РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА КАНАЛА ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Забайкальский государственный университет»
(ФГБОУ ВО ЗабГУ)
Кафедра Физики и техники связи
Методическая разработка к практическому занятию по курсу
« Проектирование, строительство и эксплуатация ВОЛС»
Чита 2018
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Приобретение практических навыков определения основных параметров каналов цифровых систем передачи путем расчета и последующего анализа глаз-диаграмм цифровых сигналов на выходе линейного тракта ВОЛП.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные к индивидуальному заданию определяются, согласно номеру зачетной книжки, следующим образом.
Длина элементарного кабельного участка (ЭКУ) волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП), L:
LЭКУ=100+mn,км, (3.1)
где m и n – предпоследняя и последняя цифра номера зачетной книжки, соответственно, а mn – составленное из них число.
Рабочая длина волны λ выбирается, согласно таблице 3.1.
Таблица 3.1
| λ,нм | |
| m -четное | 1310 |
| m -нечетное | 1550 |
Мощность на выходе источника оптического излучения (одномодовый лазерный диод), P0:
P0=(1+0,1⋅n)⋅ 
,Вт (3.2)
Ширина спектра излучения одномодового лазерного диода, ∆λ:
∆λ = 0,1⋅(4 + m + n),нм (3.3)
Уровень чувствительности фотоприемника оптической системы передачи(ОСП), pR:
|
|
|
pR= −34+2,2⋅n,дБ (3.4)
Марка стандартного одномодового оптического волокна (ОВ) со ступенчатым профилем показателя преломления и несмещенной дисперсией (стандарт G.652) определяется из таблицы 3.2.
Таблица 3.2
| n | Марка ОВ G .652 (производитель / специфи кация) |
| 0 | Alcatel 6900 |
| 1 | Alcatel 6901 (улучшенноеодномодовоеволокно) |
| 2 | Corning SMF-28TM |
| 3 | CorningSMF-28e TM |
| 4 | Optical Fiber Solutions (OFS) MC-SM 332 |
| 5 | Samsung Electronics SF-SMF-x |
| 6 | Sumitomo Electric Industries Ltd. ITU-T G.652 |
| 7 | Sumitomo Electric Industries Ltd. PureBandTM |
| 8 | Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) 268WY |
| 9 | Hitachi cable ITU-T G.652 |
Полученные исходные данные к расчету сведите в таблицу 3.3
Таблица 3.3
 Номерзачетнойкнижки
| ||
| Длина ЭКУ | LЭКУ, км | |
| Рабочk;аядлинаволны | λ,нм | |
| Мощность оптического излучения лазера | P0,мВт | |
| Ширина спектра излучения лазера | ∆λ,нм | |
| Уровеньчувствительностифотоприемника | pR,дБ | |
| Марка ОВ |
РАСЧЕТ СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ ОВ НА ЭКУ
Суммарные потери ОВ на ЭКУ AЭКУ складываются из собственных потерь ОВ, потерь в неразъемных соединениях (соединения ОВ строительных длин оптического кабеля в оптических муфтах; на протяженных ЭКУ ВОЛП выполняются с помощью сварочного аппарата (сварные соединения)) и потерь в разъемных соединениях (оптические разъемы на оконечных устройствах – оптические кроссы, а также оптические приемо/передающие модули):
|
|
|
AЭКУ=α⋅LЭКУ+anNn+ арNр,дБ (4.1)
где α - коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны λ; значение α выбирается из справочных данных Приложения 1 в зависимости от заданной марки ОВ и рабочей длины волны λ.;
LЭКУ–заданная(см.п. 3)протяженность ЭКУ;
an-максимальное значение потерь в неразъемном соединении на заданной рабочей длине волны λ, определяется из табл. 4.1;
Таблица 4.1
| Длинаволныλ, нм | Максимально допустимые потери в неразъемных соединениях | |
| 100 % соединений,aн,дБ | 50% соединений,aн, дБ | |
| 1310 нм | 0,20 | 0,10 |
| 1550 нм | 0,10 | 0,05 |
Nн–количество неразъемных соединений,определяется как
Nн= 
(4.2)
где LСД – строительная длина оптического кабеля, обычно составляет 2..6 км, в данном случае принять LСД =4 км;
ap–потери в разъемных соединениях;предполагая использования оптическихразъемов типа FC/PC, принять ap = 0,5 дБ;
Nр–количество разъемных соединений на ЭКУ,принятьNр= 4 (по2разъема наприеме /передаче – 1 на оптическом кроссе и 1 на приемопередающем модуле оптической системы передачи).
