Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Технология SDH, (первые стандарты относятся к 1988 г.). Основной прогресс на цифровых сетях в нашей стране связан именно с ее использованием. Первые сети SDH появились в России в 1993 г. Их основными особенностями в то время были использование скорости 155 Мбит/c (уровень STM-1 в иерархии SDH), оптоволоконные кабели в качестве среды передачи и архитектура двойного кольца, позволяющая восстановить трафик за 50 мс после обрыва одного из волокон или выхода из строя одного из мультиплексоров.

Технология WDM. Этой технологии не больше 10 лет. В 1992 г. она позволяла объединять 2-4 оптические несущие, теперь - 160-240. Если каждая из несущих будет иметь в качестве мультиплексора доступа мультиплексор SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), то его максимальный поток составит 1,6-2,4 Тбит/с.

Развитие технологии WDM ведет к изменению модели взаимодействия основных транспортных технологий. До внедрения технологии WDM модель состояла из трех уровней и среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM, IP) через оптическую среду передачи он должен быть инкапсулирован в транспортные модули/сигналы STM-N/STS-n (OC-n), способные, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или в виртуальные трибы SONET (ATM over SONET), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET).

После появления систем WDM модель имеет три или четыре уровня, не считая среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.

Оценив по достоинства и недостаткам технологии глобальных сетей, для проектирования ВОСП выбираем технологию SDH, этот выбор позволят обосновать таблица 1.7, главным соперником для нее выступает технология ATM:

Таблица 1.6 Модель взаимодействия основных транспортных технологий: а) до внедрения технологии WDM; б) после внедрения технологии WDM

Таблица. 1.7 Сравнительная характеристика функциональных возможностей технологий ATM и SDH

1.3.2 Краткое описание выбранной технологии (SDH)

Для начала рассмотрим плезиохронную иерархию (PDH), она явилась предпосылкой к появлению синхронной цифровой иерархии (SDH):

1) Принята в США и Канаде. В качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1), т.е. 1544 кбит/с и давала последовательность DS1 - DS2 - DS3 - DS4. Передача соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (DS0 - цифровой сигнал нулевого уровня называется основным цифровым каналом (ОЦК) 64 кбит/с);

2) Принята в Японии, использовалась та же скорость для DS1; давала последовательность DS1 - DS2 - DSJ3 - DSJ4, передача 24, 96, 480 (1440 каналов DS0);

3) Принята в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с и давала последовательность E1 - E2 - E3 - E4 - E5. Передача 30, 120, 480, 1920 (7680 каналов DS0).

Таблица 1.8. ПЦИ: АС-американская; ЯС-японская; ЕС-европейская

Уровень цифровой иерархии	Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии
	AC: 1544 kbit/s	ЯС: 1544 kbit/s	EC: 2048 kbit/s
0	64	64	64
1	1544	1544	2048
2	6312	6312	8448
3	44736	32064	34368
4	---	97728	139264

Рис. 1.15 Схема мультиплексиро- вания и кроссмуль- типлеквирования

Недостатки PDH:

· наличие 3-х иерархий (АС, ЯС, ЕС);

· согласование скоростей (по вертикали - в рамках одной иерархии, по горизонтали - разных иерархий) (решение - введение стаффинга); затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах (решение - введение режима кроссмультиплексирования);

· отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;

· многоступенчатое восстановление синхронизма в групповом сигнале требует достаточно большого времени (решение - переход к синхронному режиму SDH);

Из-за указанных недостатков, а также ряда других факторов в США разработали ещё одну иерархию - иерархию синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналогичную - синхронную цифровую иерархию SDH, для использования в ВОСП. Но из-за неудачно выбранной скорости передачи для ОЦК, было принято решение отказаться от создания SONET, а создать на её основе SONET/SDH со скоростью передачи 51.84 Мбит/с первого уровня ОС1. В результате OC3 SONET/SDH соответствовал STM-1 иерархии SDH (табл. 1.9).

