автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Исследование и разработка методов оценки параметров линейного тракта ВОСП со спектральным разделением стволов

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ СССР

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт связи

На правах рукописи АЛЬ-САЛВХ МОРУАН

УДК 621.372.8

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА ВОСП СО СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СТВОЛОВ

Специальность 05.12.20 - Оптические системы локации,

связи и обработки информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

Работа выполнена на кафедре многоканальной электросвязи -•Московского ордена Трудового Красного Знамени института связи.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент МУРАДЯН -А.Г.

Официальные оппоненты- доктор технических наук, профессор ГРОДНЕВ И.Н. - кандидат технических наук, КУЗНЕЦОВ A.A.,

Ведущая организация - Ташкентский электротехнический институт связи

Защита диссертации состоится "Л?"Cfc'Tfäpf1990 г. в " " часов на заседании специализированного совета К 118.06.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте связи.

Адрес: 105855, ГСП, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8-а, МЖ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. . Автореферат разослан "/$ " L990 года.

Учений секретарь специализированного

специализилованноп совета К 118.06.03 к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время широкое распространение получают волоконно-оптические системы передачи. (ВОСП), применяемые как на магистральных, так и на городских сетях. Однако в этих системах'пропускная-: способность оптического кабеля используется не полностью. Существуют два подхода для увеличения пропускной.способности ВОСП. Первый основан на временном уплотнении в электрическом и оптическом трактах, однако из-за' ограничения быстродействия существующих электронных и опто-электронных компонент, скорость передачи ограничена величиной порядка 1*2 Гбит/с. Второй подход основан на применении метода' спектрального разделения стволов, при котором по одному волокну одновременно передается несколько спектрально разделенных оптических стволов. Это позволяет максимальным образом использовать сверхширокую полосу пропускания оптического кабеля и обойти ограничение на пропускную способность, связанное с дисперсионными искажениями. Такие системы, называемые ВОСП со спектральным разделением стволов (ВОСП с СРС),в настоящее время интенсивно исследуются-.

Дальнейшее повышение эффективности ВОСП возможно за счет применения гибридной структуры линейного тракта. Использование квантовых оптических усилителей в линейном тракте позволяет увеличить длину участка регенерации. Вместе с тем квантовые оптические усилители вносят искажения и создают специфические шумы и переходные помехи между стволами, влияющие на помехоустойчивость системы.' При этом целесообразность включения оптических усилителей в тракт передачи определяется степенью мешавшего воздействия этих факторов.

Поэтому исследование и разработка общей методики оценки помехоустойчивости ВОСД с СРС и проектирования линейных трактов таких систем с учетом совместного влияния основных мешающих факторов, позволяющей кроме того учитывать такие факторы;' как тип линейного кода и метод обработки сигнала^является актуальной задачей. Актуальным является и создание автоматизированного метода оценки помехоустойчивости регенератора и разработка рекомендации по определению требований к величине переходного затухания спектрально-селективных устройств объединения и разделения стволов.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка метода и оценки помехоустойчивости ВОСП со спектральным разделением стволов и.его программная реализация на ЭВМ, которая позволяет оптимальным образом проектировать линейные тракты,_ в том числе и гибридные с применением оптических усилителей.

Методы исследования. В работе использовались методы статистической радиотехники, теории вероятностей и математического анализа. Широко использованы метода математического моделирования на ЭВМ, которые базируются на теории и практике программирования научных задач.

Научная новизна работы состоит в следующем:

I. На основе физической модели ВОСП со спектральным разделением стволов разработан метод оценки помехоустойчивости участка регенерации, отличающийся возможностью учета совместного влияния совокупности основных мешающих факторов (переходные помехи, ыо-довый, дробовый и гепловой шумы) и позволяющий определить допустимые границы переходного затухания спектрально-селективных уст-

ройств объединения и разделения стволов.

