Моделі і методика побудови волоконно-оптичної системи передачі даних

Моделі і методика побудови волоконно-оптичної системи передачі данних

Зміст

Вступ

1. Послідовність проектування ВОСП

2. Методика інженерного розрахунку ВОСП

3. Вибір елементної бази ВОСП

3.1 Вибір типу оптичного кабелю

3.2 Вибір типів оптичних з`єднувачів та розгалужувачів

3.3 Вибір типу випромінювача

3.4 Вибір типу фотодетектора

3.5 Вибір коду сигналів в оптичному лінійному тракті

4. Розрахунок параметрів цифрових ВОСП

Додатки

Вступ

При проектуванні ВОСП необхідно, виходячи з призначення системи, сформувати вимоги, що висувають до неї.

Загальними вимогами до таких систем є такі.

1. Заданий обсяг інформації, що передається, – визначає необхідну смугу пропускання, швидкість передачі інформації, кількість еквівалентних стандартних каналів тональної частоти.

2.Завадозахищеність системи – характеризується відношенням сигнал/шум на виході оптичного приймального пристрою або ймовірністю помилки при передачі інформації.

3. Тип інформації, що передається, – цифровий чи аналоговий.

4. Відстань між кінцевими терміналами.

5. Вимоги прокладання оптичного кабелю та експлуатації системи.

6. Вимоги до малогабаритних показників, вартості системи, її надійності.

Крім цих вимог, при проектуванні систем зв`язку необхідно враховувати додаткові чинники, пов`язані із специфікою системи, що проектується. Цими чинниками можуть бути: особливості зовнішнього середовища, наявність шкідливих зовнішніх впливів, перспективи розвитку галузі зв`язку, можливості модернізації системи, можливість інтеграції з системами зв`язку вищих ступенів ієрархії, можливість інтеграції з сучасними міжнародними мережами інтегрального обслуговування.

Врахування усіх вимог потребує комплексного підходу до проблеми проектування ВОСП, цей процес є досить складним. При проектуванні можлива поява неоднозначного рішення, тоді вибір того чи іншого варіанта визначається конкретними вимогами застосування системи.

1. Послідовність проектування ВОСП

Проектування ВОСП починається з визначення вимог до системи передачі та аналізу елементної бази, яка є у наявності проектувальника. При проектуванні мереж зв`язку, інформаційно-обчислювальних мереж на основі волоконно-оптичних ліній, перш за все, визначається топологія мережі, кількість терміналів, функції системи передачі в цій мережі.

Наступнимим етапом є вибір елементної бази. Визначається спроможність смуги пропускання ОК у сумісності з джерелом випромінювання та фотодетектором забезпечити потрібну широкосмуговість для заданої відстані між прикінцевими пристроями та відомій чутливості фотодетектора для забезпечення потрібної ймовірності помилки. Визначається довжина регенераційної дільниці, кількість регенераторів, можливість просторового розділення сигналів (шляхом передачі різних сигналів по окремих оптичних волокнах). Визначається метод ущільнення – часовий або спектральний, вид модуляції.

При виборі елементної бази ВОСП потрібно провести техніко-економічне обгрунтування розробки, визначити питому вартість окремих вузлів та елементів у загальній вартості системи, тобто визначити, які складові визначають основні витрати в системі: оптичний кабель, регенератори, прикінцеві пристрої і т.ін. Наприклад, у розгалужених мережах зв`язку основні витрати пов`язані з придбанням та прокладанням оптичного кабелю, тому доцільно використовувати кабелі з низьким загасанням. При проектуванні мереж зв`язку необхідно вибирати оптимальну та гнучку топологію. Потрібно розглянути альтернативні варіанти систем для різних вікон прозорості, з використанням різних видів модуляції, лінійних кодів, різної елементної бази.

Після проведення приблизного інженерного розрахунку для різних варіантів виконується аналіз реакції системи на відхилення параметрів її структурних елементів від тих, що закладені в проекті у деяких межах, тобто визначається, як ці малі відхилення впливатимуть на параметри системи в цілому. Цей аналіз дає можливість визначити діапазон допусків на параметри елементів системи. Починати аналіз потрібно з тих елементів, що мають малий діапазон припустимих відхилень своїх параметрів.

Далі аналізуються системні вимоги, пов`язані з умовами прокладання, монтажу та експлуатації ВОСП. Цей аналіз визначає можливість використання того чи іншого типу кабелю, конструктивне виконання ПОМ та ПРОМ, забезпечення електроживлення.