|
|
|
РАСЧЕТ ДИСПЕРСИИ ОВ НА ЭКУ
Дисперсией ОВ называют увеличение длительности оптических импульсов при их распространении по ОВ. Неодинаковая скорость распространения отдельных составляющих оптического сигнала является основной причиной дисперсии. Одномодовые оптические ОВ характеризуются хроматической и поляризационной модовой дисперсией (ПМД). Дисперсия ОВ создает переходные помехи, приводит к межсимвольным искажениям и, как следствие, ограничивает скорость передачи в линии (длину регенерационного участка).
Данный фактор искажения учитывается путем расчета дополнительных потерь (приращения уровня помех) из-за шумов межсимвольной интерференции (ISI – IntersymbolInterference), которые включают в себя перекрестные помехи и шумы синхронизации. Потери из-за ISI определяются из следующего выражения [2.12]:
aISI=101g 
,ДБ, (5.1)
где Т0 – время нарастания фронта оптического импульса на выходе источника оптического излучения от 10% до 90% его максимального значения, непосредственно связано со скоростью передачи оптического сигнала в линии:
T0= 
(5.2)
где BL – скорость передачи оптического сигнала в линии. В данной работе рассматривается применение блочного линейного кода оптического сигнала MBNВ, где М – число символов кодовой последовательности, а N – число импульсов, необходимое для передачи:
|
|
|
BL= 
B,Мбит/с, (5.3)
ВL–скорость передачи информации, соответствующая заданному уровню циф-ровой иерархии. Так, например, для передачи потоков Е1 (В=2,048 Мбит/с) и Е2 (В=8,448 Мбит/с) плезиохронной цифровой иерархии (PDH) используется блочный линейный код 1В2В. Поток Е3 (В=34,368 Мбит/с) PDH соответствует код 5В6В. Для уровней синхронной цифровой иерархии (SDH) STM-1 (В=155 Мбит/с) и выше ус-ловно принять 10В11В.
ТL–время нарастания фронта оптического импульса на выходе фотоприемникаОСП от 10% до 90% его максимального значения [2.12]:
TL = 
(5.4)
BWR–полоса пропускания фотоприемника, Гц, выбирается из условияBWR≥BL; 
–прогнозируемое среднеквадратическое значение дисперсии на ЭКУ:
(5.5)
где Dch и DPMD - значения хроматической и поляризационной модовой дисперсии на ЭКУ, соответственно.
Прогнозируемое значение хроматической дисперсии Dch на ЭКУ заданной протяженности LЭКУ определяется по следующей формуле:
Dch=D 
∆λ LЭКУ,с, (5.6)
где ∆λ – ширина спектра излучения источника, выбирается согласно исходным данным;
D–коэффициент хроматической дисперсии на заданной рабочей длине волныλ[2.12, 2.13]:
D= 
, 
(5.7)
S0–параметр наклона спектральной характеристики дисперсии ОВ в точке ну левой дисперсии 
λ0–длина волны нулевой дисперсии,нм.
Прогнозируемое значение ПМД на ЭКУ заданной протяженности [2.1 – 2.3]:
DPMD=PMD 
,с(5.8)
где PMD – параметр ПМД волокна, 
Параметры S0, λ0 и PMD выбираются из Приложения 1, в соответствие с заданной маркой ОВ.
