Содержание к диссертации
Введение
1. Частотное разделение каналов в ВОСП - современное состояние и перспективы развития 22
1.1. Виды оптической модуляции и фотодетектирования, форматы модуляции в частотно-разделенных каналах 22
1.2. Место частотного разделения каналов в ВОСП 30
1.3. Выводы по первому разделу 38
2. Влияние характеристик оптоэлектронных компонент на показатели качества сигналов при оптической модуляции 40
2.1. Интермодуляционные искажения 40
2.2. Влияние В АХ ЛД на показатели качества сигналов 44
2.3. Параболическая аппроксимация клиппированных импульсных помех при модуляции излучения ЛД групповым многоканальным сигналом 53
2.4. Модуляция излучения лазерного диода многоканальным цифровым сигналом формата 64/256-QAM 59
2.5. Модуляция излучения лазерного диода OFDM-сигналом 66
2.6. Внутренняя нелинейность лазера 74
2.6.1. Переходная и частотная характеристики ЛД 74
2.6.2. Фазовый шум ЛД. Относительный интенсивный шум ЛД 84
2.7. Влияние передаточной характеристики внешнего модулятора на показатели качества сигналов 88
2.7.1. Основные характеристики внешних модуляторов 88
2.7.2. Внешняя модуляция излучения многоканальным сигналом, состоящим из множества поднесущих каналов 97
2.8. Выводы по второму разделу 104
3. Прямое фотодетектирование оптических сигналов с частотным разделением каналов 105
3.1. Выбор параметров фотоприемного устройства для оптимального детектирования поднесущих сигналов 105
3.2. Прямое фотодетектирование оптических однополосных сигналов с частотным разделением поднесущих каналов разного формата модуляции 119
3.3. Выводы по третьему разделу 131
4. Волоконно-оптический тракт сети доступа с частотным разделением каналов в линейном режиме работы 133
4.1. Влияние на поднесущие сигналы дисперсии оптического волокна и помех, возникающих при прямом фотодетектировании двухполосных оптических сигналов 133
4.1.1 Результаты моделирования при передаче многоканальных SCM сигналов 143
4.1.2. Результаты моделирования при передаче OFDM сигналов 147
4.2. Влияние дисперсии оптического волокна и прямого фотодетектирования на поднесущие при использовании однополосных оптических OFDM сигналов 151
4.2.1. Математическое обоснование методики расчета 152
4.2.2. Результаты компьютерного моделирования. Способы увеличения полосы OFDM-сигнала без применения схем компенсации шума биений 157
4.2.3. Метод компенсации шума биений на приемной стороне 165
4.3. Выводы по четвертому разделу 167
5. Волоконно-оптический тракт сети доступа с частотным разделением каналов в нелинейном режиме работы 169
5.1. Основные нелинейные явления, влияющие на частотно-разделенные каналы 169
5.2. Влияние четырехволнового смешения на оптические канальные сигналы в WDM-PON сетях 182
5.3. Влияние четырехволнового смешения на поднесущие канальные сигналы в волоконно-оптических сетях доступа 195
5.4. Методика оценки показателя качества сигнала при влиянии четырехволнового смешения в волоконно-оптических сетях доступа с частотным разделением каналов 209
5.5. Влияние фазовой самомодуляции и фазовой кросс-модуляции на поднесущие канальные сигналы в волоконно-оптических сетях доступа 219
5.6. Влияние вынужденного комбинационного рассеяния Рамана на сигналы поднесущих каналов в волоконно-оптических сетях доступа 231
5.7. Выводы по пятому разделу 244
6. Примеры волоконно-оптических сетей доступа с частотным разделением каналов 246
6.1. Архитектура волоконно-оптических сетей доступа с частотным разделением каналов 246
6.2. Отказоустойчивая кольцевая опорная сеть, использующая переприем поднесущих каналов в узлах 250
6.3. Волоконно-оптическая кольцевая опорная сеть с коммутацией поднесущих каналов 260
6.4. Волоконно-оптическая кольцевая опорная сеть с коммутацией поднесущих каналов по запросам 266
6.5. PON-сети с частотным разделением каналов 272
6.6. Выводы по шестому разделу 288
Заключение 290
Список сокращений и условных обозначений 293
Список литературы 298
Приложение 1 Фрагмент исходного кода имитационной программы модуляции излучения ЛД сигналами формата 64/256-QAM 326
Приложение 2 Фрагмент исходного кода программы для оценки влияния нелинейной передаточной характеристики оптического модулятора на поднесущие сигналы 329
Приложение 3 Определение оптимальных параметров фотоприемного устройства 332