На наступному етапі виконується техніко-економічне обгрунтування запропонованих варіантів, їх порівняння та вибір найбільш ефективного. Але практично неможливо забезпечити оптимальність системи з усіх параметрів, тому приймається один з найбільш прийнятних компромісних варіантів.

На рис. 1 наведена схема вибору елементів ВОСП.

При проектуванні ВОСП потрібно виконувати рекомендації МККТТ.

2. Методика інженерного розрахунку ВОСП

1. На першому етапі інженерного розрахунку ВОСП уточнюють та аналізують дані технічного завдання. Визначається швидкість передачі інформації (для цифрових систем) або смуга частот, що передається (для аналогових систем) та відповідно коефіцієнт помилки Рпом або відношення сигнал/шум. Далі виконують аналіз сигналів, що передаються системою. В цифрових системах вибирають оптимальний код, в аналогових – засіб модуляції. При проектуванні мережі зв`язку вибирають її топологію, схему розподілу даних, кількість кінцевих пристроїв. Визначається необхідна кількість проміжних пунктів: тих, що обслуговуються, а також тих, що не обслуговуються.

Рисунок 1 – Схема вибору елементів ВОСП

2. Другим етапом розрахунків є вибір оптичного кабелю. На основі номенклатури типів кабелів, що є в наявності, вибирають кабель, який відповідає призначенню системи передачі – магістральний, зоновий, для місцевого зв`язку, внутрішньооб`єктовий. Кабель також повинен найбільш повно задовольняти умовам прокладання та експлуатації.

3. Третім етапом розрахунку є вибір джерела випромінювання. При цьому враховується призначення системи, швидкість передачі або смуга частот, що передаються. На цьому етапі визначається ефективна потужність випромінювача, при цьому враховується зменшення потужності випромінювача внаслідок його деградації, а також зменшення середньої потужності внаслідок застосування того чи іншого типу коду.

4. Четвертим етапом є вибір фотодетектора. ФД повинен мати максимальну чутливість в робочому діапазоні хвиль, тип ФД (ЛФД або p-i-n) визначається швидкістю передачі системи, її призначенням.

5. П`ятим етапом є енергетичний розрахунок системи на основі технічного завдання та параметрів вибраної елементної бази. Визначаються енергетичний потенціал системи, втрати в оптичному лінійному тракті, розраховується експлуатаційний запас при заданій довжині регенераційної дільниці. Якщо експлуатаційний запас не відповідає нормі, необхідно переглянути попередні технічні рішення:

вибрати кабель з меншим загасанням;

вибрати більш потужний випромінювач;

вибрати фотодетектор, що має більшу чутливість.

При проектуванні ВОСП можливі два підходи:

визначення експлуатаційного запасу системи при заданій довжині регенераційної дільниці;

визначення довжини регенераційної дільниці при заданому експлуатаційному запасі.

6. Шостим етапом є розрахунок довжини регенераційної дільниці, що обмежується дисперсією ОВ. Якщо одержане значення не задовольняє умовам технічного завдання вибираються ОК з меншою дисперсією та випромінювач з малою шириною спектральної лінії.

7. Сьомим етапом є розрахунок швидкодії системи. Якщо швидкодія менша припустимої, потрібно вибрати менш інерційний випромінювач та фотодетектор, а також кабель з меншою дисперсією.

3. Вибір елементної бази ВОСП

3.1 Вибір типу оптичного кабелю

При виборі ОК слід виходити з таких умов:

ступеня ієрархії системи передачі, що визначає швидкість передачі;

довжини лінії зв`язку (при проектуванні мережі зв`язку – довжина її дільниць);

умови прокладання та експлуатації ОК;

наявності джерела гарантованого електроживлення.

Для ВОСП, призначених для магістральних мереж зв`язку типів «Сопка-4», «Сопка-4М», «Сопка-5», застосовується одномодовий оптичний кабель, параметри якого оптимізовані на довжинах хвиль 1,3 або 1,55 мкм. Для систем «Сопка-4М» та її імпортних аналогів доцільно використовувати ОК для третього вікна прозорості із зміщеною дисперсією. Для магістральних ВОСП доцільно використовувати кабелі типів ОМЗК, ОКЛ, а також кабелі фірми АТ&Т типів ВХС та ВХD, загасання яких не перевищує 0,4 дБ/км (=1,3 мкм) та 0,23 дБ/км (=1,55 мкм).

