автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод и алгоритмы оценки качества передачи и обработки информации в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта

На правах рукописи

Кашин Дмитрий Игоревич

МЕТОД И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛАХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (транспорт)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 С^З 2015

Москва-2014

005559103

005559103

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ) на кафедре «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

кандидат технических наук, доцент, Казанский Николай Александрович

Докучаев Владимир Анатольевич, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский технический университет связи и информатики», кафедра «Мультимедийные сети и услуги связи», заведующий кафедрой;

Леушин Виталий Вениаминович, кандидат технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения», кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», доцент.

ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт

информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (НИИАС).

Защита состоится 18 марта 2015 года, в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.005.07 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «26» января 2015 года. Ученый секретарь ** I

диссертационного совета ' Горелик Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящее время общая протяженность железных дорог Российской Федерации составляет 85,2 тыс. км. В составе телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта насчитывается более 300 тыс. км линяй магистральной связи, в том числе свыше 70 тыс. км - волоконно-оптических сетей связи.

В соответствии с утвержденной «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» (на этапе динамического развития 2016-2030 годов) планируется интенсивное развитие всей инфраструктуры железнодорожного транспорта, существенное повышение эффективности его функционирования. Намечено строительство более 20 тыс. км новых железнодорожных линий, модернизация существующих и строительство новых волоконно-оптических сетей связи. Программой совершенствования деятельности органов управления железнодорожным транспортом намечен переход на новые телекоммуникационные технологии, включая средства связи, вычислительной техники, сбора и обработки информации.

Тенденциями дальнейшего развития сетей связи железнодорожного транспорта является передача больших объемов информации со скоростями 10 Гбит/с и выше, внедрение средств автоматизации и управления технологическими процессами, применение средств связи нового поколения и новых видов телекоммуникационных услуг.

Проектирование и техническая эксплуатация телекоммуникационных систем сопряжены с выбором технологических решений, направленных на повышение качества передачи и обработки информации в волоконно-оптических сетях связи железнодорожного транспорта. Важная роль при этом принадлежит научно-обоснованному выбору способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов, которые существенно влияют на качество передачи и обработки информации, дальность связи, скорость передачи и число организуемых оптических каналов.

Актуальной научной задачей является разработка метода и алгоритмов, позволяющих оценивать влияние способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов на качество передачи и обработки информации в высокоскоростных каналах волокогаю-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

Результаты исследований позволят на стадии проектирования волоконно-оптических сетей связи научно обосновывать выбор способов линейного кодирования и форматов модуляции сигналов для обеспечения требуемого качества передачи и обработки информации. А при организации технической эксплуатации выбирать структуры цифровых тестовых сигналов, позволяющие достоверно оценивать характеристики качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах. В рекомендациях МСЭ-Т представлены стандартные структуры цифровых тестовых сигналов без указания их практического применения при использовании различных способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов, а также влияния нелинейных свойств оптического волокна (ОВ), некогерентности источника излучения оптического сигнала. Поэтому данное направление исследований представляет большой научный интерес и практическую ценность.

Разработанный метод основан на исследовании процессов последовательного преобразования энергетических характеристик спектральной плотности мощности (СИМ) стандартных цифровых тестовых сигналов на этапах: линейного кодирования, модуляции, воздействия нелинейных искажений в OB, оптоэлектронного преобразования оптических сигналов фотоприемником. Результатами исследований являются разработанные алгоритмы и программный продукт, позволяющие оценивать качество передачи и обработки информации в каналах волоконно-оптических сетей связи на основе рассчитанных характеристики СПМ цифровых электрических и оптических тестовых сигналов.

Степень разработанности темы

Вопросам изучения энергетических характеристик электрических сигналов посвящены работы таких ученых, как Горелов Г.В., Баранов JI.A., Фомин А.Ф., Волков A.A. и др.

Большой объем исследований по изучению способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов выполнен в разные времена такими русскими и иностранными учеными, как Харкевич A.A., Слепов H.H., Прахов В.И., Убайдуллаев P.P., Winzer P.J., Essiambre R.J. и др. В этих работах исследованы особенности использования способов линейного кодирования и форматов модуляции сигналов в каналах волоконно-оптических сетях связи.

Основы теории нелинейной оптики и влияния нелинейных свойств оптического волокна на энергетические параметры сигналов изложены в научных трудах отечественных и зарубежных ученых Алферова Ж.И., Прохорова A.M., Дианова Е.М., Иванова А.Б., Фримана Р., Агравала Г., Айхлер Г.-И., Айхлер Ю., Жирара А. и др.

Работы таких русских ученых, как Убайдуллаев P.P., Бакланов И.Г., Иванов А.Б., Никульский И.Е., Наний O.E. посвящены определению характеристик качества передачи и обработки информации по цифровым каналам волоконно-оптических сетей связи.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертации является разработка метода и алгоритмов оценки качества передачи и обработки информации в высокоскоростных каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта с учетом заданных способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов.