РАСЧЕТ ГЛАЗ-ДИАГРАММЫ
Глаз-диаграмма представляет собой результат многократного наложения битовых последовательностей с выхода генератора псевдослучайной последовательности (ПСП), отображаемый на экране осциллографа в виде диаграммы распределения амплитуды сигнала по времени. Пример глаз-диаграммы представлен на рис. 6.1.
Рисунок 6.1. Глаз-диаграмма, полученная с помощью анализатора канала.
Предварительно вычислите уровень мощности на выходе источника оптического излучения:
P0=101g 
(6.1)
где P0 – заданная (см. п. 3) мощность на выходе источника оптического излучения.
Уровень мощности оптического сигнала на выходе фотоприемника ОСП определяется суммарными потерями в ОВ на ЭКУ ВОЛП а также суммарным значением дополнительных потерь, обусловленных дисперсией ОВ:
PL = P0–Aэку– аISI,ДБ (6.2)
Соответственно, мощность оптического сигнала на выходе фотоприемника ОСП:
PL= 
,мВт (6.3)
Для расчета помехозащищенности канала ЦСП необходимо также оценить мощность шума фотоприемника Pnoise. На практике фотоприемные устройства высокоскоростных ОСП проектируются таким образом, чтобы логарифм отношения полосы пропускания электрического фильтра к полосе пропускания оптического фильтра составлял не менее 2 дБ [2.8]. В этом случае выполняется следующее условие по отношению сигнал/шум:
OSNR=20 lg(Qном)+2,дБ, (6.4)
где OSNR – оптическое отношение сигнал/шум (OpticalSignal – to-NoiseRatio);
Qном–номинальное значениеQ-фактора,соответствующего нормированномукоэффициенту ошибок BERном (см. п. 7).
Согласно определению [2.1], уровень чувствительности фотоприемника ОСП – это минимальное значение уровня мощности оптического излучения в точке нормирования оптического тракта на приеме, при которых обеспечивается требуемое качество передачи цифрового оптического сигнала. С учетом вышесказанного, а также используя условие (6.4), максимальный уровень мощности шума фотоприемника Pnoiseможно оценить по следующей формуле:
Pnoise=PR−20⋅lg(Qном)−2,дБ, (6.5)
где PR – уровень чувствительности фотоприемника, дБ;
Pnoise- уровень шума фотоприемника, дБ.
Номинальные значения Q-фактора и соответствующие им нормированные коэффициенты ошибок BERном представлены в таблице 6.1.
Таблица 6.1
| BERном | 
| 
| 
| 
|
| Qном | 5,99 | 6,63 | 6,71 | 7.04 |
| Стандарт | E3 | STM-1 | STM-4 |
Очевидно, чувствительность фотоприемника и мощность шума рассчитываетсякак:
P R= 
,мВт
Pnoise= 
,мВт. (6.6)
Построение глаз-диаграммы осуществляется путем наложения отклика системы в предположении гауссовой формы импульса на передачу «изолированного» логического «0» в последовательности логических «1» (например, комбинация 101 –при 3-х символьной последовательности) [2.12].
(6.7)
и отклика системы на передачу «изолированной» логической «1» в последовательности логических «0» (например, комбинация 010 – при 3-х символьной последовательности)
(6.8)
где SL - среднеквадратическая длительность гауссова импульса на выходе фотоприемника ОСП; данная величина непосредственно связана с TL следующим соотношением:
SL= 
(6.9)
Т –интервал передачи битовой последовательности:
T=Nsymb 
τ05,с, (6.10)
где Nsymb – количество символов битовой последовательности, в данном случае принять Nsymb =3;
τ05–длительность импульса на уровне0,5от его максимума на выходе источника оптического излучения; обратно пропорциональна скорости передачи сигнала в линии:
τ05= 
(6.11)
Выполнитепостроение глаз-диаграммы в диапазоне (-2.Т; 2.Т). На диаграмме укажите мощность шума фотоприемника, а также, по возможности, чувствительность фотоприемника (если мощность сигнала на выходе фотоприемника PL и чувствительность фотоприемника PR – одного порядка). Пример построения глаз-диаграммы по результатам расчета представлен на рис. 6.2.