2. Разработанный метод оценки помехоустойчивости B0CII с СРС реализован в виде пакета прикладных подпрограш, позволяющий оптимизировать характеристики линейного тракта ВОСП с СРС по различным параметрам я критериям и обеспечивать возможность технико-экономического анализа различных вариантов построения линейных трактов, включая гибридные линейные тракты.

3. Для исследования достоверности и границ применимости использованного метода оценки помехоустойчивости ВОСП с СРС разработана имитационная модель участка регенерации, позволяющая оценить вероятность ошибки регенератора и погрешность оценки для различных вариантов построения линейного тракта ВОСП с СРС.

4. На основе физической модели гибридного линейного тракта ВОСП с СРС разработан метод оценки помехоустойчивости системы, отлич&ющейся возможностью учета переходных помех в оптическом усилителе, вызванных переходным влиянием между рабочими стволами.

5. Разработан приближенный метод оценки влияния переходных помех на вероятность ошибки, позволяющей экономить затраты вычислительных ресурсов при инженерном проектировании таких систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный метод оценки, помехоустойчивости участка регенерации ВОСП со спектральным разделением стволов позволяет определить вероятность ошибки с учетом совместного влияния совокупности основных мешающих факторов.

2. Предложенный приближенный метод оценки влияния переходных помех позволяет с приемлемой для практических целей степенью трч-ности определить вероятность ошибки на участке регенерации в ВОСП со спектральным разделением стволов.

J/Z

3. Предложенное применение оптических усилителей между регенераторами позволяет повышать помехоустойчивость ВОСП со спектральным разделением стволов, а следовательно, увеличивает длину участка регенерации. Рекомендовано применение общего для всех стволов усилителя.

4. Полученные результаты оценки влияния модового шума на помехоустойчивость■ВОСП со спектральным разделением стволов позволяют определить требования к типу и техническим характеристикам компонентов оптического линейного тракта.

5. Программное обеспечение разработанного метода оценки вероятности ошибки ВОСП со спектральным разделением "стволов и средства современной вычислительной техники позволяют осуществить автоматизированную оптимизацию параметров участка регенерации и системы передачи по различным критериям (максимум длины участка регенерации, минимум вероятности ошибки и т.д.).

' Практическая ценность работы. Предложенная и разработанная методика определения основных параметров участка регенерации ВОСП со спектральным разделением стволов может служить основой для проектирования и оценки технико-экономической эффективности применения таких систем. Лдны рекомендации по более эффективному использованию проектируемой магистральной линии "Дамаск-Амман-Галет-Амар", основная часть'которой проходит через Иорданию.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объем работы - 135 странжи, в том числе 51 рисунок и 9 , таблиц. Библиография содержит 107 наименований.

. Апробация работы: Основные положения и результаты докладывались на научно-технических конференциях профессор-

ско-преподавательского состава, сотрудников научко-юследователь-ской части и аспирантов ¡.¿'»С по итога;.; научных доследований („юск-ва, 1988, 1089 гг.) и на пятом Всесоюзном совешнна "Коордапат-но-чувствитеяы-ше фотоирие^аика- и оптоэлектронные устройства на их основе" (Барнаул, г.).

II у. б я и к а ц и и. Результаты диссертационной работа нашли отражения в децокарозавных статьях и тезисах доклада на

пятом Всесоюзном совещании "Координатно-чувствителъные фотоприек-пшса и оптозяектронше устройства па их основе" (Барнаул, х989г.).

СОдалШ РАКШ

Во введен и и обосновывается актуальность теш доследования, формулируется цель и задачи работы, а также приводятся основные решения и положения диссертации.

