Методы уплотнения сигналов в ОВ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «КубГУ»)

Физико-технический факультет



Кафедра оптоэлектроники







К У Р С О В А  Я Р А Б О Т А

АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ, ЭМУЛЯЦИЯ В СРЕДЕ OptiSystem





Работу выполнил _________________________ Залозний Виктор Дмитриевич

Курс 3

Направление 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Научный руководитель

канд. физ.-мат. наук, доцент___________________________ А. С. Левченко

Нормоконтролер инженер __________________________ 







Краснодар 2017











РЕФЕРАТ





Курсовая работа выполнена на 20 страницах, включает в себя 11 рисунков, 6 источников, 1 таблицу.

Моделирование в среде OptiSystem и исследование работы WDM линии связи.

Объектом исследования в курсовой работе являются среда для разработки прототипов конструкций связи OptiSystem.

Целью работы является проведение моделирование WDM системы в среде оптического моделирования OptiSystem. Система состоит из EDFA усилителей, одномодового оптического волокна, компенсатора дисперсии, мультиплексора/демультиплексора, учитывается дисперсия и затухание в линии.

В результате моделирования были сопоставлены параметры элементов проекта с заявленными характеристиками аналогичного этим элементам оборудования, приведен проект WDM системы на 8 каналов с компенсацией дисперсии, проведён анализ полученных результатов. 































СОДЕРЖАНИЕ



	Обозначения и сокращения	4

	Введение	5

	1 Принцип построения ВОЛП	6

	1.1 Оптоволокно. Среда передачи информации.	6

	1.2 Структура	6

	2 Системы WDM	7

	2.1 Методы уплотнения сигналов в ОВ	7

	2.2 Подразделение WDM	8

	3 Усиление сигнала.	10

	3.1 Волоконно-оптические усилители	10

	3.2 Спектр усиления	12

	3.3 Характеристик ВОЛС	13

	3.4 Моделирование многоканальной ВОЛС	13

Заключение  ...…………………………………………………………………...…………………...……

19

Список использованных источников…………………………………………………...………

20















































ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ



OSNR

Optical Signal to Noise Ratio

D

Коэффициент дисперсии

WDM

Wavelength Division Multiplexing (Спектральное уплотнение каналов)

BER

Bit Error Rate ( Коэффициент битовых ошибок)

ВОЛП

Волоконно-оптические линии передачи

ВОУ

Волоконно-оптический усилитель

EDFA

Erbium Doped Fiber Amplifier (Эрбиум-допированный волоконный усилитель)






ВВЕДЕНИЕ



	Человек с каждым годом становится все более информационно зависим. В то же время объём необходимой информации, и численность нуждающихся в ней людей растёт. Благодаря этим факторам волоконно-оптические линии связи получили своё широкое распространение и развитие. 

	Wavelength Division Multiplexing (WDM) – спектральное уплотнение каналов. Данная технология делает возможным собирать в одно оптическое волокно несколько потоков оптического сигнала. При этом каждый поток транслируется на своей длине волны. Для трансляции сигнала в разных направлениях, зачастую используют световой поток с разными длинами волн. Все это позволяет уйти от необходимости прокладки новых линий, путем увеличения емкости существующих.

	Одномодовое оптическое волокно в такого рода системах является средой передачи сигнала. Продвижения в разработке и изготовлении оптических волокон позволяют уменьшить коэффициент затухания.  

	Ещё одним преимуществом технологии WDM является использование оптических усилителей, что в свою очередь позволяет уйти от дорогостоящей электрической регенерации сигналов на протяжённых линиях. Для исключения передачи сигнала с помехами, в следствии затухание в системе и дисперсии в оптическом волокне в современных структурах используются эрбиевые оптические усилители (EDFA). Их преимуществами являются компактность, относительной низкая стоимость и устойчивостью к высокому уровню помех.	 

	Одной из первостепенных задач при проектировании ВОЛП, является возможность прогнозирования и тестирования современных оптических сетей. Программа OptiSystem обладает обоими критериями, что позволяет сэкономить на стоимости реального оборудования и исключает возможность его порчи в случае неправильной работы.  


Принцип построения ВОЛП



Оптоволокно. Среда передачи информации.



Оптическое волокно так же как медный провод может переносить информацию, но в отличии от него перенос информации осуществляется не электрическим сигналом, а светом. Данная среда обладает малым коэффициентом километрического затухания, устойчива к электромагнитным помехам. Это позволяет передавать информацию на длинные расстояния с высокой скоростью, организовать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов.



