Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи с повышенной пропускной способностью (стр. 22 из 31)

Расчет отношений сигнал/шум. Теперь определим вид выражений для оценки Kс потери и Kс_ДФМ. При этом следует учесть, что в формуле (2) отношение сигнал/шум должно быть безразмерным, тогда как в выражениях, приведенных ниже, они задаются в децибелах (kс потери и kс ДФМ соответственно). Взаимосвязь между ними записывается в виде:

. Отношение сигнал/шум, связанное с влиянием потерь на распространение сигнала, выраженное в децибелах, может быть определено следующим образом:

(4),

(при этом OSNR, используемое в, в настоящей работе обозначено как k_Спотери). В формуле (4) мощность оптического сигнала на входе каждого канала ВОСП-СР (компонентного сигнала) определяется как

где Pагр – мощность агрегатного оптического сигнала на входе ВОСП-СР; M – количество оптических каналов в тракте ВОСП-СР; h – постоянная Планка; c/λ определяет значение частоты оптической несущей; c = 3*10⁸ м/с – скорость света в вакууме; λ – длина волны оптической несущей сигнала; Δfсигн – ширина спектра цифрового сигнала, модулирующего оптическую несущую в частотной области; α_Σ – суммарные потери на ЭКУ; NF – фактор шума оптического усилителя; G_M – коэффициент усиления бустера (усилителя мощности) на входе ВОСП-СР. Количество линейных усилителей на участке регенерации равно k–1.

Однако выражение (4) не учитывает дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, а также запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ. С учетом вышесказанного, а также принимая, что

(6) где B – скорость передачи цифрового сигнала и f определяет формат сигнала (f = 1 для сигнала без возврата к нулю (NRZ)), выражение (4) приобретает вид:

где α_ДФМ – дополнительные потери оптической мощности из-за дисперсии и эффектов ФМ, αдоп. – дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ.

SNR, связанное с влиянием дисперсиии эффектов ФМ на распространение сигнала, можно определить как

(8) где P_Σпомехи – суммарная мощность межсимвольной помехи, возникающей в результате уширения импульса.

Выражение (7) можно пояснить следующим образом. Величина межсимвольной помехи определяет математическое ожидание для комплексного влияния различных шумовых составляющих, которые имеют случайное распределение, т.е. суммарный эффект может быть представлен в виде гауссова распределения с математическим ожиданием, равным величине межсимвольной помехи. Таким образом, справедливо утверждение о том, что SNR может быть определено как отношение величины сигнала к мощности межсимвольной помехи. При этом суммарная мощность межсимвольной помехи, выраженная в ваттах, может быть рассчитана следующим образом:

(9)

где T – длительность импульса оптического сигнала, τвых_0,5. – длительность импульса по уровню 0,5 на выходе оптического тракта.

Окончательное выражение для определения суммарной мощности помехи, выраженной в дБм, может быть представлено в виде

(10)

Суммарные энергетические потери на элементарном кабельном участке (ЭКУ) учитывают влияние основных причин снижения мощности исходного оптического излучения и определяются выражением

где αсред – среднее километрическое затухание оптического волокна, αрс – затухание разъемного соединения, αнс – затухание неразъемного соединения, l_ЭКУ – протяженность элементарного кабельного участка (ЭКУ), lстр – средняя строительная длина волоконно-оптического кабеля.

На рис. 3.20 представлены графические зависимости предельной протяженности регенерационной секции в зависимости от требования к BER, которые были построены для ВОСП со следующими параметрами: λ=1,55мкм – длина волны оптической несущей сигнала; Δλизл.=0,1нм – ширина спектральной линии источника излучения; NF = 6,8 дБ – шум-фактор оптического усилителя; k=1 – количество ЭКУ на участке регенерации; αдоп=3дБ – дополнительный запас, связанный с временным ухудшением характеристик ОВ; αов=0,25дБ/км – километрическое затухание оптического волокна; αрс=0,3дБ – затухание разъемного соединения; αнс=0,1дБ – затухание неразъемного соединения; lстр – средняя строительная длина волоконнооптического кабеля; αxp_λ=17пс/(км*нм) – коэффициент хроматической дисперсии для волокна G.652 на длине волны λ; k_ПМД=0,08пс/км1/2 – коэффициент поляризационно-модовой дисперсии; С = 0 – коэффициент линейной фазовой модуляции; Wэфф.=80мкм² – эффективная площадь моды.