Pout(t),мВт
PR
Pnoiset, пс
Рисунок 6.2. Пример построения глаз-диаграммы.
РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА КАНАЛА ЦИФРОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
Фундаментальным показателем качества цифровых систем передачи является коэффициент ошибок BER. Работа цифровых систем передачи считается нормальной только в том случае, если BER не превышает определенное допустимое значение, соответствующее используемому сетевому стандарту.
Известна методика оценки коэффициента ошибок BER на основе определения Q-фактора. Q-фактор – это параметр, который непосредственно отражает качество сигнала цифровой СП. Существует определенная функциональная зависимость Q-фактора сигнала и измеряемого коэффициента ошибок BER. Q-фактор определяется путем статистической обработки результатов измерения амплитуды и фазы сигнала на электрической уровне, а именно – непосредственно по глаз-диаграмме. При этом выполняется построение функции распределения состояний «1» и «0», а для этих распределений, в предположении их Гауссовой формы, оцениваются математические ожидания состояний E1 и E0 и их среднеквадратические отклонения σ1 и σ0(рис. 7.1) .
Предварительно, для оценки параметров распределений состояний «1» и «0»,определите точку максимального раскрываглаз-диаграммы (рис. 7.2):
(7.1).
Рисунок 7.1. К оценке Q-фактора.
Рассчитайте границы раскрыва глаз-диаграммы (зоны принятия решения), соответствующие минимальной зарегистрированной мощности при передаче логической «1» P1min и максимальной зарегистрированной мощности при передаче логического«0» P0max:
P1min= 
, мВт
P 0mах= 
, мВт
Исходя из предположения гауссова распределения состояний логической «1» и логического «0», определите характеристики распределений состояний – математическое ожидание E1 и E0:
, мВт (7.3)
E0=Pnoise,мВт (7.4)
и среднеквадратическое отклонение σ1 и σ0, соответственно, воспользовавшись правилом «три сигма»:
мВт (7.5)
мВт (7.6)
Pout(t),мВт
P1min
P0max
τopen t, nс
Рисунок 7.2. К оценке параметров распределений состояний «1» и «0».
Q-фактор рассчитывается по следующей формуле:
(7.7)
При этом сам коэффициент ошибок BER определяется по следующей формуле:
BER= 
, (7.8)
где erfc – вспомогательная функция интеграла ошибок:
(7.9)
Необходимо отметить, что приближенная формула расчета BER, справедлива при значениях аргумента erfc больше 3, иными словами, только при выполнении условия:
(7.10)
ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ
В соответствие с п. 4, вычислите суммарные потери в ОВ на ЭКУ. Согласно п. 5, рассчитайте дисперсию ОВ на ЭКУ, дополнительные потери, обусловленные дисперсией, а также характеристики импульсов на выходе источника оптического излучения передающего модуля ВОЛП и выходе фотоприемника приемного модуля ВОЛП для скоростей передачи PDHE3, SDHSTM-1 и STM-4, а также GigabitEthernet. Результатырасчетапредставьте в видетабл. 8.1.
Таблица 8.1.
| № пп | Параметр | Ед. изм. | Е3 | STM-1 | STM-4 | Gigabit Ethernet |
| 1 | В | Мбит/с | 34,368 | 155 | 622 | 1000 |
| 2 | B L | Мбит/ с | ||||
| 3 | τ 05 | пс | ||||
| 4 | Т 0 | пс | ||||
| 5 | s L | пс | ||||
| 6 | Т L | пс | ||||
| 7 | D ch | пс | ||||
| 8 | D PMD | пс | ||||
| 9 | σ ЭКУ | пс | ||||
| 10 | a ISI | дБ |
Определите энергетические характеристики оптического сигнала, согласно п. 6. Результаты расчета занесите в табл. 8.2.
