RGZ

Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
институт
Базовая кафедра «Инфокоммуникаций»
кафедра
ОТЧЕТ ПО РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Исследование параметров волоконно-оптической линии
тема
передачи (ВОЛП) на элементарном кабельном
участке (ЭКУ)
Руководитель:
подпись, дата
инициалы, фамилия
подпись, дата
инициалы, фамилия
Студент
номер группы, зачетной
книжки
Красноярск 2021
1 Задача
Задачей данной работы является исследование параметров волоконнооптической линии передачи (ВОЛП) на элементарном кабельном участке
(ЭКУ). В процессе выполнения задания необходимо произвести расчеты,
дать обоснования и представить результаты решения по следующим
вопросам.
- Выбор параметров оптического волокна
- Выбор и обоснование структурной схемы волоконно-оптической
системы передачи (ВОСП) на ЭКУ
- Расчет бюджета мощности и дисперсии на ЭКУ ВОЛП
- Определить максимально допустимую скорость передачи на ЭКУ
ВОЛП для заданных условий
2 Исходные данные
Таблица 1 – Исходные данные
Наименование параметра
Длина ЭКУ
Длина волны
Энергетический потенциал ВОСП
Тип ОВ
Исходные данные
следующим образом:
к
Условное обозначение
L, км
λ, мкм
Э, дБм
индивидуальному
заданию
определяются
L=2*mn+1,
(1)
λ=0,85 мкм для четных mn и многомодовых волокон;
λ=1,3 мкм для нечетных mn и многомодовых волокон;
λ=1,3 мкм для четных mn и одномодовых волокон;
λ=1,55 мкм для нечетных mn и одномодовых волокон.
Э=15+n/10 дБм,
(2)
Тип волокна определяется по таблице 2.
Таблица 2 – Тип волокна
m
0; 1
2; 3
Тип ОВ
MMF
MMF
50/125
62,5/125
4; 5
SSF
Здесь:
n – последняя цифра номера зачетной книжки;
2
6; 7
DSF
8; 9
NZDS
m – предпоследняя цифра номера зачетной книжки;
mn – число, составленное из двух последних цифр номера зачетной
книжки.
Следовательно,
L=2*mn+1=2*78+1=157 км,
(3)
Э=15+n/10=15+8/10=15,8 дБм,
(4)
Тип ОВ: DSF,
λ=1,3 мкм,
3 Выбор параметров оптического волокна
Тип ОВ: DSF
Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и
протяженности оптических линий привела к возникновению ряда
модификаций стандартного одномодового волокна. Первой модификацией
одномодовых оптических волокон (ООВ) стало волокно со смещенной в
область 1550 нм длиной волны нулевой дисперсии (DSF). В этом волокне
область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной
хроматической дисперсии. Параметры этого ОВ регламентируются
Рекомендацией ITU-Т G.653. Волокно со смещенной дисперсией хорошо
совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн, в
котором ОВ имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии,
совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на
эрбиевом волокне. Такой тип волокна предпочтителен как для
высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка
так и для технологий оптического уплотнения. Возможно также применение
этого ОВ в системах со спектральным уплотнением (WDM) при
ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной
мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных
компонент. Однако эти волокна имеют недостаток, связанный с
возникновением нелинейных эффектов (так называемый эффект смешивания
некоторых волн), возникающих при использовании оптического усилите ля
на основе волокна, легированного эрбием EFDA, в середину рабочего
диапазона которого попадает длина волны нулевой дисперсии этого волокна.
