проектировании системы нужно стараться, чтобы уровень сигнала на входе приемника не был избыточным. На коротких секциях часто требуется использовать оптический аттенюатор последовательно с приемником, что­бы сместить уровень входного сигнала в желаемый диапазон [1.1].

В табл. 1.2 приведены сравнительные данные влияния различных причин на ухудшение показателей различных систем: ВОСП, радиосистем, беспро­водных систем и проводных систем передачи.
1.2.1. Диапазоны длин волн, используемые для передачи сигнала

по оптоволокну

Радио, проводные и кабельные системы передачи используют понятие час­тоты для описания рабочей области, занимаемой системой в радиочастот­ном спектре. Частота при этом измеряется в герцах. Говорят, что ВОСП -плод исследования и разработки физиков, поэтому для описания положе­ния их рабочей области в радиочастотном спектре используется понятие длины волны.
Таблица 1.2

Сравнение влияния разных причин на ухудшение показателей различных систем передачи

Показатель/ причина	Радиосистемы и беспроводные системы	Проводные системы	ВОПС
ВЕR	110-9	110-10	110-12
Потери линии (дБ)	Принципиальные ухудшения	Принципиальные ухудшения	Принципиальные ухудшения
Дисперсия	Могут быть ухудше­ния при большой скорости	Не являются первопричиной ухудшения	Могут быть ухуд­шения при боль­шой скорости
Замирания	Влияют	Нет	Нет
Накопленный джиттер	Умеренно влияет	Сильно влияет	Мало влияет
Незащищенность	Низкая	Средняя	Высокая
Емкость канала	Низкая/средняя	Низкая/средняя	Очень высокая
Потери поглощения при дожде	Основные потери на частоте 10 ГГц	Нет	Нет
ЭМС: чувствитель- ность к электромаг- нитному излучению	Существует	Существует	Нет
ЭМС: генерация электро-магнитного излучения	Существует	До некоторой степени	Нет

Замечания. BER — ВОСП проектируются в общем случае в расчете на ВЕR = 110^-12. ВОСП либо имеют ограничения по потерям сигнала, либо по (*накопленной) дис­персии. Радиосистемы и беспроводные системы передачи могут иметь ограничения по дисперсии. Однако пространственное разнесение и автоматическое выравнива­ние сигнала промежуточной частоты (ПЧ) позволяют бороться с дисперсией. Эти вредные эффекты дают аналогичный результат, а именно: межсимвольные искаже­ния, приводящие к ухудшению или серьезному ухудшению показателей ошибок. Проводные системы имеют ограничения по потерям сигнала. Незащищенность. Проводные системы и ВОСП слабо защищены от случайного или намеренного обрыва кабеля. И те и другие страдают и от воздействий окружающей среды, таких как повреждения от воды или мороза. Основной недостаток ВОСП - их незащищенность. В гл. 9 мы обсудим, как осла­бить влияние такой незащищенности, но ее нельзя исключить полностью. Потери при дожде. Широкая полоса используемых частот в радиосистемах и беспровод­ных системах достигается на частотах выше 10 ГГц, что приводит к уменьшению длины линии передачи, вызванному потерями на поглощение сигнала при дожде; чем выше частота, тем больше ограничений на время доступности (т.е. надежного распростране­ния). Конечно, для проводных систем и ВОСП время доступности от этого не страдает. ЭМС. Этот показатель имеет два аспекта: чувствительность к излучению и генерация излучения. Генерация излучения означает, что система может быть источником электромагнитных помех (RFI). Чувствительность к излучению ясно говорит о незащищен­ности от электромагнитных помех. Для радиосистем имеет место как генерация излуче­ния, так и чувствительность к излучению, часто оба явления приводят к проблемам. Проводные системы также чувствительны к электромагнитному излучению. ВОСП - напротив, не излучают и нечувствительны к электромагнитным помехам [1.2].

Будем полагать, что свет - расширение радиочастотного спектра на его вы­сокочастотном конце. Эта концепция непрерывного спектра иллюстрируется рис. 1.2. Для длины волны обычно используется обозначение . Так как это длина, то ее основной единицей измерения является метр. Мы можем связать частоту в герцах и длину волны в метрах (м), используя традиционную формулу

м/с (скорость света в вакууме) (1.1)

Итак, Fв герцах, а  в метрах.




Рис. 1.2. Частотный спектр выше 300 МГц, где показано положение рабочей области ВОСП.
Примеры. Допустим, что ваша любимая ЧМ-станция, транслирует музыку на частоте 104 МГц. Какова ее эквивалентная длина волны?



м.

Рабочие длины волн в волоконной оптике обычно приводятся в нано­метрах (нм). 1 нанометр это: 1 нм = 110^-9 м, или 0,000000001 м.

Одна из широко используемых длин волн в ВОСП - 1310 нм. Какова ее эквивалентная частота?