Для зонових ліній зв`язку найчастіше використовуються системи передачі «Сопка-3» та «Сопка-3М», але в останній час на цих лініях також використовується ВОСП «Сопка-4». Для ВОСП типів «Сопка-2», «Сопка-3» та «Сопка-3М» використовуються кабелі на основі багатомодового градієнтного волокна типів ОКЗ та ОЗК. В останній час для зонових ВОСП, також використовуються одномодові ОК, що дозволяє не встановлювати на лінії регенераційних пунктів, що не обслуговуються.

На місцевих мережах використовуються системи «Сопка-Г» (ИКМ– 480), «Сопка-2» (ИКМ–120 – 4/5). В цих системах використовуються багатомодові ОК типів ОКК та ОК.

Для систем цифрової синхронної ієрархії використовуються тільки одномодові ОВ з довжиною хвилі 1,3 та 1,55 мкм.

Тип захисних елементів ОК визначається засобом його прокладання. Для прокладання ОК в міській телефонній каналізації використовуються кабелі, що не містять броньових покриттів (голі) Для прокладання в грунті слід доцільно вибрати кабель з бронею типу Б, С або К. Для прокладання кабелів через суднохідні та сплавні річки застосовують кабелі з посиленим захистом. Ці кабелі мають декілька полімерних оболонок, гофровану алюмінієву зварну оболонку, а також броню типу К.

Якщо передбачається встановлення НРП у пунктах, що мають гарантоване електроживлення або використання автономних джерел живлення, використовується кабель, що не містить дротів дистанційного живлення. В цьому разі, якщо дозволяють умови прокладання, слід застосувати кабель, що не містить металевих елементів, тобто кабель з полімерними оболонками та бронею у вигляді скляних стрижнів – бронею типу С.

Кількість ОВ у кабелі визначається розгалуженістю мережі зв`язку, для якої призначена система, що проектується. Слід зазначити, що найменша кількість ОВ у магістральних, зонових кабелях та кабелях для місцевих мереж дорівнює 4.

Для систем, що використовуються для внутрішньооб`єктових локально-обчислювальних мереж, та мереж (системи кабельного телебачення) використовуються внутрішньооб`єктові кабелі, характеристики яких аналогічні характеристикам станційних кабелів типів ОКС та ОН. Кількість ОВ цих кабелів визначається топологією мережі та її розгалуженням.

3.2 Вибір типів оптичних з`єднувачів та розгалужувачів

Головною вимогою при виборі оптичних з`єднувачів є мале загасання з`єднувача. Для з`єднання ПОМ та ПрОМ з лінійним кабелем застосовуються станційні кабелі. Одним кінцем станційний кабель з`єднується з ПОМ (ПрОМ) – іншим – зі станційним ОК, в обох випадках застосовуються роз`ємний з`єднувач.

Роз`ємними з`єднувачами приєднується лінійний кабель до ПОМ (ПрОМ) регенератора. Роз`ємний з`єднувач повинен також зберігати мале загасання при його багатократному «приєднанні–роз`єднанні» та при зміні температури зовнішнього середовища.

Нероз`ємні з`єднання здійснюються при прокладанні ОК, коли з`єднуються будівельні довжини ОК. Існує декілька засобів з`єднання будівельних довжин ОК: склеювання, зварювання, використання імерсійних речовин. Найменше загасання досягається при використанні спеціальних автоматичних апаратів для зварювання ОВ.

У розгалужених мережах використовуються розподільники оптичної потужності. Вони повинні мати низьке загасання, необхідні для споживача коефіцієнти, що характеризують частку відгалуженої оптичної потужності. Втрати розподілу оптичної потужності в мережах з Т- розгалужувачами збільшуються пропорційно кількості абонентів. В мережах з зіркоподібними розподілювачами ці втрати пропорційні кількості кінцевих пристроїв N. Характеристики цих пристроїв наведені в [1].

3.3 Вибір типу випромінювача

На довжину регенераційної дільниці впливають такі параметри випромінювачів як ширина спектральної лінії та вихідна оптична потужність.

Тип випромінювача вибирається в залежності від швидкості передавання системи, довжини хвилі оптичної несучої. Оптична потужність випромінювача є одним з чинників, що визначає енергетичний потенціал системи. Часові характеристики випромінювача визначають швидкодійність системи.

Для систем передачі першого та другого ступенів цифрової плезіохронної ієрархії (В 34 Мбіт/с), що призначені для експлуатації на місцевих мережах зв`язку, тобто на лініях відносно невеликої протяжності доцільно застосовувати суперлімісцентний світлодіод або поверхневий світлодіод. Тип світлодіоду визначається вікном прозорості, для якого призначений вибраний ОК. Для цих же систем, що призначаються для використання на лініях зонової мережі зв`язку, доцільно застосувати інжекційний лазер.

