автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование влияния хроматической дисперсии и попутного потока на передачу цифровых сигналов по волоконно-оптическим линиям связи

Чернов Владимир Осипович

На правах рукописи

003057031

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ И ПОПУТНОГО ПОТОКА НА ПЕРЕДАЧУ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ ПО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ЛИНИЯМ СВЯЗИ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003057031

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики (МТУСИ) на кафедре "Линии связи".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Портнов Эдуард Львович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Тамм Юрий Александрович

кандидат технических наук Меккель Андрей Максович

Ведущая организация:

ОАО «Ростелеком»

Защита состоится «17» мая 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 219.001.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Московском техническом университете связи и информатики по адресу: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д.8а, ауд. А-455.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технического университета связи и информатики.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Косичкина Т.П.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Современное общество переживает этап бурной информатизации, базирующейся на широкополосных цифровых сетях электросвязи. Основной технологией этих сетей с конца прошлого века стали волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) с системами передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), начиная с транспортного модуля СТМ-1 до СТМ-256. В России широкое внедрение таких систем началось в 1998-99 годах и к настоящему времени протяженность магистралей ВОЛС составляет сотни тысяч км.

На большинстве магистралей проложены волоконно-оптические кабели (ВОК) со стандартными оптическими волокнами (ОВ), соответствующими Рекомендации МСЭ-Т 0.652. Число ОВ в ВОК колеблется от 8 до 24 (в среднем 12), часто применяются системы передачи с модулями до СТМ-16 (скорость передачи до 2,5 Гбит/с). ВОК с 12 ОВ при использовании системы передачи с модулями СТМ-1 б обеспечивает пропускную способность 15 Гбит/с, что эквивалентно 235 тыс. каналам со скоростью 64 кбит/с. Несмотря на, казалось бы, очень большое число каналов, бурный рост междугородного и международного трафика в нашей стране за последние годы привел к тому, что уже в настоящее время на многих магистралях ВОЛС пропускная способность оказывается недостаточной. В частности, такое положение складывается на отдельных участках сверхдальней транссибирской магистрали Москва-Владивосток и одной из важнейших магистралей Москва-Санкт-Петербург и других.

Известно, что пропускная способность ВОЛС зависит от ряда факторов, в том числе хроматической дисперсии (ХД), поляризационной модовой дисперсии (ПМД), нелинейных эффектов, шумов. При этом в случае использования стандартного ОВ наиболее существенным фактором является хроматическая дисперсия.

Используют два способа повышения пропускной способности действующих магистралей ВОЛС.

Один способ предусматривает замену оборудования с временным разделением сигналов на основе модулей СТМ-1, СТМ-4, СТМ-16 на аналогичные системы с более высокой скоростью передачи - СТМ-64, СТМ-256. Другой способ заключается в использовании оборудования со спектральным разделением каналов.

Первый способ позволяет путем увеличения скорости передачи увеличивать пропускную способность в 16-64 раза в зависимости от первоначально используемого оборудования. Второй способ позволяет увеличивать пропускную способность в 40-160 раз. Выбор того или другого способа осуществляется на основе технико-экономического анализа с учетом прогнозируемой потребности в степени увеличения пропускной способности и стоимости реализации.

В данной работе исследуется первый способ. Экономичность первого способа обусловлена двумя обстоятельствами.

Во-первых, ВОЛС со стандартным ОВ имеют потенциальную возможность увеличения скорости передачи до 40 Гбит/с. Во-вторых, при этом не требуется замены оптического кабеля, а стоимость линейных сооружений составляет 50-70% общей стоимости магистрали.

Но для реализации указанной возможности оказывается необходимым уменьшить искажения, создаваемые хроматической дисперсией (ХД). Явление ХД заключается в том, что при передаче цифровых сигналов по ОВ сказывается зависимость фазовой скорости от частоты. В результате ХД передаваемые импульсы расширяются во времени, уменьшаются по амплитуде, у них появляются опережающие и запаздывающие "хвосты". Это приводит к межеимвольньш искажениям (МСИ), результатом которых является снижение помехозащищенности и рост вероятности ошибок в принимаемой информации. Для увеличения помехозащищенности и скорости передачи по магистралям со стандартным ОВ необходимо уменьшать величину искажений от ХД, что может быть достигнуто путем её компенсации. Поэтому проблема повышения помехозащищенности и, как результат, скорости передачи на действующих магистралях ВОЛС путем компенсации ХД является актуальной.

Наряду с явлением ХД, в работе исследовано явление попутного потока (ПП), которое может снижать помехозащищенность ВОЛС и увеличивать вероятность ошибок. ПП возникает в результате повторных отражений части мощности оптического излучения в местах соединения ОВ между собой и с аппаратурой систем передачи.

Исследование двух типов явлений - ХД и ПП вызвано следующими причинами:

— оба вида явлений относятся к искажениям;

— для высоких скоростей передачи искажения от ХД являются основной

причиной, ограничивающей длину регенерационного участка (РУ);

— искажения от ПП в цифровых волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) в сочетании с другими явлениями (ХД, поляризационная модовая дисперсия - ПМД, нелинейные эффекты и шумы) при передаче цифровой информации могут привести к увеличению вероятности ошибок.

Цель диссертации. Целью диссертации является разработка методик определения допустимой длины регенерационного участка магистрали BOJIC при воздействии хроматической дисперсии и попутного потока.

В соответствии с поставленной целью требуется решение следующих

задач:

— разработка для магистралей BOJ1C со стандартным OB методики определения допустимой длины РУ при воздействии ХД для используемых скоростей передачи с учетом норм на вероятность ошибок на одной длине волны (1,55 мкм);

— сравнительный анализ методов компенсации ХД и разработка рекомендаций по выбору перспективного метода компенсации ХД;

— разработка для магистралей BOJTC со стандартным OB методики определения допустимой длины РУ, исходя из действия ПП, с учетом норм на вероятность ошибок.

Состояние исследования проблемы. Вопросы хроматической дисперсии и попутного потока в ВОСП рассматривались в работах российских ученых и специалистов: Е.Б. Алексеева, A.C. Беланова, Е.М. Дианова, К.Б. Заславского, А.Б. Иванова, A.M. Меккеля, O.E. Нания, Ю.А. Тамма, И.И. Теумина, С.В. Четкина, а также зарубежных ученых и специалистов: Г. Агравала, А. Вилнера, Дж. Гауэра, Д. Маркузе, Дж. Мидвинтера, Д. Мунбаева, Г. Унгера, Р. Фримана.

В большинстве работ, рассматривающих основополагающие характеристики хроматической дисперсии и физические принципы её возникновения, при определении величины вероятности ошибки учитывается только коэффициент ошибок в зависимости от помехозащищенности. Но при этом не учитывается вероятность появления в последовательности "опасных" комбинаций уровней "1" и "О", приводящих к возникновению межсимвольных искажений и увеличению вероятности ошибок.

Вышеизложенное свидетельствует о необходимости разработки методики определения длины РУ, в которой это ограничение отсутствует.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории передачи сигналов, теории вероятностей, теории дифференциального и интегрального исчисления, математический аппарат преобразования Фурье.

Научная новизна полученных результатов

1) Разработана методика определения допустимой длины РУ ВОСП на стандартном волокне при воздействии ХД в зависимости от требований к вероятности ошибки и скорости передачи на одной длине волны (1,55 мкм).

2) Разработана методика определения допустимой длины РУ цифровых ВОСП с учетом требований к вероятности ошибки и строительной длины ВОК при воздействии попутного потока.

3) На основе анализа различных методов компенсации ХД в ВОСП на стандартном волокне показано, что весьма перспективным является метод, основанный на использовании Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом, которые обладают многими положительными качествами, в том числе: малыми габаритами, небольшим вносимым затуханием, низкой стоимостью и др.

Практическая значимость полученных результатов. Разработанная методика расчета максимально допустимой длины регенерационного участка на одной длине волны (1,55 мкм) при воздействии хроматической дисперсии, методика определения допустимой длины регенерационного участка при воздействии попутного потока, а также рекомендации по перспективным методам компенсации хроматической дисперсии используются при проектировании, строительстве и эксплуатации магистралей ВОЛС на стандартном волокне. Увеличение длины РУ позволяет значительно снизить затраты на строительство и эксплуатацию ВОЛС.