м/с

Гц,

или 2,2910⁵ ГГц, или 229 ТГц.

При переводе длин волн в частоту для практических целей, например в системах WDM, обычно используют более точную оценку скорости света — 2,99792458, в ре­зультате получаем частоту 228,849 ТГц с точностью до 1 ГГц.



Рис. 1.3. Затухание оптического волокна в зависимости от длины волны (по­казаны три окна прозрачности, используемые для ВОСП).
На рис. 1.3 показаны три основных окна прозрачности, которые являются рабочими диапазонами длин волн для ВОСП. Это

- 820-900 нм;

- 1280-1350 нм;

- 1528-1561 нм.

Причем последнее окно может быть расширено до 1620 нм (Эта область обычно называют четвертым окном прозрачности). Если оце­нить частоты, соответствующие последнему окну и его расширению, то, используя уравнение (1.1), можно получить для 1528 и 1620 нм соответ­ственно F₁ и F₂:

Гц = 196 ТГц

Гц = 185 ТГц

Вычитая F₂из F₁получим, что полезная рабочая полоса этих окон равна 11 ТГц, или 11000 ГГц. Эта ширина полосы в 110 раз больше той, что может быть использована в радиочастотной части спектра [1.1].

Полезная ширина полосы одиночно излученного светового импульса определяется импульсной передаточной функцией рассматриваемого опти­ческого волокна (ОВ). Математический вывод такой передаточной функции довольно сложен и серьезен и выходит за рамки нашей книги. Но мы поста­раемся представить его схематично. Пусть В_о — ширина полосы ОВ, а В_сполученная после детектирования ширина полосы результирующего электрического сигнала. Учитывая, что оптическая ширина полосы волокна оп­ределяется импульсной передаточной функцией этого волокна, можно по­казать, что измеренная на уровне -3 дБ (по мощности) оптическая ширина полосы В_ооценивается с помощью показателя - полная ширина полосы на уровне половины от максимума (FWHM), формулой вида

В_о= 441/FWHM (1.2)

полагая, что функция (1.2) имеет вид гауссовской кривой, В_оизмеряется в МГц, a FWHM - в нс.

Далее можно показать, что время нарастания tможно оценить через В_ос помощью формулы вида

t= 315/ В_о (1.3)

Оптическая ширина полосы определяется аналогичным образом, как полоса радиосигнала, отсчитанная на уровне —3 дБ по мощности. Это мож­но соотнести непосредственно с током /в оптическом детекторе. Так, изве­стно, что электрическая мощность, генерируемая в таком детекторе, про­порциональна I²,поэтому уровень —3 дБ оптической мощности (определяемый как уровень, соответствующий 50% уменьшению тока I) при­ведет к уровню —6 дБ электрической мощности (определяемому как уро­вень, соответствующий 75% уменьшению тока I²).Таким образом, уровень -3 дБ оптической ширины полосы равен уровню -6 дБ электрической ши­рины полосы частот. Это не используется и не будет определятся в дальней­шем. Однако из этого следует, что ширина электрической полосы частот на уровне —3 дБ должна быть меньше, чем ширина оптической полосы на том же уровне -3 дБ. И, хотя математическая сторона этого дела не так проста, если функция имеет форму гауссовой кривой, то можно показать, что

(1.4)

На рис. 1.3 читатель должен заметить так называемый пик поглощения света «водой», расположенный приблизительно на длине волны 1400 нм (фактически на 1383 нм). «Вода» характеризуется наличием примесей в во­локне, но показанный нами пик поглощения вызван фактически наличием радикалов ОН^-. Результатом этого является высокий уровень поглощения вокруг 1400 нм [1.3].

1.3. Волоконно-оптический световод как среда передачи
1.3.1. Конструкция световода

Жила ОВ может быть названа оптическим световодом. Можно предполо­жить, что этот термин был заимствован у радистов, использующих анало­гичное понятие — волновод. На рис. 1.4 показана жила волокна и составляю­щие ее части. Конечно, ее изображение существенно увеличено и схематично, чтобы заострить внимание на ряде моментов. На нем видно, что жила ОВ состоит из внутренней сердцевины и окружающей ее оболочки. Любые допол­нительные покрытия (оболочки) являются защитными. На рис. 1.4 показа­но внешнее пластиковое покрытие.



Рис. 1.4. Основная конструкция оптического волокна
Обычно, показатель преломления сердцевины обозначают как n₁, тогда как показатель преломления оболочки обозначают как n₂. Это важные пара­метры и мы рассмотрим их ниже. Когда жила ОВ спроектирована так, что n₁ n₂, то структура: сердцевина-оболочка, ведет себя как волновод. Квар­цевое стекло (SiO₂) является основным материалом, как для сердцевины, так и оболочки. Для подгонки нужных значений показателя преломления используются легирующие примеси, такие как бор или германий.

