Вплив дисперсії і нелінійних ефектів оптичного волокна на параметри транспортних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська Національна академія зв'язку ім. О.С. Попова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Вплив дисперсії і нелінійних ефектів оптичного волокна на параметри транспортних систем

Олексін М.І.

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Одеса-2009

Вступ

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню оптичних транспортних систем на основі технології спектрального ущільнення каналів, впливу нелінійних ефектів, дисперсії та джиттера на пропускну здатність і довжину регенераційної ділянки волоконно-оптичних систем передавання, експериментальним вимірюванням, моделюванню і дослідженню коефіцієнта бітової помилки цих систем. В роботі запропоновано метод підвищення пропускної здатності транспортної мережі шляхом зменшення впливу джиттера, удосконалено метод компенсації поляризаційно-модової дисперсії оптичних світловодів волоконно-оптичних систем передавання інформації (ВОСПІ) зі спектральним ущільненням каналів.

Актуальність теми.

Експоненційний ріст об'ємів інформації, які необхідно передавати, ставить нові вимоги щодо пропускної здатності оптичних транспортних мереж. Збільшення швидкості передавання робить вплив нелінійних ефектів, джиттера і поляризаційно-модової дисперсії (ПМД) вирішальними обмежуючими факторами пропускної здатності оптичного лінійного тракту і довжини регенераційної ділянки.

На сьогоднішній день ведуться інтенсивні роботи по створенню нових оптичних волокон і оптоелектронних компонент транспортних мереж, дослідженню і розробці методів компенсації дисперсії, зменшення негативного впливу джиттера і нелінійних ефектів.

Існуючі методи розрахунку параметрів оптичних транспортних мереж дають наближений результат, тому системи проектуються з великим запасом (допуском) по потужності на вплив перерахованих обмежуючих факторів. З іншого боку, збільшення потужності сигналів, що вводяться в оптичне волокно, призводить до зростання нелінійних ефектів, що накладає нові обмеження.

Проведені в даній роботі дослідження і розроблені методи зменшення впливу джиттера, нелінійних ефектів і компенсації ПМД дозволяють на порядок зменшити коефіцієнт бітової помилки, що, в свою чергу, дає можливість збільшити пропускну здатність мережі.

Мета роботи.

Підвищення пропускної здатності оптичних транспортних систем шляхом зменшення впливу дисперсії, нелінійних ефектів і джиттера.

Поставлені у роботі задачі.

1. Провести комплексний аналіз факторів, що обмежують пропускну здатність оптичних транспортних систем (нелінійні ефекти, дисперсія оптичних волокон, джиттер).

2. Розробити методику вимірювання параметрів оптичної транспортної системи, а також вибрати математичний апарат, що найкраще підходить для аналізу експериментальних даних.

3. На основі результатів п. 1 і 2 створити модель оптичної транспортної системи (ОТС) (з НЕ, ПМД, хроматичною дисперсією, джиттером), що дозволяє дослідити її основні характеристики і параметри (коефіцієнт бітової помилки, максимальну швидкість передавання, довжину регенераційної ділянки, спектральні характеристики каналів).

4. Дослідити вплив нелінійних ефектів, дисперсії і джиттера на пропускну здатність і коефіцієнт помилок оптичних транспортних систем.

5. Розробити способи зменшення коефіцієнта бітової помилки оптичної транспортної системи зі спектральним ущільненням каналів, що дозволить збільшити її пропускну здатність.

Об'єкт дослідження: оптичні транспортні системи.

Предмет дослідження: параметри оптичних транспортних систем.

Методи дослідження: побудова і аналіз ОКО-діаграми - для аналізу параметрів якості передавання інформації в ОТС; модифікований метод Джонса - для моделювання поляризаційної модової дисперсії; метод статистичного моделювання - для створення моделі ОТС, моделювання ПМД і джиттера; експериментальні вимірювання на магістральній мережі - для оцінки адекватності моделі ОТС.

Наукова новизна отриманих результатів.

У ході виконання дисертаційної роботи отримано наступні результати:

1. Розроблено математичний апарат і створено на його основі підсистему моделювання ПМД, що дозволяє отримати залежність ПМД від значення диференціальної групової затримки в спектральному каналі, спектральної ширини каналу, еліпса поляризації вхідного випромінювання і значення коефіцієнта ПМД.

2. Удосконалено схему компенсації поляризаційної модової дисперсії на основі електрооптичного модулятора світлового випромінювання, що дозволяє зменшити вплив ПМД.

3. Вперше розроблено модель оптичної транспортної системи на основі технології спектрального ущільнення каналів, що, на відміну від існуючих, враховує вплив нелінійних ефектів і дозволяє досліджувати залежність коефіцієнта бітової помилки від ПМД, хроматичної дисперсії, джиттера, довжини хвилі, потужності і спектральної ширини каналу.

4. Набула подальшого розвитку методика визначення джиттера цифрових сигналів оптичних транспортних систем і розроблено спосіб зменшення його негативного впливу.

5. Запропоновано метод підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі за рахунок поканальної компенсації ПМД оптичного волокна та зменшення впливу джиттера шляхом усунення впливу його детермінованої складової.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

Представлений у роботі спосіб компенсації ПМД дозволяє зменшити коефіцієнт бітової помилки, що дозволяє збільшити швидкість передавання волоконно-оптичної системи на основі технології спектрального ущільнення каналів.

Визначення величини детермінованої складової джиттера і часовий зсув точки прийняття рішення про прийнятий біт дозволяє також зменшити коефіцієнт BER, що підвищує якість функціонування ВОСПІ.

Розроблена модель оптичної транспортної системи дозволяє проводити дослідження залежності основних її характеристик від нелінійних ефектів, дисперсії, джиттера та спектральних характеристик каналів системи DWDM.