Структура



Всю структуру такого рода систем можно условно разделить на три составные части:

Каналообразующее оборудование (КОО). Служит для образования цифровых потоков. 

Оборудование сопряжения (ОС). Осуществляет преобразование цифрового сигнала станционного кода в линейный код.

Оборудование линейного тракта (ОЛТ). Передает линейный сигнал на расстояние.

Начальный электрический сигнал поступает на КОО, с выхода которого поступает на ОС. В оборудовании сопряжения оптический передатчик преобразует при помощи оптической несущей модуляции из электрического сигнала в оптический, для передачи по оптоволоконному тракту. При передаче оптического сигнала на большие расстояния происходит его искажение и ослабление. Для коррекции искажения и компенсации затухания создают ретрансляционные участки, так называемые промежуточные станции. Они автономны. На оконечном оборудовании происходит обратное преобразование. 

Рисунок 1. Обобщенная структура ВОЛП.



Системы WDM.



Методы уплотнения сигналов в ОВ.

 

Временное уплотнение (TDM). Это объединение нескольких низко

скоростных входных каналов в один составной высокоскоростной на уровне электрических или оптических сигналов. Предельная скорость передачи информации с применением данной технологии на данный момент составляет 40 Гбит/с.  Но при передаче сигнала на скорости свыше 10 Гбит/с основные характеристики ОВ начинают значительно влиять на качество передачи. Широкополосность ограничена дисперсионными свойствами ОВ. 





Рисунок 2. Пример TDM.



Также данную технологию можно использовать совместно с WDM, для повышения эффективности её функционирования.





    Пространственное уплотнение. Применение кабеля с несколькими десятками оптических волокон внутри. Пропускная способность данной системы напрямую зависит от количества ОВ в кабеле. Применяется при построении локальных сетей.



   Спектральное уплотнение (WDM). Это передача нескольких информационных каналов по одному ОВ на разных несущих частотах одновременно. Технология позволяет в едином световом потоке объединять от 4 до 80 (и даже более) каналов с различной длиной волны. Ключевым элементом WDM систем является мультиплексор.





Рисунок 3. Пример WDM.





Подразделение WDM.

    Первоначально возникла двух волновая WDM система. Она работала на центральных длинах волн из второго (1310 нм) и третьего (1550 нм) окон прозрачности. Этот способ либо удваивал скорость передачи по одному каналу, либо позволял организовать дуплексную связь. Для дальнейшего развития были предложены к освоению 3 окна прозрачности (0.85, 1.3  и  1.55  мкм), что подразделило систему на:



Грубую WDM – с номинальным частотным разнесением не менее 200 ГГц и числом каналов не более 18.

Плотную WDM (DWDM) – с частотным разнесением не менее 100 ГГц и ограничением в 40 каналов.

Сверх плотную WDM (HDWDM) – с частотным разнесением 50/25/12,5 ГГц, число каналов при этом 80/160/320.



   Планировалось дальнейшее использование WDM технологии в третьем и четвертом окнах прозрачности ОВ. Весь получившийся спектр был разделен на C (1528,77нм/196,2 ТГц - 1569,59 нм/191 ТГц) и L (1569,59 нм/191 ТГц – 1612,55нм/185,9 ТГц) диапазоны. В свою очередь С- диапазон разбили на S(R) и L(R) поддиапазоны.





Рисунок 4. Спектр WDM


    И уже на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec, G.692) три группы обрели новый вид:



Грубые WDM – мультиплексирование не более 18 каналов при частотном разносе не менее 200ГГц.

Плотные WDM – мультиплексирование не более 40 каналов при частотном разносе не менее 100ГГц.

Высокоплотные WDM - мультиплексирование не менее 64 каналов при частотном разносе от 50 ГГц и ниже.



  Международным союзом связи на основе расширения рабочих диапазонов ОВ были утверждены новые спектральные диапазоны в интервале 1260…1675 нм.

Таблица 1. Окна прозрачности ОВ.

Обозначение

Диапазон

Название

O

1260…1360 нм

Основной

E

1360…1460 нм

Расширенный

S

1460…1530 нм

Коротковолновый

C

1530…1565 нм

Стандартный

L

1565…1625 нм

Длинноволновы

U

1625…1675 нм

Сверхдлинноволновый







Усиление сигнала.