Для достижения укачанной цели были поставлены и решены следующие научные задачи:

- обзор, анализ, систематизация и обобщение научных исследований, посвященных способам линейного кодирования и форматам модуляции электрических и оптических сигналов;

- разработка математической модели и алгоритма работы генератора стандартных цифровых тестовых сигналов, соответствующих рекомендациям МСЭ-Т 0.150-0.153;

- разработка математических моделей и алгоритмов расчета СПМ электрических цифровых тестовых сигналов фиксированной и псевдослучайной структур при использовании различных способов линейного кодирования;

- разработка математической модели расчета СПМ немодулированного оптического одномодового и многомодового сигналов;

- разработка математических моделей и алгоритмов расчета СПМ модулированных оптических сигналов для различных форматов модуляции и способов линейного кодирования;

- разработка математических моделей и алгоритмов расчета потерь мощности оптических сигналов и расчета мощности оптических шумов при воздействии на сигналы нелинейных эффектов в ОВ;

- разработка алгоритмов оценки влияния способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов на качество передачи и обработки информации в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

Объектом исследования диссертационной работы являются цифровые каналы и тракты волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

Предметом исследования диссертационной работы является оценка качества передачи и обработки информации в канатах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта с использованием цифровых тестовых сигналов.

Научная новизна диссертации

Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

- математическая модель и алгоритм работы генератора стандартных цифровых тестовых сигналов, соответствующих рекомендациям МСЭ-Т 0.150 - 0.153;

- математические модели и алгоритмы расчета СПМ электрических цифровых тестовых сигналов фиксированной и псевдослучайной структур для различных способов линейного кодирования;

- математические модели и алгоритмы расчета СПМ модулированных оптических тестовых сигналов для различных форматов модуляции и способов линейного кодирования;

- математические модели и алгоритмы расчета СПМ модулированных оптических тестовых сигналов при воздействии на сигналы нелинейных эффектов в оптическом волокне;

- методика расчета характеристик качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта;

- рекомендации по выбору структуры цифровых тестовых сигналов, способов их линейного кодирования и форматов модуляции в цифровых каналах и трактах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

Теоретическая ценность диссертации

Разработан метод и алгоритмы оценки качества передачи и обработки информации, позволяющие поэтапно моделировать и исследовать процессы формирования и преобразования спектральных характеристик цифровых тестовых сигналов стандартных фиксированных и псевдослучайных структур при воздействии на сигналы процедур линейного кодирования и модуляции, нелинейных эффектов в оптическом волокне, оптоэлектронного преобразования оптических сигналов.

Практическая ценпость диссертации

Разработаны рекомендации по выбору и использованию цифровых тестовых сигналов, линейных кодов и форматов модуляции при проектировании и организации технической эксплуатации волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

Методология и методы исследования

При выполнении исследований были использованы методы математического анализа, математического моделирования, теории вероятностей, теории кодирования, цифровой обработки сигналов.

Положения, выносимые на защиту

- структура цифровых тестовых сигналов, способы их линейного кодирования и форматы модуляции являются определяющими при оценке качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах и должны задаваться в зависимости от поставленных задач проектирования и технической эксплуатации волоконно-оптических сетей связи;

- цифровые тестовые сигналы с псевдослучайной структурой обладают лучшими показателями качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах волоконно-оптических сетей связи, чем тестовые сигналы с фиксированными структурами;

- формат фазовой модуляции оптических сигналов в сочетании с соответствующими способами линейного кодирования обеспечивает лучшие энергетические характеристики тестовым сигналам по мощности и ширине спектра по сравнению с форматом амплитудной модуляции;

- представление энергетических характеристик цифровых тестовых сигналов в частотных координатах позволяет оценивать изменение качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах при воздействии процедур преобразования, передачи и приема сигналов.

Степень достоверности диссертационной работы

Достоверность полученных результатов, основных научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, опирается на четкость и обоснованность постановок решаемых задач и корректность разработанных математических моделей и алгоритмов.

Апробация результатов диссертационной работы

Основные положения диссертации обсуждались:

- на научно-технических конференциях Неделя науки - «Наука МИИТа -транспорту» в 2009 г. (1 доклад); 2011 г. (1 доклад); 2012 г. (2 доклада); 2013 г. (3 доклада);

на 25-й Международной научно-практической конференции «Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте», г. Алушта, Украина, 2012 г. (2 доклада);

- на 2б-й Международной научно-практической конференции «Внедрение перспективных микропроцессорных систем железнодорожной автоматики и средств телекоммуникаций на базе цифровизации», г. Алушта, Украина, 2013 г. (2 доклада);

- на научно-практический конференциях «Безопасность движения поездов» МГУПС (МИИТ) в 2012 г. (1 доклад); 2013 г. (1 доклад);

- на X Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «ТгапБ-МесЬ-Ай-СЬет», МГУПС (МИИТ), 2014 г. (1 доклад).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, из которых 1 в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (включающего в себя 100 наименований), списка сокращений и условных обозначений, 3 приложений. Диссертация представлена на 141 странице, включает в себя 34 таблицы и 53 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, представлены характеристика и степень проработанности решаемых в диссертации задач. Сформулированы основные цели диссертации, приведена теоретическая и практическая значимость работы. Определены научная новизна, методология и методы исследования. Перечислены результаты работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы предложено оценивать качество передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах волоконно-оптических сетей связи на основе исследования процессов поэтапного преобразования спектральной плотности мощности (СПМ) стандартных цифровых тестовых сигналов, соответствующих рекомендациям МСЭ-Т 0.150-0.153. Произведен обзор, анализ, систематизация и обобщение результатов научных исследований в области способов линейного кодирования и использования форматов модуляции цифровых тестовых электрических и оптических сигналов.