Результати роботи можуть бути використані для підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі і збільшення довжини регенераційної ділянки шляхом зменшення ПМД оптичних волокон, а також зменшенням впливу джиттера.

Розроблені моделі можуть бути використані в навчальному процесі для отримання теоретичних знань та практичних навиків у дослідженнях, пов'язаних з функціонуванням оптичних транспортних систем, визначення їх основних параметрів і характеристик, а також із способами підвищення ефективності їх функціонування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами.

Тема дисертаційної роботи відповідає науково-технічному напрямку регіонального центру технічної експлуатації транспортної телекомунікаційної мережі №6 ВАТ «Укртелеком», а також науковим планам кафедри «Телекомунікації» Національного університету «Львівська політехніка» (НУЛП). Основні результати роботи впроваджені в роботах: «Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних», номер держреєстрації 0103U004644, 2003-2005 р; Договір №7167 між НУ «Львівська політехніка» і НАК «Нафтогаз України»; Договір №0004 від 01.11.2005 р. між ЦТЕ ПМ №6 «Дирекція первинної мережі» ВАТ «Укртелеком» і НУ «Львівська політехніка» на виконання науково-дослідної роботи «Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM- лінійного тракту» та у навчальний процес кафедри «Телекомунікації» НУЛП для підготовки фахівців з напрямку «Телекомунікації» і спеціальностей «Інформаційні мережі зв'язку» та «Телекомунікаційні системи та мережі».

Результати наукових досліджень впроваджені у відділі планування та розвитку мереж та Регіональному центрі технічної експлуатації транспортної телекомунікаційної мережі №6 Львівської філії ВАТ «Укртелеком», у філії «Київстар-GSM» в м. Львові, а також в навчальному процесі кафедри телекомунікацій НУ «Львівська політехніка».

Особистий внесок здобувача.

Досліджено експериментально залежність показників ефективності функціонування структур оптичних лінійних трактів магістральних мереж [8]. Проведено експериментальні вимірювання і аналіз джиттера магістральних мереж передачі даних [1]. Проведено дослідження залежності коефіцієнта бітової помилки від джиттера, дисперсії, швидкості передавання інформації [1].

Результати, отримані в співавторстві.

Розроблено модель оптичної транспортної системи на основі технології спектрального ущільнення каналів [1,3,4,5]. Дослідження залежності пропускної здатності оптичних транспортних мереж від ПМД, аналіз існуючих методів компенсації ПМД [2,9]. Розроблено схему компенсації ПМД [2,5].

Апробація результатів дисертації.

Результати роботи доповідалися на наступних конференціях:

Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» TCSET'2008. - Львів-Славсько, Україна, 2008; Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії». - Львів-Славсько, Україна, 2006; VII International Conference CADSM 2003. "The Experience of Designing and Application of CAD Systems in Microelectronics". - Lviv-Slavske, Ukraine, 2003.; VII Международная научно-практическая конференция "Системы и средства передачи и обработки информации". - Одесса, Украина, 2003.

Публікації за темою дисертації. Матеріали дисертації опубліковано в 14 наукових працях, з них 7 у фахових виданнях, 1 монографія, 1 патент на винахід, 5 - у матеріалах міжнародних наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 137 джерел і додатку. Повний обсяг дисертації 195 сторінок, включаючи 84 рисунки.

1. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність виконання досліджень, визначено мету роботи, сформульовано необхідні для її досягнення задачі та вказано методи їх розв'язання, наведено основні наукові результати дисертації та область їх можливого використання.

В першому розділі проведено огляд стану проблеми, а саме - збільшення пропускної здатності оптичних транспортних мереж. Розглядаються оптичні транспортні системи на основі технології спектрального ущільнення каналів, їх параметри та структура, а також основні обмежуючі фактори, що призводять до зростання коефіцієнта бітової помилки. Серед основних обмежуючих факторів - поляризаційно-модова дисперсія, нелінійні ефекти (чотирихвильове змішування, фазова самомодуляція, перехресна фазова модуляція, стимульоване розсіювання Брілюена та Рамана тощо). Також в даному розділі розглядається джиттер передачі даних та синхронізації, способи його визначення, вимірювання та представлення. У розділі наведено способи визначення коефіцієнта бітової помилки, компенсації хроматичної і поляризаційної модової дисперсії та існуючі способи збільшення пропускної здатності ОТС.

У другому розділі проведено аналіз і розроблено математичний апарат для обчислень з поляризованим світлом, визначення впливу нелінійних ефектів, обчислення енергетичних і часових характеристик оптичних імпульсів, що передаються через одномодові оптичні волокна, методів вимірювання основних характеристик оптичних транспортних систем (зокрема - ПМД і джиттера), а також виконано математичне визначення і експериментальні вимірювання імовірності виникнення бітової помилки в волоконно-оптичних системах передавання зі спектральним ущільненням каналів.

Оптичні волокна транспортних мереж є анізотропним середовищем під впливом статичних і динамічних факторів (механічних спотворень), що призводить до різних швидкостей поширення поляризаційних складових і виникнення диференціальної групової затримки, і, як наслідок, поляризаційної модової дисперсії. Основним завданням при створенні підсистеми моделювання оптичного волокна з двозаломленням було збереження адекватної залежності диференціальної групової затримки від довжини хвилі оптичної несучої, тому для опису поширення світла через такі структури було вибрано багатосегментну структуру волокна і модифікований метод Джонса, що полягає у визначенні матриць для кожного із сегментів, що характеризується азимутом і затримкою

:

(1)

Результуюча матриця Джонса усього оптичного волокна з N сегментів Т - це добуток матриць Джонса кожного сегмента :

,(2)

а результуючий час затримки між швидким і повільним станами поляризації визначається як сума затримок кожного з сегментів :

(3)

Створена підсистема моделювання оптичного волокна з двозаломленням використовує також методи статистичного моделювання і дозволяє досліджувати залежність диференціальної групової затримки від еліпса поляризації вхідного сигналу, довжини хвилі оптичної несучої і ширини смуги випромінювання оптичного джерела, а кількість сегментів і їх параметри безпосередньо пов'язати з коефіцієнтом ПМД і довжиною оптичного волокна.

