Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время происходит своеобразный ренессанс метода частотного разделения каналов (ЧРК), в частности, применительно к высокоскоростной волоконно-оптической связи. Это обусловлено, с одной стороны, определенной степенью завершенности эволюции цифровых волоконно-оптических систем передачи с прямым фотодетектированием, построенных по принципу временного разделения каналов (ВРК) и приближающихся к теоретическому пределу технических возможностей при современной технологии, а с другой стороны - некоторыми принципиальными преимуществами аппаратуры с ЧРК.
В последнее время в телекоммуникационной индустрии возникли проблемы внедрения новых широкополосных сетей с применением оптического волокна. Такие сети должны быть экономически эффективными, совместимыми с уже существующими системами передачи, должны иметь высокую надежность и способность легко перестраиваться при увеличении нагрузки.
Известно, что полоса пропускания одномодового оптического волокна составляет 10 и 13 ТГц в окрестности длин волн соответственно 1.3 и 1.5 мкм. Пока техника временного уплотнения не может в полной степени использовать такую огромную пропускную способность волокна. Альтернативным способом является спектральное уплотнение оптических волн (или несущих) (УОН) и уплотнение поднесущих (УПН), которое происходит в радиочастотном или в СВЧ диапазоне. Волоконно-оптические системы передачи1" (ВОСП) с использованием УПН и УОН могут обеспечить одновременную * передачу десятков телевизионных (ТВ) программ в стандартном вещательном диапазоне, тысяч цифровых телефонных каналов, а также высокоскоростных каналов компьютерной связи. Преимущества таких систем по сравнению с цифровыми ВОСП - прозрачность канала передачи, т.е. независимость от формата модуляции, вида передаваемой информации, числа доставляемых каналов, а также экономичность, получаемая благодаря простой схемотехнике аппаратуры
линейного тракта и отсутствию дополнительного преобразования ТВ сигналов в абонентском приемнике.
Однако, несмотря на расширяющееся внедрение ВОСП с ЧРК, вопросы проектирования указанных систем в соответствии с выбранными критериями качества, особенности оптических передатчиков, процессы распространения многоканальных сигналов (УПН и УОН) по оптическому волокну, влияние различных типов приемников, углубленный анализ искажений сигналов в настоящее время исследованы недостаточно. Поэтому наличие эффективной методики моделирования на ПЭВМ отдельных частей ВОСП с ЧРК для обеспечения требуемого качества упрощает разработку в целом и обеспечивает оптимальный выбор параметров системы. Кроме того, совместное применение УПН и УОН позволяет решать проблемы, связанные с построением широкополосных систем. Гибкость при создании систем передачи и произвольное распределении трафика передаваемых сигналов (аналоговых или цифровых, а также разнообразных их комбинаций), отсутствие синхронизации, в большинстве случаев отсутствие протоколов сигнализации в системе, надежность и открытость позволяют объединять их в будущем с другими локальными и глобальными сетями различного назначения и создавать в городах взаимоувязанную информационную сеть.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и
разработка ВОСП с уплотнением поднесущих и спектральным уплотнением,
анализ и разработка методов повышения помехозащищенности таких ВОСП,
исследование факторов, ухудшающих отношение С/Ш на приеме, разработка
высоконадежных ВОСП кольцевой топологии (КВОСП) с применением УПН и
УОН.
Методы исследования. В диссертационной работе применены методы моделирования на ПЭВМ с использованием среды визуального программирования Delphi 3, языка Object Pascal и Mathcad 6.0 Plus, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, метод гармонического
анализа и быстрого преобразования Фурье (БПФ), методы теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых научных результатов, среди которых целесообразно выделить следующие:
1. Разработка и реализация на ПЭВМ модели для исследования
нелинейных характеристик полупроводниковых инжекционных ЛД при прямой
модуляции, основанная на:
- решении скоростных уравнений ЛД, позволяющих определять
переходные и частотные характеристики ЛД в зависимости от их параметров и
значения приложенного тока;
- спектральном представлении сигналов отечественного стандарта ТВ
вещания на выходе ЛД с нелинейной ВАХ с помощью метода БПФ,
позволяющего оценить мощность интермодуляционных искажений как в
полосе одного канала ТВ, так и во всем диапазоне ТВ вещания.