Таблица 1.9 Ступени иерархии SDH/SONET

SONET,	SDH,	Скорость,	Количество объединяемых потоков
OC-n	STM-N	кбит/с	Е1	ЕЗ	Е4
OC-3	SТМ-1	155 520	63	3	1
OC-12	SТМ-4	622 080	252	12	4
OC-48	SТМ-16	2 448 320	1 008	48	16
OC-192	SТМ-64	9 953 280	4 032	192	64
OC-768	SТМ-256	39 813 120	16 128	768	256

Линейные сигналы SDH организованы в синхронные транспортные модули STM. Каждый последующий имеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий. Три первых уровня были стандартизованы в последней версии ITU-T Rec. G.707. Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.

Преимущества SDH перед PDH:

§ помехозащищенность;

§ непосредственное мультиплексирование STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N по схеме 4*STM-N -> STM-4*N;

§ выделение полосы пропускания по требованию;

§ прозрачность для передачи любого;

§ переход на следующую ступень иерархии путем добавления/удаления функциональных блоков;

§ единый всемирный стандарт;

§ улучшенная управляемость и эффективность этих сетей;

§ Цикл повторения передачи транспортных модулей любого уровня равняется 125 мкс - простое синхронное мультиплексирование потоков нижних уровней в высшие.

Основные принципы организации сети. Сеть SDH строится по функциональным слоям, верхний занимает пользователь. Он является клиентом, которого обслуживает нижележащий сетевой слой. Тот, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего слоя и т.д. деление по слоям позволяет: внедрять и менять независимо друг от друга отдельные сетевые слои, часть которых может сохраняться при смене нескольких поколений технологий; иметь в каждом слое собственные ОАМ - средства для контроля и обслуживания передачи информации клиента и для борьбы с отказами, что повышает качество связи, минимизирует усилия при авариях и снижает влияние аварий на другие слои; выделять соответствующие объекты в системе TMN.

Важнейшими для последующего изложения являются сетевые слои (сверху вниз): каналов, трактов и секций (табл. 1.10).

Сеть каналов - слой, обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры SDH соединительными линиями (СЛ). Сеть каналов соединяет различные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции (например, ЭАТС).

Таблица 1.10 Послойное строение сети СЦИ

Слой каналов	Сеть коммутации ОЦК
	Сеть коммутации пакетов
	Сеть аренды каналов
Слой трактов	Сеть трактов низшего ранга
	Сеть трактов высшего ранга
Слой среды передачи	Секции	Мультиплексные ОВ и радиорелейная сеть
	Физ. среда	Регенерационные ОВ и РРЛ сеть

Группы каналов объединяются в групповые тракты различных порядков, образуя сеть трактов. Имеется два сетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) - низшего и высшего порядков. В каждом слое может осуществляться коммутация - с помощью аппаратуры оперативного переключения (АОП) трактов.

Групповые тракты организуются в линейные, построение которых зависит от среды передачи. Это сетевой слой среды передачи. Он подразделяется на два: слой секций (верхний) и слой физической среды. Линейные тракты SDH выполняют и часть функций аппаратуры группообразования (мультиплекса) - например, ввод и ответвление цифровых потоков. Сетевой слой секций разделяется на два. Верхним является слой мультиплексных секций (MS). Это ЛТ с частью функций мультиплекса. Нижний слой - слой регенерационных секций (RS).

Целостность информации клиента в пределах данного слоя сети обеспечивает "трасса" (trail). Это введённое в SDH понятие обобщает понятие каналов, трактов и секций. Трасса включает средства передачи сигналов и ОАМ - средства. Поступающая в каждый слой информация клиента проходит через точки доступа, лежащие на границах слоя. Сеть внутри слоя образуется звеньями, связывающими точки доступа напрямую или через другие звенья, соединяемые с данным звеном в точках внутри слоя.

Вначале поступающая информация адаптируется, т.е. согласуется с функциями передачи данного слоя. В канальном слое производится аналого-цифровое преобразование или преобразование непрерывно поступающей от пользователя цифровой информации в циклическую форму в канале 64 кбит/с; в слое трактов - группообразование; в слое секций несколько трактов высшего порядка объединяются между собой и с ОАМ - сигналами при вводе в цикле секции.

В каждом слое выполняются соединения звеньев - по принципу 1:1 или 1:N. Вместо громоздких и малооперативных кроссов, к которым подключаются действующие PDH - тракты, трассы SDH заканчиваются комплектами оперативного переключения цифровых трактов и секций, управляемыми в рамках SDH.