Рис. 3.20. Предельная протяженность регенерационной секции

Расчет проводился в предположении, что все усилители имеют одинаковые параметры, включая фактор шума NF. Из рис. 3.20 видно, что коэффициент ошибок K_Σош на расстоянии около 170км начинает резко расти – из-за ограничения предельной протяженности регенерационной секции по критерию энергетических потерь, т.е. на этом расстоянии K_Спотери начинает вносить существенный вклад в суммарный BER. При этом на рис. 3.20 приведены также две кривые для случая, когда влияние потерь на распространение сигнала считается пренебрежимо малым.

Эти кривые продолжают расти плавно. Это характерно для современных высокоскоростных ВОСП со скоростями передачи 2,5 и 10 Гбит/с. Предложенный подход позволяет независимо оценивать возможности проектируемых ВОСП-СР и рассчитывать степень влияния основных факторов, действующих на распространение оптического сигнала. Для протяженных ВОЛС, где нет необходимости организовывать регенерационные пункты в промежуточных узлах, протяженность всех ЭКУ, как правило, одинакова.

Рамановские усилители в качестве ретранслятора.Рамановский усилитель предназначен для увеличения протяженности ВОЛС без промежуточного усиления и регенерации сигнала. Включает в себя волоконный лазер накачки, определяющий рабочий спектральный диапазон устройства, и схему управления, посредством которой осуществляется изменение и контроль значения коэффициента усиления.

Взаимодействие сигнала и накачки осуществляется при помощи их объединения через мультиплексор, и сам процесс усиления происходит непосредственно в линии связи.

"Рамановское усиление" возникает тогда, когда фотоны накачки высокой энергии рассеивают колебательные моды матричной решетки материала и когерентно добавляют их к сигнальным фотонам низкой энергии. При практической реализации этот процесс носит название передача с помощью эффекта Романа (D-RAT); свет накачки вводится в волоконный линейный усилитель со стороны, противоположной вводу сигнала. В этой конфигурации рамановский усилитель работает как МШУ предусилитель. Основное преимущество низкоуровневого рамановского усиления в том, что он не вносит дополнительных нелинейностей в волокно (рис. 3.21)

Рис. 3.21. Блок-схема распределенного рамановского усилителя

Сигналы двух ортогонально поляризованных диодов лазерной накачки мультиплексируются по признаку поляризации (П-мультиплексирование) и объединяются в WDM для создания противонаправленной накачки в передающем волокне. В результате распространяющийся в прямом направлении сигнал получает рамановское усиление в волокне. Использование противонаправленной накачки уменьшает влияние шума накачки на сигнал.

Выходная характеристика распределенного рамановского усилителя зависит от свойств передающего волокна, таких как поглощение сигнала накачки, эффективная площадь и рамановский коэффициент усиления.

Неравномерность усиления является одним из важных параметров для ВОУ, в частности тогда, когда используются системы WDM/DWDM. В случае рамановского усилителя, усиление для конкретного сигнала зависит от разности частот сигнала и накачки. На рис. 3.22 показано малосигнальное рамановское усиление в волокне большой длины. Произведение коэффициента усиления на ширину полосы более 20 ТГц, с пиком усиления в районе 13,2 ТГц. Различные сигналы получают различное усиление, зависящее от разности их частоты и частоты накачки.

Рис. 3.22. Спектр рамановского усиления в волокне большой длины с накачкой 1443 нм при уровнях мощности накачки 100 и 200 мВт. На рисунке указан С диапазон длиной 30 нм (1530-1560 нм), см.

Любой из диапазонов длин волн будет иметь некоторое колебание уровня усиления. Для уровня накачки 200 мВт, показанного на рис. 3.22, получается максимальное усиление 7,78 дБ с колебаниями уровня в 3,5 дБ. Фактическое колебание уровня усиления, определяемое как (колебание усиления в дБ)/(максимальное усиление в дБ) = 3,5/7,78 = 0,45 в полосе С, показанной на рис. 3.22.

При проектировании ВОСП оптоволоконный пролет переносит сформированный сигнал WDM; комбинация распределенного рамановского усилителя и усилителя EDFA в тандемном соединении (рис. 3.23) дает прекрасные результаты и позволяет уменьшить нарастание ASE.

На рис. 3.23 показан оптический спектр системы DWDM с 32 длинами волн, где отмечено отношение сигнал/шум (OSNR) для волокна длиной 125км для двух случаев: 1) гибридный предусилитель с каскадом рамановского усиления + EDFA, 2) используется только EDFA. Из рисунка видно, что гибридная схема дает на 4,2 дБ большее отношение сигнал/шум.