В первой главе рассматриваются физическая : гь и структурные схеш ВОСП со спектральный разделение!,; отэтд • .1" том числе с применение:.-1 промежуточных квантовых оптически:: усилителей.- Основой, для анализа и оценки помехоустойчивости линейных трактов ВОСП с СРС служит обобщенная структурная схеш, принятая в работе. При определении влияния переходных помех на вероятность ошибки регенератора было принято, что влияние оказывают лишь два соседних по спектру ствола. Проведенный обзор состояния и развития ВОСП с СРС показывает, что наиболее широкое применение эти системы получают в диапазоне длин волн 1,3+1,55 мкм, так как в' этом диапазоне затухание и дисперсия оптического кабеля минимальны. Применение ВОСП с СРС перспективно как на.магистральных, так и на городских сетях, в частности на абонентских, так как оно позволяет осуществить одновременную передачу различных видов информационных услуг (телефакс, видеотелефон, передача

- В -

:: газет - и т.д. ).

; Гибридные линейные тракты BOCÉI с СРС с приме ненией квантовая . оптических усилителей строятся по двум exeuau. Первая основана на правеневжа отдельного оптического усилителя.для каждого ствола. Очевидно, что при этом требуется большое количество оптических усилителей, а также разделение и объединение оптических отзолов в -каждом .усилительно!.: пункте. От этого недостатка свободна вторая cxeiva, которая предусматривавт одновременное усиление всех стволов одш№. оптическим усилителен. Недостатков* такой схеп: яв-- . яяется взаимное влияние '¡-..езду усиливаемыми стволами з оптическои усилителе, всаедствде чего возникает переходная-помеха, ухудшающая работу самого усилителя и приводящая к снижению помехоустой--. чквостн.

На осповавии приведенного анализа принято целесообразны;: при построении гибридных линейных трактов ВОСП с СРС использовать зторую схецу. ■

Во зторой глазе рассматриваются основные источники' tiouex в B0CU со спектральный разделение:: стволов.

Отличительно!"; особенность?) ЗОСЛ со спектрально-: разддясниег.; стволоз как уне отмечалось являются переходные по: txK.

С учетом того, что'тепловой, дробовкй к модовпи чгум; статис-' : тически независимы и имеют Гауссовый закон распре деления вероятностей, суммарная мощность шума &J поступающего на вход ре' тающего "устройства регенератора .определяется: ,

бш - бэр* ^ ' ( 1 }

где от -.дисперсия теплового шума;

■

О- дисперсия дробового шука; -дисперсия кодового шуш.

Было исследовано влияние параметров система-и параметров источника излучения на мощность- шдового шума, возникающего вследствие флуктуации распределения мощности излучения по гадам на выходе источника. Результаты исследования показызают, что при использовании в качестве источника излучения лазерного диода влияние шдового щука начинает проявляться при скорости-передачи порядка 140 Мбит/с, а при скорости I Гбит/с и выше становится доминирующим фактором. Показано такие, что при уменьшении, ширины линии излучения- от 10 до 1*-2 нм дисперсия кодового шуга уменьшается почти в два раза.

Существенное влияние-на мощность шдового шума оказывает а рабочая длина волны. Так, при работе системы на длине вэяш.' сдзк-нутой от длины волны с минимальной дисперсией мощность ыодозо-го шума сильно увеличивается.

Исследована также и зависимость мощности кодового шут, возникающего в оптическом кабеле из-за рассогласования при соединении волокон от параметров волокна и источника излучения. Полученные зависимости данного кодового пума от эффективности связи волокон- показывают,что дисперсия модового шут уменьшается с. увеличением числа распространяющихся мод и ширины линии излучения. Уменьшение полосы пропускания волокна приводит также к уменьшению мощности этого модового шума.

Третья глава посвящена разработке метода оценки помехоустойчивости и параметров участков регенерации цифровых ВОСП со спектральным разделением стволов.

При разработке метода принимаются следующие условия: .

I. Цифровые сигналы, передаваемые по рабочим стволам, -имеют одинаковые мощности и скорости, а передача осуществляется асинхронно и независимо.

Иг.

. с. лн;ш;-.нь;,. сигнал двухуровневый, передача "I" и "О" на ,т:15личк;й. ïî.KioBbix интервалах равновероятна и независима.

