Волоконно-оптические системы передачи

Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники

(СВЧиКР) Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Оптические системы передачи»

Содержание Введение

1. Общие сведения о волоконно-оптической линии связи

2. Структурная схема ВОСП

3. Расчет скорости передачи

4. Выбор кабеля и трассы прокладки

5. Выбор схемы ПрОМ и расчет входного каскада

5.1 Выбор элементной базы

5.2 Расчет чувствительности приемника

6. Выбор схемы ПОМ и расчет оконечного каскада

7. Расчет длины регенерационного участка Заключение Список используемой литературы

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) благодаря уникальным возможностям по пропускной способности и затуханию волоконных световодов (ВС) и успехам в технологии элементов ВОСП являются наиболее перспективными информационными системами. В области стационарных систем фиксированной связи передачи данных с большой пропускной способностью и высокой надежностью работы ВОСП не имеют конкурентов. У радиосистем, в том числе для подвижной связи, и спутниковых систем связи — свои преимущества, но по комплексу параметров (скорость передачи, помехоустойчивость, защищенность сведений) ВОСП является наилучшими системами передач.

Данный проект предусматривает расчет цифровой ВОСП. Расчет будет производится в следующем порядке:

выбор топологии системы;

выбор структурной схемы системы;

расчет скорости передачи;

выбор кабеля и трассы прокладки;

выбор схемы ПрОМ и расчет входного каскада;

выбор схемы ПОМ и расчет оконечного каскада;

расчет длины регенерационного участка и определение числа участков.

1. Общие сведения о волоконно-оптической линии связи Основная задача волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) — передача данных (как правило, в цифровом виде) со скоростью B на расстояние L, при этом необходимо обеспечить заданный коэффициент ошибок. Для решения этой задачи в состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входит (рис.1):

передатчик оптической мощности (ПОМ), модулирующий входным информационным потоком оптическое излучение с выходной мощностью P_пер;

приемник оптической мощности (ПрОМ) — фотоприемное устройство (ФПУ), обеспечивающее при входной оптической мощности P_пр прием и преобразование оптического сигнала с заданным коэффициента ошибок (BER);

волоконно-оптический тракт, имеющий длину L и затухание .

Рисунок 1. Общая структурная схема ВОСП Приемопередающая пара (ПОМ-ПрОМ) имеет энергетический потенциал E, который зависит от мощности ПОМ, спектральной плотности шума ПрОМ и скорости передачи. Заданный энергетический потенциал ограничивает длину волоконно-оптического тракта, затухание которого (с учетом эксплутационного запаса) не должно превосходить энергетический потенциал. В современных ВОСП энергетический потенциал достигает 40 дБ. При этом информационный оптический сигнал в начале волоконно-оптического тракта на 4 порядка больше, чем сигнал в конце волоконно-оптического тракта (то есть сигнал, необходимый для нормальной работы ПрОМ).

ВОСП может быть построена по нескольким топологическим схемам. Самыми распространенными из них на сегодняшний день являются: топология «звезда» кольцевая топология, топология «точка-точка», ячеистая топология. Топология «звезда» очень редко используется в оптических системах. Кольцевая топология используется, как правило, для организации городских или районных линий связи. При этом в кольцо объединяют крупные объекты (АТС, ведомственные предприятия и т. д.). Остальные узлы подключаются к узлам кольца по схеме «точка-точка» с помощью оптических или проводных трактов передачи. Топология «точка-точка» также используется при построении магистральных линий связи на большие расстояния. Ячеистая топология применяется сравнительно недавно. Она является чем-то общим между описанными выше топологиями.

Проектируемая в рамках курсового проекта ВОСП будет строиться по схеме «точка-точка», т.к. относится к магистральным системам передачи.

2. Структурная схема ВОСП Обобщенная структурная схема линейного канала передачи ВОСП с оконечным оборудованием, но без промежуточного оборудования (например, линейных усилителей и регенераторов) приведена на рис. 2, где представлены основные устройства, общие для цифровых ВОСП различного назначения, обеспечивающие формирование, передачу и прием передаваемого по линейному тракту сигнала (оборудование управления и контроля также не включены в блок-схему).