Из физики известно, что показатель преломления среды равен скорости света в вакууме, деленной на скорость света в данной среде. По определе­нию показатель преломления вакуума равен 1.
1.3.2. Как свет распространяетсяпо волоконно-оптическому

световоду

Как фактически распространяется свет по ОВ лучше всего объяснить, ис­пользуя закономерности геометрической оптики и закон Снеллиуса. Упро­щенно можно сказать, что когда свет переходит из среды с большим показа­телем преломления в среду с меньшим показателем преломления, преломленный луч отклоняется от нормального. Это, например, происхо­дит тогда, когда луч из воды выходит в воздух, отклоняясь от нормального луча на границе раздела между двумя средами. Чем больше становится угол падения на границу раздела, тем больше отклоняется преломленный луч от нормального луча, до тех пор пока преломленный луч не достигает угла в 90°, по отношению к нормальному, и начинает скользить по поверхности раздела. Рис. 1.5 демонстрирует картину при различных углах падения. Рис. 1.5(а) показывает такой угол падения, при котором преломленный луч пол­ностью уходит в свободное пространство. Рис. 1.5(б) показывает такой угол падения, который называется критическим, когда преломленный луч начи­нает скользить по границе раздела. Рис. 1.5(в) демонстрирует случай полного внутреннего отражения (ПВО). Это происходит тогда, когда угол падения превышает критический. Стеклянное ОВ, используемое для целей передачи света, требует использования полного внутреннего отражения.



Рис. 1.5. Путь лучей для нескольких углов падения, n₁n₂, где n₁и п₂ — показа­тели преломления двух различных сред (рис. 4, с.15 в [1.2]).
Другое свойство ОВ, характерное для определенной длины волны, это нормализованная частота V:

(1.5)

где а — радиус сердцевины, n₂ для ОВ без оболочки = 1,



Член в уравнении (1.5) называется числовой апертурой (NA). В

сущности, числовая апертура используется для того, чтобы описать светосо-бираюшую способность волокна. Фактически, количество оптической мощ­ности, воспринимаемой ОВ изменяется пропорционально квадрату NA. Интересно заметить, что числовая апертура ОВ не зависит от его физичес­ких размеров.

Для лучшего понимания числовой апертуры, рассмотрим рис. 1.6, кото­рый иллюстрирует конус света, воспринимаемого волокном. Как показано в формуле ниже этого рисунка, угол этого конуса определяется равенством sinq_A = NA. Концепция светособирающей способности волокна, выражен­ная численно с помощью NA, хорошо иллюстрируется графически этим приемным конусом.

Как показано на рис. 1.1, существует три основных элемента ВОСП: ис­точник, волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) и оптический детектор. Что касается ВОЛС, то существуют два основных параметра, которые огра­ничивают ее длину без использования повторителей, или длину секции между двумя повторителями. Этими наиболее важными параметрами являются потери, обычно выражаемые в дБ/км, и дисперсия, которая часто выража­ется в виде эквивалентного произведения ширины полосы на длину (линии) - МГцкм. (Это произведение называется обычно коэффициентом широкополосности, он ис­пользуется как показатель только для многомодовых ОВ или ВОК). Длина линии может быть ограничена мощностью (бюджетом мощности), т.е. может ограничиваться потерями, или может ограничиваться дисперсией (накопленной дисперсией).

Дисперсия, проявляющая себя в виде межсимвольной интерференции на удаленном конце, вызвана двумя факторами. Один из них — материальная дисперсия, а другой — модовая дисперсия. Материальная дисперсия вызвана тем, что показатель преломления материала изменяется с частотой. Модовая дисперсия возникает, если оптоволоконный волновод поддерживает несколько мод. В этом случае различные моды имеют различные фазовые и групповые скорости и их максимумы энергии достигают детектор в различ­ные моменты времени. Учитывая, что в большинстве оптических источни­ков возбуждаются много мод, можно предположить, что они, распространя­ясь по оптоволоконному волноводу с разной задержкой, приводят к искажениям (дисперсии). Уровень искажений зависит от того, какое коли­чество энергии разных мод доходит в определенный момент времени до входа детектора.

Один из путей уменьшения числа мод, распространяющихся в волокне, лежит в изменении конструкции или размеров волновода. Если вернуться снова к уравнению (1.5), то видно, что число мод, распространяющихся в волокне, можно ограничить путем уменьшения радиуса а при сохранении отношения n₂/n₁малым настолько, насколько практически возможно, на­пример, 1,01 или меньше.

Мы можем оценить число мод N, которые волокно поддерживает, ис­пользуя формулу (1.6). Если V = 2,405, то распространяется только одна мода (НЕ₁₁). Если V больше, чем 2,405, то может распространяться больше, чем одна мода. При относительно большом числе распространяющихся мод можно получить следующую оценку:

N=V²/2(1.6)

Более детально дисперсия обсуждается в гл.7.