Предложен набор возможных вариантов формирования однополярных импульсов (элементарных импульсных посылок), входящих в структуру стандартного цифрового тестового сигнала, передаваемого по цифровым каналам волоконно-оптических сетей связи (рисунок 1).

5г!И 53Ш 5^)

а) 61 В) г1

Рисунок 1. Временные диаграммы элементарных импульсных посылок

Для аналитического описания временных параметров элементарных импульсных посылок предложены следующие выражения: 5,(0 = А-ири 0<г<1ти,

(0 =

А — при О — при

О - при А — при

54(г) = 0-при 0<г<г(

Ч'.П - ' < {из

'из— ' < '/?ш

0<(<(„

Чт - ^ <

(1) (2)

(3)

(4)

Указашше временные зависимости использованы для математического описания структуры цифровых тестовых сигналов на цикле их передачи, реализованного в виде программного продукта в среде Ма111Сас1.

По результатам проведенного исследования:

- разработана классификация способов линейного кодирования, позволяющая выделять группы линейных кодов, применимых для тестирования и технической эксплуатации цифровых каналов и трактов волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта (таблица 1);

- предложена модель математического описания и алгоритмы моделирования структуры цифровых тестовых сигналов на цикле их передачи для различных способов линейного кодирования и форматов модуляции.

Во второй главе разработана методика математического моделирования и алгоритмы расчета параметров СПМ цифровых тестовых электрических сигналов фиксированных (ФС) и псевдослучайных (ПСП) структур, соответствующих рекомендациям МСЭ-Т 0.150-0153. Предложены следующие этапы моделирования и исследования СПМ цифровых тестовых сигналов в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта, представленные на рисунке 2.

В работе принято считать первичными сигналы, заданные бинарными тестовыми последовательностями без использования процедуры линейного кодирования, а вторичными сигналами - сигналы с выполнением процедуры линейного кодирования.

Рисунок 2. Этапы моделирования и исследования СПМ цифровых тестовых сигналов в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта

Разработаны математическая модель и алгоритм работы генератора цифровых тестовых сигналов псевдослучайных структур, соответствующих рекомендациям МСЭ-Т 0.150 - 0.153 (рисунок 3). Модель работы генератора тестовых сигналов реализована в среде МаЛСас!.

Рисунок 3. Алгоритм работы модели генератора цифровых тестовых сигналов псевдослучайных структур

£ ?3 - О ЧО 00 --4 Оч Ui U) - IM

Miller DME ME HDB2 HDB3 BnZS CMI AMI S S se N NRZ NRZ NRZ Наименование способа линейного кодирования

B3ZS, B6ZS, B8ZS О*. ■»J ON -J u u> Mark Space ; Модификация линейного кода

Фазовая модуляция Амплитудная модуляция Формат модуляции оптического сигнала

■jf * * * * •fc абсолютный Характеристики линейного кода

it * * * * * 4* относительный

if •й * * # алфавитный (блочный)

я * * ■К- « * * неалфавитный

# * * * * избыточный

* * * безизбыточный

* * * * * « * самосинхронизация

от

Для расчета СПМ цифрового тестового сигнала предложено использовать математический аппарат дискретного преобразования Фурье (ДПФ), который в отличие от известных преобразований (вэйвлет-преобразование и др.) обеспечивает более высокую точность и быстродействие. При расчете СПМ цифрового тестового сигнала произведены следующие вычислительные операции:

- формирование логической структуры цифрового тестового сигнала на цикле передачи в виде последовательностей единичных и нулевых символов;

- преобразование логической структуры цифрового тестового сигнала во временную модель сигнала;

- задание способа линейного кодирования цифрового тестового сигнала (таблица 1);

- выполнение временной дискретизации модели цифрового тестового сигнала и формирование двумерного массива данных (отчетов сигнала) вида [г„; 5(Г„)], и=0,1...(ЛГ-1), где N — общее количество спектральных составляющих СПМ цифрового тестового сигнала;

- расчет амплитудного спектра цифрового тестового сигнала для двумерного массива данных [(„; £(>„)] с помощью математического аппарата ДПФ;

- расчет СПМ цифрового тестового сигнала по значениям амплитудного спектра.

Сравнительную оценку СПМ предложено производить по следующим параметрам:

- ширина полосы СПМ тестового сигнала, АРС, Гц;

- полная мощность тестового сигнала в пределах ширины полосы СПМ, Рс„, мВт;

- мощность тестового сигнала в главном лепестке СПМ, Рс, мВт.