Нелінійні ефекти виникають через нелінійну залежність індексу рефракції матеріалу оптичного волокна від потужності сигналу, що ним передається і можуть викликати шуми і спотворення оптичних імпульсів, що накладає обмеження на максимальну швидкість передавання і пропускну здатність ОВ, а також на довжину регенераційної ділянки. Для визначення впливу нелінійних ефектів використовується ряд аналітичних виразів, так як ці ефекти носять більше детермінований, ніж випадковий характер.

Так, для визначення порогової потужності стимульованого розсіювання Брілюена використовуємо вираз :

,(4)

де - типовий приріст SBS,

- ефективна довжина оптичного волокна, - ефективна область, може знаходитися в діаметрі модового поля (MFD), - затухання ОВ в неперах.

Поріг потужності для стимульованого розсіювання Рамана можна обчислити за формулою:

, (5)

де - підсилювальний коефіцієнт SRS, м/Вт, при 1550 нм.

Явища SBS і SRS полягають в тому, що оптичний сигнал розсіюється і зміщується в область довших хвиль. Якщо сумарна потужність сигналу в ОВ не перевищує розрахованих, то впливом даних ефектів можна знехтувати.

Фазова самомодуляція починає проявлятися за потужності вхідного випромінювання ~ 8...10 мВт. Зміна фази викликає зсув частоти, що призводить до розширення спектру сигналу.

Для обчислення зміни фази імпульсу потрібно обчислити нелінійний коефіцієнт поширення

,

де - нелінійний коефіцієнт індексу рефракції, м2/Вт.

Зміна фази сигналу:

.(6)

де - вхідна потужність сигналу, Вт.

Перехресна фазова самомодуляція (ХРМ) виникає тоді, коли потужність однієї хвилі, що поширюється у волокні, викликає зміну показника заломлення середовища поширення і призводить до самомодуляції фази іншої хвилі. Зміну фази імпульсу під впливом ХРМ можна визначити, модифікувавши формулу для SPM наступним чином:

,(7)

XPM є первинним обмеженням вхідної потужності для систем передавання зі спектральним ущільненням.

Чотирихвильове змішування виникає в системах передавання зі спектральним ущільненням каналів і полягає у виникненні паразитних хвиль, що призводить до втрати потужності сигналу і виникнення паразитних впливів в інших каналах системи. Основний параметр в рівнянні для ефективності FWM є - розузгодження фази FWM через дисперсії оригінальних хвиль:

, (8)

де dD/dл - нахил дисперсійної характеристики (відомий як S0); лi лj лk - три оригінальні довжини хвилі; л0 - нульова дисперсійна довжина хвилі; л - довжина хвилі передавання у вакуумі (1550 нм).

Формула для визначення ефективності FWM:

, (9)

Потужність згенерованої довжини хвилі:

,(10)

де - дегенеруючий чинник, залежний від міжканальної відстані і хроматичної дисперсії використовуваного ОВ.

Для реалізації адекватної моделі оптичної транспортної системи необхідно виміряти її характеристики і параметри, для чого були вибрані методики і розроблені схеми експериментів з вимірювання диференціальної групової затримки в широкому спектральному діапазоні і джиттера (фазового тремтіння), що має місце в системах такого класу, а також проведені вимірювання коефіцієнта бітової помилки. Результати вимірювань лягли в основу реалізації відповідних підсистем моделювання ОТС, а також були використані для перевірки адекватності розробленої моделі.

Один із найефективніших методів аналізу параметрів цифрової системи передавання є ОКО-діаграма, тому саме цей метод і ліг в основу створення моделі ОТС. Запропонований метод дозволяє аналізувати як енергетичні, так і часові параметри цифрового сигналу.

Око-діаграмою є результат багатократного накладання бітових послідовностей, що відображається на екрані осцилографа у вигляді діаграми розподілу амплітуди сигналу в часі.

а) б)

Рис. 1. Ідентифікація око-діаграми: а) оцінка Q-фактора; б) оцінка джиттера

Фундаментальним показником якості цифрових систем передачі є коефіцієнт помилок BER. Робота цифрових систем передачі вважається нормальною тільки в тому випадку, якщо BER не перевищує певне допустиме значення, що відповідає використовуваному мережевому стандарту.

Досить поширена методика оцінки коефіцієнта помилок BER на основі визначення Q-фактора. Q-фактор - це параметр, який безпосередньо відображає якість сигналу цифрової системи передачі. Існує певна функціональна залежність Q-фактора сигналу і вимірюваного коефіцієнта помилок BER. Q-фактор визначається шляхом статистичної обробки результатів вимірювання амплітуди і фази сигналу на електричному рівні, а саме - безпосередньо по око-діаграмі. При цьому виконується побудова функції розподілу станів «1» і «0», а для цих розподілів, в припущенні їх гаусової форми, оцінюються математичні очікування станів і і їх середньоквадратичні відхилення і (рис.1 а).