 Волоконно-оптические усилители



Для использования в ВОСП были разработаны три основных типа многоканальных оптических усилителей (ОУ): усилители на лазерных диодах, усилители на легированном волокне и романовские усилители. В современных системах связи преобладают усилители на легированном эрбием волокне (EDFA). Конкурирующие с ними ОУ на лазерных диодах до сих пор уступают им в дороговизне производства, чувствительностью к поляризации и высоким уровнем перекрестных помех.

	



Рисунок 5. Схема оптического усилителя EDFA



На рис.1 показана схема усилителя типа EDFA. Маломощный входной оптический сигнал (1) проходит в прямом направлении через оптический изолятор (2), который не пропускает рассеянный свет в обратном направлении. Далее пропускается через блок фильтров (3), которые фиксируют световой поток на длине волны накачки. Затем оптический сигнал попадает в катушку с легированным эрбием волокном (4). Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны накачки (6). Волна накачки (6) воздействует на атомы примесей, и при наличии слабого сигнала происходит вынужденный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны, с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал. Селективный разветвитель (7) переправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Второй оптический изолятор (10) предотвращает попадание обратно рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя. Лазер накачки является источником энергии, за счет которой усиливается оптический сигнал. Его энергия разделяется в усилителе EDFA между всеми оптическими каналами. В связи с этим чем больше число каналов, тем больше требуется мощность накачки. При наличии большого количества каналов в EDFA усилителях, часто используется несколько лазеров накачки с длинами волн излучения 980 нм. или 1480 нм. Излучение обеих длин волн соответствует уровням энергии возбужденных ионов и хорошо поглощается легированным эрбием волокном.  На практике принято использовать EDFA усилители с лазерами 980 нм. для накачки в прямом направлении, а EDFA усилители с лазерами 1480 нм. Для осуществления накачки в обратном. 



3.2 Спектр усиления.



Спектр усиления зависит от значения величины средней населенности метастабильного состояния и может существенно отличаться от спектра сечения испускания. При полной инверсии населенности эти спектры совпадают. При выключенной накачке населенность состояния метастабильного состояния усилитель поглощает свет. В этом случае его спектр поглощения совпадает со спектром сечения поглощения. При 50% инверсии населенности усилитель просветляется в середине диапазона (?=1535 нм), поглощает свет в коротковолновой части диапазона и усиливает свет в длинноволновой части диапазона. Эту зависимость можно наблюдать на рисунке 5. Верхняя кривая – населенность 100%, нижняя кривая населенность 0%.

 

Рисунок 6 - Спектральная зависимость результирующих сечений усиления/поглощения эрбиевого волокна

	



3.3 Характеристик ВОЛС



	Волоконно-оптическая линия связи должна соответствовать всем современным требованиям. Коэффициент битовых ошибок (BER) не должен превышать 1*е-015. Скорость передачи в канале должна быть равна 10 Гбит/сек. Число каналов – 8: 1500-1570 нм с частотным шагом 10 нм. Уровень принимаемого сигнала каждым оптическим ресивером не менее 1 мВт. Длина линии 120 км.





3.4 Моделирование многоканальной ВОЛС 



	Соберем в среде оптического моделирования OptiSystem схему многоканальной ВОЛС длиной 120 км. На рисунке 14 изображена схема такой ВОЛС. В качестве оконечного оборудования используем коммутатор Ethernet Eltex MES-3124F, в который входят:

	- 9 SFP+ 10G Modultech MT-DP-xx192-08CD приемо-передающих модулей

	- Оптический мультиплексор/демультиплексор на 9 и более каналов

	- Усилитель выходной мощности (на несколько дБ для подтягивания уровня сигнала к уровню 1 мВт)

	- Оптические интерфейсы Fast Ethernet и Gigabit Ethernet (соотношение варьируется в зависимости от конкретных задач)



Рисунок 7. Рабочий проект ВОЛС

	

	Каждый SFP+ модуль состоит из лазера с внешней модуляцией, генератора импульсов и модулятора. В качестве приемника используется оптический ресивер Modultech MT-DP-xx192-08CD. В качестве предающей среды используем оптическое волокно G655 с ?=0,2 дБ/км и D=16 пс/(нм*км)

	 На рис. 15 показаны глаз-диаграммы первого и четвертого каналов в системе без учета оптического волокна. Сигнал после выхода из мультиплексора напрямую попадает в демультиплексор, где проходит обратное разбиение на 8 первоначальных каналов. Уровень сигнала во всех каналах одинаковый, однако не равен уровню на выходе из передатчика. Это связано с потерями, вносимыми мультиплексором и демультиплексором. Форма сигнала правильная, коэффициент битовых ошибок минимален.