Примеры результатов расчета СПМ цифровых тестовых электрических сигналов с псевдослучайной последовательностью импульсов, описываемых полиномом вида 029+027=0, для скорости передачи 2,5 Гбит/с при использовании линейных кодов N1^ и НБВЗ представлены на рисунках 4 и 5 соответственно. Расчеты выполнены по разработанному алгоритму (рисунок 6).

9

I

1п1тп|о?18

Рисунок 4. Изображение СПМ тестового сигнала с псевдослучайной едовательностыо импульсов, описываемых полиномом вида Ь29+027=( использовании способа линейного кодирования 1ГОВЗ

Рисунок 5. Изображение СПМ тестового сигнала с псевдослучайной последовательностью импульсов, описываемых полиномом вида В2'+027=0 при использовании способа линейного кодирования N112

С

3

задание способа линейного кодирования и выбор логической структуры тестового сигнала

спектральная плотность мощности электрического тестового сигнала

С

расчет Временной структуры тестовой последовательности

выполнение процедуры линейного кодирования тестовой последовательности

выполнение дискретизации сигнала по времени

расчет амплитудного спектра электрического тестового сигнала

расчет спектральной плотности мощности электрического тестового сигнала

конец

э

Рисунок 6. Алгоритм расчета параметров СПМ цифрового тестового электрического сигнала

В таблицах 2 и 3 представлены результаты расчетов СПМ цифровых тестовых сигналов с ФС и ПСП.

_______Таблица 2

Наименование тестового сигнала с ФС Числовые значения параметров СПМ

Реп, % Рс, % Рс/ Рсп.% Гц

Чередующиеся логические единицы и нули 50,00 45,27 90,55 3,75-109

Одна логическая единица на три бита 33,33 30,12 90,35 2,50-10*

Один логический ноль на три бита 66,67 63,45 95,17 2,50-10*

Одна логическая единица на четыре бита 25,00 22,58 90,32 1,88'Ю9

Один логический ноль на четыре бита 75,00 72,58 96,77 1,88-10*

Одна логическая единица на восемь бит 12,50 11,29 90,30 9,38-10*

Один логический ноль на восемь бит 87,50 86,29 98,61 9,38-10*

Одна логическая едшпща на восемь бит 12,50 11,29 90,30 7,81-10"

Две логические единицы на восемь бит 25,00 22,58 90,32 1,56-10*

Три логические единицы на 24 бита 12,50 11,29 90,31 1,15-10"

Таблица 3

Вид полинома, описывающего структуру ПСП Числовые значения параметров СПМ

Рсп,% Рс,% Рс/Рсп% ЛРС, Гц

Б* + О3 = 0 44,00 40,93 93,02 1,1-10"

о" + о" = о 44,00 41,65 94,67 7,0-10"

в'5 + о'4 = о 36,00 33,67 93,53 9,0-10"

24,00 22,06 91,92 9,010"

ош + тУ = о 52,00 48,90 94,05 1,5-10"

48,00 45,65 95,11 7,0-10"

ТУ + ъР^О 32,00 29,68 92,75 7,0-10"

Ъ" +Vм = 0 16,00 14,84 92,73 3,010"

Показано, что наибольшей полной мощностью обладают цифровые тестовые сигналы, содержащие на цикле передачи преобладающее число единичных импульсов (меандр, один логический ноль на три бита, один логический ноль на четыре бита один логический ноль на восемь бит). Наибольшей шириной спектра обладают тестовые сигналы со сбалансированной по едшпгчным и нулевым импульсам структурами (меандр, одна логическая единица на три бита и подобными).

В таблицах 4 и 5 в качестве примеров представлены рассчитанные значения параметров СПМ цифровых тестовых сигналов с ФС вида «три логические единицы на 24 бита» и ПСП, заданного полиномом вида О29 + Б27 = 0 для различных способов линейного кодирования.

Способ линейного кодирования Формат модуляции 1 шлица ч-Числовые значения параметров

Реп, % Ра % Рс/Рсп.% AFC, Гц

NRZ Амплитудная модуляция 12,50 11,29 90,31 1,15-109

NRZ-S 54,17 50,20 92,68 1,77-Ю"

NRZ-M 29,17 28,34 97,18 3,13-10*

AMI 6,04 5,46 90,37 1,56-Ю9

сш 50,50 46,41 91,90 5,1010у

HDB3 14,37 12,99 90,37 1,56-109

B3ZS 26,98 24,97 92,55 1,77-Ю9

RZ33 4,06 3,68 90,49 2,40-10ы

RZ50 6,04 5,46 90,37 1,35-10"

RZ67 8,13 7,34 90,32 1,35-10*

ME Фазовая модуляция 51,34 47,23 92,01 3,85-Ю9

DME 50,31 45,99 Г 91,41 4,48-10'

Miller 52,29 50,23 96,07 1,77 10у

Таблица 5

Способ линейного кодирования Формат модуляции Числовые значения параметров

Рсп,% Я„ % PJPc„,% AFC, Гц

NRZ Амплитудная модуляция 32,00 29,68 92,15 7,0-10*

NRZ-S 48,00 44,93 93,60 5,0-10s

NRZ-M 52,00 50,42 96,97 3,010й

AMI 15,90 14,56 91,54 1.5Ч09

CMI 48,68 45,29 93,04 2,1-Ю9

HDB3 23,80 21,70 91,17 2,5-109

B3ZS 21,80 20,07 92,06 1,9-109

RZ33 10,39 9,41 90,53 2,5-109

RZ50 15,50 14,00 90,35 1,9'109

RZ67 20,80 18,76 90,19 9,0-10"