Рисунок 2. Структурная схема ВОСП Схема состоит из следующих блоков:

блок преобразования входного сигнала в ИКМ-последовательность (каналообразующий блок), выполняющий все необходимые преобразования: дискретизацию, квантование, линейную (или нелинейную, если нужно) кодификацию и помехоустойчивое кодирование;

блок временного группообразования компонентных сигналов (фреймов/трибов) PDH требуемого уровня иерархии;

интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, поступающих на временное мультиплексирование SDH, осуществляющий все необходимые функции, в том числе ввода/вывода, локальной кросс-коммутации и т. д.;

блок мультиплексирования SDH, осушествляющий логическое формирование модуля STM-N требуемого уровня в данной иерархии;

оптический интерфейсный блок, преобразующий логическую импульсную последовательность в физическую последовательность STM-N (выполняет все необходимые преобразования по формированию заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового), а также интерфейсное кодирование);

передающий блок, осуществляющий все необходимые преобразования, в том числе модуляцию источника несущего излучения (лазера) и линейное кодирование;

оптический приемник, блок осуществляющий прием сигнала, т. е. реализующий функции, обратные передатчику;

оптический интерфейсный блок, преобразующий физическую последовательность, эквивалентную модулю STM-N в логическую импульсную последовательность (выполняет все необходимые обратные по отношению к блоку 5 преобразования по декодированию интерфейсного кода и интерпретации заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового));

блок демультиплексирования SDH, осуществляющий логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 4);

интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, осуществляющий все необходимые функции и преобразования, обратные осуществляемым в блоке 3;

блок разборки группового сигнала (фрейма/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например Е1, и выделение нужного тайм-слота (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 2);

блок преобразования ИКМ-последовательности в выходной сигнал, выполняющий все необходимые обратные преобразования: помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 1).

При дуплексной передаче необходимо иметь двойной комплект оборудования для осуществления операций приема-передачи на обоих концах.

3. Расчет скорости передачи При проектировании системы передачи важнейшим параметром является скорость передачи, которую должна обеспечивать система с заданным коэффициентом ошибок. Скорость передачи зависит от объемов передаваемой информации, а те, в свою очередь, зависят от назначения системы.

Данный проект предусматривает построение системы, по которой должно передаваться: 1000 цифровых телефонных каналов (ОЦК 64 кб/с), 6 каналов компьютерной связи по 10 Мб/с, 6 каналов цифрового видео в формате MPEG-2. Рассчитаем отдельно скорости передачи для каждого вида трафика, а затем сложим их.

— скорость передачи телефонных каналов.

— скорость передачи каналов компьютерной связи.

Для расчета скорости передачи каналов цифрового видео примем необходимо задаться скоростью одного канала. На сегодняшний день стандарт MPEG-2 регламентирует передачу потокового видео с различными скоростями. Скорость потока зависит от качества компрессии видеосигнала. Средняя скорость потока составляет 50 Мб/с, ее и примем за основу для дальнейших расчетов.

— скорость передачи каналов цифрового видео.

Общую скорость передачи найдем суммированием всех потоков

.

В связи с тем, что суммарный поток не передается в тракт передачи в том виде, в котором он формируется, необходимо учесть увеличение скорости потока при использовании линейного кода. Пусть в качестве линейного кода будет использоваться код 3B4B. Этот код является одним из блочных кодов вида mBnB. В быстродействующих цифровых системах используются коды mB (m+1)B. В этом случае к блоку из m символов добавляется еще один поверочный символ. Проигрыш в энергии одного символа (что может привести к увеличению вероятности ошибки) компенсируется помехоустойчивостью кода, поэтому вероятность ошибочного приема не меняется.

Использование кода 3B4B увеличивает скорость потока в 4/3 раза, т. е.

.

4. Выбор кабеля и трассы прокладки Для передачи общего трафика можно использовать несколько волокон. Параллельная передача сигнала по нескольким волокнам позволит снизить скорость передачи в одном волокне, что уменьшит требования к передающим и приемным модулям по частоте, но приведет к неэффективному использованию полосы оптического тракта передачи. Экономически более целесообразно передавать весь трафик в одном волокне. При этом придется рассчитывать только один передающий модуль и один приемный, характеристики волокна по полосе пропускания будут использованы более эффективно.

В целях упрощения системы можно воспользоваться стандартами типовых иерархий систем связи. Поток 565,3 Мб/с можно инкапсулировать в стандартный транспортный модуль STM-4 синхронной цифровой иерархии (SDH). Скорость потока STM-4 составляет 622 Мб/с. Запас по скорости можно использовать для организации передачи еще одного канала цифрового видео, каналов служебной связи и телеметрии.

При построении систем связи между оконечными пунктами прокладывается волоконно-оптический кабель (ВОК). Кабель включает в себя несколько оптических волокон (ОВ). Как правило, для работы одной системы используется пара ОВ для полнодуплексной передачи. Часть волокон оставляют в качестве резервных. Остальные могут быть использованы для работы других систем (сданы в аренду).