Таблица 8.2.
| № пп | Пара- метр | Ед. изм. | Е3 | STM-1 | STM- 4 | Gigabit Ethernet |
| 1 | p 0 | дБ | ||||
| 2 | P 0 | мВт | ||||
| 3 | p L | дБ | ||||
| 4 | P L | мВт | ||||
| 5 | p К | дБ | ||||
| 6 | P К | мВт | ||||
| 7 | p noise | дБ | ||||
| 8 | P noise | мВт | ||||
| 9 | T | пс |
Постройте четыре глаз-диаграммы в диапазоне (-2.Т; 2.Т) для каждой из заданных скоростей передачи сигнала. На диаграмме укажите мощность шума фотоприемника, а также, по возможности, чувствительность фотоприемника (если мощность сигнала на выходе фотоприемника PL и чувствительность фотоприемника PR – одного порядка). Пример построения глаз-диаграммы по результатам расчета представлен на рис. 6.2.
Согласно методике п . 7, рассчитайте показатели качества канала исследуемых цифровых ОСП заданных стандартов. Результаты расчета занесите в табл. 8.3. Сравните рассчитанные по глаз-диаграммам коэффициенты ошибок BER с номинальными допустимыми значениями BERном, соответствующие сетевым стандартам. Сделайте выводы о работоспособности каналов исследуемых ОСП.
Таблица 8.3.
| № пп | Параметр | Ед. изм. | Е3 | STM-1 | STM-4 | GigabitEthernet |
| 1 | τ open | пс | ||||
| 2 | P1 min | мВт | ||||
| 3 | P0 max | мВт | ||||
| 4 | Е1 | мВт | ||||
| 5 | Е0 | мВт | ||||
| 6 | σ 1 | мВт | ||||
| 7 | σ 0 | мВт | ||||
| 8 | Q | |||||
| 9 | BER |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Характеристики стандартных одномодовых оптических волокон со ступенчатым профилем показателяпреломления (G.652)
Alcatel
| Параметр | Ед.изм. | Alcatel6900 | Alcatel6901 |
| Затухание на λ=1310 нм, α | дБ/км | 0,34 | 0,35 |
| Затухание на λ=1550 нм, α | дБ/км | 0,24 | 0,22 |
| Длина волны нулевой дисперсии,λ 0 | нм | 1300–1320 | 1300–1320 |
| Параметрнаклона спектральнойхарактеристикидисперсии ОВ в точке нулевой дисперсии, S 0 | 
| 0,092 | 0,090 |
| Параметр ПМД ОВ, PMD | 
| 0,1 | 0,08 |
Примечание:
При определении исходных данных к расчету длина волны нулевой дисперсии волокон Alcatel задается следующим образом:
λ0=1300+m+n,нм
где m и n – предпоследняя и последняя цифры номера зачетной книжки, соответственно.
Corning
| Параметр | Ед. изм. | Corning
SMF- 
| Corning
SMF 
|
| Затухание на λ=1310 нм, α | дБ/км | 0,34 | 0,34 |
| Затухание на λ=1550 нм, α | дБ/км | 0,20 | 0,20 |
| Длина волны нулевой дисперсии, λ0 | нм | 1302- 1321 | 1302- 1321 |
| Параметрнаклона спектральнойхарактеристики дисперсии ОВ в точке нулевой дисперсии, S0 |
| 0,090 | 0,086 |
| Параметр ПМД ОВ, PMD |
| 0,1 | 0,08 |
Примечание
При определении исходных данных к расчету длина волны нулевой дисперсии волокон Corning задается следующим образом:
λ0=1302+m+n,нм
где m и n – предпоследняя и последняя цифры номера зачетной книжки, соответственно.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 923; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!