Основные характеристики DSF волокон представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Характеристики одномодовых ОВ DSF
Фирма
Фирменное обозначение
Тип волокна
Соответствие ITU-T
3
Fujikura
DSM8/125
DSF
G.653
Диаметр модового пятна,
мкм, на λ, нм
–
8,1
–
Длина волны отсечки, нм
–
Диаметр оболочки, мкм
125,0±1,0
Диаметр покрытия, мкм
245,0±10,0
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм
1
Некруглость оболочки, %
≤1,0
Неконцентричность покрытия, мкм
–
Длина волны нулевой дисперсии, нм
1525-1575
2
Наклон кривой дисперсии пс/(нм *км)
0,092
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм*км) 3,5 (1525-1575 нм)
Поляризационная модовая дисперсия, пс/()
≤0,5
Максимальное затухание
1310
–
(дБ/км) на λ, нм
1550
≤0,3
1285÷1330 нм
относительно
Менее чем на 0,05
затухания на λ=1310
нм
Мах. Превышение
затухания в диапазоне
1525÷1575 нм
относительно
Менее чем на 0,05
затухания на λ=1550
нм
<1,0
Затухание в пике ОН (1383÷3 нм)
Механическая рочность, (Гпа) при перемотке с
≥0,8 (1)
удлинением, %
Сила снятия покрытия, Н
–
Эффективный групповой
1310
1,468
показатель преломления
1550
1,468
для волн, нм
Числовая апертура
–
Разность показателей преломления, %
–
Собственный радиус изгиба, м
≥4
Профиль показателя преломления
–
Рабочие окна прозрачности, нм
1310/1550
1310
1550
волокна
кабель
4 Выбор и обоснование структурной схемы ВОСП на ЭКУ
Определим минимально и максимально допустимые длины ЭКУ без
оптических усилителей по формулам ниже:
LMAX ≥
Э−np ∙ap +aH −aз
a
α+ H
,
(5)
LS
4
LMIN ≥
(Э−Ap )−np ∙ap +aH −aз
a
α+ H
,
(6)
LS
где
LMAX, LMIN – минимальная и максимальная длины ЭКУ соответственно,
км;
Э =15.8 – энергетический потенциал ВОСП, дБм;
аЗ=6 – эксплуатационный запас, дБм;
аР=0.5 – затухание разъемных соединений, дБМ;
аH=0.1 – затухание неразъемных соединений, дБМ;
nР=4 – число разъемных соединений в пределах ЭКУ, шт;
α=0.5 – коэффициент затухания оптического волокна, дБм/км;
LS=4.4 – среднее значение строительной длины кабеля, км.
LMAX ≥
LMIN ≥
15.8−4∙0.5+0.1−6
0.5+
0.1
4.4
= 15.113 км,
(15.8−3.16)−4∙0.5+0.1−6
0.5+
0.1
4.4
= 9.068 км,
(7)
(8)
Так как по результатам расчетов заданная длина ЭКУ L≥LMAX, то
необходимо применение на ЭКУ оптических усилителей. Требуемое число
ОУ определим по формуле ниже:
L−LMAX
nОУ = Int (
5
) + 1,
(9)
где Int(x) – целая часть числа x.
157−15.113
nОУ = Int (
5
) + 1 = 30,
(10)
По результатам расчетов применение аттенюаторов не требуется, так
как L≥LMIN.
Длина регенерационного участка:
LMAX − LMIN = 15.113 − 9.068 = 6.045 км,
5
(11)
Тогда упрощенная структурная схема ВОСП на ЭКУ выглядит так:
Аналоговый Цифровой поток
64кБит/c
сигнал
Оптический
передатчик
Кодер
Импульсы
света
Импульсы
света
Импульсы
света
Оптический
усилитель 2
Оптический
усилитель 1
Импульсы
света
Оптический
усилитель 30
...
Цифровой поток Аналоговый
64кБит/c
сигнал
Импульсы
света
Оптический
приемник
Декодер
Рисунок 1 – Упрощенная схема ВОСП
Рассчитаем эквивалентное значение энергетического потенциала Эе из
соотношения, где необходим ОУ:
Эе = Э + g ∙ nОУ ,
(12)
где
g=5дБм – коэффициент усиления одного ОУ;
nОУ – число ОУ.
Эе = 15.8 + 5 ∙ 30 = 165.8 дБм,
(13)
5 Расчет дисперсии ОВ и бюджета мощности на ЭКУ
По таблице 4 определяем значения параметров М(),В(),П()
Таблица 4 -Значения М(),В(),П()
Длина волны ,мкм
М(), пс/(кмнм)
В(), пс/(кмнм)
П(), пс/(кмнм)
Тогда:
М()= -5
В()= 8
0,6
400
5
0
пс
км∙нм
пс
км∙нм
0,8
125
5
1,5
1,0
40
6
5
1,2
10
7
2,5
1,3
-5
8
4
– удельная дисперсия материала,
– волноводная дисперсия,
6
1,4
-5
8
5
1,55
-18
12
5,5
1,6
-20
14
6,5
1,8
-25
16
7,5
П()= 4
пс
км∙нм
– удельная профильная дисперсия,
Материальная дисперсия:
τмат = ∆λ ∙ M(λ) = 5 ∙ (−5) = −25, пс⁄км,
(14)
Волноводная дисперсия:
τвол = ∆λ ∙ B(λ) = 5 ∙ 8 = 40, пс⁄км,
Профильная дисперсия:
(15)
τпр = ∆λ ∙ П(λ) = 5 ∙ 4 = 20, пс⁄км,
(16)
Результирующая хроматическая дисперсия:
τрез = τмат + τвол + τпр = −5 + 40 + 20 = 35, пс⁄км,
(17)
В одномодовых ОВ имеет место только хроматическая дисперсия,
обусловленная некогерентностью источника излучения. В многомодовых
волокнах мод>>хр.