Результаты научных исследований, полученные в работе и опубликованные в научно-технических журналах и трудах конференций, используются в проектах ЗАО "Синтерра", ОАО "СЦС-Совинтел", ОАО "Транстелеком" при проектировании и реконструкции магистралей ВОЛС, а

также в учебно-методическом процессе МТУСИ в курсе "Волоконно-оптические линии связи" (курсовое и дипломное проектирование), что подтверждено соответствующими актами.

Публикации. Все основные результаты диссертации опубликованы в 17-ти печатных работах, в том числе в 14 работах - без соавторства.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях МТУСИ (2002 - 2005 годы), на международных конференциях ПТСПИ-2003 и МФИ (2002 - 2004 годы), на научных сессиях РНТОРЭС и МНТОРЭС им. A.C. Попова (2004 год), а также на двух семинарах кафедры "Оптики и спектроскопии" МГУ им. М.В. Ломоносова (2002 - 2003 годы).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика определения допустимой длины регенерационного участка ВОЛС на стандартном волокне при воздействии ХД на одной длине волны (1,55 мкм) в зависимости от скорости передачи информации и нормы на вероятность ошибок.

2. Обоснование перспективности метода компенсации ХД с применением Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом.

3. Методика определения допустимой длины РУ ВОЛС при воздействии попутного потока в зависимости от нормы на вероятность ошибок и протяженности строительной длины ВОК.

Личный вклад автора. Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х приложений. Работа содержит 128 страниц текста, 15 таблиц, 45 рисунков, список использованной литературы включает 104 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснован выбор темы диссертационной работы, сформулированы её актуальность, рассматриваемые проблемы, решаемые задачи, цель работы, состояние исследуемых проблем, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные физические принципы и проведен анализ явления хроматической дисперсии в стандартном ОВ, приводящего к межсимвольным искажениям принимаемых импульсов. Предложена модель расчета помехозащищенности от межсимвольных искажений в стандартном волокне при воздействии ХД. Разработана методика расчета длины регенерационного участка ВОСП на стандартном ОВ в зависимости от скорости передачи и заданной нормы на вероятность ошибок. Определены допустимые длины РУ при отсутствии компенсации хроматической дисперсии в стандартном волокне.

Разработанная методика расчета допустимой длины регенерационного участка ВОСП при воздействии ХД состоит из трех основных этапов:

1) определение изменения амплитуды оптического сигнала от влияния ХД;

2) определение отношения сигнал/помеха (помехозащищенности) в зависимости от скорости передачи, начальной длительности импульса, коэффициента ХД, длины РУ;

3) определение длины РУ ВОСП в зависимости от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок.

При разработке методики расчета допустимой длины РУ рассмотрена следующая модель: передаются однополярные сигналы без возвращения к нулю (БВН) или с возвращением к нулю (ВН) и осуществляется их прием методом однократного отсчета с принятием решения в середине тактового интервала. Предполагается, что:

1) приемное устройство неискажающее;

2) в оптическом тракте учитываются только искажения, создаваемые хроматической дисперсией;

3) в ВОСП используется узкополосный лазер с внешней модуляцией, что важно для предотвращения эффекта паразитной частотной модуляции (чирпирования);

4) по стандартному волокну с коэффициентом хроматической дисперсии 15-20 пс/нм-км на рабочей длине волны 1530-1565 нм передаются импульсы гауссовской формы;

5) не проводится компенсация искажений, создаваемых хроматической дисперсией;

6) передаваемые импульсы с уровнем "0" и "1" в каждый момент времени имеют одинаковую вероятность появления;

7) помехозащищенность от воздействия хроматической дисперсии на входе решающего устройства регенератора определяется амплитудой суммы "хвостов" импульсов интервалов, соседних с рассматриваемым.

Наличие межсимвольных искажений при передаче сигналов по ОВ может привести к тому, что приемное устройство распознает "0" как "1", т.е. с некоторой вероятностью произойдет ошибка.

Этап 1. Исходными при определении изменения амплитуды оптического сигнала от влияния ХД являются выражения, полученные для определения максимальной амплитуды полезного сигнала, а также амплитуды помехи в конце РУ, которые представлены ниже (рис.1):

для полезного сигнала

Г2

I/ (1)

для помехи

и = , 0 ехр V о л

п2Т2 о

(2)

о й

где В - скорость передачи по ОВ, Гбит/с; п - число интервалов, на которое создающий помеху импульс отстоит от интервала, подверженного влиянию; 7"о - начальная полудлительность импульса, пс, на уровне 1/е от максимального значения мощности; = 4Рг'1 ~ дисперсионное уширение импульса по уровню 1/е, пс; I - длина регенерационного участка, км; Д - дисперсионный параметр ОВ, пс2/км (для стандартного ОВ не более 20 пс2/км).

Анализ (2) показал, что импульсы «1», расположенные в интервалах, смежных с рассматриваемым «О» (случай п-1), создают наибольшую величину помехи. При л = 1 соотношение (2) имеет вид

и

^ ехр

,2(.

^ о л

(3)

Этап 2. При выводе соотношения для определения помехозащищенности от воздействия ХД полагаем, что наибольшее влияние межсимвольных искажений имеет место, когда в обоих интервалах, смежных с рассматриваемым, передаются импульсы уровня «1», т.е. комбинация символов «101». В этом случае мощность оптической помехи при передаче по ОВ увеличивается в 2' раза, что приводит к снижению помехозащищенности на 6 дБ в точке принятия решения, по сравнению со случаями «100» и «001». С использованием (1) и (3) получено соотношение для определения помехозащищенности в ТПР, в случае действия комбинации импульсов 101:

А'3 =-1^+3 = 8,7-^+3,дБ, (4)

ВТ Г 2

I £

где Т[_ = ,/Г4 +7"4 т -полудлительность импульса, пс; Ти - полудлительность

V 0 4 ! 0

тактового интервала, пс.

На рис.2 показана зависимость величины помехозащищенности от длины РУ при различных скоростях передачи, определенная по (4).

Ь, км

Рис.2. Зависимость помехозащищенности при воздействии ХД от скорости передачи и длины РУ в случае передачи сигнала БВН

Этап 3. Определим зависимость допустимой длины РУ при воздействии ХД от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок в цифровом тракте ВОСП.

Вероятность возникновения ошибки на приеме зависит от вероятности двух событий:

— вероятности р1 возникновения определенной комбинации импульсов, при которой может произойти ошибка (100, или 001, или 101);

— вероятности р2 того, что при возникновении определенной комбинации импульсов ошибка произойдет (помехозащищенность примет значение меньше допустимого).

Вероятность возникновения каждой из тройной комбинаций равна 0,125, а значит вероятность события, заключающегося в появлении одной из двух комбинаций 001 или 100, составляет 0,25, а комбинации 101 — 0,125. Ошибка может возникнуть при одновременном выполнении двух перечисленных условий, т.е. общая вероятность ошибки рош = р\-р2.

В Рекомендаций МСЭ-Т 0.957 регламентирована допустимая величина вероятности ошибки на РУ Ю"10. Этой величине вероятности ошибки соответствует минимальная помехозащищенность порядка 16 дБ. Для того, чтобы влияние МСИ за счет ХД не снижало результирующего значения

допустимой величины помехозащищенности, тем самым увеличивая вероятность ошибки, помехозащищенность от МСИ должна быть несколько больше. Из приведенной на рис.2 зависимости следует, что пороговой помехозащищенности 16 дБ соответствуют следующие длины РУ: при скорости 2,5 Гбит/с - 580 км, 10Гбит/с-36 км и 40 Гбит/с - 2,2 км.

В современных ВОСП при использовании внешней модуляции лазера для упрощения выделения тактовой частоты в принимаемой последовательности по волокну в ряде случаев передаются сигналы формата с возвращением к нулю (ВН). Такие сигналы имеют в 2 раза большую полосу частот по сравнению с БВН и, следовательно, больше подвержены воздействию ХД. Расчеты по формулам (1) - (4) показывают, что при норме на вероятность ошибки в ВОСП Ю"10 допустимыми длинами РУ при передаче сигнала ВН являются: при скорости 2,5 Гбит/с - 420 км, 10 Гбит/с-26 км, 40 Гбит/с - 1,6 км.

Во второй главе проведен анализ результатов измерений хроматической дисперсии, выполненных с участием автора на действующих линиях без компенсации ХД (рис.3), а также результатов экспериментальных исследований BOJIC без компенсации ХД, приведенных в статьях зарубежных авторов. Проведено сравнение экспериментальных результатов с результатами теоретических исследований Главы 1. Показано, что результаты экспериментальных исследований достаточно хорошо подтверждают достоверность теоретических выводов Главы 1.