Рисунок 8. Глаз-диаграммы первого (слева) и четвертого (с право) каналов 



Дальнейшим продолжением системы будет 120 км ОВ и повторно проведем расчет. 





Рисунок 9. Глаз-диаграммы первого (слева) и четвертого (с право) каналов подключенных через 120 км ОВ 



	В связи с полученными результатами следует, что из такой системы выделить полезную нагрузку не возможно – очень большой уровень шума. Общее затухание в волокне исходя из расчетов = 24 дБ (0,2 дБ/км  *120 км). Потери на вводе и выводе составляют по 2,5 дБ. В мультиплексоре потери равны 3,6 дБ. Общее затухание в линии - 36,2 дБ.   Для компенсации затухания включим в систему 2 EDFA усилителя. Первый в режиме предусилителя на 14 дБ, второй в качестве бустера на 22 дБ. Проверяем правильности установки. На рисунке 17 показаны глаз-диаграммы 2 и 4 каналов, с учетом компенсации затухания.







Рисунок 10. Глаз-диаграммы первого (слева) и четвертого (с право) каналов с компенсацией затухания



Уровень сигнала достаточен для восприятия фотодетектора оптического приемника. Но так как дисперсия сильно влияет на качество передаваемых сигналов (BER = 1*e-008), в систему добавим катушку DCF волокна с отрицательной дисперсией (12,7 км) с показателем дисперсии  = -150 пс/(нм*км). Общее значение дисперсии в лини при этом составляет                       1920 пс/нм. Рисунок 18 показывает измерения с учетов внесенных изменений.







Рисунок 11 - Глаз-диаграммы первого (слева) и четвертого (с право) каналов с учетом влияния всех внешних факторов



Теперь нужно повысить уровень усиления бустера на 5 дБ чтобы в DCF волокне компенсировать затухание. Несмотря на то что уровень сигнала в первом канале остается низким, глаз-диаграмма имеет правильную форму. Следовательно, данный EDFA усилитель не предназначен для работы на длине волны 1500 нм.  Проанализировав результаты заметим, что значение дисперсии и уровень сигнала удовлетворяют требованиям, заданным выше (BER=1*e-015). Правильные формы глаз-диаграммы, высокая амплитуда сигнала, низкий коэффициент битовых ошибок. Наилучший уровень сигнала в четвертом канале (1530 нм). Канал находится на пике усиления EDFA усилителя для данной длины волны. 















ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В процессе выполнения курсовой работы были изучены:

1 Основные характеристики и особенности эрбиевых усилителей. На основе проведенного моделирования в среде OptiSystem произведены замеры и расчеты элемент EDFA на соответствие основным параметрам реального эрбиевого усилителя, снят спектр усиления ОУ в диапазоне работы DWDM системы.

2 Основные параметры одномодового оптического волокна, такие как хроматическая и поляризационно-модовые дисперсии, затухание. Произведено сравнение элемента Opti Fiber среды OptiSystem с параметрам реального ОВ. 

3 Построена 8-канальная DWDM система длиной 120 км, изучено влияние дисперсии и затухания в этой системе, скомпенсированы дисперсия и затухание в ней, проверены ее характеристики (BER, скорость передачи, QoS) на соответствие современным стандартам для высокоскоростных линий связи. Установлено, наилучшим диапазоном работы DWDM системы является окно 1530-1560 нм. В этом окне наилучшие характеристики усиления эрбиевого усилителя и компенсирующего DCF волокна.   

























СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

	

	OptySistem getting started/Ottawa, Ontario K2E 7X1. Canada / 2013 59 с.

	ITU-T G.652 (11/2009). Characteristics of a single-mode optical fibre and cable. – Geneva.: ITU-T. 2010. – 14 c. (Engl) 

	Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи / 

	О. К. Скляров. – СПб.: Издательство «Лань». 2010. –272 с.

	OptiSystem Tutorials – Vol 1. – Ottawa: Optiwave. 2013. – 488 c. (Engl).

	OptiSystem, main function of program // Electronic Libraries (Engl) 2011. - URL: http://optiwave.com/category/products/system-and-amplifier-design/optisystem.html [January 2011].

	OptiSystem, script program, instruction, latest version // Electronic Libraries (Engl) 2015. - URL: http://optiwave.com/resources/latest-news/optisystem-12-2.html [Mart 2015]........................