Прокладка ВОК может осуществляться различными способами. Одним из наиболее удобных и часто используемых методов является закапывание кабеля в грунт. При этом по всей длине трассы кабель укладывается в траншею и закапывается. Прокладка в этом случае осуществляется, как правило, вдоль автомобильных дорог, нефтяных и газовых трубопроводов. Достоинством такого метода является простота доступа к кабелю в случае его повреждения. В качестве основного недостатка можно выделить необходимость выкапывания траншеи, что замедляет процесс прокладки и делает прокладку вообще невозможной в условиях вечной мерзлоты.

Другой удобный и простой способ прокладки предполагает протягивание ВОК по уже установленной ЛЭП. Как известно, сильные поля, создаваемые ЛЭП, не оказывают воздействия на передачу оптических сигналов по волокну. Этот метод позволяет достаточно быстро проложить кабельную трассу по наиболее короткому пути, т.к. ЛЭП строились с учетом минимизации длин линий.

В качестве линии передачи рассчитываемой системы выберем ВОК, проложенный по ЛЭП Томск-Колпашево. ЛЭП проходит вдоль рек Томь и Обь. Длина трассы составляет 250 км.

Для прокладки выберем кабель типа ОК/Т, который производится НФ «Электропровод». Основное преимущество подвесных кабелей перед подземными состоит в том, что они могут быть использованы в труднодоступных для подземной прокладки местах — зонах вечной мерзлоты, скальных грунтах и т. п. С развитием сетей с использованием волоконно-оптических кабелей подвесные ВОК нашли применение не только на воздушных линиях связи, но и на линиях электропередачи.

5. Выбор схемы ПрОМ и расчет входного каскада Приемный оптический модуль (ПрОМ) предназначен для преобразовани оптического сигнала в электрический, его усиления, принятия решения о переданном символе и декодирования принятого сигнала. Обобщенная схема ПрОМ представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Общая схема построения ПрОМ Сигнал, прошедший через волокно, поступает на фотодиод. Ток фотодиода, промодулированный входным сигналом, усиливается усилителем и через фильтр поступает на пороговое устройство, которое выносит решение о переданном бите. Характеристика фильтра подобрана таким образом, чтобы минимизировать уровень межсимвольной интерференции. Для нормальной работы порогового устройства необходимо точно знать моменты прихода символов. Для этой цели устанавливается устройство выделения тактовой частоты. Основным требованием к ПрОМ является его чувствительность к уровню сигнала на входе при заданной вероятности ошибки. Чувствительность приемника зависит от шумов, вносимых элементами схемы. Ограничением на порог чувствительности является дробовой шум самого сигнала, обусловленный квантовой природой света. При заданной вероятности ошибки и скорости передачи 622 Мб/с на длине волны 1.55 мкм квантовый предел чувствительности составляет примерно -57 дБм.

5.1 Выбор элементной базы Наиболее простой и удобной схемой входного каскада является схема с трансимпедансным усилителем. Для построения приемника по такой схеме необходимо выбрать фотодиод и операционный усилитель, удовлетворяющие требованиям по быстродействию. В нашем случае скорость передачи составляет 622 Мб/с, поэтому для обеспечения нормальной работы необходимо, чтобы усилитель мог работать на частотах до 1.2 Ггц. В результате анализа элементной базы, доступной на сегодняшний день, был найден усилитель MAX3275. Это специальный трансимпедансный усилитель, предназначенный для работы в волоконно-оптических системах передачи на скоростях до 2 Ггц. Он обладает низкими шумами, приведенными ко входу, и имеет полосу пропускания до 2.1 Ггц при емкости, подключаемой ко входу, 0.85 пФ. Питание усилителя осуществляется от напряжения 3.3 В, потребляемая мощность 83мВт. Как правило, этот усилитель используется вместе с ограничивающим усилителем MAX3274. Их совокупность и находит приложение в приемниках для двухсторонних волоконно-оптических систем передачи. На рис. 4 представлена типичная схема включения усилителей и фотодиода Рисунок 4. Типичная схема включения усилителей MAX3275 и MAX3274

Структурная схема MAX3275 показана на рис.5

волоконный оптический связь кабель Рисунок 5. Структурная схема усилителя MAX3275

Усилитель MAX3275 включает в себя трансимпедансный усилитель (TIA), усилитель напряжения (voltage amplifier), выходной буффер (output buffer) и обратную связь, компенсирующую постоянную составляющую тока.

Стадия трансимпедансного усилителя.

Сигнальный ток со входа протекает через усилитель с большим усилением. Шунтирующее сопротивление обратной связи преобразует этот ток в напряжение. Параллельно сопротивлению установлены два диода Шотки, ограничивающие выходное напряжение при большом уровне выходного сигнала.