ME Фазовая модуляция 50,79 47,18 92,89 2,7-109

DME 49,60 45,62 91,98 3,7-109

Miller 52,10 50,13 96,22 1,7-Ю9

По результатам выполненных исследований установлено, что ширина полосы СПМ цифрового тестового сигнала с ПСП сужается в среднем 1,64 раза по сравнению с шириной полосы сигнала с ФС. Линейные коды, используемые в формате фазовой модуляции, увеличивают ширину полосы СПМ вторичного сигнала по отношению к ширине полосы СПМ первичного сигнала от 2,40 до 5,30 раза. Процедура линейного кодирования расширяет ширину полосы СПМ первичного сигнала до 4,43 раза.

В третьей главе разработаны математические модели и алгоритмы расчета СПМ смодулированных и модулированных оптических тестовых сигналов для различных способов линейного кодирования и форматов модуляции. Предложена модель расчета мощности спектральных составляющих. СПМ смодулированного оптического сигнала, иллюстрация к которой оказана на рисунке 7. мВт/Гц

Щ)

PtfJ

Ht.fi

/

pifo-mi

1

P(fc-§¿í

V

\

PIM4J

\

AL

\

P(f„+§áfj

fo-Woc

fo+Щс

Гц

Рисунок 7. Иллюстрация к модели расчета мощности спектральных составляющих СПМ смодулированного оптического сигнала

Для описания формы огибающей СПМ смодулированного оптического сигнала используется Гауссова функция следующего вида:

Г

( . • ехр--—--— , мВт,

P(fjh

R/2 1 + 4 Yj ехр

М

4fj~fo)2

ÁFn,

A Fn

(5)

JJ

где:

Л¥00 - ширина полосы СПМ немодулированного оптического сигнала на уровне половинной пиковой мощности, Гц;

Рпом - полная мощность немодулированного оптического сигнала, рассчитываемая по формуле:

RI2 , .

М

(6)

Ptfoh мощность спектральной составляющей СПМ немодулированного оптического сигнала на центральной частоте/0, мВт;

P(f¡)- мощность спектральной составляющей СПМ немодулированного оптического сигнала на частоте f¡, (J¡ = fo±j 4/ое при j = 1,... R/2), мВт;

R — число спектральных составляющих немодулированного оптического сигнала в пределах AF00 отсчитываемых от/0.

4/ñc - спектральное расстояние между смежным спектральными составляющими СПМ немодулированного оптического сигнала, Гц;

На выходе модулятора формируется модулированный оптический тестовый сигнал, СПМ которого рассчитывается по алгоритму (рисунок 8).

с

3

СПМ немодутраваннога оптического сигнала; / СПМ электрического тестового сигнала / '

количество спектральных составляющих смодулированного оптического сигнала - R

j'O

_ 4

расчет СПМ модулированного оптического сигнала,-частота спектральной составляющей - fa,; мощность спектральной составляющей - Р«/

J'J ♦ 1

объединение СПМ оптических сигналов от R

спектральных составляющих j

немадулираванного оптического сигнала

/ результирующая СПМ модулированного / оптического тестового сигнала

! конец

Рисунок 8. Алгоритм расчета параметров СПМ модулированного оптического

тестового сигнала

На рисунках 9 и 10 в качестве примеров представлены изображения рассчитанных СПМ модулированных оптических тестовых сигналов для линейного кода ASK NRZ при скорости передачи 2,5 Гбит/с (одномодовый и многомодовый источники излучения оптических сигналов).

Al^IillllJllittfcAl

■iMgSSS.

Рисунок 9. Изображение СПМ модулированного оптического тестового сигнала, для линейного кода ASK NRZ и скорости передачи данных В=2,5 Гбит/с (одномодовый источник излучения)

Рисунок 10. Изображение СПМ модулированного оптического тестового сигнала, для линейного кода ASK NRZ и скорости передачи данных В=2,5 Гбит/с (многомодовый источник излучения)

Установлено, что многомодовые оптические сигналы по сравнению с одномодовыми увеличивают ширину полосы частот СПМ в среднем до 6,70 раза. При этом полная мощность модулированного оптического тестового сигнала изменяется не более чем на 4%. Линейные коды NRZ-S, NRZ-M, CMI, ME, DME, Miller позволяют увеличить полную мощность модулированного оптического сигнала в 1,50-1,60 раза и уменьшить ширину полосы частот СПМ в 1,50 раза. Формат фазовой модуляции оптических сигналов позволяет увеличить полную мощность модулированного оптического тестового сигнала в среднем от 1,75 до 2,40 раза по сравнению с форматом амплитудной модуляции. Наибольшая полная мощность модулированных оптических сигналов достигается при использовании линейных кодов NRZ-S, DME, Miller.