Приложение 4 Пример расчета уровней ИМИ, вызванных хроматической дисперсией волокна и прямым фотодетектированием 32-канального двухполосного оптического сигнала 335
Приложение 5 Пример расчета уровней шумов биений между поднесущими во время фотодетектирования OFDM-сигнала 337
Приложение 6 Фрагмент исходного кода программы для расчета спектрального распределения частотных составляющих при четырехволновом смешении 339
Приложение 7 Фрагмент исходного кода программы нахождения индексов четырехчастотных каналов, удовлетворяющих правилу Голомба 341
Приложение 8 Документы, подтверждающие внедрение основных результатов диссертационной работы 3
- Виды оптической модуляции и фотодетектирования, форматы модуляции в частотно-разделенных каналах
- Выбор параметров фотоприемного устройства для оптимального детектирования поднесущих сигналов
- Влияние четырехволнового смешения на поднесущие канальные сигналы в волоконно-оптических сетях доступа
- Волоконно-оптическая кольцевая опорная сеть с коммутацией поднесущих каналов
Виды оптической модуляции и фотодетектирования, форматы модуляции в частотно-разделенных каналах
При частотном разделении каналов частотная полоса пропускания среды передачи делится на некоторое число полос, в которых формируются каналы. Если полоса частот соответствует окнам прозрачности оптического волокна и каналы формируются в оптическом диапазоне частот, то такое спектральное разделение каналов принято считать мультиплексированием длин волн (WDM -wavelength division multiplexing). Последние достижения в разработке волоконно-оптической компонентной базы позволяют размещать оптические каналы плотно, отсюда более современное обозначение мультиплексирования (DWDM - dense WDM). Эквивалентный частотный интервал между каналами регламентируется ITU (International Telecommunication Union — Telecommunication sector) и может составлять 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц, 12,5 ГГц [169]. Согласно рекомендациям ITU в DWDM системах используются окна прозрачности волокна в С (1525... 1565 нм) и L (1570... 1610 нм) диапазонах. В зависимости от частотного интервала между оптическими каналами в каждом из этих диапазонов можно разместить от 40 до 360 каналов в С диапазоне и до 560 каналов в L диапазоне. Реальное коммерчески доступное оборудование сегодня поддерживает более 80 каналов. Широкое распространение получили упорядоченные волноводные решетки (AWG — arrayed waveguide grating). Эти устройства широко применяются в современных ВОСП, выпускаются в виде готовых модулей, имеют большую плотность размещения каналов в определенном окне прозрачности оптического волокна, отличаются малыми потерями и габаритами [91, 92, 93]. Очевидно, что малый частотный интервал между каналами требует высокостабильных источников излучения и прецизионных оптических мультиплексоров. Делением огромной полосы пропускания оптического волокна на определенные, относительно небольшие части, в каждой из которых будут передаваться сигналы оптических каналов, достигается одновременная передача и прием, а также эффективное использование всей полосы пропускания волокна [10, 48, 131, 176, 177, 251]. Однако, с увеличением плотности каналов, в системах с DWDM должны использоваться гетеродинные методы оптического детектирования или точная фильтрация каналов, которая приводит к усложнению оборудования и увеличению цен на него.
Однако исторически сложилось, что в телекоммуникации, например в области проводных или беспроводных систем связи используются методы частотного разделения каналов в электрической части спектра, т.е. в радиочастотном (РЧ) диапазоне. Часто такой метод уплотнения каналов в РЧ диапазоне называют уплотнением/мультиплексированием поднесущих (SCM -subcarrier multiplexing). Применительно к ВОСП, при SCM информационные сигналы со скоростью передачи В (от англ. Baseband), спектр которых находится в низкочастотной (НЧ) области модулируют поднесущие частоты в модуляторах (Мод), таким образом, создаются поднесущие каналы, а после суммирования поднесущих каналов формируется многоканальный сигнал в РЧ диапазоне. Сформированный многоканальный сигнал «переносится» в оптический диапазон с помощью оптического модулятора, настроенного на определенную длину волны [153, 159, 204, 190, 219].
