Исследование и разработка волоконно-оптических систем передачи с уплотнением поднесущих и спектральным уплотнением

Актуальность темы

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.

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.

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 6 волн (или несущих) (УОН) и уплотнение поднесущих (УПН), которое происходит в радиочастотном или в СВЧ диапазоне. Термин «уплотнение поднесущих» принят для отличия от спектрального уплотнения, которое также представляет собой частотное уплотнение, но в оптическом диапазоне. Началом практического использования в мире интерактивных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) с ЧРК считается середина 90-х годов. Ему предшествовали экспериментальные разработки в этой области и опубликование полученных результатов в научных изданиях (например, некоторые из них [52],[75],[76],[87],[129]). Такие системы могут обеспечить одновременную передачу десятков телевизионных (ТВ) программ в стандартном вещательном диапазоне, тысяч цифровых телефонных каналов, а также высокоскоростных каналов компьютерной связи [59],[105],[127],[130]. 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 [23], [24],[73].

Однако, несмотря на расширяющееся внедрение ВОСП с ЧРК, вопросы проектирования указанных систем в соответствии с выбранными критериями качества (например, жесткие критерии ГОСТ на распределительные сети кабельного ТВ [18]), особенности оптических 7 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 системгибкость 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 системах, надежность и открытость, позволяют объединять их в будущем с 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 с кольцевой топологией и применением УПН и УОН. 8.

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.

Практическая ценность. Практическая ценность результатов работы заключается в следующем — проведенные исследования и разработанные методики могут быть использованы при проектировании и разработке ВОСП 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.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1 .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 9 токаоценка 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.

2.Исследование влияния на С/Ш интермодуляционных и гармонических искажений, возникающих в дисперсионном волокне при передаче уплотненных поднесущихразработанная методика для расчета мощности этих искажений в зависимости от коэффициента хроматической дисперсии волокна, глубины модуляции и расположения поднесущих.

3. Исследование возможностей одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом уплотненных поднесущих с использованием прямой модуляции ЛДполученные выражения для расчета вероятности ошибок цифрового потока и С/Ш — для поднесущих каналовсравнение полученных результатов с приведенной в зарубежной литературе экспериментальной работой.

4. Исследование возможностей совместного использования техники УПН и УОН в ВОСП как с оптическими демультиплексорами на приеме, так и без нихполученные 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.

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 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ [4]-[9].

В настоящее время в волоконно-оптических системах и сетях используют, в основном, три вида мультиплексирования — ВРК, УПН и УОН. Для сравнительной оценки характеристик этих методов мультиплексирования, рассмотрим ВОСП с N — каналами, где каждый канал, предположительно, имеет одинаковую скорость передачи В (см. рис.1). Значения в круглых скобках на рис. 1 обозначают минимально требуемую полосу пропускания для каждого устройства.

В оптических системах передачи с применением ВРК, N каналов уплотняются в мультиплексоре (MUX) (см. рис.1,а,). Разделенный по времени групповой сигнал, имеющий частотную полосу пропускания NB, модулирует оптический модулятор (ОМ) с полосой NB, далее, модулированный оптический сигнал распространяется по оптическому волокну, детектируется в приемнике (Прм) с полосой приблизительно равной 2NB и разуплотняется в демультиплексоре (DEMUX) [115]. Для данного случая, требуемая полоса пропускания оптического волокна для N каналов составит 2NB, поэтому, для передачи каждого канала требуется полоса 2 В. предположении, что каждый канал занимает полосу 2 В, и что поднесущие частоты выбраны в диапазоне одной октавы (влияния.

12 интермодуляционных искажений второго порядка отсутствуют) [125], [128]. Переданный оптический сигнал детектируется в приемнике с полосой 6NB. Каждый канал выбирается с помощью электрических фильтров с полосой, приблизительно равной 2 В. Эта техника мультиплексирования позволяет использовать полосу оптического волокна 6NB, поэтому, для передачи каждого канала требуется полоса 6 В.

В оптических системах передачи с применением УОН (см. рис. 1,в,), N оптических несущих модулируются каждым сигналом, следовательно, требуемая полоса каждого ОМ составляет В. Далее, N оптических сигналов уплотняются в уплотнителе оптических несущих (MUX) и передаются по оптическому волокну. На приемной стороне каналы разделяются с помощью оптических фильтров и детектируются в приемнике с полосой, приблизительно равной 2 В. Если предположить что, частотный разнос между каналами составляет 10 В, то требуемая полоса пропускания оптического волокна составит приблизительно 10NB. Следовательно, требуемая полоса для каждого канала составит приблизительно 10 В.

Сравнивая эти три вида мультиплексирования, видны преимущества и недостатки каждого из них. Системы с ВРК и УПН имеют большое преимущество в том, что нуждаются только в одной оптической несущей для передачи N каналов, по сравнению с УОН, где количество оптических несущих равно количеству каналов. Из всех видов мультиплексирования,.