В третьей главе проведен анализ характеристик методов компенсации хроматической дисперсии стандартного волокна, определены их достоинства и недостатки, разработаны рекомендации по выбору перспективного метода компенсации ХД в стандартном волокне и выбору места установки компенсаторов. Определены допустимые длины регенерационных участков ВОСП с компенсацией ХД при применении наиболее распространенных методов - использование модулей с волокнами для компенсации хроматической дисперсии и Брэгговских волоконных решеток с линейно изменяющимся периодом. Показано, что применение компенсации ХД позволяет увеличить длину РУ до 500-600 км при скоростях передачи до 40 Гбит/с.

Результаты сравнения экспериментальных данных по искажениям от ХД при применении компенсации с результатами теоретических исследований Главы 1 приведены в табл. 1.

Анализ приведенных в табл.1 результатов показывает хорошее совпадение теории и эксперимента, а также возможность использования рассмотренных методов увеличения скорости передачи с 2,5 до 10 и даже 40 Гбит/с при длинах регенерационного участка до 500-600 км для сигналов без возвращения к нулю (БВН) и с возвращением к нулю (ВН).

Результаты сравнения характеристик различных методов компенсации ХД по совокупности параметров, полученных на основе анализа теоретических и экспериментальных данных, приведены в табл.2.

Таблица 1. Результаты сравнения теоретических и экспериментальных данных по искажениям от ХД

Л"» эксперимента Цель испытания Теоретические выводы Экспериментальные результаты

1. Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача на 509 км со скоростью 40 Гбит/с возможна (рош меньше Ю"10), если применяется компенсация ХД Рош меньше 10"'°, передача возможна

2. Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача на 500 км со скоростью 10 Гбит/с возможна только с компенсацией ХД, при этом рош меньше Ю"10 Передача со скоростью 10 Гбит/с на 500 км возможна только с компенсацией ХД, при этом рож меньше, чем Ю"10

3. Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача со скоростью 10 Гбит/с на 640 км возможна только при компенсации ХД, когда рош меньше Ю"10 Передача со скоростью 10 Гбит/с на 640 км возможна только с компенсацией ХД, при этом рсш меньше Ю"10

4. Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача со скоростью 40 Гбит/с на 140 км возможна только при компенсации ХД, когда рош меньше Ю"10 Передача с компенсацией ХД возможна, при этом рош меньше 10"'°

5. Определение возможности передачи без компенсации ХД 1. Передача без компенсации ХД со скоростью 10 Гбит/с на расстояние 110 км невозможна. 2. Максимально возможная длина участка в случае сигнала БВН составляет примерно 40 км. 1. Экспериментальная глаз-диаграмма показывает, что сигналы БВН при передаче на 110 км неразличимы, т.е. передача невозможна. 2. При передаче сигнала БВН иа 75 км требуется компенсация ХД.

Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача иа расстояние 110 км со скоростью 10 Гбит/с возможна, если применяется компенсация ХД Как видно из глаз-диаграммы, сигналы с большой степенью четкости различимы на приеме, т.е. передача возможна

6. Определение возможности передачи с компенсацией ХД Передача на расстояние 200 км со скоростью 10 Гбит/с возможна (рош меньше 10'10), если применяется компенсация ХД При применении компенсации ХД передача возможна

Таблица 2. Сравнительные характеристики методов компенсации ХД

Название \ метода Параметрах ч: и я о л ч е о 2 волокна с модами более высокого порядка Брэгговские решетки с линейно изменяющимся периодом устройства переноса составляющих спектра импульса устройства разделения спектра на две полосы устройства МВО

Полоса пропускания, нм >30 >30 30 4-5 4-5 4-5

Компенсация наклона дисперсионной кривой полная полная полная частичная частичная частичная

Вносимые потери, дБ 6 6 1-2 3 3 5

Преобразование мод нет есть нет нет нет нет

Возможность компенсации в каждом отдельном канале нет нет да нет нет да

Стоимость высокая высокая низкая высокая высокая высокая

Нелинейность высокая низкая низкая средняя средняя средняя

Широко- масштабность производства да неизвестно налаживается неизвестно неизвестно неизвестно

(ВКД - волокно для компенсации хроматической дисперсии, МВО - массив виртуальных отображений).

Сравнительный анализ методов компенсации хроматической дисперсии по совокупности параметров (табл.2) позволяет сделать вывод о достоинствах и перспективности применения компенсаторов на основе Брэгговских волоконных решеток с линейно изменяющимся периодом.

В четвертой главе рассмотрены причины возникновения 1111. Показано, как повторные отражения информационного сигнала на стыках СД и от оконечных устройств приводят к возникновению ПП.

Разработанная методика определения допустимой длины регенерационного участка при воздействии ПП состоит из следующих этапов:

1) исследование процесса возникновения попутного потока и разработка модели его образования;

2) нахождение зависимости помехозащищенности при ПП от длины

15

элементарного кабельного участка (ЭКУ) и регенерационного участка ВОСП;

3) исследование зависимости длины РУ ВОСП от строительной длины ВОК и величины вероятности ошибок.

Этап 1. Предложена модель определения допустимой помехозащищенности от искажений попутного потока (ПП) в цифровых ВОСП (рис.3). Установлено, что на снижение помехозащищенности наибольшее влияние оказывают повторные отражения от стыков смежных строительных длин ВОК.

Пер СД ссд Пр

! ис !

4........ 4........ 4........ ........ *........ ■*........ *........ 4....----

/ спп_1 _

Рис.3. Модель образования попутного потока На рис.3 приняты следующие обозначения: Пер - передатчик, усилитель, регенератор, Пр - приемник, усилитель, регенератор, СД - строительная длина, ссд - стык строительных длин, ИС - информационный сигнал, ОС - отраженный сигнал, СПП - сигнал попутного потока.

Из модели следует, что все сигналы ПП от каждого ИС одновременно приходят на конец линии, где определяется помехозащищенность от воздействия импульсов ПП. Время запаздывания импульсов ПП по отношению к информационным импульсам составляет tl=21/v, где / - строительная длина ВОК, км, v - скорость распространения света в OB, км/с (рис.4).

информационный импульс (ИИ)

импульс ПП, отраженный от первой пары стыков_

„2 Г, -2сс1

Р Рое

импульс ГШ, отраженный от (п+1) пары стыков

1г21/г

Рис.4. Временная диаграмма распределения ряда импульсов ПП, создаваемых информационным импульсом

Этап 2. Выведена формула для определения мощности сигнала ПП в точках стыка строительных длин ВОК

Рт=рг-Р0-е-'к + *>-°1, Вт, (5)

где к - номер стыка на ЭКУ (2<&<п-1); п - число строительных длин (_п=Ь Ц)\ ЬЖу - длина элементарного кабельного участка; р - коэффициент

отражения на стыках строительных длин, равный 0,023; Р0 - мощность информационного сигнала на выходе лазера, Вт; а - коэффициент затухания волокна, дБ, для стандартного волокна равный 0,22 дБ/км.

Мощность информационного сигнала в точках стыка строительных длин ВОК определяется как

Рс=Р0-е~ка', Вт. (6)

Предполагая, что в передаваемой последовательности импульсов число единиц ("1") равно числу нулей ("0"), и при этом попутный поток вызывает мешающее действие только при совпадении во времени "0" в информационном сигнале и "1" в сигнале ПП, получены выражения для определения помехозащищенности от ПП на п-2 стыках строительных длин ЭКУ и РУ в точке принятия решения, которые имеет вид

на ЭКУ АзЭКУ = 20 log Wp = 2О log

4е

2al

Р (п-2)

, дБ,

на РУ А, = АзЖУ -20 log VL =20 log

,„2o;i т ^

j дБ.

(7)

(8)

В табл.3 приведены результаты расчета по (8) значений помехозащищенности при воздействии 1Ш (Л,) в зависимости от длины РУ при минимальной строительной длине ВОК 1 км.

Таблица 3. Зависимость помехозащищенности при ПП от длины РУ

L, км 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

А,, дБ 38,3 32,2 28,7 26,2 24,2 22,6 21,3 20,1 19,1 18,2

Этап 3. Исследовано влияние ПИ на допустимую длину РУ при заданной норме на вероятность ошибок.