В ВОСП чаще всего используют два вида модуляции: прямую модуляцию и внешнюю модуляцию. При прямой модуляции многоканальный сигнал воздействует непосредственно на ток накачки лазерного диода (ЛД), на выходе которого получаем оптический сигнал, модулированный по интенсивности. На Рисунке 1.1 схематично показана прямая модуляция излучения ЛД многоканальным сигналом, состоящим из частотно-разделенных каналов, сформированных в РЧ диапазоне с центральными частотами f1,...,fj,...fN.
Требования на характеристики ЛД при прямой модуляции должны обеспечить достаточную линейность ватт - амперной характеристики (ВАХ), узкую полосу и стабильность излучения, гладкую модуляционную характеристику в широком диапазоне частот, большую оптическую мощность излучения и т.д. [3, 4, 5, 6, 17, 75, 157]. Несомненным достоинством прямой модуляции является простота реализации и экономичные решения особенно в схемных решениях оборудования пользовательского класса, что важно для сетей доступа. С другой стороны выходной спектр ЛД двухполосный (DSB - double-sideband). При модуляции излучения ЛД по интенсивности почти половина оптической мощности сконцентрировано на несущей частоте f0, которая не содержит никакой информации о модулирующем сигнале. Остальная половина мощности делится поровну между двумя боковыми частотными полосами, которые представляют собой зеркальное отображение друг друга в частотной области. Если учесть, что оптическая мощность в боковых полосах в свою очередь делится между поднесущими каналами, то с увеличением количества поднесущих каналов мощность, выделяемая на один канал, уменьшается, что ухудшает энергетический бюджет в пересчете на канал.
На Рисунке 1.2 схематично показан процесс внешней модуляции многоканальным сигналом, состоящим из частотно-разделенных каналов сформированных в РЧ диапазоне. При внешней модуляции для изменения параметров оптической несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых меняется от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей можно модулировать параметры оптической несущей. Качество работы модуляторов определяется такими параметрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуляционной характеристики и глубина модуляции, потери света и др. Внешние модуляторы расширяют возможности создания оптического передатчика с оптимальными параметрами, поскольку выбор его основных элементов может производиться независимо и наиболее полно удовлетворять комплексу требований. Важнейшим фактором широкого применения внешней модуляции в ВОСП является возможность создания условий, при которых в оптическом спектре сигнала будет присутствовать только одна из боковых полос (SSB - single-sideband), таким образом, решается задача эффективного расходования оптической мощности в пересчете на канал [113, 142, 162, 196, 230, 246]. На Рисунке 1.2 показан случай использования однополосного оптического модулятора (ООМ) интенсивности света.
В ВОСП на приемной стороне могут использоваться два метода фотодетектирования. Различают прямое детектирование и когерентное детектирование оптического сигнала. На Рисунке 1.3 а) схематично показан процесс прямого детектирования оптического сигнала, содержащего множество каналов в РЧ диапазоне. Оптический сигнал попадает на зрачок фотодиода (ФД) и после оптоэлектронного преобразования в идеальном случае фототок содержит электрические копии канальных сигналов. Выделить каждый канальный сигнал можно с помощью соответствующих демодуляторов (Демод) и НЧ фильтров.
На Рисунке 1.36) схематично показана разновидность когерентного детектирования оптического сигнала, содержащего множество каналов в РЧ диапазоне - гомодинный прием. Оптический многоканальный сигнал суммируется с излучением местного гетеродина, в качестве которого может выступить высокостабильный ЛД и попадает на зрачок ФД. В классическом гетеродинном приемнике выходной фототок ФД содержит копию группового многоканального сигнала на промежуточной частоте, далее обычным радиотехническим способом происходит демодуляция в канальные сигналы низких частот [111]. Однако при использовании этого метода возникают трудности аппаратной реализации, т.к. приходится выбирать значение промежуточной частоты, превышающей частотную полосу многоканального сигнала, поэтому данный метод не получил практического применения. При совпадении оптической частоты высокостабильного ЛД с несущей частотой оптического многоканального сигнала (гомодинный прием) происходит оптическое смешение и далее оптоэлектронное преобразование после которого с помощью демодуляционных схем выделяются канальные сигналы (Рисунок 1.36). В целом, для организации когерентного приема предъявляются высокие требования на спектральные характеристики оптических источников излучения, как на приемной стороне, так и на передающей стороне. Вследствие высокой цены на такие компоненты и сложных схемных решений когерентные методы фотодетектирования в ближайшем будущем экономически неэффективно внедрять в оборудования пользовательского класса. Этот метод может применяться в приемном оборудовании на узлах коммутации каналов.