Q-фактор розраховується за наступною формулою :

(11)

При цьому сам коефіцієнт помилок визначається за формулою :

.(12)

Для оцінки розподілу джиттера, що призводить до часового зсуву оптичних імпульсів, визначають точку синхронізації і зміщення імпульсів, що передавалися через послідовність пристроїв і оптичних волокон відносно цієї точки. В результаті отримуємо такі параметри джиттера, як його середньоквадратичне значення і максимальний розмах (рис. 1.б). Шляхом детальнішого аналізу отриманих значень можна встановити деякі закономірності виникнення джиттера, що дозволить реалізувати схему зменшення його негативного впливу.

Третій розділ присвячено розробці аналітико-статистичної моделі оптичної транспортної системи і перевірки її адекватності.

Основний критерій, який приймається до уваги при визначенні максимальної швидкості передавання інформації і довжини регенераційної ділянки - це коефіцієнт бітової помилки, який є комплексним параметром, що залежить від впливу великої кількості факторів і їх взаємодії. Ці фактори за характером їх впливу можна розділити на групи: загасання, всі види дисперсії, що призводять до міжсимвольної інтерференції і фактори, що пов'язані із нелінійними ефектами, негативний вплив яких особливо суттєвий на високих швидкостях передавання в системах зі спектральним ущільненням каналів. Виходячи із основних характеристик волоконно-оптичної системи передавання інформації і основних обмежуючих факторів швидкості і відстані передавання без регенерації була запропонована аналітико-статистична модель оптичної транспортної системи на основі технології спектрального ущільнення каналів, структурна схема якої показана на рис.2.

Рис. 2. Структурна схема моделі оптичної транспортної системи

Основними вхідними даними моделі є: швидкість передавання для кожного спектрального каналу, довжина лінії зв'язку, характеристики передавальних (робоча довжина хвилі, смуга випромінювання, оптична потужність, що може відрізнятися для різних спектральних каналів) і приймальних (чутливість для заданого коефіцієнта помилки) оптичних модулів, оптичного волокна (показник заломлення і його нелінійна складова, дисперсійні характеристики - коефіцієнт хроматичної і поляризаційної модової дисперсії, діаметр модового поля, загасання, тощо), характеристики системи зі спектральним ущільненням каналів (кількість каналів, ширина смуги між каналами), а також такі характеристики нелінійності, як нелінійний коефіцієнт поширення, ефективність стимульованого розсіювання Брілюена і Рамана.

На рис. 2. позначено: FWM, SBS, SRS, SPM, XPM - блок розрахунку впливу нелінійних ефектів; - обчислення хроматичної дисперсії; - моделювання поляризаційної модової дисперсії; Втрати - обчислення втрат потужності спектральних каналів системи DWDM; - блок обчислення втрат міжсимвольної інтерференції; Джиттер - моделювання джиттера передачі даних і синхронізації; ОКО-діаграма - блок побудови око-діаграми; - вектор вхідних даних; - результати моделювання (параметри якості обслуговування).

Дана модель (рис.2) має блочну структуру і демонструє системний підхід до моделювання складних систем, де визначальною є мета функціонування - визначення коефіцієнта бітової помилки шляхом аналізу ОКО-діаграми для кожного спектрального каналу. На основі початкових даних, які відомі з аналізу оптичної транспортної системи, тих обмежень, які накладаються на систему зверху або, виходячи з можливостей її реалізації, і на основі мети функціонування (знаходження коефіцієнта бітової помилки) формулюються початкові вимоги до моделі системи. На базі цих вимог формуються певні підсистеми та елементи і здійснюється найбільш складний етап синтезу -- вибір складових системи, для чого використовуються спеціальні критерії вибору.

Особливістю функціонування оптичних транспортних систем на основі технології спектрального ущільнення в окремих випадках є суттєва відмінність між параметрами і характеристиками в різних спектральних каналах, тому одна з основних задач моделювання - зберегти адекватну відмінність у параметрах між різними каналами. Для цього необхідно виділити, в першу чергу, залежні від довжини хвилі параметри і характеристики.

Блок (FWM, SBS,…) моделює нелінійні ефекти і дозволяє обчислити всі довжини і потужності паразитних хвиль, що виникають внаслідок чотирьох-хвильового змішування, виявити рівень шумів в кожному спектральному каналі системи DWDM, обчислити поріг стимульованого розсіювання Брілюена і поріг стимульованого розсіювання Рамана - що необхідно для визначення максимально допустимих потужностей кожного зі спектральних каналів, визначити також зсув фази внаслідок фазової самомодуляції і перехресної фазової модуляції - що відповідає зміщенню спектральної смуги певного каналу системи і систематичному дрижанню фази. Обчислення негативного впливу нелінійних ефектів зводиться до визначення запасу по потужності, що входить в розрахунок бюджету потужності системи передавання для кожного спектрального каналу окремо.

Хроматична і поляризаційно-модова дисперсія моделюються окремо в двох блоках, оскільки природа цих видів дисперсії має принципову різницю. Визначення хроматичної дисперсії здійснюється аналітичним методом для кожного спектрального каналу окремо, так як дисперсійна характеристика оптичного волокна може мати нахил і залежати від довжини хвилі оптичної несучої. Поляризаційно-модова дисперсія має випадковий характер зміни і тому визначається шляхом статистичного моделювання. ПМД першого порядку залежить від ширини смуги випромінювання і довжини хвилі джерела випромінювання, тому статистичний розрахунок здійснюється також окремо для кожного спектрального каналу.

Сумарні втрати визначаються як сума втрат в оптичному волокні, роз'ємних і нероз'ємних з'єднаннях, а також розсіювання і втрати внаслідок впливу модельованих нелінійних ефектів - їх об'єднано в блок «Втрати». Також цей блок враховує оптичне співвідношення сигнал/шум і його зміну шляхом використання оптичних підсилювачів.