Вероятность события, при котором возникают искажения от ПП, равна

0.25.(комбинация J_0, где I - сигнал попутного потока, 0 - информационный сигнал).

Данные табл.3 показывают, что помехозащищенность от попутного потока даже на РУ 1000 км при строительной длине ВОК 1 км выше, чем минимально допустимая защищенность, соответствующая вероятности ошибок Ю"10: 18,2 дБ по сравнению с 16 дБ. При длинах РУ 600 км и менее помехозащищенность от ПП становится выше 20 дБ, т.е. влияние ПП сказывается незначительно.

В заключении изложены наиболее значимые результаты, полученные в диссертационной работе, а именно:

1. На основании проведенных теоретических исследований ХД в ВОК со стандартным волокном разработана методика расчета и даны рекомендации по определению допустимой длины РУ при воздействии хроматической дисперсии в зависимости от скорости передачи сигналов и допустимой вероятности ошибки на одной длине волны (1,55 мкм).

2. Проанализированы результаты экспериментов по измерениям искажений за счет ХД и их компенсации при различных скоростях передачи и длинах РУ для БВН и ВН-сигналов.

3. На основе анализа методов компенсации ХД показаны достоинства и перспективность применения компенсаторов на базе Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом.

4. Разработана методика определения допустимой длины РУ при воздействии попутного потока в цифровых ВОСП в зависимости от рекомендованной МСЭ-Т нормы на вероятность ошибки и строительной длины ВОК.

5. На основе разработанной модели влияния ПП показано, что при существующей высокой степени однородности ОВ и малых потерях от сварок в стыках СД помехозащищенность от попутного потока на РУ длиной до 1000 км (даже при самой короткой строительной длине ВОК 1 км) практически не увеличивает вероятности ошибок выше установленной в МСЭ-Т нормы Ю'10 на систему.

Список публикаций по теме диссертации

1. Чернов В.О. Затухание оптических волокон при регулярных изгибах //Электросвязь.-2001.-№11. - С. 9-10.

2. Чернов В.О. О приращении затухания оптических волокон при регулярных изгибах // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. - М.: МТУСИ, 2002. -С. 288-289.

3. Чернов В.О. Оценка защищенности от попутного потока в цифровых ВОСП // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2002. - М.: МТУСИ, 2002. -С. 116.

4. Чернов В.О. Защищенность от попутного потока в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. - 2003. - №2. - С. 30-32.

5. Наний O.E., Чернов В.О., Николаев М.Н. Вероятность ошибок за счет попутного потока в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. -2003,-№9. - С. 27-29.

6. Чернов В.О. Вопросы защищенности от попутного потока в ВОСП // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Матер, конф. - М.: МТУСИ, 2003. - Книга 2. - С. 57-58.

7. Чернов В.О. Вопросы компенсации хроматической дисперсии ВОЛС со спектральным уплотнением на основе стандартного одномодового OB // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Матер, конф. - М.: МТУ СИ, 2003. - Книга 2. -С. 58-60.

8. Портнов Э.Л., Чернов В.О. Воздействие попутного потока в цифровой волоконно-оптической системе передачи // 5-я Международная НТК "Перспективные технологии в средствах передачи информации -ПТСПИ-2003": Матер, конф.-Владимир, ВлГУ, 2003. - С. 249-251.

9. Портнов Э.Л., Чернов В.О. Защищенность от воздействия хроматической дисперсии в цифровых волоконно-оптических системах передачи // Вестник связи.-2003,-№9. - С. 97-101.

10. Чернов В.О. Воздействие хроматической дисперсии на защищенность оптических систем // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2003. -М.: МТУСИ, 2003. - С. 169-170.

П.Чернов В.О. Защищённость оптических систем от воздействия хроматической дисперсии // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. -М.: МТУСИ, 2004. - Книга 1. - С. 185-186.

12. Чернов В.О. Влияние начальной длительности импульсов на защищенность волоконно-оптических систем от межсимвольных искажений // РНТОРЭС им A.C. Попова, LIX научная сессия, посвященная Дню Радио. - Май, 2004: Тез. докл.-Книга 1. - С. 181-182.

13. Чернов В.О. К вопросу выбора метода компенсации хроматической дисперсии в волоконно-оптическом кабеле на стандартном волокне // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2004. - М.: МТУСИ, 2004. -С. 220-221.

14. Чернов В.О. Выбор места расположения устройства компенсации хроматической дисперсии // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2004.-М.: МТУСИ, 2004. - С. 222.

15. Чернов В.О. Эффективность использования существующих волоконно-оптических линий связи на стандартном волокне с применением компенсации хроматической дисперсии // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. -М.: МТУСИ, 2005. -Книга 1. - С. 168.

16. Чернов В.О. Вероятность ошибок в волоконно-оптических системах передачи // Вестник связи. - 2005. - №5. - С. 74-78.

17. Чернов В.О. Исследование влияния искажений от хроматической дисперсии и попутного потока в волоконно-оптических системах передачи // Вестник связи. - 2006. - №7. - С. 52-56.

Подписано в печать 12.04.2007 г. Исполнено 12.04.2007 г. Печать трафаретная.

Заказ № 309 Тираж: 100 экз.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 www.autoreferat.ru

Введение.

Глава 1. Анализ явления хроматической дисперсии в стандартном одномодовом оптическом волокне (ОВ) и разработка методики расчета допустимой длины регенерационного участка при её воздействии.

1.1. Физическая сущность хроматической дисперсии (ХД) и её основные характеристики.

1.2. Разработка методики расчета допустимой длины регенерационного участка ВОСП при воздействии хроматической дисперсии.

1.2.1. Процесс возникновения межсимвольных искажений за счет хроматической дисперсии.

1.2.2. Определение изменения амплитуды оптического сигнала от влияния хроматической дисперсии.

1.2.3. Определение помехозащищенности ВОСП при воздействии хроматической дисперсии в зависимости от скорости передачи, начальной длительности импульса, коэффициента ХД, а также длины РУ.

1.2.3.1. Расчет начальной длительности гауссовского импульса.

1.2.3.2. Результаты расчета помехозащищенности от воздействия ХД.

1.2.4. Исследование зависимости длины регенерационного участка в ВОСП от скорости передачи и нормы на вероятность ошибок при воздействии ХД.

Выводы по Главе 1.

Глава 2. Результаты экспериментальных исследований величин хроматической дисперсии в действующих BOJIC на стандартном волокне.

-32.1. Результаты измерений величин хроматической дисперсии на действующих BOJIC.

2.2. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю и с возвращением к нулю со скоростью 10 Гбит/с на расстояние 80 км без применения компенсации хроматической дисперсии.

Выводы к Главе 2.

Глава 3. Исследование методов компенсации хроматической дисперсии в стандартном волокне и разработка рекомендаций по эффективным методам и расположению устройств компенсации на регенерационном участке ВОСП.

3.1. Принципы компенсации хроматической дисперсии.

3.2. Классификация методов компенсации ХД и основные требования к методам.

3.3. Обзор методов компенсации ХД и их основные характеристики.

3.3.1. Компенсация ХД при помощи специального оптического волокна с отрицательной хроматической дисперсией.

3.3.2. Компенсация ХД при помощи волокна с модами более высокого порядка.

3.3.3. Компенсация хроматической дисперсии на основе Брэгговских дифракционных решеток с линейно изменяющимся периодом.

3.3.4. Компенсация ХД, основанная на переносе составляющих спектра импульса в середине регенерационного участка.

-43.3.5. Компенсация ХД, основанная на использовании устройств создания массивов виртуальных отображений.

3.3.6. Компенсация ХД путем разделения спектра на две полосы.

3.3.7. Метод компенсации ХД на основе солитонных технологий.

3.4. Выбор места расположения компенсатора.

3.5. Разработка рекомендаций по выбору перспективного метода компенсации хроматической дисперсии.

3.6. Определение длин регенерационных участков BOJ1C со стандартным волокном при применении компенсации хроматической дисперсии.

3.6.1. Использование для компенсации хроматической дисперсии модуля со специальным волокном.

3.6.2. Использование для компенсации хроматической дисперсии Брэгговской волоконной решетки с линейно-изменяющимся периодом.

3.7. Анализ результатов экспериментальных исследований по передаче сигнала в стандартном

ОВ при компенсации хроматической дисперсии.