Для систем передачі третього ступеня PDH–ієрархії (В=144 Мбіт/с) доцільно використовувати інжекційні лазери. Для підвищення надійності системи потрібно зменшувати пікову потужність випромінювача. Для запобігання часової деградації випромінювача для нього необхідно використовувати мікроохолоджувач.

Для високошвидкісних систем передачі (В>144 Мбіт/с) використовуються інжекційні лазерні випромінювачі, а також лазери із розподіленим зворотнім зв`язком та із розподіленим бреговським відбиттям. Ці випромінювачі мають малу ширину спектральної лінії (=0,1 нм), високу температурну стабільність довжини хвилі випромінювання, достатню оптичну потужність.

Для систем передачі цифрових синхронних мереж використовуються лазери із розподіленим зворотним зв`язком та розподіленим бреговським відбиттям.

Вибір лазерних випромінювачів для середньо- та високошвидкісних систем зумовлений не тільки їх оптичними характеристиками (досить велика потужність випромінювання, вузька спектральна лінія), але й їх малою інерційністю. Верхня гранична частота модуляції лазерних випромінювачів у 10–15 разів перевищує цей параметр для світлодіодів.

Для локальних інформаційно–обчислювальних мереж невеликої протяжності та внутрішньооб`єктових ліній доцільним є використання світлодіодів.

В усіх випадках спектральна характеристика випромінювача узгоджується з "вікном прозорості" оптичного кабелю.

3.4 Вибір типу фотодетектора

Чутливість фотодетектора є одним із чинників, що визначає енергетичний потенціал системи. Часові параметри ФД визначають швидкодійність системи. Чутливість фотодетектора визначає коефіцієнт помилки цифрової системи передачі.

Для низькошвидкісних систем передачі, призначених для використання на невеликих відстанях (внутрішньооб`єктові лінії, локальні мережі ЕОМ, мережі міської телефонної мережі), доцільно використовувати напівпровідникові та p-i-n фотодіоди.

Для середньошвидкісних та високошвидкісних систем передачі доцільно вибирати лавинні фотодіоди, які мають більшу інтегральну чутливість та внутрішній коефіцієнт підсилення. До того ж лавинні фотодіоди мають більшу верхню граничну частоту детектування модульованого сигналу.

В усіх випадках спектральна характеристика ФД повинна бути узгодженою з вікном прозорості оптичного кабелю.

Схема вибору елементної бази ВОСП наведена на рис.1

3.5 Вибір коду сигналів в оптичному лінійному тракті

Вибір того чи іншого коду визначається, в першу чергу, швидкістю передачі до 30 Мбіт/с та обмеженням довжини регенераційної дільниці втратами в оптичному лінійному тракті доцільно використовувати коди з поверненням до нуля (RZ), двопозиційний код (манчестерський), а також коди АМІ першого та третього класів.

При швидкості передачі від 30 до 100 Мбіт/с доцільно використовувати коди без повернення до нуля (NRZ), а також код AMI 2-го класу (DMI), блокові коди.

В системах, де швидкість передачі перевищує 100 Мбіт/с використовують блокові коди, код DMI, а при швидкостях, що наближаються до 1 ГГц – блокові коди та код RZ.

Найбільш вузькосмуговий сигнал реалізується при використанні блокового коду 5В6В.

4. Розрахунок параметрів цифрових ВОСП

При проектуванні цифрових ВОСП виникає потреба у розрахунках таких параметрів як довжина регенераційної дільниці та швидкодія системи. При проектуванні систем синхронізації мереж синхронної цифрової ієрархії також виникає необхідність визначення часу розповсюдження сигналів.

У волоконо-оптичних ЦСП довжина регенераційної дільниці обмежується двома чинниками: втратами в оптичному лінійному тракті та поширенням оптичних імпульсів, що викликається дисперсією світловодів. В загальному випадку виконуються два розрахунки довжини регенераційної дільниці, що обмежується цими чинниками та вибирається менше з одержаних значень.

Розрахунок довжини регенераційної дільниці, обмеженої загасанням оптичного сигналу

Довжина регенераційної дільниці, обмеженої втратами в оптичному лінійному тракті L_>рвт,> обмежується такими чинниками:

середньою потужністю випромінювача Р_>в>;

порогом чутливості ПРОМ Р_>оmin>;

втратами введення-виведення оптичного випромінювання _>вв>, _>вив>;

втратами у роз`ємних з`єднувачах _>рз>;

втратами у нероз’ємних з’єднувачах _>нз>;

загасанням оптичного кабелю _>к>.