Таким образом, для сетей доступа, в которых количество пользователей, скорость передачи и набор предоставляемых мультисервисных услуг интенсивно растет, применение технологии когерентного приема в приемной части пользовательских устройств на сегодняшний день экономически невыгодно, так как использование более сложного оборудования приводит к удорожанию всей сети. Применение прямого фото детектирования на приемной стороне совместно с использованием широкополосной аппаратуры в диапазоне радиочастот РЧ, возможность формирования поднесущих каналов с помощью многоуровневых форматов модуляции позволяет без чрезмерных затрат увеличить скорость передачи сигналов в оптических сетях доступа.
Выбор параметров фотоприемного устройства для оптимального детектирования поднесущих сигналов
Как уже отмечалось в разделе 1, в данной работе исследуются системы с прямым фотодетектированием, которые в настоящее время имеют достаточное распространение из-за своей простоты и экономической целесообразности. В ВОСП с прямым детектированием поднесущих, на приемной стороне, в основном, используют p-i-n и лавинные (ЛФД) фотодиоды. После фотодетектирования групповой электрический сигнал, содержащий все поднесущие каналы, усиливается в малошумящем усилителе (МШУ) радиочастотного диапазона. Далее, поднесущие демодулируются согласно переданному формату (BPSK, ASK, QPSK, QAM).
В настоящее время существуют широкополосные, с полосой пропускания более 40 ГГц фотодетекторы, применяющиеся в ВОСП с частотным разделением каналов в радио диапазоне. Как правило, выпускаемые фотоприемные устройства содержат высокочастотный МШУ, подключенный к фотодетектору. Таким образом, обеспечивается усиление в широком диапазоне частот с низким коэффициентом шума [78, 86, 87, 89].
Одним из основных параметров в ВОСП с поднесущими каналами является энергетический бюджет системы. Ключевым параметром, обеспечивающим требуемый энергетический бюджет, является чувствительность фотоприемного устройства.
Основываясь на обеспечении максимально возможной пропускной способности системы и чувствительности фотоприемного устройства, определим и сравним оптимальные значения характеристик системы при использовании на приеме p-i-n и лавинного фотодиода. Для этого необходимо найти оптимальные параметры фотоприемника для достижения требуемого SNR.
Определим оптимальное значение коэффициента лавинного умножения мЛФД,опт ПРИ котором фототок может принимать минимальное значение 1срлхт для достижения требуемого SNR. Для этого, приведем выражение (3.1) к функциональному виду Е{МЛфд,1ср) = 0 и, использовав метод дифференцирования неявной функции (см. Приложение 3), найдем оптимальное значение коэффициента умножения МЛФД опт и, подставляя последнее в исходное выражение (3.1), после некоторых преобразований получим Заметим, что во время вывода (3.2) и (3.3) при условии оптимального фотодетектирования находим соотношение между параметрами Сравнивая минимальный требуемый фототок для ЛФД и фототок для p-i-n фото детектора для определенного требуемого SNR, найдем относительный прирост чувствительности приемника, при использовании лавинного фотодетектора.
Обсудим целесообразность использования p-i-n фотодиода и ЛФД при приеме сигналов цифровых форматов модуляции в поднесущих каналах. Для сравнительного анализа рассмотрим пример фотодетектирования канальных сигналов с полосой 64 МГц с требуемым SNR = 20 дБ, в предположении, что глубина модуляции в канале составляет т = 0,08, уровни ОИШ=—138 дБ/Гц, ИМИ = —155 дБ. На Рисунке 3.1 показана зависимость минимального требуемого фототока от спектральной плотности эквивалентного входного шумового тока при использовании разных фотодиодов - p-i-n и ЛФД, при этом показаны кривые для 2 типовых ЛФД: Ge и InGaAs ЛФД. Как видно из Рисунка3.1 в широком диапазоне шумов приемника, необходимый минимальный фототок меньше по величине при использовании на приеме ЛФД по сравнению с p-i-n ФД. Заметим, что расчеты проводились при оптимальных значениях коэффициента умножения
MлФД,опт- На Рисунке 3.2 показана зависимость MЛфД ,опт от спектральной плотности эквивалентного входного шумового тока при тех же исходных параметрах. Как видно из Рисунка 3.2 «оптимальность» фотодетектирования зависит от уровня шума фотоприемного устройства и в диапазоне шума 1 къ от 10 пА /1 ц до 100 пА /1 ц, где MдФдрпт принимает значения от 3 до 8.