Количество неразъемных соединений определяем из соотношения:
𝑛Н =
𝐿
𝐿𝑆
+1=
157
4,4
+ 1 = 36,68 ≈ 37,
(18)
Результирующее затухание ОВ на ЭКУ:
𝑎𝑆𝑅 = 𝛼 ∙ 𝐿 + 𝑎Н ∙ 𝑛Н + 𝑎Р ∙ 𝑛Р = 0,5 ∙ 157 + 0,1 ∙ 37 + 0,5 ∙ 4 =
84,2 дБм,
(19)
6 Определить максимально допустимую скорость передачи на
ЭКУ ВОЛП для заданных условий
Максимальная допустимая скорость определяется по формуле ниже:
LMIN =
где
4.4
, км
(20)
τ∙B
 (с/м) – дисперсия ОК;
В (Гбит/с) – скорость СПД.
Тогда,
𝐵=
4.4
τ∙LMIN
=
4.4
35∙9.068
= 0.01386 ∙ 1012 Гц = 13.86 ГБит/с,
7
(21)
ВЫВОД
В ходе расчетно-графического задания рассчитали дисперсию,
затухание оптического волокна, длину регенерационного участка, а также
максимально допустимую скорость передачи.
8
Штраф за модовый шум (MPN) рассчитаем по формуле:
𝜎𝑀𝑃𝑁 =
𝑘𝑀
√2
∙ {1 − 𝑒𝑥𝑝[−(𝜋 ∙ 𝐵Л ∙ 𝐷 ∙ 𝐿 ∙ ∆𝜆)2 ]}
=
1
√2
∙ {1 − 𝑒𝑥𝑝[−(3,14 ∙ 8 ∙ 3,5 ∙ 157 ∙ 5)2 ]} = 0,14
1
𝑎𝑀𝑃𝑁 = 10𝑙𝑔 [
1
] = 10𝑙𝑔 [
] = 10,28 дБм
√1 − (𝑄 ∙ 𝜎𝑀𝑃𝑁 )2
√1 − (7,04 ∙ ,014)2
1+𝜀
1 + 0,1
𝑎𝜀 = 10𝑙𝑔 (
) = 10𝑙𝑔 (
) = 0,87 дБм
1−𝜀
1 − 0,1
Собственные шумы источника излучения (RIN):
𝑅𝐼𝑁
2
𝜎𝑅𝐼𝑁
= 4 ∙ 𝐵𝑊𝑅 ∙ 10 10 = 4 ∙ 8 ∙ 10
𝑎𝑅𝐼𝑁 = 10𝑙𝑔 [
1
√1 − (𝑄2 ∙ 𝜎𝑅𝐼𝑁 2 )
= 3,4 ∙ 10−9 дБм
] = 10𝑙𝑔 [
−120
10
= 3,2 ∙ 10−11
1
√1 − (82 ∙ (3,2 ∙ 10−11 )2 )
]
Шумы межсимвольной интерференции (ISI) включает в себя
перекрестные помехи и шумы синхронизации. Штраф для этих
составляющих определяется выражением
𝑎𝐼𝑆𝐼 = 10𝑙𝑔 [
1
𝑇
1 − 1,425 ∙ 𝑒𝑥𝑝 [−1,28 ∙ ( )]
𝑇𝐿
]
Бюджет мощности для оптического линейного тракта на ЭКУ равен:
𝑃БМ = 𝑎𝑆𝑅 + 𝑎3 + ∑ 𝑎Ш𝑖 = 84,2 + 6 + 11,16 = 101,36 дБм
9