На рис. 1 наведена модель волоконно-оптичного каналу, що відображає розподіл втрат на дільниці регенерації.

Рисунок 1 – Модель волоконно-оптичного каналу

Перш за все визначається енергетичний потенціал системи – різниця між ефективною потужністю оптичного випромінювання Р_>еф> ПОМ та порогом чутливості ПРОМ Р_>0min>

.

Поріг чутливості ПРОМ Р_>0min>

,

де е – заряд електрона; h – постійна планка; с – швидкість світла; η – квантова ефективність детектора; λ – довжина хвилі.

Ефективна потужність оптичного випромінювання визначається середньою потужністю джерела випромінювання, засобом кодування, температурною та часовою деградацією. Поріг чутливості ПрОМ – мінімальна середня потужність оптичного сигналу на вхідному оптичному полюсі ПрОМ, за якої забезпечується заданий коефіцієнт помилок. Середня потужність випромінювання ПОМ – середнє значення потужності оптичного випромінювання на вихідному оптичному полюсі ПОМ за заданий інтервал часу, у заданому куті та заданим струмом накачування. Ефективна потужність випромінювача повинна перевищувати всі втрати в оптичному лінійному тракті, рівень оптичної потужності на вході фотодетектора повинен бути більшим, ніж поріг чутливості Р_>0min> на деяке значення, що зветься експлуатаційним (або енергетичним) запасом. Цей запас необхідний для врахування часової деградації компонентів ВОСП, а також підвищення втрат в ОК при проведенні ремонтно-відновлювальних робіт при пошкодженнях (обривах) кабелю. Звичайно експлуатаційний запас дорівнює 6 дБ.

Визначимо ефективну потужність випромінювача

,

де Р_>в> – середня потужність оптичного випромінювача, дБп; Р_>Т> – втрати внаслідок температурної деградації; Р_>к> – втрати внаслідок кодування. При використанні кодів з поверненням до нуля Р_>к> = 6 дБ, без повернення до нуля Р_>к> = 3 дБ.

Допущення на температурну деградацію випромінювачів наведені в табл. 1.

Таблиця 1 – Допущення на температурну деградацію випромінювачів

Наявність температурної компенсації	Перепад температур, оС	Допущення на втрати, дБ
Без компенсації	>1030	4
Без компенсації	1030	2
З компенсацією	>1030	1
З компенсацією	<1030	0

Втрати під час з’єднання волоконних світловодів

Ефективність введення випромінювання у ВС визначається

,

де Р_>ВС> – потужність, яка надійшла до ВС; Р_>ВП> – потужність випромінювача.

Втрати при введенні випромінювання дорівнюють, дБ

.

Якщо діаграма спрямованості випромінювача має осьову симетрію, то втрати при введенні випромінювання визначаються

дБ,

де S_>ВП> та – площі випромінювальної частини випромінювача та ВС відповідно, m змінюється від 5 до 20 і для ЛД, і m=1 для СД.

Втрати при введенні випромінювання від лазерного діода дорівнюють

дБ,

де М – довжина випромінюючої смужки лазера, а – радіус серцевини ВС.

При з’єднанні ВС з випромінювачем, фотодетектором, за наявності повітряного зазора між світловодами виникає френелєвське відбиття, що зумовлене різницею показників заломлення середовищ. Коефіцієнт передачі з’єднання дорівнює

,

де n_>1> і n_>2> – показники заломлення середовищ.

Втрати френелєвського відбиття дорівнюють, дБ

.

При з’єднанні ВС виникають додаткові втрати, що поділяються на зовнішні та внутрішні. Зовнішні зумовлені неузгодженістю взаємного розташування ВС – розкидом параметрів ВС. Розрахункові формули для різних неузгодженостей наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Но- мер	Вид неузгодженості	Розрахункова формула
1	Радіальне зміщення а х	, дБ , дБ
2	Подовжнє зміщення 2а х	, дБ
3	n>0> Кутове зміщення θ	, дБ , дБ
4	Втрати відсутні Відхилення A Б діаметрів серцевини 2а>1 >2а>2> Втрати є А Б	, дБ
5	Невідповідність A Б апертур NA>1> > NA>2> Втрати відсутні А Б	, дБ

Втрати для одномодових ВС, де – діаметр модової плями,

– нормована частота.