Таким образом, ЛФД имеет преимущество перед р-i-n ФД в чувствительности фотоприемного устройства. Оценим относительный прирост чувствительности приемника с ЛФД по сравнению с p-i-n фотодетектором для выше рассмотренного примера (см. Рисунок 3.1) при SNR = 20 дБ. На Рисунке 3.3 показан относительный прирост чувствительности приемника (в дБ) при использовании InGaAs и Ge материалов в ЛФД по сравнению с типичным p-i-n ФД. Следовательно, для достижения максимальной чувствительности приемника в ВОСП с цифровыми форматами модуляции в поднесущих каналах, требующих SNR порядка 20 дБ необходимо использовать ЛФД. Однако это справедливо, если достаточно точно известны шумовые характеристики усилителя, например IЖ . Зная Iже , можно выбрать оптимальный режим умножения в ЛФД, т.е. MЛФДопт? ПРИ котором для требуемого SNR чувствительность максимальная (фототок минимальный).
Другим важным параметром ВОСП с частотным разделением поднесущих каналов является оптимальный выбор глубины оптической модуляции в пересчете на один канал - т. [40]. Как видно из выражения (3.1), увеличение т. приводит к увеличению мощности сигнала, но с увеличением последней, начинается увеличение уровня шумов и генерация нелинейных искажений, связанных с нелинейностью оптического модулятора, среды передачи и оптического приемника. Оценку влияния на сигнал нелинейных искажений в оптоэлектронных устройствах, а также квантового шума на SNR рассмотрим на примере 32-канальной системы с канальной полосой 64 МГц при уровне ОИШ= -138 дБ/Гц.
На Рисунке 3.4 графически показаны зависимости SNR от глубины модуляции в одном канале 32-канальной системе передачи. Отметим, что кривые на Рисунке 3.4 получились при предположении, что в системе присутствует только определенный шумовой фактор. Очевидно, что в реальной ситуации все эти шумовые факторы воздействуют на сигнал одновременно. Таким образом, кривая 1 показывает зависимость SNR от т только при квантовом шуме и рассчитана для р-i-n ФД
Как видно из Рисунка 3.4 верхний предел SNR, в основном, определяется квантовым шумом, который имеется как в присутствии оптического сигнала, так и в его отсутствии, и двумя явлениями: клиппированием в оптическом модуляторе и ИМИ. С увеличением ж, увеличивается мощность полезного сигнала, но одновременно увеличиваются помехи из-за клиппирования и ИМИ третьего порядка, в основном, из-за нелинейности оптоэлектронных модулей. Заметим, что явление клиппирования конкурирует с ИМИ третьего порядка. Следовательно, выбор оптимального значения т зависит от реальных характеристик системы. Так, например, из приведенного примера для N = 32 видно, что для оптимального приема сигнала необходимо выбрать глубину оптической модуляции на один канал между значениями 0,08 и 0,1. При этом величина SNR превышает 20 дБ.
С увеличением количества каналов доминирующими могут стать ИМИ третьего порядка. На Рисунке 3.5 показаны зависимости SNR от т при iV = 256. В этом случае оптимальное значение глубины модуляции уменьшается и составляет т « 0,046, а величина SNR составляет 14,8 дБ. Далее будет показано, что данное соотношение сигнала к шуму не позволяет с высокой достоверностью принимать сигнал (коэффициент ошибок BER Ю-12), в таких случаях необходимо использовать методы корректирующего кодирования сигналов.
Влияние четырехволнового смешения на поднесущие канальные сигналы в волоконно-оптических сетях доступа
Для оценки влияния на поднесущие каналы явления ЧВС обратимся к обобщенной структурной схеме ВОСП, представленной на Рисунке 5.11. Информационные сигналы, необходимые для передачи, преобразуются в поднесущие канальные сигналы в формирователе поднесущих каналов, на выходе которого имеем N разнесенных по спектру каналов с электрическими частотами Q., где /=1,2...А/". В зависимости от формата модуляции каждый канальный сигнал может модулироваться по амплитуде информационной сигнальной выборкой St(k,t) с длительностью Ts, а также по фазе (pt{k,t), где к характеризует число значений (позиционность) модулируемого параметра сигнала. Например, если в каналах передаются сигналы QPSK, то St(k,t) = const, (p(kj) = (2к - \)ж 14, где к є 1,2,3,4.
