Глава 5.
Проектирование систем с заданными характеристиками.
В предыдущих трех главах рассмотрены три основные части оптоволоконных систем связи: оптические волокна (оптоволоконные кабели), оптические передатчики и оптические приемники. В данной главе будут рассмотрены вопросы конструирования (проектирования) систем и их характеристики, когда эти три составные части совместно образуют реальную световую систему. В разделе 5.1 дается обзор различных структур, рассматривая линии (связи) между двумя пунктами, вещательные и распределительные сети и местные системы. В разделе 5.2 рассматриваются влияния потерь в волокне, дисперсии и нелинейности. Этот раздел также включает различные наземные и подводные системы, которые были разработаны с 1977 года, когда первая опытная система была завершена в Чикаго. Раздел 5.3 включает примеры конструкций нескольких практических примеров, учитывая, как вопросы выбора мощностей, так и переходные характеристики (бюджет времени установления). Вопросы, связанные с характеристиками системы, изложены в разделе 5.4 с уклоном на ухудшение параметров при передаче по оптическому кабелю. Физические явления, которые могут привести к увеличению необходимой мощности в реальных световых системах, включая шум моды, шум разделения мод, ширину спектра источника, частотный чирп (изменение частоты и фазы в пределах оптического импульса), обратную связь из-за отражений, каждому из них (явлений) отводится отдельный параграф. В разделе 5.5 подчеркивается важность использования компьютера (при конструировании).
5.1. Структура систем.
С точки зрения структуры, оптоволоконные системы связи можно разделить на три большие категории [1] – [5]: (1) линии связи между определенными пунктами, (2) сети вещания и распределения (информации), (3) местные сети. В этом разделе рассматриваются особенности каждой из этих трех структур. Линии связи между пунктами являются простейшим видом световых систем. Их роль – переместить цифровой поток бит из одного места в другое с максимальной точностью. Длина линии может быть как меньше километра (ближняя связь), так и до тысяч километров (дальняя связь) в зависимости от назначения. Например, оптические цифровые линии используются, чтобы соединить компьютеры с терминалами внутри одного и того же здания или между двумя зданиями при относительно короткой дальности передачи (< 10 км). Низкие потери и широкая полоса оптического волокна не являются главными достоинствами для таких цифровых линий, волокна используются из-за других их преимуществ, одно из них – неподверженность электромагнитному влиянию. В противоположность этому подводные световые системы используются в скоростной передаче для связи континентов с длиной линий в несколько тысяч километров. Как малые потери, так и широкая полоса оптических волокон являются очень важными факторами при конструировании пересекающих океаны систем с точки зрения уменьшения расходов на их эксплуатацию.
Когда длина линии превышает 20 – 100 км в зависимости от рабочей длины волны, становится необходимым компенсировать потери в волоконном кабеле, так как иначе сигнал становится слишком слабым для надежного распознавания. Такая компенсация традиционно выполняется повторителями, часто называемыми регенераторами, потому что они восстанавливают оптический сигнал. Регенератор -–не что иное, как приемник – передатчик, в котором оптический сигнал детектируется, восстанавливается электрический поток бит и затем опять преобразуется обратно в оптическую форму модуляцией оптического источника. Потери в волокне можно компенсировать использованием оптических усилителей, которые усиливают поток оптических бит без преобразования его в оптическую форму. Фактически оптические усилители коренным образом изменили развитие волоконно-оптических систем связи [6] – [8] (см. главу 8). Усилители (оптические) представляют особую ценность для многоканальных систем связи так как они могут усиливать все каналы одновременно (см. главу 7). Однако оптические усилители добавляют шум и делают более сильным влияние дисперсии волокна и нелинейности, так как ухудшение сигнала продолжает накапливаться с увеличением числа усилителей. Действительно, системы с периодическим усилением обычно ограничены дисперсией волокна, если не используются методы компенсации дисперсии (см. главу 9). Регенераторам не свойственна проблема накапливания, так как они восстанавливают периодически цифровой поток бит и эффективно компенсируют как потери в кабеле, так и дисперсию. Обычно принято называть оптические усилители оптическими регенераторами, чтобы отличить их от оптоэлектронных повторителей.
Рис. 5.1 показывает световую систему, использующую повторители в форме регенераторов или оптических усилителей (Amp). В обоих случаях разнесение повторителей L является основным конструктивным параметром, так как стоимость системы уменьшается с увеличением L. Однако, как показано в разделе 2.4, дальность передачи L зависит от скорости передачи (б/с) из-за дисперсии волокна. произведение BL используется как мера качества системы для релейной линии. произведение BL зависит от рабочей длины волны, так как и потери в волокне, и дисперсия зависят от длины волны. Первые три поколения световых систем соответствуют трем разным длинам волн вблизи 0,85; 1,3; 1,55 мкм [1]. В то время как произведение типично ~ 1 Гб/с * для световых систем около 0,85 мкм, оно (произведение) становится равным ~ 1 Тб/с ** для третьего поколения световых волн вблизи 1,55 мкм и может быть увеличено до 100 Тб/с, если используется волокно со сдвинутой дисперсией (DSF).***
Много применений оптических систем связи требует, чтобы информация не только передавалась, но и распределялась группе абонентов [2]. Примеры таких систем включают местное петлевое распределение телефонных услуг (городская телефонная сеть – ГТС) и распределение многих видеоканалов по кабелю (CATV) . Значительные усилия направлены на интеграцию услуг аудио и видео посредством широкополосных объединенных услуг цифровой сети (ISDN) Такие сети способны распределять широкий спектр услуг, включая телефон, факсимиле, цифровую информацию компьютеров, телевизионное вещание. Дальность передачи небольшая (L < 50 км), но скорость передачи может быть такой высокой как 10 Гб/с для широкополосного ISDN. Рис. 5.2 «(а) структура типа вешалки, (в) шинная структура» показывает две структуры типа «вешалка» и типа «шина». В структуре типа «вешалка» распределение каналов происходит на централизованных пунктах, где автоматические перекрестные соединения переключают сигналы в электрической форме. Роль волокна такая же, как в случае релейных линий. Так как ширина полосы волокна обычно много больше, чем требуется для одного узлового пункта, то несколько пунктов могут использовать одно и то же волокно, направляемое в основной пункт. телефонные сети используют структуру «вешалка» для распределения аудио каналов в городах (ГТС). Такая структура недостаточно надежна, выход из строя одного волоконного кабеля может серьезно повлиять на обслуживание большой части сети. Дополнительные линии между пунктами можно использовать, чтобы исключить такую возможность, соединяя важные узлы непосредственно.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