В четвертой главе разработан метод расчета характеристик качества передачи и обработки информации в цифровых каналах и трактах волоконно-оптических сетей связи (защищенность оптических сигналов от воздействия помех (А3), коэффициент битовых ошибок в цифровом тестовом сигнале (BER)) с учетом влияния нелинейных свойств оптического волокна и особенностей работы фотоприемного устройства (ФПУ) оптических сигналов. Показано, что воздействие таких нелинейных эффектов в ОВ, как Рамановское рассеяние (SRS), Брюллиэновское рассеяние (SBS), фазовая модуляция (SPM), кросс-фазовая модуляция (СРМ), четырехволновое смешение (FWM), приводит к перераспределению мощности спектральных составляющих СПМ модулированного оптического тестового сигнала и возникновению оптических шумов. Предложены модель и алгоритм расчета

мощности спектральных составляющих модулированного оптического сигнала и мощности оптических шумов на входе ФПУ Рфпу(/к)-

Уровень мощности спектральной составляющей СПМ модулированного оптического сигнала на частоте(к = 0, 1,... К-1) рассчитывается по формуле:

РФПуШ= рУк А(1эфф)~АР51К У к^ЯВЯ У к )- АР$РМ У к )- АРСРМ (/*)■ ДБм- (7)

где: р(/к) - уровень мощности спектральной составляющей СПМ модулированного оптического тестового сигнала на входе ОВ на частоте /ь дБм;

ЛрзгЛк), АрзгШк)' Арс.рмИк) - потери мощности спектральной составляющей на частоте /* при воздействии нелинейных эффектов вЙ!, ЗВБ, БРМ, СРМ соответственно, дБ;

А(Ьэфф) - потери мощности оптического сигнала при воздействии линейного затухания на эффективной длине ОВ, дБ;

1*>фф - эффективная длина ОВ, на которой проявляются наибольшие влияния нелинейных эффектов на СПМ модулированного оптического тестового сигнала, км.

Предложены математические выражения для расчета потерь мощности спектральных составляющих модулированного оптического тестового сигнала, отличающиеся от известных учетом потерь мощности на каждой спектральной составляющей СПМ. Например, расчет потерь мощности при воздействии нелинейного эффекта ЭИБ производится по формуле:

/1+1,07ехр^-Р Щ-^фф/А,, 2,07

A/>Siw(A) = 10'>g

, дБ,

(8)

а при воздействии нелинейного эффекта SBS по формуле:

APSBS if к ) =10 -ч

1

1ехр

Аэфф-(В + А/в)

-0,3, дБ,

(9)

где:

gr - коэффициент рамановского рассеяния, gr= 6-Ю"'4 м/Вт (в области длин волн 1550 нм);

gs - коэффициент бриллюэновского усиления, gg= 5 • 10"п м/Вт;

Аэфф - эффективная площадь модового пятна ОВ, мкм2;

AfB - ширина полосы бриллюэновского рассеяния AfB = 30 МГц.

Полная мощность оптического сигнала на входе ФПУ с учетом влияния нелинейных эффектов ОВ определяется выражением:

(К-1)

РС= Z^м*(Л). мВт. (10)

к=0

В диссертационной работе показано, что основными факторами, влияющими на качество передачи оптических сигналов являются оптические шумы, создаваемые эффектом четырехволнового смешения NFwm (Four Wave Mixing, FWM) и алгоритмом работы ФПУ ЫфПУ:

При расчете мощности оптического шума было принято допущение о

взаимных влияниях мощностей спектральных составляющих СПМ модулированного оптического тестового сигнала.

В предложенной модели работы ФПУ мощность оптических шумов в результате оптоэлектронного преобразования сигнала рассчитывается по формуле:

Мфпу = ^сп2 + Хчуватг + М„ерагр2 , мВт, (12)

где: Ыс„ - мощность оптического шума, обусловленного ограниченной шириной полосы пропускания сигнала через ФПУ, мВт;

^„ере/р и Нцуссте - мощности оптических шумов, обусловленные порогами перегрузки и чувствительности ФПУ, мВт.

Разработанный алгоритм расчета мощности оптических шумов, создаваемых ФПУ, представлен на рисунке 11.

В таблицах 6 и 7 приведены результаты расчетов, полученные с использованием разработанного алгоритма (рисунок 12), характеристик качества передачи и обработки цифровых тестовых сигналов в зависимости от скорости передачи данных и мощности немодулированного оптического сигнала.