3. Приск дзоичвих сигналов осуществляется методом сшроби-розания ( с однскоагпь:;.: отсчетом ) при и?,бальной гактовой синхронизации. ..

- й»лульсы напряжения сигнала и переходной по,махи на.входе устроисгаа регенератора и:.:оют гауссовуи форму. • '

4. В решгичС« ycJtpOi.cïBc регенератора лриш>гие рвевния .•!_долвйою.» на ¿.оно здд:швно^ помех:; с сордялышк законом рася-'.¡сТТСЛСШШ 28р0ЫЙ0С1вй С HyjICBU:.; средним и дисперсией 6шг

д с ялу ¿ийвукг.зашых условие полная вероятность олнбки &и.)0»сляс2с:; шк: •

= (I/O) -hpcwj] + 1 р (1/C/0J+ P(C/V0J3+ [pa/otOi-PC0/^ 1 ; ( 2 }

где Pf°/i) и Р(*/о,) ~ условные вероятности оиибки, соответственно при. передаче символов "О" к "I" в рассматриваемом стволе и символа "О" по двум влияюцик ствола;.;;

P(L/oio) и P(o/-//OJ - условные вероятности ошибки в случае передачи но з'лишда ствола;.; комбинации стволов "10" ^или "01" ) ;

P(L/oil) и - условные вероятности ошибки в слу-

чае передачи по влияющий ствола.; комбинации символов "II".

В работе получены заражения дли определения условних вероятнее ои-юки при фиксированной величине сл„-ча*люго вред-ск-• ного сдвига X' • ачша цв*ровши сигналами, пе?ояазаеь%ми лс различным ствола;,:.'3 частности, условная вероятность ошибки /^ (о/но) при ¿шсспрованно.. величине вренеиаого сдвига, определяется сле-ÂjLUtt,. выражение;.!: ^ ^ 2 ,

Ря(о/«у~ о,5ек/с (б} [1+240*'. , (3)

?'"е а — тХи/2/т б«/ >

1/м - аг.'пя'/Тгудаое знэченго • ваи^шепгя сэтяага. Аналогичное згфагзния получены для других услочн:;х зероятиос-те" . тл.-'бо

Пути; усреднения усдозвхж вероятностен ошибок ¡^(0/цо) . Рх(1/010) ' Рк(0/м) * -О ве личине X . плотность зероят-

•.¡остя :.:оторЬЗ бтлла принята равномерно;;} получены следующие выра-дгт усаозгах вероятностей ояибки:

-ь.

( 4 )

%т Г

( 7 )

РО/о'О. ~ Ы/2[ 12^с[Я(/-28(КО-2С(Х7)] ,

,'&нва?. метод нахождения условных вероятностей ошибок в работе назч.'ш интегральным.

Наряду с этим к-етодоы в работе предложен приближенный штод оценки помехоустойчивости регенератора, который состоит в том, что условные вероятности ошибок Р(о]цо) , РСЦою} , Р(0//н} и Р(*/01(1 находятся путей предварительного усреднения отсчета пере--ходной пог'схн. Злраиения для условных вероятностей ошибок, полу- • пенни«, даргсда методой, который назван приближенным, имеют следующий вид: :

Р(°/*<о)~ 0,5 (1+2.9)1 . ( 8 )

р(1/0(0у - 0,5 ¿г{с10а-гб)1 » ( у )

■¿и

Р(о/нО = о>5 ег/с[<3(/Ф40)] , Рами - 0,5^кша-кв)] ,

в* СГ/гГг Г) .

Расчет вероятности ошибки интегральным методой позволяет получить отвосжтельно точикй результат, однако при этой требуется значительнее затрать: Вычислительных ресурсов. Расчет приближенным г'/етодо!.. дает юкее точнаД результат, однако отличается простотой и требует ¡га'.¡влечения гяньаах вычислительных ресурсов при использовании 33.».