Міжсимвольна інтерференція (МІ) виникає внаслідок розмиття фронтів імпульсів і залежить також від характеристик оптичного приймача, обчислюється в блоці aISI. По суті МІ - це внесення додаткових шумів за рахунок накладання сусідніх імпульсів, і, як наслідок, погіршення якості оптичного сигналу.

Як відомо, фазове дрижання (джиттер) визначається як короткочасні фазові відхилення цифрового сигналу від його ідеального стану в часі. Другим параметром, тісно пов'язаним з дрижанням фази є дрейф фази (вандер), який, як правило, відноситься до довготривалих змін фази сигналу. Функція фазового дрижання може бути отримана шляхом графічного відображення в часі відхилень положення фронту імпульсу чи вибраної точки синусоїдального сигналу на виході контрольованої системи. В загальному випадку джиттер має як випадкову, так і систематичну складову. Систематична складова визначається на основі зсувів фази внаслідок нелінійних ефектів, а випадкова складова виникає внаслідок шумів електронних компонент. У розробленій моделі джиттер моделюємо шляхом статистичного моделювання, а розподіл густини імовірності даного параметра повністю повторює розподіл, отриманий експериментальним шляхом.

Рис.3. Густина розподілу імовірності джиттера

Густина розподілу імовірності джиттера, отримана шляхом вимірювань на ОТС і шляхом моделювання на описаній вище моделі показано на рис. 3.

На рисунку показано нормоване значення джиттера. Реальне ж його значення встановлюється для кожного конкретного модельного експерименту і залежить від багатьох чинників, основними з яких є: довжина оптичної лінії зв'язку, швидкість передавання інформації, потужність джерела, кількість оптичних підсилювачів тощо.

Взаємозв'язок між факторами, що враховується в моделі, на схемі рис.2 показано стрілками між відповідними блоками. Взаємні впливи, що враховуються в моделі, є наступними:

вплив хроматичної дисперсії на ефективність чотирихвильового змішування,

вплив хроматичної дисперсії і нелінійних ефектів на ширину смуги випромінювання лазера,

вплив ширини смуги лазера на значення поляризаційної модової дисперсії,

вплив нелінійних ефектів на співвідношення сигнал/шум,

вплив нелінійних ефектів на величину джиттера.

Як відомо, око-діаграма - це також статистичний метод отримання значення Q-фактора, і як наслідок, коефіцієнта бітової помилки шляхом аналізу багатократного накладання імпульсів, що передавалися через лінію зв'язку з певними характеристиками. Отже, отримані в моделі часові і енергетичні параметри використовуються для побудови око-діаграми шляхом багатократного накладання передаваних імпульсів і моделюються у відповідному блоці. ОКО-діаграма будується для кожного спектрального каналу системи DWDM окремо, і для кожного каналу отримуємо відповідне значення BER.

Перевірка адекватності розробленої моделі. Перевірка адекватності моделі - один з найважливіших етапів моделювання систем. Проведення досліджень на неадекватній моделі взагалі втрачає сенс. З іншого боку - модель не може бути на всі сто відсотків адекватною реальній системі, тому можна говорити про адекватність певних характеристик, які важливі для дослідження.

Рис. 4. ОКО-діаграма, отримана з допомогою розробленої моделі ОТС

Результатом аналізу око-діаграми є вихідний вектор, що містить всі параметри і характеристики якості обслуговування (QoS), отримані шляхом аналітично-статистичного моделювання. Приклад око-діаграми при передачі послідовностей «101» та «010» показано на рис.4. Ще одна особливість при моделюванні джиттера - вибір достатньо малого кроку при обчисленні вихідних імпульсів для уникнення дискретності на око-діаграмі.

Модель оптичної транспортної системи є досить складною, тому оцінка адекватності проводиться за наступною схемою:

характеристики системи, що описуються відомими аналітичними виразами, не потребують перевірки;

характеристики і параметри, що є випадковими величинами, перевіряються шляхом порівняння з результатами експериментальних досліджень та з відомими аналітичними функціями розподілу;

проведення комплексного моделювання параметрів якості обслуговування системи і порівняння цих результатів з результатами вимірювань на реальній оптичній транспортній системі зі спектральним ущільненням каналів.

Аналітичними виразами в моделі визначаються наступні характеристики - всі перераховані нелінійні ефекти, хроматична дисперсія, загасання сигналу в оптичному волокні.

Шляхом статистичного моделювання визначається поляризаційна модова дисперсія і джиттер.

Моделювання ПМД здійснюється модифікованим методом Джонса і емуляцією передачі оптичного сигналу через багатосегментну структуру оптичного волокна. Таким чином можна отримати залежність ПМД від довжини хвилі оптичної несучої, ширини смуги випромінювання лазера, еліпса поляризації вхідного в ОВ випромінювання, а також від довжини оптичного волокна. Отримані шляхом моделювання значення диференціальної групової затримки (ДГЗ) та ПМД порівнюються з експериментальними даними вимірювань на функціонуючій оптичній транспортній системі. В середовищі MatLAB за допомогою розробленої моделі генерується послідовність значень ДГЗ такої ж довжини, як і кількість проведених вимірювань. Математичне очікування модельованої послідовності співпадає з математичним очікуванням послідовності експериментальних даних і дорівнює одиниці (нормування по середньому значенню). Із кожної послідовності випадковим чином робимо вибірку з певною кількістю елементів. Діапазон усіх значень виміряної ДГЗ розбивається на 64 піддіапазони і для кожної послідовності (виміряної і модельованої) визначається кількість значень ДГЗ, що попадає у кожен із піддіапазонів.