Стадия усилителя напряжения.

На этой стадии производится усиление напряжение и преобразование его в двухполярное.

Обратная связь.

Темновой ток фотодиода представляет собой постоянную составляющую входного сигнала, поэтому ее компенсация ведет к улучшению характеристик приемника.

Выходной буффер предназначен для развязки усилителя и нагрузки.

5.2 Расчет чувствительности приемника Так как основой приемника служит специальный усилитель, то оценку чувствительности необходимо проводить по методики, указанной в документации к усилителю. В соответствии с документацией чувствительность приемника определяет приведенный ко входу шумовой ток. Для расчета величины чувствительности приводится формула

(1)

где — параметр помехоустойчивости, — приведенный ко входу шумовой ток, — отношение мощности при передаче «1» к мощности при передаче «0» , — эффективность преобразования оптической мощности фотодиодом.

Параметр помехоустойчивости найдем из уравнения

.(2)

Так как в проектируемой системе весь трафик будет передаваться по одному каналу, то необходимо обеспечить самые высокие из указанных в задании требований, т. е. вероятность ошибки в канале не должна превышать вероятность ошибки для компьютерной связи. Подставив в (2), получим .

Шумовой ток, приведенный ко входу, выберем из таблицы, которая приводится в документации к усилителю. Его значение зависит от скорости передачи сигнала и от емкости фотодиода, подключенного ко входу. В качестве фотодиода выберем фотодиод FGA04 фирмы THORLABSinc. Этот фотодиод удовлетворяет требованиям по быстродействию (время нарастания 100 пс), по спектральному диапазону работы и по эффективности преобразования. Эффективность преобразования на длине волны 1.55 мкм составляет 0.9. В каталоге отсутствуют сведения о величине внутренней емкости фотодиода, поэтому при выборе шумового тока усилителя будем ориентироваться на максимальное значение, приведенное в документации.

Итак, для полосы 1.6 Ггц и внутренней емкости фотодиода 0.85 пФ величина шумового тока составляет .

Еще один параметр, который необходимо определить, это отношение мощностей при передаче «1» и «0». Построим зависимость чувствительности от параметра .

Рисунок 6. Зависимость чувствительности от отношения мощностей На графике видно, что при достижении значения дальнейшее увеличение этого параметра не ведет к существенному увеличению чувствительности.

Подставив в (1), получаем

.

6. Выбор схемы ПОМ и расчет оконечного каскада Передающий оптический модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрического сигнала в оптическое излучение. ПОМ должен обеспечивать кодирование информационного потока линейным кодом (сюда же можно отнести скрэмблирование потока, но в этом случае ПрОМ должен включать в себя дескрэмблер), усиливать сигнал и модулировать полученным сигналом световое излучение лазера.

Рисунок 7. Функциональная схема ПОМ В системах связи используют, как правило, прямую модуляцию лазерных диодов (ЛД). В этом случае выходной каскад модуля представляет собой усилитель тока, нагрузкой которого является ЛД. В связи с развитием элементной базы транзисторные схемы усилителей практически не используются в крупных системах. В качестве управляющих элементов лазерных диодов используют специальные микросхемы — драйверы лазерных диодов. В данном курсовом проекте в качестве модулятора лазера применим драйвер MAX3865. Этот специальный драйвер, разработанный для прямой модуляции ЛД. Он содержит две петли электрической обратной связи: петлю автоматического контроля мощности и петлю автоматического контроля модуляции для поддержания постоянной средней оптической мощности и устранения температурных дрейфов. Устройство может обеспечивать ток смещения 100 мА и ток модуляции 60 мА при длительностях импульсов 85 пс.

Рисунок 8. Схема включения драйвера MAX3865

Схема включения MAX3865 представлена на рис. 8. Входными сигналами драйвера являются дифференциальный синхросигнал и дифференциальный информационный сигнал. Входы могут быть сконфигурированы для работы с разными видами логики, в том числе и с ТТЛ. Кроме тока ЛД драйвер формирует ток мониторинга, который питает светоизлучающий диод (СИД). СИД позволяет контролировать работоспособность устройства.

В таблице приводятся некоторые электрические параметры драйвера

Расчет схемы.

Требования для токов модуляции и смещения определяются пороговым током и КПД ЛД. Типичное значение КПД для ЛД составляет. В качестве источника излучения выберем диод ЛД-1550−5. Он обладает следующими характеристиками: мВтмощность в рабочей точке, мА — пороговый ток, мА — ток рабочей точки на длине волны 1550 нм.