13 системы с УПН нуждаются в наибольшей полосе пропускания для оптического модулятора (приблизительно в 4 раза больше, чем в системе с ВРК). В отношении полосы пропускания оптического волокна, системы с ВРК нуждаются в меньшей полосе на один канал (2 В / канал), чем системы с УПН и УОН (в среднем 3−5 раза больше по сравнению с ВРК). Следовательно, если используются одинаковые оптические модуляторы в системах с ВРК и УПН, то пропускная способность системы с УПН составит четвертую часть по сравнению с системой с ВРК. Самым главным недостатком системы с ВРК является необходимость сложных и дорогих мультиплексоров для уплотнения и разуплотнения каналов по времени.

Таким образом, для реализации высокоскоростных систем передачи, приемлемы совмещение ВРК и УОН для получения большой пропускной способности. Однако, для относительно низкоскоростных системприемлемо совмещение УПН с УОН. Граница между высокой и низкой скоростями передачи зависит от полосы пропускания оптических устройств и от требования пользователей. Например, если существует оптический модулятор с полосой пропускания 5ГГц и приемник с полосой 15ГГц, то возможна передача 5Гбит/с сигнала с ВРК или 1.25Гбит/с сигнала с УПН. Если пользователю требуются потоки со скоростями, например 2.5 или 5Гбит/с, тогда надо использовать спектральное уплотнение сигналов с ВРК. А если пользователь нуждается.

14 в приеме 10 каналов цифровых телевизионных (ТВ) сигналов на обычный телевизионный приемник, то, предпочтительно использовать спектральное уплотнение сигналов УПН.

Использование данных видов мультиплексирования или их комбинаций зависит не только от области их применения и технических характеристик, а также от экономической целесообразности, совместимости с существующими и будущими системами.

Если оптический приемник реализован с прямым фотодетектированием, который в настоящее время широко распространен из-за своей простоты и относительной дешевизны, то на передающей стороне возможны две схемы для оптических модуляторов (см. рис.2).

При прямой модуляции рис. 2, а, сигнал воздействует непосредственно на ток накачки лазерного диода (ЛД), получая на выходе последнего оптический сигнал, модулированный по интенсивности (ИМ). Типичные передатчики, использующие непосредственную модуляцию, имеют коаксиальный электрический вход и / или усилитель для усиления слабого сигнала до модуляции. Требования на характеристики ЛД при непосредственной 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. [28].

Внешние модуляторы рис. 2,б, могут быть созданы на основе использования акусто магнито — и электрооптических эффектов, а реализованы в объемном (микрооптическом), волоконном и полосковом вариантах. 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, в известной мере, независимо и наиболее полно удовлетворять комплексу требований. а) щ у им лд.

Вн. модулятор

6).

ИМ.

Сигнал.

Рис. 2 Прямая модуляция ЛД а) и внешняя модуляция б) по интенсивности (ИМ).

Передача цифровых сигналов, использующих ВРК, в настоящее время широко распространена [39],[41], так как, в этих системах возможна реализация приемников с достаточно большой чувствительностью (с большим импедансом или трансимпедансом) и по умеренной цене. Но.

16 при увеличении скорости передачи (более 2.5 Гбит/с), становится труднее реализовать широкополосный приемник, который должен принимать все передаваемые данные и выбирать только ему предназначенные биты, и, поскольку чувствительность приемника падает с увеличением полосы частот, такие системы имеют сравнительно малую пропускную способность и меньшее количество потребителей. Ограничения, накладываемые на системы будущего с ВРК, зависят не только от трудной реализуемости широкополосных приемников, а также от формирования субнаносекундных, тем более фемтосекундных световых импульсов, которые возлагают достаточно большие требования на оптические модуляторы, источники излучения световых импульсов, а также на быстродействие мультиплексоров и демультиплексоров. Несмотря на вышесказанное, системы с ВРК более выгодно применять при передачах уплотненных каналов на дальние расстояния, хотя здесь, а также и в других системах имеет место ограничение — при увеличении длины волокна уменьшается его информационная пропускная способность из-за материальной и волноводной дисперсии.

В противоположность с ВРК, системы с УПН могут передавать как цифровые потоки, так и аналоговые сигналы, следовательно быть совместимыми с еще существующими аналоговыми системами связи. Реализация мультиплексирования и демультиплексирования поднесущих достаточна легка, т.к. существующая техника позволяет это сделать в.

17 радиочастотном и / или СВЧ диапазоне. Отметим, что поднесущие частоты могут модулироваться разными форматами: — частотной и фазовой модуляцией (ЧМ и ФМ), а также, разновидностями частотной и фазовой манипуляций (ЧМн и ФМн) и т. д. [105], [102], [88],[89],[121], а приемник, принимая все поднесущие, может легко выделить, усилить, демодулировать определенные поднесущие с помощью существующего высокочастотного оборудования. Необходимость в широкополосных усилителях и высокоскоростных демультиплексорах отпадает, а чувствительность приемника определяется с помощью полосы одной или группы поднесущих каналов.