Повні втрати при з’єднанні ВС визначаються сумою їх складових за квадратичним законом

. (4.13)

Розподільники оптичної потужності

Розподільники оптичної потужності (РОП) – пасивні елементи ВОСП, які використовуються в розподілених волоконно-оптичних мережах, кабельного телебачення, та повністю оптичних мережах. В загальному випадку РОП – це багатополюсний пристрій, в якому випромінювання, що подається на вхідні полюси поділяється між вихідними полюсами. РОП поділяються на селективні (чутливі до довжини хвилі оптичної носійної) та неселективні (нечутливі до довжини хвилі оптичної носійної). Основні категорії розподільників: розгалужувач, зіркоподібний розгалужувач, відгалужувач (рис. 2).

Рисунок 2 – Типи розподільників: а) розгалужувач; б) зіркоподібний розгалужувач; в) відгалужувач

Найпростішим є Т-подібний розподільник (рис. 3).

Р_>1> Р_>2>

Р_>4> Р_>3>

Рисунок 3 – Т-подібний розподільник

Т-подібний розподільник є основою для деревоподібного розгалужувача та відгалужувача. Ці розподільники мають такі параметри, дБ:

– втрати в прямому напрямку , ;

– внесені втрати , ;

– коефіцієнт відгалуження ;

– втрати відгалуження , ;

– коефіцієнт відгалуження , ;

– загасання у зворотному напрямку ,

цей параметр характеризує інтенсивність небажаного зворотного потоку, що виникає на вихідних полюсах.

Селективні розподільники використовуються в мережах з оптичним мультиплексуванням (хвилевим ущільненням) WDM. Схеми цих пристроїв наведені на рис. 4.

λ_>1> λ_>1>

Вхід λ_>2> λ_>1>, λ_>2>,…, λ_>n > λ_>1>, λ_>2>,…, λ_>n >λ_>2 >

λn Вихід λn

а) б)

Рисунок 4 – Схеми селективних розподільників: а) мультиплексор;

б) демультиплексор

Селективні розподільники мають такі параметри:

- оптичні втрати в і-му каналі на довжині λ_>і> ;

- Р_>вх> та Р_>вих >– оптична потужність на вхідному та вихідному полюсах і-го каналу;

- рівень перехресних завад між каналами ;

- загальні оптичні втрати

Енергетичний потенціал апаратури ВОСП повинен компенсувати усі втрати в оптичному лінійному тракті, тобто має місце баланс потужностей

, (*)

де _>лт> – втрати оптичного лінійного тракту на довжині регенераційної дільниці, Р_>з> – експлуатаційний запас.

Втрати в оптичному лінійному тракті дорівнюють, дБ

, (**)

де N_>рз> – кількість роз`ємних з`єднань, N_>рз> – кількість нероз`ємних з`єднань, – кілометричне загасання кабелю, L_>р> – довжина регенераційної дільниці. З (*) та (**) одержимо вираз для запасу по потужності системи, дБ

.

При розрахунках ВОСП повинна виконуватись умова

Р_>з>  6 дБ.

Враховуючи усереднені втрати нероз’ємних з’єднань на будівельній довжині кабелю (L_>р> /l_>бд>), одержимо вираз для максимальної довжини регенераційної дільниці, що обмежується втратами в оптичному лінійному тракті, км

.

Мінімальна довжина регенераційної дільниці дорівнює, км

,

де А – діапазон автоматичного регулювання підсилювання ПРОМ, дБ.

Розрахунок довжини регенераційної дільниці, обмеженої дисперсією

Обмеження швидкості передачі інформації цифрових ВОСП зумовлено такими чинниками:

інерційністю випромінювача;

інерційністю фотодетектора;

дисперсією оптичного волокна.

Для виключення впливу дисперсії, що спричиняє розширення оптичних імпульсів, на якість передачі інформації потрібне виконання умови

В 0,25/,

де В – швидкість передачі, біт/с;  – середньоквадратичне розширення імпульсу в кабелі довжиною L км, с. З цього випливає умова обмеження довжини регенераційної дільниці, км

L_>р>0,25/_>0>В

де _>0> – середньоквадратичне розширення імпульсу в кабелі довжиною 1 км, с/км.

Середньоквадратичне розширення імпульсу визначається

,

де _>мм> – міжмодова дисперсія, _>хр> – хроматична дисперсія, _>хв> – хвилеводна дисперсія, _>мат> – матеріальна дисперсія.

Для ВС із ступінчастим профілем показника заломлення міжмодова дисперсія дорівнює

,

та для ВС із градієнтним профілем показника заломлення

,

де L – довжина лінії, км; ; с – швидкість світла.