-
Исследование влияния дисперсии волокна на С/Ш при распространении многоканального сигнала поднесущих, основанное на методе гармонического анализа. Полученные результаты позволяют оценить мощность интермодуляционных и гармонических искажений в зависимости от формата, частотного диапазона, расположения, глубины модуляции поднесущих и коэффициента хроматической дисперсий волокна.
-
Исследована возможность одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом уплотненных поднесущих с использованием прямой модуляции ЛД. Предложена методика расчета характеристик тока модуляции ЛД при заданных параметрах коэффициента ошибок для цифрового потока и С/Ш для поднесущих каналов, основанная на представлении суммарного сигнала поднесущих гауссовским процессом и параболической аппроксимации клишированных импульсов, возникающих в ЛД при превышении тока модуляции уровня порога.
-
Исследована возможность совместного применения техники УПН и У ОН в ВОСП, как с оптическими демультиплексорами на приеме, так и без них.
Аппроксимация спектра излучения многомодового ЛД суммой одинарных продольных мод со спектрами Лоренца, но с разными интенсивностями, позволяет определить разнос между волн в зависимости от требования к С/Ш, ширины излучения ЛД и межмодового расстояния. Расчеты показывают, что использование многомодовых ЛД для передачи поднесущих без применения на приеме демультиплексоров возможно, если разнос длин волн будет превышать частотную область, где существует шум биения между модами разных источников излучения. Для исключения шума биения между модами необходимо использовать одномодовые источники излучения или оптические демультиплексоры на приеме, что позволяет увеличить пропускную способность ВОСП.
5. Разработаны и исследованы высоконадежные волоконно-оптические системы кольцевой топологии с использованием УПН и УОН, структурные схемы узлов, принципы функционирования при обрывах волокна или при выходе из строя узлов. Применение «двойного кольца», пассивное подключение узлов и резервирование каналов УПН обеспечивает надежность функционирования систем. Совместное применение УОН и УПН дают возможность узлам одновременно передавать и принимать разнородные информационные потоки с произвольным распределением трафика передаваемых сигналов, а отсутствие синхронизации и в большинстве случаев отсутствие протоколов сигнализации в системах, позволяют объединять их в будущем с локальными и глобальными сетями разного назначения.
Практическая ценность. Практическая ценность результатов работы заключается в следующем - проведенные исследования и разработанные методики могут быть использованы при проектировании и разработке волоконно-оптических сетей разной топологии, предназначенных для решения задач насыщения стремительно развивающегося рынка весьма емких и гибких мультисервисных информационных систем, а также физического моделирования и статистического исследования волоконно-оптических трактов и их компонентов при передаче по волокну поднесущих разного формата.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в СибГУТИ на кафедре МЭС и ОС и подтверждены актом внедрения.
Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения докладывались и обсуждались на НТК " Информатика и проблемы телекоммуникаций ", г.Новосибирск 1995 - 1999 гг, на межкафедральном семинаре СибГУТИ 20 сентября 1999г.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Компьютерная модель на ПЭВМ для расчета нелинейных характеристик полупроводниковых инжекционных ЛД при прямой модуляции, позволяющая определить переходные и частотные характеристики ЛД в зависимости от параметров ЛД и приложенного тока; оценка мощности интермодуляционных искажений как в полосе одного канала ТВ, так и во всем диапазоне частот ТВ вещания при модуляции ЛД сигналами отечественного стандарта ТВ вещания в зависимости от степени нелинейности ВАХ и глубины модуляции поднесущих.
-
Исследование влияния на С/Ш интермодуляционных и гармонических искажений, возникающих в дисперсионном волокне при передаче уплотненных поднесущих; разработанная методика для расчета мощности этих искажений в зависимости от коэффициента хроматической дисперсии волокна, глубины модуляции и расположения поднесущих.
-
Исследование возможностей одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом уплотненных поднесущих с использованием прямой модуляции ЛД; полученные выражения для расчета : вероятности ошибок цифрового потока и С/Ш - для поднесущих каналов; сравнение полученных результатов с приведенной в зарубежной литературе экспериментальной работой. -"
-
Исследование возможностей совместного использования техники УПН и УОН в ВОСП как с оптическими демультиплексорами на приеме, так и без них; полученные выражения для разноса длин волн в зависимости от С/Ш при использовании одномодовых и многомодовых ЛД.
5. Разработанные высоконадежные ВОСП кольцевой топологии с использованием УПН и УОН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографии и приложений. Работа содержит 203 с, в том числе 148 с. текста с рисунками, 31 с. приложений, библиографии из 134 наименований на 23 с.