В работе били разработана алгоритмы расчета Рцш для двух предяозеенпых кзтодоз (интегральный и приближенный) и их программная реализация на языке Фортран ЕС ЭВ;/;.

для анализа достоверности и гр&ниц применимости интегрального и приближенного датодов оценки вероятности ошибки бала создана имитатдиоввая модель участка регенерации 30С11 с СРС, исследование которой подтвердили допустимость применения более простого приближенного метода для инженерных расчетов при переходном затухании более 15 дБ.

На рис.! показаны результаты расчетов полной вероятности ошибки, выполненные по приближенному и интегральному методам, а также результаты имитационного моделирования.

Здесь же разработана методика учета переходного влияния менеду стволами в оптических квантовых усилителях, которая дает возможность оценить эффективность применения оптических усилителей в ВОСП со спектральным разделением стволов.

(Ю) (х!) (12)

- Интегральный метод

~ ПриЗлиженный rremaâ к X X XX Метод /1онте -Карла

РисЛ

Четвертая глава посвящена вопросам инженерного проектирования линейных трактов ВОСП со спектральным разделением стволов. Предложена методика, основанная на моделировании систем на ЭВЫ, позволяющая определить длину участка регенерации и другие параметры системы (оптимальный коэффициент лавинного усиления, оптимальный порог принятия решения, оптимальную частоту среза цепи нагрузки фотодиода и др.) при заданных исходных данных. В качестве исходных данных используются параметры источников излучения, фотоприемнинов, ■ оптического кабеля и спектрально-селективных устройств объединения и разделения стволов на заданных рабочих длинах волны.

Разработанный комплекс подпрограмм на языке ФОРТРАН ЕС ЭВМ позволяет определить длину участка регенерации ВОСП со спектральным разделением стволов при различных кодах в линии (1В1В, 1В2В) и методах приема (метод однократного отсчета и метод согласованной фильтрации)

В этой же главе с помощью разработанной методики была определена экономическая эффективность ВОСП со спектральным разделением стволов. Эта методика основана на сравнении системы со спектральным разделением стволов с системой без спектрального разделения.

На конкретном примере для планируемой к строительству магистрали в Иордании был определен экономический эффект от применения ВОСД со спектральным разделением стволов.

По расчетам этот экономический эф&ект составит порядка 1,5 млн. долларов..

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

I. Разработана обобщенная математическая модель'участка регенерации ВОСП со спектральным разделением стволов для различных

вариантов построения линейного тракта, включая гибридный, позволяющий учесть совместное влияние совокупности мешающих факторов (шумы оптических усилителей, переходные помехи, кодовый, дробо-вый и тепловой шумы) на помехоустойчивость системы. Разработанная модель обобщает структуры участка регенерации для различных типов кода в линии и методов обработки смеси сигнала с шумом (с однократным отсчетом и с согласованной фильтрацией).

2. Предложен метод оценки влияния кодового шут на помехоустойчивость системы. Исследована зависимость дисперсии кодового шума от параметров источника излучения и волокна.

3. Проведено исследование характеристик шумов, имеющих место в ВОСП со спектральным разделением стволов, в том числе и шумовых характеристик оптических усилителей. Результаты исследования дают возможность определения помехоустойчивости системы передачи для различных вариантов построения линейных трактов, включая структуру, участка регенерации с гибридным трактом.

4. Разработан метод определения вероятности ошибки в ВОСП со спектральным разделением стволов, который позволяет осуществить учет совместного воздействия совокупности основных мешающих факторов для различных реализаций структуры участка регенерации и значений его параметров.