_Таблица б

Способ линейного кодирования Формат модуляции Значения параметрами дБ, для скорости передачи данных В, Гбит/с Значения параметра ВЕЯ дая скорости передачи данных В, Гбит/с

2,5 10 40 2,5 10 40

NRZ 12,16 12,15 12,14 4,34-10'8 4,55- 10"s 5,0Г10"Я

NRZ-S 12,56 12,54 11,73 1,20-10"' 1,36-10"' 1,9310""

NRZ-M 11,82 11,77 10,86 2,30-Ю"5 2,74-10"3 1,72'10~*

AMI 13,46 13,45 12,88 1.44-10"" 1,51-10'" 7,10-10""

CMI Амплитудная 13,03 12,21 12,08 1,1910"ш 6,81-10"* 1,ЗГ10"а

HDB3 модуляция 13,35 13,28 13,08 6,97 10"и 7,9510"1J 4,72-10""

B3ZS 13,35 13,23 13,03 8,6810'1J 9,07-10"'J 6,88-10""

RZ33 13,82 13,81 10,21 7,84-10""> s^-io"'" 5,23-10"'

RZ 50 13,50 13,50 12,88 7,6810'14 8,1010"'4 5,73-10""

RZ67 12,89 12,89 12,79 7,58-Ю"11 7,6610"" l,58-10"'u

ME 13,49 12,63 12,52 3,94-10'" 4,56-10"ш 8,38-10"lu

DME модуляция 13,59 12,75 12,66 3,67-10"IJ 6,36-10"" 1,17-10"1U

Miller 12,66 12,62 11,33 1,04-10 s 1,26-10"s 1,3010"®

Рисунок 11. Алгоритм расчета мощности оптических шумов, создаваемых ФПУ

Таблица 7

Способ линейного кодирования Формат модуляции Значения параметра дБ, для мощности немодули-рованного оптического сигнала Р„0„„ мВт Значения параметра ВЕЯ для мощности смодулированного оптического сигнала Р„от, мВт

5 10 20 5 10 20

NRZ Амплитудная модуляция 12,15 12,63 12,88 4,55'10"8 6,53-10"9 2,05-Ю"9

NRZ-S 12,54 12,88 10,72 1,36' 10"' 3,83-10"8 2,32-10°

NRZ-M 11,77 11,88 7,42 2,74-Ю"3 2,08-10"5 1,19-10^

AMI 13,45 13,45 13,46 1,51'10"и 1,51-10"" 1,4610""

CMI 12,21 12,92 11,99 6,81-10"9 2,33-10"ш 1,42-Ш"8

HDB3 13,35 13,35 13,34 7,95' 10"" 8,02-10"и 7,8910""

B3ZS 13,35 13,34 13,34 9,07-10"" 9,1510"" 9,34-10""

RZ33 13,81 13,82 13,82 9,15-10"'" 9,18-10""' 1,85-Ю"'6

RZ50 13,50 13,50 13,50 8,1010" 8,13-Ю"14 8,02-10"'4

RZ67 12,89 12,88 13,18 7,6610" 7,74-10"" 1,4610""

ME Фазовая модуляция 12,63 13,40 12,79 4,56-10'ш 6,60-10"" 1,93-10"'"

DME 12,75 13,53 13,28 6,36-10"11 5,84-10'" 2,61-Ю-1''

Miller 12,62 12,69 9,22 1,26'10"8 9,55-10"9 1,78-10"

начала

коней

Рисунок 12. Алгоритм расчета характеристик качества передачи данных А, и ВЕК

По результатам исследований разработаны рекомендации по выбору структуры цифровых тестовых сигналов, способов их линейного кодирования и форматов модуляции на этапах проектирования и технической эксплуатации волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта:

- на этапе развертывания волоконно-оптических сетей связи целесообразно использовать цифровые тестовые сигналы с фиксированной структурой (вида меандр), либо псевдослучайной структурой с образующими полиномами низкого порядка D9+Ds=0, D"+D9=0\

- на этапе ввода в эксплуатацию волоконно-оптических сетей связи целесообразно использовать цифровые тестовые сигналы с псевдослучайной структурой с образующими полиномами высокого порядка D23 + D18 = О- D29 + D = О-D + D28 = 0;

- на этапе технической эксплуатации при функциональном тестировании высокоскоростных каналов и трактов волоконно-оптических сетей связи необходимо использовать цифровые тестовые сигналы с псевдослучайной структурой с форматом амплитудной модуляции совместно и способами линейного кодирования AMI, HDB3 RZ33, RZ50 и RZ67, либо с форматом фазовой модуляции и способами линейного кодирования ME, DME;

- при стрессовом тестировании высокоскоростных каналов и трактов волоконно-оптических сетей связи необходимо использовать цифровые тестовые сигналы с фиксированной структурой и форматом амплитудной модуляции совместно со способами линейного кодирования NRZ, NRZ-S, NRZ-M, либо форматом фазовой модуляции совместно с линейным кодом Miiler;

- для увеличения дальности передачи данных целесообразно использовать формат амплитудной модуляции совместно со способом линейного кодирования HDB3, B3ZS;

- на этапе развития волоконно-оптических сетей связи при увеличении скорости передачи данных целесообразен переход на амплитудный формат модуляции совместно со способами линейного кодирования HDB3, B3ZS либо формат фазовой модуляции, совместно со способами линейного кодирования ME, DME.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан метод оценки качества передачи и обработки информации в цифровых канатах и трактах волоконно-оптических сетей связи с учетом заданных способов линейного кодирования и форматов модуляции цифровых тестовых сигналов.

2. Разработаны алгоритмы математического описания временных структур цифровых тестовых сигналов, заданных фиксированной и псевдослучайной последовательностями импульсов, для различных способов линейного кодирования.