Для отриманих розподілів ДГЗ кожної з вибірок і результатів експериментальних вимірювань за критерієм Колмогорова-Смірнова проводиться перевірка приналежності їх до одного закону розподілу. Критерій Колмогорова-Смірнова вибрано на підставі того, що точність оцінки не залежить від виду розподілу. Перевірка за даним критерієм показала, що міра розбіжності між двома вибірками не є статистично значущою, отже, вибірки належать до одного закону розподілу.

Статистичне моделювання джиттера здійснюється шляхом генерації послідовності з потрібним законом розподілу (закон отримано шляхом експериментальних вимірювань джиттера реальної ОТС). Отже, результати моделювання і вимірювання джиттера передачі даних і синхронізації також мають один і той самий закон розподілу. У розробленій моделі ОТС значення джиттера не залежить від довжини хвилі, тому розподіл джиттера є однаковим для кожного спектрального каналу.

Відповідність між значеннями BER, отриманими шляхом дослідження моделі ОТС і між реальними вимірюваннями досягається шляхом настроювання моделі. Приймачі оптичного випромінювання проектуються, виходячи з номінального значення Q-фактора для заданої імовірності помилки при певному співвідношенні сигнал/шум. Так, як в моделі використовується гіпотетичний оптичний приймач, то задача налаштування моделі саме і полягає у забезпеченні відповідності між результатами моделювання і дослідження шляхом вибору потрібних характеристик оптичного приймального модуля.

Отже, розроблена у даному розділі модель оптичної транспортної системи зі спектральним ущільненням каналів враховує вплив нелінійних ефектів і дозволяє досліджувати залежність коефіцієнта бітової помилки від ПМД, хроматичної дисперсії, джиттера, довжини хвилі, потужності і спектральної ширини каналу, а також від швидкості передавання інформації.

В четвертому розділі запропоновано метод підвищення пропускної здатності транспортної мережі шляхом збільшення бітової швидкості передавання, удосконалено схему компенсації ПМД оптичних волокон систем зі спектральним ущільненням каналів, досліджено ефективність використання даної схеми компенсації, а також запропоновано метод зменшення негативного впливу джиттера.

В основу розробленого методу компенсації ПМД покладено той факт, що ДГЗ залежить від еліпса поляризації світлового випромінювання, що подається в оптичне волокно. Схему волоконно-оптичної системи передавання інформації зі спектральним ущільненням каналів і схемою компенсації поляризаційної модової дисперсії на основі модулятора вхідного світлового випромінювання, аналізатора ДГЗ і зворотного каналу для вибору найкращого еліпса поляризації вхідного випромінювання показано на рис. 5.

Рис.5. Схема DWDM - системи передавання з поканальною компенсацією ПМД

В схему (рис.5) входять наступні компоненти: Л - одномодовий лазер; ПП - підсилювач потужності; ЛП - лінійний підсилювач (як правило EDFA); ПрП - попередній підсилювач потужності; ФД - фотодетектор; ОВ - оптичне волокно; WDM MUX - мультиплексор спектрального ущільнення; WDM DMX - демультиплексор спектрального ущільнення; STM, ATM, Ethernet - можливі види трафіка; М - модулятор - пристрій для зміни еліпса поляризації вхідного випромінювання; А - аналізатор - пристрій для визначення ДГЗ і для керування модулятором через зворотній канал.

Лазер Л випромінює лінійно-поляризоване світло, причому може використовуватися як лазер з внутрішньою модуляцією інтенсивності, так і передавальний оптичний модуль з зовнішнім модулятором. Випромінювання подається на модулятор М, далі сигнали всіх спектральних каналів подаються на оптичний WDM- мультиплексор, після якого груповий сигнал N спектральних каналів передається в оптичне волокно через широкосмуговий підсилювач потужності.

Схема компенсації ПМД, що показана штриховою лінією на рис.5, дозволяє оперативно реагувати на зміну ДГЗ. В якості модулятора використовується електрооптичний кристал. Під дією керуючої напруги кристал змінює двозаломлення, причому різниця показників заломлення швидкої і повільної осей залежить від величини прикладеної напруги. Для схеми компенсації ПМД потрібно, щоб модулятор дозволяв реалізувати різницю часу поширення швидкої і повільної складових в межах від 0 до 2р/щ, де щ - кутова частота оптичного сигналу. Зрозуміло, що для різної довжини хвилі оптичної несучої буде і різне значення прикладеної напруги для отримання однакової різниці ходу.

Аналізатор на виході ОВ вимірює значення ДГЗ в даний момент. Якщо значення ДГЗ перевищує максимально допустиме, то по зворотному каналу передається сигнал на зміну вхідного еліпса поляризації. На модулятор в покроковому режимі подаються фіксовані значення напруги, а на виході аналізатора визначається ДГЗ сигналу. Передача даних ведеться неперервно на кожному еліпсі поляризації вхідного сигналу. Після проходження одного циклу вимірювань (зміна відносного зсуву фаз кристала від 0 до 2р з заданою кількістю кроків) на модуляторі встановлюється таке значення напруги, при якому ДГЗ на виході волокна приймало мінімальне значення, і цей вхідний стан поляризації зберігається до того моменту, поки значення ДГЗ знову не перевищить допустимого. Такий алгоритм компенсації використовується для кожного спектрального каналу окремо, незалежно один від одного.

Показником ефективності функціонування оптичних транспортних систем є пропускна здатність мережі, яка суттєво залежить від бітової швидкості передавання інформації, тому одним з основних питань, над яким працюють дослідники є методи збільшення цієї швидкості. Звичайно, із збільшенням швидкості передавання зростає і коефіцієнт бітової помилки під впливом обмежуючих факторів, основними з яких є дисперсія, джиттер і нелінійні ефекти.