После объединения в сумматоре групповой многоканальный сигнал поступает на однополосный оптический модулятор (ООМ), на другой вход которого подается излучение от когерентного источника с частотой со0, например от лазерного диода (ЛД). На выходе ООМ оптическое поле содержит спектральную составляющую Е0 на частоте а 0 и верхнюю боковую полосу частот ю1 -г- coN (SSB), где щ = со0 + Q. - оптические частоты поднесущих каналов і (/ = 1,2...А/). Здесь предполагается равномерное размещение в спектре поднесущих каналов с частотным интервалом \со. - со. х I = AQ = 2я-Д/ . Для компенсации потерь в оптическом тракте на передающей стороне используется оптический усилитель (ОУ).
Усиленный оптический сигнал вводится в оптическое волокно и распространяется на расстояние L , на котором находится приемная аппаратура. После фотодетектирования (ФД) происходит демодуляция (Демод) сигналов поднесущих каналов и выделяются сигнальные выборки. Для оценки искажения сигнальных выборок из-за нелинейных явлений ЧВС, ФСМ, ФКМ, а также шума ОУ необходимо найти g-фактор на выходах демодуляторов.
Таким образом, целью работы является исследование Q-фактора в поднесущих каналах после фотодетектора и оценка допустимого количества каналов при заданных требованиях к системе передачи [39]. Отметим, что для обеспечения вероятности ошибки (ВЬК) менее 10 величина Q-фактора должна быть не ниже 17 дБ. Это справедливо при предположении, что в аппаратуре системы передачи не применяется прямая или упреждающая коррекция ошибок FEC.
Как видно из Рисунка 5.11 для увеличения пропускной способности системы передачи необходимо увеличивать количество поднесущих каналов при требуемом частотном интервале между поднесущими. Однако увеличение количества каналов, следовательно, и уровня мощности оптического сигнала приводит к появлению нелинейных явлений в оптическом волокне. Из-за относительно малого уровня оптической мощности, приходящейся на один поднесущий канал, а также достаточно близкого размещения в спектре поднесущих каналов основным источником нелинейных помех является четырехволновое смешение (ЧВС), возникающее в оптическом волокне. Следовательно, основным фактором ограничивающим количество поднесущих каналов является ЧВС. Однако, как показано в п.5.5 это утверждение справедливо для поднесущих каналов с форматами модуляции BPSK, ASK, QPSK, 16-QAM. Для форматов модуляции L-QAM, где L 16 необходимо учитывать также вклад ФСМ и ФКМ. Здесь рассматривается влияние ЧВС на показатели качества сигнала, а в п.5.5 влияние ФСМ и ФКМ.
Основным источником линейных помех, является так называемый, усиленный спонтанный шум оптического усилителя «ASE» (amplified spontaneous emission), возникающий во время фотодетектирования при смешивании спонтанного шума усилителя с поднесущими сигналами. В связи с этим проанализируем совместное влияние шума «ASE» и ЧВС на Q-фактор. Отметим, что в настоящее время, в связи с увеличением загрузки магистральных ВОСП DWDM каналами широко исследуется искажение сигналов из-за нелинейных явлений в оптическом волокне. В работах [55, 56, 59] предложены модели, позволяющие оценить качество канальных сигналов при нелинейных искажениях, рассматривая их как нелинейный шум и обосновывая аддитивное сложение по мощности нелинейного шума и шума оптического усилителя «ASE», что подтверждается результатами экспериментальных исследований. В настоящей работе для оценки совместного влияния ЧВС и шума «ASE» на канальные сигналы используются результаты этих исследований.
Рассмотрим процесс фотодетектирования оптического однополосного сигнала с частотно-разделенными поднесущими каналами с разными форматами модуляции. Если использовать нормирование информационных символов S t), то формула для фототока, определяемая (3.21), примет вид: где / - фототок на выходе ФД, I0 SPR средний фототок, определяемый через средний уровень оптической мощности PR в точке R и чувствительность ФД S (не путать с информационными символами .). Однако, в рассматриваемом случае до достижения точки R, уровень оптического сигнала Р0 на выходе модулятора претерпевает изменения - усиливается в ОУ, распространяется по оптическому линейному тракту. Следовательно, в точке R средний уровень оптической мощности равняется PR = P0Gexp(-aL), где Р0 - средний уровень оптической мощности на входе ОУ (на выходе модулятора), G - коэффициент усиления ОУ, а - оптические потери в линии с длиной L.