Хроматична дисперсія дорівнює

,

де – хвилеводна дисперсія, – матеріальна дисперсія; В(λ) – питома хвилеводна дисперсія; М(λ) – питома матеріальна дисперсія; Δλ – ширина спектра випромінювача,нм. Залежність питомих хвилеводної та матеріальної дисперсій від довжини хвилі оптичної носійної наведені на рис.Б.1 ( додаток Б).

Багатомодові ВС характеризуються шириною смуги пропускання за рівнем – 3дБ, який нормується на довжину лінії 1 км

та широкосмуговістю, що дорівнює добутку ширини смуги пропускання на відстань

.

Дисперсія – це погонний параметр, який вимірюється в секундах, нормується на довжину лінії, що дорівнює 1 км. Чим менше мод розповсюджується у ВС, тим менше міжмодова дисперсія.

Межа одномодового режиму ВС визначається

,

де а – радіус ВС, – довжина хвилі оптичної носійної. Кількість хвиль, які розповсюджується у багатомодовому східчастому ВС дорівнює , а в градієнтному – .

З одержаних розрахунків довжини регенераційної дільниці та вибирається менше значення.

Розрахунок швидкодії системи

Швидкодія системи визначається інерційністю електронних компонентів та розширенням імпульсів в оптичному кабелі. Швидкодія системи (нс) дорівнює.

де _>В> – швидкодія випромінювача (або передавального модуля), нс, визначається тривалістю переднього фронту імпульсу; _>ФД> – швидкодія фотодетектора.

Тривалість фронту імпульсу ПОМ _>В> визначається інерційністю джерела випромінювання та елементів схеми його накачування. Приблизно _>В> дорівнює

,

де f_>max> – максимальна частота модуляції джерела випромінювання.

Швидкодія фотодетектора приблизно дорівнює

,

де f_>гр >– гранична частота модуляції випромінювання, що приймається фотодетектором.

Швидкодія системи не повинна перевищувати припустимого значення, що визначається видом сигналу (табл. 3).

Таблиця 3 – Припустима швидкодія ВОСП

Вид сигналу	Швидкодія системи
Цифровий сигнал без повернення до нуля	0,7/В
Цифровий сигнал з поверненням до нуля	0,35/В

Примітка: В – швидкість передачі, біт/с.

ДОДАТОК А

Одиниці вимірювання та фізичні константи

Таблиця A.1 – Одиниці вимірювання

Одиниця	Символ	Параметр	Одиниця	Символ	Параметр
Метр	м	Довжина	Ампер	A	Струм
Кілограм	кг	Маса	Градус Кельвіна	°К	Температура
Секунда	с	Час	Градус Цельсія	°С	Температура
Кулон	Кл	Заряд	Фарада	Ф	Ємність
Джоуль	Дж	Енергія	Ом	Ом	Опір
Ват	Вт	Потужність	Вольт	В	Напруга
Герц	Гц	Частота	Ньютон	Н	Сила

Таблиця A.2 – Фізичні константи

Назва	Значення	Символ
Швидкість світла Постійна Планка Заряд електрона Постійна Больцмана	3 · 108 м/с 6,626 · 10-34 Дж с -1,6 · 10-19 Кл 1,38 · 10-23 Дж / °К	с h -q k

Таблиця A.3 – Префікси

Префікс	Символ	Ступінь	Префікс	Символ	Ступінь
Тера	Т	1012	Мілі	м	10-3
Гіга	Г	109	Мікро	мк	10-6
Мега	М	106	Нано	н	10-9
Кіло	К	103	Піко	п	10-12
Санті	С	102	Фемто	ф	10-15

ДОДАТОК Б

ПАСИВНІ ЕЛЕМЕНТИ ВОСП

Таблиця Б.1 – Рекомендації ITU відносно оптичних кабелів

Найменування	Рекомендація
G.651	G.652	G.653	G.654
Тип волокна	Багатомодове, градієнтне	Одномодове	Одномодове, зі зміщенням дисперсії	Одномодове (з загасанням, мінімізованим на довжину хвилі 1550 нм)
Діапазон довжин хвиль оптичної носійної λ, нм	850 або 1300	1300 або 1550	1550 або 1300	1550
Характеристики волокон
Діаметр серцевини, мкм	506%	-	-	-
Діаметр модової плями, мкм	-	(9…10)10%	(7…8,3) 10%	≈10,5 10%
Діаметр оболонки	1252,4%	1252,4%	1252,4%	1252,4%
Похибка концентрич-ності	6%	до 1 мкм	до 1 мкм	до 1 мкм
Некруглість серцевини	6%	-	-	-
Некруглість оболонки	2%	2%	2%	2%
Числова апертура	0,18…0,24	-	-	-
Коефіцієнт загасання для довжин хвиль, дБ/км
850 нм	менше 4	-	-	-
1300 нм	менше 2	менше 1,0	менше 1,0	-
1550 нм	-	менше 0,5	менше 0,5	вивчається
Питома хроматична дисперсія для довжин хвиль, пс/нм∙км
850 нм	менше 120	-	-	-
1300 нм	менше 6	3,5; 6	вивчається	-
1550 нм	-	20	3,5	20