3. Разработана математическая модель работы генератора стандартных цифровых тестовых сигналов, позволяющая формировать временные структуры стандартных тестовых сигналов, соответствующие рекомендациям МСЭ-Т 0.150-0.153.

4. Разработана математическая модель и алгоритм расчета СПМ ■ цифровых электрических тестовых сигналов фиксированной и псевдослучайной структур, отличающаяся от известных учетом влияния стандартных способов линейного кодирования.

5. Предложено математическое описание СПМ немодулированного и модулированного оптических сигналов с учетом некогерентных свойств источника

оптического излучения, способов линейного кодирования и форматов модуляции оптических сигналов.

6. Разработаны алгоритмы расчета энергетических характеристик цифровых тестовых сигналов, учитывающие факторы влияния нелинейных свойств оптического волокна.

7. Разработаны рекомендации по научно-обоснованному выбору структур цифровых тестовых сигналов, способов их линейного кодирования и форматов модуляции в зависимости от поставленных задач проектирования и технической эксплуатации волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Кашин, Д.И. Моделирование структуры спектров оптических сигналов [Текст] / Д.И. Кашин // Системы управления и информационные технолог™, №1(55), 2014. - С. 95-98.

2. Кашин, Д.И. Расчет спектров модулированных оптических сигналов [Текст] / Д.И. Кашин // Автоматика, связь, информатика. - 2014 - №4. - С. 24-26.

3. Кашин, Д.И. Влияние спектральных характеристик оптических сигналов на качество передачи данных [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин// Информатизация и связь,№1,2014. -С. 55-57.

4. Кашин, Д.И. Расчет спектров цифровых электросигналов [Текст] /Д.И, Кашин // Мир транспорта, №2, 2014. - С. 90-97.

Работы, опубликованные в других изданиях:

5. Кашин, Д.И. Перспективы использования новых оптических волокон в сетях связи [Текст] / Д.И. Кашин // 12-я научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М., 2011. - С. VHI-1.

6. Кашин, Д.И. Методика расчета энергетических характеристик оптических сигналов [Текст] / Д.И. Кашин // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2012 «Наука МИИТа - транспорту»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М., 2012. - С. 111-64.

7. Кашин, Д.И. Методика расчета спектральных характеристик оптических сигналов [Текст] / Д.И. Кашин, Ю.А. Климов // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2012 «Наука МИИТа - транспорту»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М., 2012.-С. Ш-64-Ш-65.

8. Каппш, Д.И. Методика определения спектров первичных и вторичных сигналов [Текст] / Д.И. Кашин // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2013 «Наука МИИТа - транспорту»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М„ 2013. - С. III-6.

9. Кашин, Д.И. Расчет энергетических характеристик модулированных оптических сигналов [Текст] / Д.И. Кашин, Е.В. Матикова // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2013 «Наука МИИТа - транспорту»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М„ 2013. - С. Ш-9.

10. Кашин, Д.И. Методика определения влияния оптической среды на спектр сигнала [Текст] / Д.И. Кашин, Е.А. Юдина // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2013 «Наука МИИТа - транспорту»: сборник трудов / МГУПС (МИИТ). - М., 2013. -С. 1П-13 -III-14.

И. Кашин, Д. И. Метод расчета спектральных характеристик оптических модулированных сигналов [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 2012. - №4. - С. 111-62.

12. Катин, Д.И. Оценка качества передачи в каналах современных волоконно-оптических систем связи [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 2012. - №4. - С.47.

13. Кашин, Д.И. Оценка качества передачи в каналах современных волоконно-оптических систем связи [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 2012. - №5. - С. 38-41.

14. Кашин, Д.И. Расчет характеристик качества передачи даны при использовании различных форматов оптической модуляции [Текст] / H.A. Казанский, С.А. Федосеенков, Д.В. Рудешсо, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 2011. - №5. - С.45.

15. Кашин, Д.И. Моделирование и изучение процессов формирования спектров электрических и оптических сигналов в каналах связи современных цифровых систем передачи [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. - 2013. - №4. - С. 47.

16. Кашин, Д.И. Влияние форматов модуляции и свойств оптической среды на качество передачи в современных системах связи [Текст] / H.A. Казанский, Д.И. Кашин // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте -2013. -№4. - С. 51.

17. Кашин, Д.И. Моделирование кодированных бинарных сигналов [Текст] /H.A. Казанский, Д.И. Кашин // 13-я научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сборник трудов / МГУ ПС (МИИТ). - М„ 2012 - С XIV-169 -XIV-170.

18. Кашин, Д.И. Расчет характеристик качества в волоконно-оптических сетях связи [Текст] / Д.И. Кашин // 14-я научно-практическая конференция «Безопасность движения поездов»: сборник трудов / МГУ ПС (МИИТ). - М., 2013. - С. 18.

Кашин Дмитрий Игоревич

Метод н алгоритмы оценки качества передачи и обработки информации в каналах волоконно-оптических сетей связи железнодорожного транспорта

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать /'^0/^2.0/С-j.

Заказ fSfQ&S Объем 1,5 печ. л.

Формат 60x84 1/16 Тираж 80 экз.

127994, Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