Таким образом, после фотодетектирования фототок, соответствующий поднесущему каналу / определяется:
После демодуляции сигнала получим уровни квадратурных составляющих сигнала, соответствующие уровням на IQ-диаграмме:
Спектральная плотность спонтанного шума [65, 161] оптического усилителя Ps = h(co0 + flt)(G - 1)F , распространяясь по волокну, достигает точки R: Ps й = й(ш0 + Q.)(G-l)Fexp(-aL). (5.25)
Здесь Ps R - спектральная плотность шума «ASE», Н - редуцированная постоянная Планка, со0 + Q. « со0 - оптическая частота сигнала, F - коэффициент шума ОУ (при расчетах принят F = 6 дБ).
При фотодетектировании спонтанный шум Ps R смешивается с полезным сигналом и на выходе появляется, так называемый, шум усиленной спонтанной эмиссии «ASE». Среднеквадратичное отклонение фототока из-за шума «ASE» можно оценить [162]: где параметр К - поляризационный коэффициент [161]. В численных расчетах К=\.
Таким образом, отношение сигнала к шуму в поднесущем канале / с учетом (5.24) и (5.26) будет:
Учитывая (3.10) (см. п.3.1) и щ = 1/N можно найти минимальный показатель качества сигнала в поднесущем канале / из-за влияния шума усиленной спонтанной эмиссии: где (AS)min - минимальное расстояние между символами информационных данных (см. п. 1.1, Таблица 1.1).
Из (5.28) можно определить минимальный уровень оптической мощности Р0 на выходе модулятора для обеспечения требуемого показателя качества Q.
Отметим, что формула (5.28) справедлива и для систем передачи, в которых ОУ из передающей части перенесен на приемную сторону и установлен перед ФД как предварительный усилитель оптического сигнала [44]. Такая ситуация возникает в пассивных оптических сетях доступа в восходящем направлении передачи сигналов (от абонентов к центральной станции), когда предварительный усилитель находится в приемной части станционного оборудования. В этом случае в формуле (5.28) уровню оптической мощности Р0 соответствует мощность на входе предварительного усилителя.
Волоконно-оптическая кольцевая опорная сеть с коммутацией поднесущих каналов
В рассматриваемой кольцевой топологии сети присутствует центральная станция (ЦС), которая нарушает непрерывность волоконного кольца (Рисунок 6.7). В системе, кроме ЦС, имеется N пассивно подключенных узлов коммутации (УК) [15, 16, 235]. Все УК имеют физический доступ к оптическому волокну через пассивные оптические мультиплексоры ввода-вывода (OADM -optical add-drop multiplexer), настроенные на определенные волны [81, 83, 84, 85]. Например, УК і передает на ЦС информацию на волне Хі и полностью поглощает информацию, переданную от ЦС на волне Лг В сети используется принцип соединения «каждый УК с каждым» при помощи коммутации поднесущих каналов. Здесь, также как в п.6.2 поднесущие каналы образованны с помощью модуляции информационными сигналами поднесущих частот. Коммутация каналов происходит на ЦС. Поскольку каждый УК имеет сообщение, адресованное остальным (N — 1) УК, в том числе ЦС, в каждом УК происходит группообразование исходящих каналов таким образом, что во время передачи на волне Хі УК і будет передавать N поднесущих каналов. Один из них, номер которого совпадает с номером УК, предназначается для ЦС, а остальные (N — 1) для других УК. Например, на передаче от УК і поднесущий канал 1 - первая поднесущая частота fx, модулированная данными, предназначенными для УК 1, поднесущий канал 2- соседняя поднесущая частота f2, модулированная данными, предназначенными для УК 2, и т. д., а поднесущий канал і - поднесущая частота, модулированная данными УК і и предназначенная для ЦС.
Переданная одним УК оптическая волна вводится в волокно через OADM и движется против часовой стрелки (ПЧС) вместе с другими волнами, переданными ЦС другими УК. Таким образом, в волокне будут существовать N оптических несущих, каждая из которых в свою очередь «несет» N поднесущих каналов.