Системы с УПН обладают рядом достоинств:

— спектральные характеристики источников излучения здесь не так важны, следовательно, можно использовать полупроводниковые многомодовые (достаточно дешевые) лазеры;

— стабилизация температуры или контроль длины оптической волны не требуется (имеется в виду УПН без УОН или с неплотным УОН);

— информационные данные, которые несут разные поднесущие, независимы друг от друга и не нуждаются в синхронизации;

— излучатели (обычно — полупроводниковые лазеры) способны развить на выходе десятки милливатт и имеют достаточную линейность, чтобы применить к ним прямую модуляцию;

— для передачи и приема ТВ сигналов, системы с УПН являются более приемлемыми, так как позволяют расширять сети кабельного ТВ (КТВ) в городах без приобретения пользователями специальной аппаратуры для приема;

— при большой пропускной способности системы с УПН более дешевые, чем системы с ВРК, что позволяет их быстро внедрять на широкополосных сетях.

В последнее время широко обсуждаются возможности применения УОН в волоконно-оптических системах и сетях разной конфигурации [109],[113],[131],[107],[80],[79],[40],[33],[60]. Начиная с 1993 г., промышленностью выпускается семейство оптических волокон «True Wave», позволяющих использовать УОН в окне прозрачности 1500 нм, не опасаясь влияния нелинейных эффектов, а также создавать участки передачи без усиления и компенсации длиной более 100 км при скорости передачи 10, 20 и даже 40 Гбит/с [122]. В 1998 г. новый член «семьи», волокно «True Wave RS «, благодаря уменьшенному наклону дисперсионной кривой, существенно расширил диапазон используемых волн. А последнее достижение «всеволновое» волокно «All Wave» использует весь диапазонот 1280 до 1600 нм [2]. Возможность создать в одном волокне более сотни независимых каналов, в сочетании со скоростью передачи 10 Гбит/с, позволяет достичь общей пропускной способности в 1 Тбит/с и более. Разделяя огромную полосу пропускания оптического волокна на.

19 определенные, относительно небольшие части, в каждой из которых будет передаваться только одна полоса оптической частоты, достигается одновременная передача и прием, а также эффективное использование всей полосы пропускания волокна. Однако, с увеличением плотности каналов, в системах с УОН должны использоваться гетеродинные методы оптического детектирования или точная фильтрация каналов, которая приводит к усложнению и увеличению цен на оборудование.

Сравнивая хорошо известные цифровые ВОСП с ВРК и системы с ЧРК (УОН и УПН), обнаружим следующие преимущества последних:

— более эффективное использование широкополосности одномодового волокна;

— гибкость при создании сети передачи и произвольном распределении трафика передаваемых сигналов (аналоговых или цифровых) и разнообразных их комбинаций;

— возможность передачи по одному тракту сигналов в мультигигагерцовой полосе частот, без разработки и освоения сверхскоростной цифровой электроники, а с использованием хорошо разработанной, надежной и относительно недорогой СВЧ микроэлектроники;

— совместимость с ВОСП будущего, обладающими сверхбольшой пропускной способностью, с использованием плотного спектрального уплотнения или когерентных технологий.

Конечно, ВОСП с ЧРК не должны рассматриваться как антипод ВОСП с ВРК. Для дальних магистральных линий последние, по — видимому, останутся наиболее подходящими, а ВОСП с ЧРК применимы при создании систем сравнительно небольшой протяженности, но отвечающих требованиям повышенной емкости и адаптивности к нестационарным и многоцелевым режимам эксплуатации.

Структура диссертации. Работа организована следующим образом: в Главе 1 исследуется влияние характеристик оптических модуляторов на качество передачи поднесущих каналов, в Главе 2 исследуется влияние дисперсии волокна на передачу поднесущих каналов, в Главе 3 рассматривается выбор оптимального приемника для систем с УПН, в Главе 4 дана оценка характеристик ВОСП, при одновременной передаче цифровых и аналоговых сигналов (гибридные системы), в Главе 5 рассматриваются вопросы совместного применения УПН с УОН, Глава 6 целиком посвящена разработанным ВОСП, использующим методы спектрального уплотнения и УПН, в заключении сформулированы основные научные результаты и выводы по диссертационной работе, приведен библиографический список использованной литературы и приложения.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

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.

2. 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 дисперсии волокна.

3. 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 клиппированных импульсов, возникающих в ЛД при превышении тока модуляции уровня порога.

4. Исследована возможность совместного применения техники УПН и УОН 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.

Проведенные исследования и разработанные методики могут быть использованы при проектировании, разработке волоконно-оптических систем разной топологии, предназначенных для решения задач насыщения бурно 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.

Заключение

.