Рис. 6. Залежність Q-фактора від визначення точки максимального розкриву око-діаграми

Як було показано вище, джиттер складається як з детермінованої, так і з випадкової складових. Детермінована складова залежить, в першу чергу від фазових зсувів, що є постійними для заданої конфігурації ОТС (нелінійні ефекти, зсуви синхронізації тощо). Випадкова складова джиттера зумовлена шумом електронних компонент.

Ідея зменшення впливу джиттера є наступною - потрібно визначити величину детермінованої (систематичної) складової джиттера і зсунути точку синхронізації (детектування) сигналу на цю величину.

На рис. 6 показано залежність коефіцієнта бітової помилки (виражену Q-фактором) від вибору точки максимального розкриву око-діаграми.

Як видно з рисунка, максимальне значення Q-фактора отримуємо саме в точці математичного очікування величини джиттера, тобто його детермінованої складової. Це суттєво спрощує реалізацію схеми зменшення джиттера, так як статистичне значення залишається постійним, незалежно від коливань випадкової складової. Для даного випадку моделювання виграш в значенні Q-фактора становить 1,4.

На рис. 7.а,б показано око-діаграму сигналів, яку отримуємо на приймальному кінці без використання схеми і з її використанням.

а) б)

Рис. 7. Око-діаграма при передачі імпульсів: а) без схеми компенсації ПМД; б) з використанням схеми компенсації ПМД

Як видно з отриманих результатів, зменшення ПМД в 4 рази за допомогою використання схеми компенсації дозволяє на два порядки зменшити коефіцієнт бітової помилки.

Результати досліджень залежності швидкості передавання і максимальної відстані при заданому коефіцієнті бітової помилки показано на рис. 8. Як видно з результатів досліджень, при збільшенні бітової швидкості передавання інформації, ефективність використання запропонованих рішень зі зменшення впливу ПМД і джиттера зростає.

Рис. 8. BL-обмеження для коефіцієнта бітової помилки BER=

Так, для заданої конфігурації і параметрів оптичної транспортної системи на порівняно низьких швидкостях передавання інформації основним обмежуючим фактором довжини регенераційної ділянки є загасання в оптичному лінійному тракті, тому приблизно до 10 Гбіт/с ефективність запропонованих рішень є низькою (як видно з побудованих кривих, вони лежать в межах 170 км). Із збільшенням швидкості передавання основним обмежуючим фактором є ПМД, а джиттер повинен бути в межах норми. Тому саме компенсація ПМД, в першу чергу, дає такий суттєвий виграш в ефективності функціонування системи.

Зменшення негативного впливу нелінійних ефектів можна досягнути шляхом вибору оптимальних спектральних характеристик і рівнів потужності каналів системи DWDM.

Отже, збільшення пропускної здатності оптичної транспортної системи - комплексна задача, яка вимагає системного підходу до її вирішення. В дисертаційній роботі запропоновано такий підхід, який полягає у виборі оптимальних характеристик каналів для зменшення впливу нелінійних ефектів, у реалізації схеми зменшення джиттера і схеми компенсації ПМД, які також були розроблені і досліджені в рамках цієї дисертаційної роботи.

оптичний джиттер бітовий

Висновки

Дисертаційна робота присвячена дослідженню дисперсії, джиттера і нелінійних ефектів оптичних волокон, моделюванню і дослідженню оптичних транспортних систем на основі технології спектрального ущільнення каналів і підвищенню ефективності їх функціонування.

Отже, у дисертаційній роботі:

1. Проведено аналіз і дослідження основних обмежуючих факторів швидкості і максимальної відстані передавання інформації. Встановлено, що найбільший негативний вплив на коефіцієнт бітової помилки високошвидкісної волоконно-оптичної системи передавання мають нелінійні ефекти, поляризаційно-модова дисперсія та джиттер передачі даних і синхронізації, тому для підвищення пропускної здатності системи потрібно вплив цих факторів зменшити.

2. Запропоновано методику вимірювання поляризаційної модової дисперсії, розроблено схему вимірювань і програмне забезпечення для їх автоматизації, а також проведено вимірювання ПМД в оптичних волокнах магістральних кабелів. Отримані результати вимірювань лягли в основу статистичного моделювання ПМД в розробленій моделі оптичної транспортної системи.

3. Розроблено математичний апарат і створена на його основі підсистема моделювання оптичного волокна з поляризаційно-модовою дисперсією дозволяє отримати залежність ПМД від значення диференціальної групової затримки в спектральному каналі, спектральної ширини каналу, еліпса поляризації вхідного випромінювання і значення коефіцієнта ПМД.

4. Запропоновано методику вимірювання джиттера на основі цифрового аналізатора, в функціонуючій оптичній транспортній мережі реалізовано схему вимірювання, проведено відповідні вимірювання. На основі результатів вимірювання встановлено, що джиттер складається з детермінованої і випадкової складових. Випадкова складова джиттера виникає внаслідок шумів електронних і оптоелектронних компонент системи. Детермінований джиттер створюється схемою відновлення тактової частоти, а також виникає внаслідок спотворення форми сигналу, в тому числі і нелінійними ефектами, такими, як фазова самомодуляція і перехресна фазова модуляція.

5. Розроблено аналітико-статистичну модель оптичної транспортної системи зі спектральним ущільненням каналів, що враховує вплив нелінійних ефектів, а також дозволяє досліджувати залежність коефіцієнта бітової помилки від ПМД, хроматичної дисперсії, джиттера, довжини хвилі, потужності і спектральної ширини каналу, а також від швидкості передавання інформації. Розроблена модель також враховує взаємні впливи і перехресні завади в каналах системи DWDM і дозволяє отримати вище перераховані характеристики для кожного спектрального каналу окремо.