а)

б)

Рисунок Б.1 – а) спектральна характеристика загасання кварцового ВС; б) спектральна залежність питомих дисперсій: 1 – матеріальної; 2 – хвилеводної

Таблиця Б.3 – Параметри роз’ємних оптичних з’єднувачів

Тип з’єднувача	Тип ОВ, матеріал штекера	Внесені витрати, дБ	Зворотні втрати, дБ	Кількість з’єднань –роз’єднань
РС / РС	ОМ / БМ	0,3	40	1000
ST	БМ	Кераміка	0,3	40	1000
Неірж. сталь	0,6	-	1000
Пластик	0,7		250
SC	ОМ / БМ	0,3	40	1000
VIC	ОМ	0,3	35	500
(FDDI)	БМ	0,5	38	500
СПЛАЙС	ОМ / БМ	0,2	40	-

Примітка: ОМ і БМ – одномодове та багатомодове ОВ відповідно. Сплайс – нероз’ємний механічний з’єднувач.

Таблиця Б.4 – Показники заломлення деяких середовищ

Середовище	Показник заломлення
Повітря	1
Кварц	1,4 ... 1,5
Германій	4,09
Арсенід галію	3,65
Кремній	3,46

ДОДАТОК В

Оптоелектронні елементи ВОСП

Таблиця В.1 – Типові параметри напівпровідникових джерел випромінювання

Параметр	Світловод	Лазерний діод	Одночастотний ЛД
Ширина спектра, Δλ, нм Час наростання, τ>н>, нс Смуга модуляції, МГц Ресурс роботи, год Чутливість до температури	20 ... 100 2 ... 250 < 300 105 Низька	1 ... 5 0,1 ... 1 2000 104 ... 105 Висока	< 0,2 0,05 ... 1 6000 104 ... 105 Висока

Таблиця В.2 – Типові параметри напівпровідникових фотодіодів

Матеріал	Структура	τ>н>, мс	Область спектральної чутливості, нм	S>I>, A/Bт	I>Т>, нА	М
Кремній	p– i – n	0,5	0,3 ... 1,1	0,5	1	1
Германій	p– i – n	0,1	0,5 ... 1,8	0,7	200	1
InGaAs	p– i – n	0,3	0,9 ... 1,7	0,6	10	1
Кремній Германій InGaAs	ЛФД ЛФД ЛФД	0,5 1,0 0,25	0,4 ... 1,0 1,0 ... 1,6 1,0 ... 1,7	75 35 12	15 700 100	150 50 20

Примітка: τ_>н> – час зростання переднього фронту імпульсу; S_>I> – струмова чутливість; I_>Т> – темновий струм; М – коефіцієнт лавинного множення.

ДОДАТОК Г

ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ

Таблиця Г.1 – Параметри цифрових систем РDН

Системи позначення рівня	Кількість еквівалентних каналів ТЧ	Ієрархічна швидкість передачі N біт/с	Код електричного стику
Е1	30 (32)	2,048	HDB3
Е2	120(128)	8,448	HDB3
Е3	480	34,368	HDB3
Е4	1920	139,264	CMI

Таблиця Г.2 – Параметри цифрових систем SDH

Позначення рівня системи передачі	Кількість еквівалентних каналів ТЧ	Ієрархічна швидкість передачі N біт/с	Лінійний код
STM – 1 STM – 4 STM – 16	1890 7680 36720	155,520 622,080 2488,320	CMI для електричного стику, NRZ для оптичного стику
STM – N	1890 × N	155,520 × N

ДОДАТОК Д

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

	Оптичне волокно або одномодовий кабель
	Оптичне волокно або багатомодовий кабель
	Джерело випромінювання
	Приймач випромінювання
	Передавальний оптичний пристрій
	Приймальний оптичний пристрій
	Роз’ємний оптичний з’єднувач
	Оптичний розгалужувач