3.7.1 Эксперимент по передаче сигналов с возвращением к нулю со скоростью 40 Гбит/с на расстояние

509 км по стандартному оптическому волокну с компенсацией хроматической дисперсии.

3.7.2. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю со скоростью 10 Гбит/с в канале по стандартному оптическому волокну на расстояние 500 км.

-53.7.3. Эксперимент по компенсации хроматической дисперсии при помощи Брэгговских волоконных решеток для передачи сигналов без возвращения к нулю на расстояние

640 км со скоростью 10 Гбит/с в каждом канале.

3.7.4. Эксперимент по передаче сигналов с возвращением к нулю на расстояние 140 км со скоростью 40 Гбит/с по стандартному оптическому волокну с использованием для компенсации хроматической дисперсии переноса составляющих спектра в середине регенерационного участка.

3.7.5. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю на расстояние 110 км со скоростью 10 Гбит/с по стандартному оптическому волокну с использованием массива виртуальных отображений.

3.7.6. Эксперимент по передаче сигналов без возвращения к нулю на расстояние 200 км со скоростью 10 Гбит/с по стандартному оптическому волокну с использованием для компенсации хроматической дисперсии деления спектра на две полосы.

Актуальность проблемы

Современное общество переживает этап бурной информатизации, базирующейся на широкополосных цифровых сетях электросвязи. Основной технологией этих сетей с конца прошлого века стали волоконно-оптические линии связи (BOJIC) с системами передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), начиная с транспортного модуля СТМ-1 до СТМ-256. В России широкое внедрение таких систем началось в 1998-99 годах и к настоящему времени протяженность магистралей BOJIC составляет сотни тысяч км.

На большинстве магистралей проложены волоконно-оптические кабели (ВОК) со стандартными оптическими волокнами (ОВ), соответствующими Рекомендации МСЭ-Т G.652 [1]. Число ОВ в ВОК колеблется от 8 до 24 (в среднем 12), часто применяются системы передачи с модулями до СТМ-16 (скорость передачи до 2,5 Гбит/с). ВОК с 12 ОВ при использовании системы передачи с модулями СТМ-16 обеспечивает пропускную способность 15 Гбит/с, что эквивалентно 235 тыс. каналам со скоростью 64 кбит/с. Несмотря на, казалось бы, очень большое число каналов, бурный рост междугородного и международного трафика в нашей стране за последние годы привел к тому, что уже в настоящее время на многих магистралях BOJ1C пропускная способность оказывается недостаточной. В частности, такое положение складывается на отдельных участках сверхдальней транссибирской магистрали Москва-Владивосток и одной из важнейших магистралей Москва-Санкт-Петербург и других.

В качестве примеров используемых модулей систем передачи на действующих магистралях приведем [2]: Самара-Оренбург — СТМ-1;

KJ

Тюмень-Сургут, Задонск-Липецк, Апостолово-Иошкар-Ола, Владимир-Ярославль, Новорождественская-Назрань — СТМ-4; Санкт-Петербургс

Луга, Владимир-Ярославль, Апостолово-Иошкар-Ола, Новорождественская-Назрань — СТМ-16.

Известно, что пропускная способность BOJIC зависит от ряда факторов, в том числе хроматической дисперсии (ХД), поляризационной модовой дисперсии (ПМД), нелинейных эффектов, шумов. При этом в случае использования стандартного ОВ наиболее существенным фактором является хроматическая дисперсия [3,4].

Используют два способа повышения пропускной способности действующих магистралей BOJIC.

Один способ предусматривает замену оборудования с временным разделением сигналов на основе модулей СТМ-1, СТМ-4, СТМ-16 на аналогичные системы с более высокой скоростью передачи — СТМ-64, СТМ-256. Другой способ заключается в использовании оборудования со спектральным разделением каналов.

Первый способ позволяет путем увеличения скорости передачи увеличивать пропускную способность в 16-64 раза в зависимости от первоначально используемого оборудования. Второй способ позволяет увеличивать пропускную способность в 40-160 раз. Выбор того или другого способа осуществляется на основе технико-экономического анализа с учетом прогнозируемой потребности в степени увеличения пропускной способности и стоимости реализации.

В данной работе исследуется первый способ.

Экономичность первого способа обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, BOJIC со стандартным ОВ в настоящее время имеют потенциальную возможность увеличения скорости передачи до 40 Гбит/с. Во-вторых, при этом не требуется замены оптического кабеля, а стоимость линейных сооружений составляет 50-70% общей стоимости магистрали.

Но для реализации указанной возможности оказывается необходимым уменьшить искажения, создаваемые хроматической дисперсией (ХД). Явление ХД заключается в том, что при передаче цифровых сигналов по ОВ сказывается зависимость фазовой скорости от частоты. В результате ХД передаваемые импульсы расширяются во времени, уменьшаются по амплитуде, у них появляются опережающие и запаздывающие "хвосты". Это приводит к межсимвольным искажениям (МСИ), результатом которых является снижение помехозащищенности и рост вероятности ошибок в передаваемой информации. Для увеличения помехозащищенности и скорости передачи магистралей со стандартным ОВ необходимо уменьшать величину искажений от ХД, что может быть достигнуто путем её компенсации. Поэтому проблема повышения помехозащищенности и, как результат, скорости передачи на действующих магистралях BOJIC путем компенсации ХД является актуальной.

Наряду с явлением ХД, в работе исследовано явление попутного потока (ПП), которое может снижать помехозащищенность BOJIC и увеличивать вероятность ошибок. ПП возникает в результате повторных отражений части мощности оптического излучения в местах соединения ОВ между собой и с аппаратурой систем передачи.

Исследование двух типов явлений - ХД и ПП вызвано следующими причинами: оба вида явлений относятся к искажениям; для высоких скоростей передачи искажения от ХД являются основной причиной, ограничивающей длину регенерационного участка (РУ); искажения от ПП в цифровых волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) в сочетании с другими явлениями (ХД, поляризационная модовая дисперсия - ПМД, нелинейные эффекты и шумы) при передаче цифровой информации могут привести к увеличению вероятности ошибок

Цель диссертации

Целью диссертации является разработка методик определения допустимой длины РУ магистрали BOJIC при воздействии хроматической дисперсии и попутного потока.

-10В соответствии с поставленной целью требуется решение следующих задач-. разработка для магистралей ВОЛС со стандартным ОВ методики определения допустимой длины регенерационного участка (РУ) при воздействии ХД для используемых скоростей передачи с учетом норм на вероятность ошибок на одной длине волны (1,55 мкм); сравнительный анализ методов компенсации ХД и разработка рекомендаций по выбору перспективного метода компенсации ХД; разработка для магистралей ВОЛС со стандартным ОВ методики определения допустимой длины РУ, исходя из действия ГШ, с учетом норм на вероятность ошибок.

Состояние исследования проблемы

Вопросы хроматической дисперсии и попутного потока в ВОСП рассматривались в работах российских ученых и специалистов: Е.Б. Алексеева, А.С. Беланова, Е.М. Дианова, К.Е. Заславского, А.Б. Иванова, A.M. Меккеля, О.Е. Нания, Ю.А. Тамма, И.И. Теумина, С.В. Четкина, а также зарубежных ученых и специалистов: Г. Агравала, А. Вилнера, Дж. Гауэра, Д. Маркузе, Дж. Мидвинтера, Д. Мунбаева, Г. Унгера, Р. Фримана.

В работах [5-8] рассматриваются основополагающие характеристики хроматической дисперсии и физические принципы её возникновения.

В [9] изложена методика расчета допустимой длины регенерационного участка ВОСП при воздействии ХД в зависимости от скорости передачи. При этом базовым ограничением, учитывающим ухудшение характеристик ВОСП при воздействии ХД, является соотношение 4BcrL<l или, что то же самое, ai < 1/4Г, где В - скорость передачи импульсов, Гбит/с, aL-среднеквадратическая полудлительность импульсов в конце линии (на выходе фотодетектора), пс, Т - длительность тактового интервала, пс. В качестве обоснования этого условия только сказано, что это "наиболее часто используемый критерий, при котором по крайней мере 95% мощности импульса остается в тактовом интервале". Эта методика использована в работах [3], [10,11].

В работе [12] приведена методика определения допустимой длины регенерационного участка в зависимости от степени раскрыва глаз-диаграммы (ГД) при воздействии в ВОСП межсимвольных искажений, создаваемых ХД. Зависимость величины межсимвольных искажений от раскрыва ГД используется в ряде работ только для качественной оценки МСИ.