6. Удосконалено спосіб компенсації ПМД (Патент України № 22348 від 25.04.2007 р. «Спосіб компенсації поляризаційно-модової дисперсії в системах передачі інформації зі спектральним ущільненням каналів»). Шляхом проведення модельних експериментів встановлено, що ефективність використання даного способу компенсації становить 1,7-5 разів, в залежності від інтенсивності і частоти динамічних зовнішніх впливів на оптичне волокно.

7. На основі експериментальних досліджень джиттера встановлено, що зменшення коефіцієнта бітової помилки можна досягнути шляхом часового зсуву точки прийняття рішення про рівень сигналу (точки максимального розкриву око-діаграми) на величину значення детермінованої складової джиттера.

8. На основі аналітичних розрахунків та шляхом проведення модельних експериментів встановлено, що, погіршуючи характеристики в одному спектральному каналі можна добитися їх покращення в інших каналах. Ця особливість може бути використана для селекції каналів при передачі різних видів трафіка з різними вимогами до коефіцієнта бітової помилки.

9. Запропоновано метод підвищення пропускної здатності оптичної транспортної мережі шляхом поканальної компенсації ПМД оптичного волокна та зменшення впливу джиттера, що дозволяє зменшити коефіцієнт BER і, відповідно, збільшити бітову швидкість передавання інформації системи зі спектральним ущільненням каналів. Встановлено, що ефективність використання запропонованих рішень зростає із збільшенням бітової швидкості. Наприклад, при BER=10-12 для швидкості 10 Гбіт/с майже немає виграшу у довжині регенераційної ділянки, а для швидкості 40 Гбіт/с з використанням запропонованих схем довжина регенераційної ділянки зростає приблизно в 2 рази.

Список опублікованих праць

1. Олексін М.І. Підвищення ефективності функціонування оптичних транспортних систем / Олексін М.І., Чернихівський Є.М. // Вісник НУЛП «Радіоелектроніка та телекомунікації».- Львів, 2009. - №645.- с. 80-87.

2. Олексін М.І. Поляризаційно-модова дисперсія оптичних волокон транспортних мереж / Климаш М.М., Чернихівський Є.М., Олексін М.І.// Львів: Вид. УАД, 2007. - 198 с.

3. Олексін М.І. Аналітико-статистичне моделювання оптичних транспортних систем / Олексін М.І., Чернихівський Є.М.// Наукові записки УНДІЗ. - К., 2008, - №1 (3). - С.23-35.

4. Олексін М.І. Моделювання оптичної транспортної системи і дослідження показників якості / Олексін М.І. // Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - К., 2008. - Вип.49. - С. 165-171.

5. Олексін М.І. Модель оптичної транспортної системи на основі технології DWDM / Олексін М.І., Чернихівський Є.М.// Радіоелектроніка та телекомунікації. Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. - Львів, 2008. - №618. - С.107-116.

6. Пат. U200611124 Україна, МПК (2006) G02F 1/01. Спосіб компенсації поляризаційно-модової дисперсії в системах передачі інформації зі спектральним ущільненням каналів: Патент України М.М. Климаш, М.І. Олексін, Є.М. Чернихівський (Україна); Національний університет «Львівська політехніка».- № 22348; Заявл. 23.10.2006; Опубл. 25.04.2007, Бюл. № 5, 2007.- 2 с.

7. Олексін М.І. Mathematical Modelling of Passing Connection Synchronous Telecommunication Network in Fuzzy Condition / Климаш М.М., Дронюк І.М., Олексін М.І. // Матеріали 9-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» TCSET'2006. - Львів-Славсько, Україна, 2006. - Р. 112 - 113 (in English).

8. Олексін М.І. DWDM-технологія та якісний аналіз функціонування транспортних оптичних систем / Климаш М.М., Олексін М.І., Демидов І.В.// Зв'язок. -- 2006. -- №7. -- С.9-14.

9. Олексін М.І. Дослідження структури оптичних лінійних трактів магістральних телекомунікаційних мереж / Климаш М.М., Чернихівський Є.М., Олексін М.І.// Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. -- Львів, 2003. -- №470. -- С. 179-187.

10. Олексін М.І. Вплив дисперсії і нелінійних ефектів на параметри оптичних лінійних трактів / Олексін М.І., Чернихівський Є.М., Лісовий І.П.// Моделювання та інформаційні технології. Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - К., 2007. - Вип.42. - С. 73-81.

11. Olexin M.I. The Modeling of the Limitation Factors Influence onto the Optical Transport Systems / Olexin M.I., Chernykhivsky E.M.// Матеріали Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» TCSET'2008. - Львів-Славсько, Україна, 2008. - Р. 491-492 (in English).

12. Oleksin M. Loading Calculation and Modernization of Synchronous Metropolitan Area Network / Andrukhiv Т., Klymash M., Romanchuk V., Oleksin M. // Матеріали 9-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» TCSET'2006. - Львів-Славсько, Україна, 2006. - Р. 469 - 470 (in English).

13. Mychailo Oleksin. Main Telecommunication Network Optical Linear Links Structure Investigation / Mychailo Klymash, Evgen Chernikhivskyj, Mychailo Oleksin.// Матеріали 7-ї Міжнародної науково-технічної конференції «Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці» CADSM'2003. - Львів - Поляна, Україна, 2003.- P. 91-95 (in English).

14. Олексін М.І. Розрахунок ефективності використання пропускної здатності каналу для різних видів трафіка та мережевих технологій / Климаш М.М., Романчук В.І., Олексін М.І.// Труды конференции ССПОИ-2003. VII Международная научно-практическая конференция "Системы и средства передачи и обработки информации". - Одесса, Украина, 2003. - С. 91-95.

Размещено на Allbest.ru