5. Проведен сравнительный анализ предложенных приближенного и интегрального методов определения степени влияния переходных помех на вероятность ошибки ВОСП со спектральным разделением ство-лоз. Вносимая при этом погрешность зависит от величины переходного затухания. Так, при йп = 10 дБ погрешность составляет 10%,

а при й-п = 15 дБ около 5%. Поэтому при Ир Зь 15 дБ можно, применять более простой приближенный метод. Для подтверждения правомерности сделанного вывода и оценки вносимой погрешности раз-

работана имитационная модель, позволяющая определить вероятности ошибки системы с учетом влияния переходных помех наряду с другими мешающими факторам.

6. Реализован автоматизированный метод оценки параметров участка регенерация цифровой ВОСП со спектральным разделением стволов и гибридным линейным трактам, соответствующим заданной помехоустойчивости. Разработанный метод поззоляет оптимизировать параметры участков регенерации по различным критериям и осуществлять оптимальное проектирование линейных трактов, в том числе и гибридных.

7. На базе приведенных математических соотношений создано программное обеспечение, иллюстрирующее и реализующее метод оценки параметров участка регенерации. Созданное программное обеспечение позволяет производить инженерное проектирование участка регенерации ВОСП со спектральным разделением стволов. Анализ результатов проведенных расчетов позволяет сделать следующие выводы:

При значении переходного затухания йр ^ 20 дБ влиянием переходных помех на вероятность ошибки ВОСП с СРС можно пренебречь по сравнению с влиянием других мешающих факторов.

При повышении избыточности кода от 1В1В до 1В23 длена участка регенерации уменьшается почти в 2,7 раза, что свидетельствует о целесообразности использования в ВОСП с СРС кодоз с малой избыточностью.

При построении ВОСП с СРС целесообразна обработка смеси сигнала с шумом методом однократного отсчета.. Применение согласованной фильтрации диктует необходимость уменьшен .ш длины участка регенерации на величину порядка 1,5 раза (от 32 до 20,7 км).

Включение одного или двух оптических усилителей в тракте передачи в преде.лах участка регенерации дает возможность увеличения

длины в два и три раза'соответственно.

Увеличение количества оптических усилителей на участке реге-рации более 4*-5 не приводит к заметному увеличению длины участка регенерации.

8. Для реализации коммерческих ВОСП со спектральным разделением на скоростях передачи порядка 8 Мбит/с допустимо применять светодиоды (ширина линии излучения 20*40 Нм), а на скоростях порядка 140 Шит/с и выше должны применять лазерные диоды (ширина линии излучения 1+2 Нм).

9. Результаты проведенных исследований технических характеристик планируемой к строительству системы передачи в Иордании позволили выбрать оптимальный вариант построения и доказали экономический эффект применения спектрального разделения стволов. Экономический эффект 'от организации трехствольной ВОСП для магистрали Дамаск-Амман-Галет-Аммар составит порядка 1476 тыс.долларов.

¿г

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЩЩВДЕ РАБОТЫ:

1. Аль-Салех Моруан. Имитационное .моделирование ВОСП со спектральным разделением стволов. - М., 1989. - Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 16.II.89. - № 1610 св. - С. 44-54.

2. Аль-Салех Моруан, Шарафуадинов P.M. Оценка помехоустойчивости линейного регенератора ВОСП с СРК с учетом формы импульсов цифрового оптического сигнала. Пятое Всесоюзное совещание "Координатно-чувствительные фотоприемники и оптоэлектронные устройства на их основе": Тезисы докладов. - Барнаул, 1989. -Часть I. - С. 146-147.

3. Лихачев Н.И., Аль-Салех Моруан. Анализ некоторых кодов в ли. нш, применяемых в ВОСП. - М,, 1989. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь"

12.07.89. - № 1538 св.

4. Лихачев Н.И., Аль-Салех Моруан. Исследование влияния модового шума на мехоустойчивость ВОСП. - М., 1989. - 6 с. Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 12.07.89г. - Л 1537 св.

Подписано'В печать 5.09.90г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,0 усл.п.л. Тирах 100 экз. Заказ 382. Бесплатно.

Отдел оперативной полиграфии МИС. Москва, ул. Авиамоторная,8.