В статьях [13-24], содержащих, в основном, результаты экспериментальных исследований искажений от ХД и методов её компенсации, приведены данные, которые показывают необходимость компенсации хроматической дисперсии и возможность передачи информации со скоростями до 40 Гбит/с на РУ длиной 500-600 км.

В [3], [9-11] при определении величины вероятности ошибки, являющейся одним из основных параметров, регламентируемых в МСЭ-Т, учитывается только коэффициент ошибок при заданной помехозащищенности. Но при этом не учитывается вероятность появления в последовательности "опасных" комбинаций уровней "1" и "0", приводящих к возникновению межсимвольных искажений и увеличению вероятности ошибок.

Вышеизложенное свидетельствует о необходимости разработки методики определения длины РУ, в которой это ограничение отсутствует.

Содержание работы

Основная часть работы состоит из введения, 4-х глав и заключения.

Во введении обоснован выбор темы диссертационной работы, сформулированы её актуальность, рассматриваемые проблемы, решаемые задачи, цель работы, состояние исследуемых проблем, методы исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные физические принципы и проведен анализ явления хроматической дисперсии в стандартном ОВ, приводящего к межсимвольным искажениям принимаемых импульсов. Предложена модель расчета помехозащищенности от межсимвольных искажений в стандартном волокне при воздействии ХД. Разработана методика расчета длины регенерационного участка ВОСП на стандартном ОВ в зависимости от скорости передачи и заданной нормы на вероятность ошибок. Определены допустимые длины РУ при отсутствии компенсации хроматической дисперсии в стандартном волокне.

Во второй главе приведены результаты измерения хроматической дисперсии на действующих линиях без компенсации ХД, выполненные с участием автора, а также результаты экспериментальных исследований BOJIC без компенсации ХД, полученные в зарубежных статьях. Проведено сравнение полученных результатов с результатами теоретических исследований Главы 1.

В третьей главе проведен анализ методов компенсации хроматической дисперсии стандартного волокна, рассмотрены их достоинства и недостатки, разработаны рекомендации по выбору перспективного метода компенсации ХД в стандартном волокне и выбору места установки компенсаторов. Определены допустимые длины регенерационных участков ВОСП с компенсацией ХД. Проведен анализ экспериментальных данных по компенсации хроматической дисперсии стандартного волокна, полученные в зарубежных статьях.

В четвертой главе предложена модель образования ПП в цифровых ВОСП и разработана методика определения допустимой длины РУ при ПП в зависимости от строительной длины ВОК и величины вероятности ошибок. При этом использованы результаты проведенных автором экспериментальных исследований величин отражений на стыках действующих BOJIC.

В заключении изложены наиболее значимые результаты, полученные в диссертационной работе, даны рекомендации по использованию этих результатов.

Методы исследования

При решении поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы теории передачи сигналов, теории вероятностей, теории дифференциального и интегрального исчисления, математический аппарат преобразования Фурье.

Научная новизна полученных результатов

1. Разработана методика определения допустимой длины РУ ВОСП на стандартном волокне при воздействии ХД в зависимости от требований к вероятности ошибки и скорости передачи на одной длине волны (1,55 мкм).

2. Разработана методика определения допустимой длины РУ цифровых ВОСП с учетом требований к вероятности ошибки и строительной длины ВОК при воздействии попутного потока.

3. На основе анализа различных методов компенсации ХД в ВОСП на стандартном волокне показано, что весьма перспективным является метод, основанный на использовании Брэгговских решеток с линейно-изменяющимся периодом, которые обладают многими положительными качествами, в том числе: малыми габаритами, небольшим вносимым затуханием, низкой стоимостью и др.

Практическая значимость полученных результатов

Разработанная методика расчета максимально допустимой длины регенерационного участка на одной длине волны (1,55 мкм) при воздействии хроматической дисперсии, методика определения допустимой длины регенерационного участка при воздействии попутного потока, а также рекомендации по перспективным методам компенсации хроматической дисперсии используются при проектировании, строительстве и эксплуатации магистралей BOJ1C на стандартном волокне. Увеличение длины РУ позволяет значительно снизить затраты на строительство и эксплуатацию воле.

Результаты научных исследований, полученные в работе и опубликованные в научно-технических журналах и трудах конференций, используются в проектах ЗАО "Синтерра", ОАО "СЦС-Совинтел", ОАО "Транстелеком" при проектировании и реконструкции магистралей BOJIC, а также в учебно-методическом процессе МТУСИ в курсе "Волоконно-оптические линии связи" (курсовое и дипломное проектирование), что подтверждено соответствующими актами.

Публикации

Все основные результаты диссертации опубликованы в 17-ти печатных работах, в том числе в 14 работах - без соавторства.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях ПТСПИ-2003 и МФИ (2002 - 2004 годы), на научно-технических конференциях МТУСИ (2002 - 2005 годы), на научных сессиях РНТОРЭС и МНТОРЭС им. А.С. Попова (2004 год), а также на двух семинарах кафедры "Оптики и спектроскопии" МГУ им. М.В. Ломоносова

2002-2003 годы).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика определения допустимой длины регенерационного участка BOJIC на стандартном волокне при воздействии ХД на одной длине волны (1,55 мкм) в зависимости от скорости передачи информации и нормы на вероятность ошибок.

2. Обоснование перспективности метода компенсации ХД с применением Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом.

3. Методика определения допустимой длины РУ BOJ1C при воздействии ПП в зависимости от нормы на вероятность ошибок и значения строительной длины ВОК.

Личный вклад автора

Все основные результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и 3-х

Выводы и предложения к Главе 4

1. В результате отражений информационных сигналов в местах соединения строительных длин ВОК между собой возникает последовательность запаздывающих импульсов, следующих в том же направлении, которые накладываются на последующие информационные импульсы. Это явление получило название попутного потока.

2. Предложена модель процесса образования попутного потока.

3. Разработана методика расчета допустимой длины РУ цифровых ВОСП при воздействии попутного потока.

4. Показано, что составляющие отражений на стыках строительных длин ВОК с аппаратурой пренебрежимо малы по сравнению с отражениями на стыках строительных длин ВОК между собой.

5. Полученные результаты измерений затухания на стыках строительных длин ОВ между собой и коэффициентов отражения на стыках ОВ с оконечным оборудованием показали достаточную обоснованность выбора значений этих величин при расчете помехозащищенности.

6. Установлено, что при существующей высокой степени однородности ОВ и малых потерях от сварок в стыках строительных длин помехозащищенность от попутного потока на РУ длиной до 1000 км даже при самой короткой строительной длине ВОК 1 км обеспечивает вероятность ошибок ниже установленной нормы.

7. На основании вышеизложенного сделан вывод, что при существующем качестве производства строительных длин и сварных стыков влияние ПП не увеличивает вероятности ошибок.

Заключение

В диссертационной работе рассмотрены актуальные вопросы теории искажений, возникающих при передаче цифровых сигналов в ВОСП.

В связи с тем, что в настоящее время возникла потребность увеличения пропускной способности магистралей ВОСП, появилась необходимость разработать методику расчета допустимой длины регенерационного участка с учетом ограничений по ХД при переходе от систем с модулями СТМ-1 -СТМ-16 к системам СТМ-64 и СТМ-256.

Проведено исследование двух причин искажений - хроматической дисперсии (ХД) и попутного потока (ПП). Эти искажения могут ограничивать допустимую величину РУ, что сказывается на стоимости сооружения и эксплуатации ВОСП.

Методика расчета максимально допустимой длины РУ, разработанная в диссертации, отличается от существующих тем, что при рассмотрении вопроса вероятности ошибок учитывается вероятность появления в последовательности "опасных" комбинаций смежных импульсов "1" и "О", приводящих к возникновению межсимвольных искажений.

В результате теоретических исследований получены формулы для расчета допустимой длины регенерационного участка BOJIC от скорости передачи и допустимой вероятности ошибок.

Расчет по разработанной методике показал, что допустимыми длинами РУ при норме на вероятность ошибок Ю"10 являются: для сигнала БВН со скоростью 2,5 Гбит/с на 580 км, со скоростью 10 Гбит/с на 36 км, со скоростью 40 Гбит/с на 2,2 км; для сигнала с ВН: со скоростью 2,5 Гбит/с на 420 км, со скоростью 10 Гбит/с на 26 км, со скоростью 40 Гбит/с на 1,6 км.