На входе ЦС стоит оптический демультиплексор (DMUX), с помощью которого каждая оптическая волна отделяется и детектируется в отдельном фотодетекторе ФД;, где /= 1, 2, ...N. На выходах фотодиодов (в идеальном случае - при передаче без искажений) получим спектры, идентичные спектрам модулирующих сигналов (Рисунок 6.8). Остается только скоммутировать поднесущие каналы, предназначенные определенным узлам. Представим группу входящих поднесущих каналов, идущих от разных ФД (т.е. от разных УК), как «входящую» матрицу. Тогда под термином «коммутация поднесущих каналов» будем понимать перестановку столбцов «входящей» матрицы на соответствующие строки «исходящей» матрицы, что символически можно представить как (Рисунок 6.8): где первый символ (номер строки) определяет номер узла, куда/откуда передаются поднесущие каналы, а второй символ (номер столбца) - номер поднесущей частоты, т.е. номер канала.
Диагональные элементы «входящей» матрицы, соответствующие т = п, не коммутируются, а принимаются ЦС, так как в них содержится информация, переданная ЦС от всех существующих в системе узлов. А собственная информация ЦС, адресованная всем узлам, передается на диагональных (т = п) элементах «исходящей» матрицы.
Строки «исходящей» матрицы (т.е. выходные сигналы коммутатора ЦС) поступают на оптические модуляторы (ОМ) работающих на определенных длинах волн Хі (/=1,2,...TV), номера которых соответствуют номерам УК, принимающим эти волны. После мультиплексирования при помощи MUX эти оптические несущие распространяются по оптическому волокну против часовой стрелки; каждый УК настроен только на одну определенную волну, поэтому он принимает только ту информацию, которая адресована ему, не влияя на распространение других волн.
Все электронные элементы УК идентичны и настроены на одни и те же поднесущие частоты iKfl,f2,...,fi,...,fN), что удешевляет систему.
Пример построения ЦС показан на Рисунке 6.9.
Сразу после демультиплексирования оптических несущих и фотодетектирования, при помощи циркуляторов (Ц) и полосовых фильтров (ПФ), которые настроены на частоты flin. (/ = 1, 2,...,N), изымается информация, адресованная ЦС, а остальные поднесущие каналы передаются преобразователям частот (ПЧ), где происходит преобразование, т.е. сдвиг этих поднесущих по частоте.
Например, в ПЧі все входящие поднесущие (/2,/ ,...,/ ,...,/ соответственно сдвигаются по частоте так, чтобы их центральные частоты совпадали с частотой f[. В ПЧ2 все входящие поднесущие iKfl,fz,...,fi,...,fN) соответственно сдвигаются по частоте так, чтобы их центральные частоты совпали с частотой f2, и т.д. Иными словами, на выходах каждого ПЧ t имеем (iV — 1) поднесущих каналов на частоте ft, каждая из которых соединяется с сумматорами S, таким образом, чтобы в Si суммировались поднесущие каналы, адресованные УК 1, а в S2 поднесущие, адресованные УК 2, и т.д. Но, так как ЦС также должна передавать свою собственную информацию ко всем узлам, на входы сумматоров подаются также поднесущие каналы ЦС f„„ , адресованные соответственно всем УК. Отметим, что добавление этих поднесущих каналов приводит к полному восстановлению формы спектра «исходящей» матрицы (Рисунок 6.8), т.е. на выходах каждого сумматора (строки «исходящей» матрицы) имеем iV поднесущих каналов, но уже скоммутированных. Например, в спектре выходного сигнала S і поднесущий канал с номером 1 представляет поднесущую частоту f[, модулированную данными ЦС, адресованную УК 1, поднесущий канал с номером 2 - частоту /2, модулированную данными УК 2 и адресованную УК 1, и т.д.; Поднесущий канал с номером і - поднесущая частота ft, модулированная данными УК і и адресованная УК 1.
Такие одноволоконные системы передачи недостаточно надежны. Для повышения надежности и выживаемости используются два волокна (Рисунок 6.10). Теперь, когда узлы передают и принимают информацию и по часовой и против часовой стрелки, система становится надежной и самовосстанавливающейся. Например, если в каком-то месте повреждено волокно, то, следующие за этим местом приемники узлов, регистрируют потерю оптической мощности и с помощью оптического коммутатора (1x2) переключаются на прием с другого волокна (т.е. с другого направления), где оптическая мощность на соответствующей волне максимальна. В таких системах надежность увеличивается еще благодаря пассивному подключению узлов к волокну, т.е. выход из строя узла или группы узлов не влияет на качество связи других узлов.