Для расчета схемы рассчитаем основные параметры оптического излучения и найдем связь мощности излучения с током модуляции.

Пусть средняя мощность равна мВт, для чего необходимо, чтобы ток смещения был равен мА. Отношение мощностей при передаче «1» и «0», тогда мощности при передачи «1» и «0» равны мВт, мВт.

Оптическая амплитуда равна мВт.

Определим модуляционный ток, который обеспечит заданное значение

мА. .

Рассчитаем сопротивление, ограничивающее максимальный ток смещения при использовании автоматического контроля мощности и модуляции. В соответствии с документацией на драйвер

кОм для мА.

Для ограничения тока модуляции при автоматическом контроле используется сопротивление, которое равно кОм для мА.

Сопротивления и рассчитываются из условия обеспечения требуемого начального тока контрольного фотодиода.

7. Расчет длины регенерационного участка Для расчета длины регенерационного участка необходимо определить энергетический бюджет линии системы. Энергетический бюджет рассчитаем следующим образом

Где и — относительные мощность передатчика и чувствительность приемника в дБм. Для средней мощности передатчика мВт и чувствительности приемника дБм бюджет будет равен дБ.

Построим график расхода энергетического бюджета по длине линии. Затухание в волокне для выбранного нами кабеля составляет на длине волны 1.55 мкм дБ/км. Учитывая это, получим график, представленный на рис. 9.

Рисунок 9. Расход энергетического бюджета

Из графика видно, что бюджета не хватает на всю длину трассы. Поэтому возникает необходимость установки на трассе регенерационных пунктов. Для уверенного приема сигнала необходимо, чтобы в точке приема оставался запас по мощности порядка 4−5 дБ. Этот запас ориентирован на потери в соединениях.

Если разбить трассу на 2 равных участка по 125 км, то запас по мощности в средней точке как раз составит примерно 5 дБ. В этой точке и будет расположен регенерационный пункт.

К вопросу восстановления сигнала в регенерационном пункте можно подходить с двух позиций. Во-первых, так как по линии передается поток STM-4, в регенераторном пункте можно установить оборудование SDH. Это позволит создать одно или несколько ответвлений в близлежащие населенные пункты по низкоскоростным интерфейсам. В качестве оптических приемника и передатчика этого оборудования можно использовать ПОМ и ПрОМ, которые были рассчитаны выше. Такой вариант позволит увеличить функциональные возможности всей системы связи.

Если же ответвлений на трассе не требуется, то в качестве регенератора можно использовать одноканальный полупроводниковый оптический усилитель. Он должен обеспечивать коэффициент усиления не менее 30 дБ.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта была рассчитана волоконно-оптическая система передачи, удовлетворяющая требованиям технического задания. Система позволяет наращивать скорость передачи, и может быть организована как часть разветвленной системы. В процессе выполнения делалась ставка на современные стандарты и элементную базу.

При проектировании подробно не рассматривались вопросы, связанные с предварительной обработкой сигналов, т. е. вопросы кодирования. Также не были затронуты моменты, связанные с временными и частотными искажениями сигналов, вопросы дисперсии и ее компенсации. Простая оценка показывает, что эти моменты не оказывают особого влияния на работу системы. Допустим, что ширина спектра ЛД составляет 5 нм, величина дисперсии определяется хроматической дисперсией, т.к. используется одномодовое волокно, и составляет примерно 5 пс/нм*км. При длине участка 150 км уширение импульса составит всего 0,006 пс.

Данный проект позволил выявить вопросы, решение которых при проектировании реальной системы связи требует комплексных знаний в области коммуникаций и оптических систем передачи. Важной частью проектирования такой системы должны быть консультации со специалистами, имеющими опыт работы над подобными проектами.

Список используемой литературы Бутусов М. М., Верник С. М. и др. Волоконно-оптические системы передачи.- М.:РиС, 1992 г.

Иванов А. Б. Волоконная оптика. Компоненты системы передачи. Измерения.-М.:Сириус, 1999 г.

Многоканальные системы передачи. Под ред. Баевой Н. Н. и Гордиенко В.Н.-М.:РиС, 1997 г.

Прокис Дж. Цифровая связь.-М.:РиС, 2000 г.

Берганов И.Р., Гордиенко В. Н. и др. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи.-М.:РиС, 1989 г.

Горднев И.И., Верник С. М., Кочановский Л. Н. Линии связи.-М.:РиС, 1995 г.

2.5 Gbps Laser Driver with Automatic Modulation Control MAX3865.

Low-Noise, Fibre Channel Transimpedance Amplifiers MAX3275/3277.

Dual-Rate Fibre Channel Limiting Amplifiers MAX3274/3276.