Достоверность полученных теоретических результатов хорошо подтверждена результатами измерений величин хроматической дисперсии, проведенных с участием автора диссертационной работы, а также анализом результатов экспериментальных исследований, опубликованных в ряде статей зарубежных авторов.

По результатам исследований допустимых длин РУ сделан вывод, что для получения протяженных длин РУ (порядка 500-600 км) при скорости передачи 10 Гбит/с и более необходимо принимать меры по уменьшению величины хроматической дисперсии. Это достигается при помощи устройств компенсации ХД. Как показывают результаты расчетов, наиболее жесткие требования к компенсации имеют место при переходе на скорость передачи 40 Гбит/с (СТМ-256).

Проведен анализ известных методов компенсации ХД. Сравнение различных методов проведено по 7 параметрам, в том числе: по вносимому затуханию, габаритам, освоенности производства и стоимости. В результате этого сравнения сделан вывод о перспективности метода с использованием Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом. Рекомендуемый метод, в частности, превосходит наиболее широко используемый метод специальных волокон для компенсации ХД в отношении габаритов, стоимости и вносимого затухания.

Проведено теоретическое исследование явления попутного потока в цифровых ВОСП, в результате которого разработана методика расчета допустимой длины регенерационного участка в зависимости от величин коэффициентов отражения на стыках строительных длин между собой, величины строительной длины ВОК и нормы на допустимую вероятность ошибок.

Экспериментально исследованы величины вносимых потерь, возникающих на стыках строительных длин ВОК между собой, а также величины коэффициентов отражений на стыках ВОК с оконечными устройствами; в результате статистической обработки результатов была подтверждена правильность выбора величин этих параметров, используемых в разработанной методике.

Определена максимально допустимая длина РУ при различных строительных длинах ВОК и нормах на вероятность ошибок. Показано, что при существующей высокой степени однородности ОВ и малых потерях от сварок в стыках СД помехозащищенность от попутного потока на РУ длиной до 1000 км даже при самой короткой строительной длине ВОК 1 км не увеличивает вероятности ошибок выше установленной в МСЭ-Т нормы Ю"10.

Основными результатами диссертационной работы являются:

1. На основании проведенных теоретических исследований явления ХД в ВОК со стандартным волокном разработана методика расчета и даны рекомендации по определению допустимой длины РУ при воздействии хроматической дисперсии в зависимости от скорости передачи сигналов и допустимой вероятности ошибки на одной длине волны (1,55 мкм).

2. Проанализированы результаты экспериментов по измерениям искажений за счет ХД и их компенсации при различных скоростях передачи и длинах РУ для БВН и ВН-сигналов.

3. На основе анализа методов компенсации ХД показаны достоинства и перспективность применения компенсаторов на базе Брэгговских решеток с линейно изменяющимся периодом.

4. Разработана методика определения допустимой длины РУ при воздействии попутного потока в цифровых ВОСП в зависимости от рекомендованной МСЭ-Т нормы на вероятность ошибки и строительной длины ВОК.

5. На основе разработанной модели влияния ПП показано, что при существующей высокой степени однородности ОВ и малых потерях от сварок в стыках СД помехозащищенность от попутного потока на РУ длиной до 1000 км (даже при самой короткой строительной длине ВОК 1 км) не увеличивает вероятности ошибок выше установленной в МСЭ-Т нормы Ю"10.

Предлагаемую в диссертационной работе методику расчета допустимой длины регенерационного участка при воздействии хроматической дисперсии рекомендуется использовать при планировании мероприятий по повышению пропускной способности действующих магистралей BOJIC на стандартном волокне путем замены аппаратуры с модулями СТМ-1. - СТМ-16 на СТМ-64 и 256. Это позволит, как показано в Приложении 1, осуществить увеличение пропускной способности наиболее экономичным способом. Разработанной методикой определения допустимой длины РУ как реконструируемых, так и вновь строящихся магистралей BOJIC, исходя из воздействия попутного потока, следует пользоваться при расчетах и проектировании с учетом ПП. Полученные результаты исследования используются в проектных и строительных организациях (см. акты об использовании в Приложении 3).

-100

1. ITU-T Recommendation G.652. Characteristics of a single-mode optical fiber cable. Geneva, 1993.

2. Кабельные линии связи. История развития в очерках и воспоминаниях. -М.: Радио и связь, 2002.

3. А.Б. Иванов. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Сайрус Системе, 1999.

4. Р. Фриман. Волоконно-оптические системы связи. М.: Техносфера, 2003.

5. Дж.Э. Мидвинтер. Волоконные световоды для передачи информации. -М.: Радио и связь, 1983.

6. Г. Агравал. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1996.

7. Дж. Гауэр. Оптические системы связи. М.: Радио и связь, 1989.

8. Г. Унгер. Оптическая связь. М.: Связь, 1979.

9. G.P. Agraval. Fiber-optic communication systems. 2nd ed. John Willey&Sons Inc., 1997.

10. Волоконная оптика. Сборник статей. М.: ВиКо, 2002.

11. К.Е. Заславский. Волоконно-оптические системы передачи со спектральным уплотнением ВОСП-WDM: Учебное пособие / Сиб. гос. университет телекомм, и информатики. Новосибирск, 2002.

12. С.В. Четкин. Межсимвольная помеха в оптических системах передачи: Учебное пособие / МТУСИ. М., 2004.

13. M.J. Li. Recent progress in fiber dispersion compensation. Proc. of ECOC'Ol, 27th European Conference on Optical Communication, Sept.30 Oct.4, RAI Congress Centre, Amsterdam, The Netherlands, 2001.

14. C.D. Poole, J.M. Wiesenfeld, D.J. DiGiovanni, A.M. Vengsarkar. Optical fiber-based dispersion compensation using higher order modes near cutoff. IEEE Journal of Lightwave Technology, v. 12, №10, p. 1746 (1994).

15. A. Djupsjobacka, O. Sahlen. Dispersion compensation by differential time delay. IEEE Journal of Lightwave Technology, v. 12, №10, p. 1849 (1994).

16. D.M. Rothnie, J.E. Midwinter. Improved standard fibre performance by positioning the dispersion compensating fibre. Electronics Letters, V.32, №20, p. 1908 (1996).

17. T. Matsuda, A. Naka, S. Saito. Comparison between NRZ and RZ signal formats for in-line amplifier transmission in the zero-dispersion regime. Journal of Lightwave Technology, v. 12, №3 (1998).

18. S.B. Alleston, P. Harper, I.S. Penketh, I. Bennion, N.J. Doran. 40 Gbit/s single channel dispersion managed pulse propagation in standard fibre over 509 km. Electronics Letters, V.35, №1, p. 57 (1999).

19. S. Matsumoto, T. Ohira, M. Takabayashi, Kiichi Yoshiara, T. Sugihara. Tunable dispersion equalizer with a divided thin-film heater for 40 Gbit/s RZ transmission. IEEE Photonics Technology Letters, v. 13, №8 (2001).

20. И.И. Теумин. Волноводы оптической связи. М.: Связь, 1978.

21. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В. Волоконно-оптические кабели и линии связи. М. Эко-Трендз, 2002.-10227. Оптические системы передачи: Учебник для ВУЗов / под. Ред. Иванова В.И. М.: Радио и Связь, 1994.

22. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник / И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, P.M. Шарафутдинов и др. М.: Радио и Связь, 1994.

23. ITU-T Recommendation G.957. Optical interfaces for equipments and systems relating to the synchronous digital hierarchy. Geneva, 1999.

24. С. Мэзон, Г. Циммерман. Электронные цепи, сигналы и системы. М.: Изд-воИЛ, 1963.

25. И.М. Рыжик, И.С. Градштейн. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. -М.: ГИФМЛ, 1962.

26. D. Marcuse. Pulse distortion in single-mode fibers. Applied Optics, v. 19, №10 (1980).

27. E.C. Вентцель. Теория вероятностей. -M.: ГИФМЛ, 1962.

28. ITU-T Recommendation G.692. Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers. Geneva, 1998.

29. D.K. Munbaev, L.L. Scheiner. Fiber Optic Communications Technology. -Prentice Hall, 2001.

30. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для ВУЗов / В.И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и др.; Под ред. В.И. Иванова. 2-е изд. -М.: Горячая линия-Телеком, 2003.

31. Н.Н. Слепов. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и Связь, 2000.

32. П.И. Пенин. Системы передачи цифровой информации. Учебное пособие для вузов. М.: «Сов. Радио», 1976.

33. А.Е. Willner. Chromatic dispersion and polarization-mode dispersion. OPN TRENDS, S-16, March 2002.

34. Стерлинг Дональд Дж. Техническое руководство по волоконной оптике: Пер. с англ. М.: Лори, 1998.

35. Optical Fiber Telecommunications / Ed. by I.P. Kaminov and T.L. Koch, Academic Press, New York, 1997.-10342. В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин. Фазовая автоподстройка частоты. М.: Связь, 1966.

36. С. Стейн, Дж. Джонс. Принципы современной теории связи и их применение к передаче дискретных сообщений. М.: Связь, 1971.

37. Перспективные телекоммуникационные технологии. Потенциальные возможности / Под. Ред. Л.Д. Реймана и Л.Е. Варакина. М.: MAC, 2001.

38. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт, 2003.

39. Barlow A.J. Chromatic dispersion tolerance gets tighter. Perkin Elmer Optoelectronics, web exclusive, September, 5,2002.

40. P.P. Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети. M. Эко-Трендз, 2000.

41. Слепов Н.Н. Параметры промышленных одномодовых оптических волокон // Вестник Связи. 1999. - №11-12.

42. Knudsen S.N. Design and manufacture of dispersion compensating fibers and their performance in systems // Tech. Dig. OFC-2002. March, Anaheim, California.

43. Наний O.E. Основы цифровых волоконно-оптических систем связи. -Lightwave, Russian edition. 2003. - №1.

44. Gruner-Nielsen L., Edvold B. Status and future promises for dispersion compensating fibers // Proc. European Conference on Optical Communications, ECOC-2002, Copengagen, Denmark. September 2002.

45. Sakamoto A. et al. Novel fabrication method for dispersion compensating grating utilizing excimer lamp (k = 172 nm) and uniform phase mask. ECOC-IOOC 2003 Proc., vol.1, Rimini, 2003.

46. A.C. Беланов, E.M. Дианов. Предельные скорости передачи информации по волоконным световодам. «Радиотехника», т.37, №2, стр.35 (1982).

47. Kapron F.P., Keck D.E. Pulse transmission through a dielectric optical waveguide. Applied Optics, v. 10, №7 (1971).

48. Беланов A.C. Тезисы докладов 1-го Всесоюзного научно-технического симпозиума «Оптическое приборостроение и голография». Львов, 1976, №6.

49. Маркузе Д. Оптические волноводы. М.: Мир, 1974.-10457. O.K. Скляров. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. М.: Солон-Р, 2001.

50. Refi J.J. Optical fiber for optical networking // Bell Labs Technical Journal. -January/March. -1999.

51. Dowdell A.E. Bit-to-the-future: emerging transport systems and optical fiber design // Lightwave. Special reports. December. - 1999.

52. Гринфилд Д. Оптические сети. К.: ООО «ТИД ДС», 2002.

53. Reinaudo Ch. Toward all optical networks // Global Industry Analyst Conference. 2001.

54. Freeman R.L. Reference manual for telecommunications engineering, 2nd edition, John Wiley&Sons, Inc. New York, Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore, 1993.

55. Мальке Г., Гессинг П. Волоконно-оптические кабели. Основы. Проектирование кабелей. Планирование систем. Новосибирск, 1997.

56. Пешков И.Б. Кабели связи и перспективы их развития. Связь в России в XXI веке. -М.: MAC, 1999.

57. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы /Сборник статей/, под. Ред. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. М.: «Connect», 2000.

58. R. Ramaswami, K.N. Sivarajan. Optical networks: A practical perspective. Morgan Kaufmann Publishers, Inc. San Francisco, California, 1998.

59. Glass A.M., DiGiovanni D.J., Strasser Th.A. Advances in fiber optics // Bell Labs Technical Journal. January/March. - 1999.

60. A.C. Аджемов, A.M. Кобленц, B.H. Гордиенко. Многоканальная электросвязь и каналообразующая аппаратура. М.: Радио и Связь, 1989.

61. Winzer P.J., Essiambre R.-J. Advanced optical modulation formats. ECOC-IOOC 2003 Proc., vol.4, Rimini, 2003.

62. Рынок оптического волокна // Фотон-экспресс. 2002. - №25.

63. Towery Ch., Dowdell А.Е. Advance optical fiber for long distance telecommunication networks. AMTC 2000. - 2000.

64. Fuller M. Fiber capacity still in excess. Lightwave, March, 2004.

65. J. George. Choosing the best media for fiber-in-the-horizontal. Cabling Installation&Maintanance, September, 2003.

66. Питерских С.Э. Оптические волокна, представленные на российском рынке и их характеристики. Lightwave, Russian edition. - 2003. - №1-2.

67. Убайдуллаев P.P. Протяженные BOJIC на основе EDFA. Lightwave, Russian edition. - 2003. - №1.

68. Наний O.E. Приемники цифровых волоконно-оптических систем связи -Lightwave, Russian edition. 2004. - № 1.

69. Волоконно-оптические системы передачи. Под. Ред. В.И. Гомзина. М.: Радио и связь, 1992.

70. R.J. Hoss, Е.А. Lacy. Fiber Optics. Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey, 1993.

71. Buck J. A. Fundamentals of optical fibers. John Willey, New York, 1995.

72. TIA/EIA FOTP-169. Chromatic dispersion measurement of single mode optical fibers by the phase shift method. Washington, DC: Telecommunication Industry Association, 1992.

73. TIA/EIA FOTP-175. Chromatic dispersion measurement of single mode optical fibers by the differential phase shift method. Washington, DC: Telecommunication Industry Association, 1992.

74. А. Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. -М.: EXFO, 2001.

75. Ch. Hentsel. Fiber Optic Handbook. Hewlett Packard, 1989.

76. Jacobs I. Optical fiber communication technology and system overview, in Fiber Optics Handbook, McGraw-Hill Companies Inc., 2002.

77. Mukherjee B. Optical Communication networks. McGraw-Hill, 1997.-10688. Чернов В.О. Затухание оптических волокон при регулярных изгибах // Электросвязь. 2001. - № 11. - С. 9-10.

78. Чернов В.О. О приращении затухания оптических волокон при регулярных изгибах И Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл. М.: МТУСИ, 2002. - С. 288-289.

79. Чернов В.О. Оценка защищенности от попутного потока в цифровых ВОСП // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2002. М.: МТУСИ, 2002. - С. 116.

80. Чернов В.О. Защищенность от попутного потока в волоконно-оптических системах передачи // Электросвязь. 2003. - №2. - С. 30-32.

81. Наний О.Е., Чернов В.О., Николаев М.Н. Вероятность ошибок за счет попутного потока в волоконно-оптических системах передачи

82. Электросвязь. 2003. - №9. - С. 27-29.

83. Чернов В.О. Вопросы защищенности от попутного потока в ВОСП // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Матер, конф. М.: МТУСИ, 2003. -Книга 2.- С. 57-58.

84. Портнов Э.Л., Чернов В.О. Воздействие попутного потока в цифровой волоконно-оптической системе передачи // 5-я Международная НТК "Перспективные технологии в средствах передачи информации -ПТСПИ-2003": Матер, конф.-Владимир, ВлГУ, 2003. С. 249-251.

85. Чернов В.О. Защищённость оптических систем от воздействия хроматической дисперсии // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тез. докл.-М.:МТУСИ,2004.-Книга 1.- С. 185-186.

86. Чернов В.О. Влияние начальной длительности импульсов на защищенность волоконно-оптических систем от межсимвольных искажений // РНТОРЭС им А.С. Попова, LIX научная сессия, посвященная Дню Радио. -Май, 2004: Тез. докл. Книга 1. - С. 181-182.

87. Чернов В.О. Выбор места расположения устройства компенсации хроматической дисперсии // Труды конференции "Телекоммуникационные и вычислительные системы" Международного форума информатизации МФИ-2004.-М.: МТУСИ, 2004. С. 222.

88. Чернов В.О. Вероятность ошибок в волоконно-оптических системах передачи // Вестник связи. 2005. - №5. - С. 74-78.

89. Чернов В.О. Исследование влияния искажений от хроматической дисперсии и попутного потока в волоконно-оптических системах передачи // Вестник связи. 2006. - №7. - С. 52-56.