Каждый сетевой слой может содержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например интернациональные, национальные, областные и т.д. это деление сети SDH по горизонтали дополняет вышеописанное деление по вертикали.

Отдельные элементы сети SDH (линейные тракты, мультиплекс, аппаратура ввода/вывода цифровых потоков и т.д.) оснащаются интерфейсами сетевых узлов (NNI), с помощью которых производятся соединения элементов. Параметры NNI оговариваются в Рек. G.708 (структура циклов), G.703 (электрические характеристики) и G.957 (оптические характеристики).

Информационные структуры. Информация, поступающая в сеть, согласовывается со структурами, с помощью которых поддерживаются соединения. В SDH эти структуры образуются в сетевых слоях секций и трактов и транспортируют цифровые потоки, предусмотренные рек. G.702, а также широкополосную информацию. В функции этих структур входит также компенсация (с помощью системы "указателей" -- pointers) возможных изменений скорости и фаз транспортируемых по сети SDH цифровых потоков. Такая компенсация обеспечивает функционирование SDH как синхронизированной сети, допускающей плезиохронный режим в рамках, оговоренных Рек. G.811, и вандер -- сетевой дрейф фаз (wander) -- дрожание фазы инфранизкой частоты.

В слое секций используются синхронные транспортные модули (Synchronous Transport Modul, STM). STM -- это блочная циклическая структура с периодом повторения 125 мкс. Основной модуль STM-I имеет v= 155.520 кбит/с, а модули высших порядков STM-N -- в N раз большие скорости. Числа N совпадают с верхними уровнями иерархии SDH.

Кроме информационной нагрузки, STM несет избыточные (OverHead, ОН) сигналы, обеспечивающие ОАМ и вспомогательные функции. Ниже такие избыточные сигналы именуются "заголовками". Поскольку STM используется в сетевом слое секций, его заголовок называется "секционным" (Section ОН--. SОН). Он подразделяется на заголовки регенерацнонной и мультиплексной секций (соответственно RSOH и MSOH). RSOH передается между регенераторами, a MSOH -- между пунктами, в которых формируется и расформировывается STM, проходя регенераторы транзитом.

RSOH выполняет функции цикловой синхронизации, контроля ошибок, указания порядка синхронного модуля, а также создает каналы передачи данных, служебной связи и пользователя; MSOH -- функции контроля ошибок и создает каналы управления системой автоматического переключения на резерв, передачи данных и служебной связи.

Для организации соединений в сетевом слое трактов образуются виртуальные контейнеры (Virtual Container, VC). VC -- это блочная циклическая структура с периодом повторения 125 или 500 мкс (в зависимости от вида тракта). Различают VC различного порядка -- для разных скоростей передачи, имеющие обозначения VC-11, 12, 2, 3, 4: VC содержит также заголовок, называемый "трактовым" (Path ОН, РОН).

РОН создается в пунктах, в которых формируется (расформировывается) VС, и контролирует тракт между этими пунктами, проходя транзитом секции RS и MS. В функции РОН входят контроль качества тракта и передача аварийной и эксплуатационной информации. РОН тракта высшего порядка содержит также информацию о структуре информационной нагрузки VC. Она формируется контейнерами (Container, С). Для каждого VC имеется свой С (С11, 12, 2, 3, 4). Определены функции адаптации используемых на сети цифровых потоков к этим контейнерам. VC Образуется соединением трактового заголовка и контейнера, т. е. условно

VC=POH+C

STM жестко синхронизируется с циклом секции, а VC вводятся в STM с помощью дополнительных структур, обеспечивающих упомянутую в начале этого раздела компенсацию изменений скорости передачи и фаз транспортируемой нагрузки. Эти структуры описываются ниже.

Административный блок (Administrative Unit,AU) согласовывает сетевой слой трактов высшего порядка с сетевым слоем мультиплексных секций. Содержит информационную нагрузку VC-4(блокAU-4) или VC-3(блок AU-3) и АU-указатель (AU pointer):

АU=АU-указатель+VC

Начало цикла нагрузки может перемещаться относительно начала цикла мультиплексной секций и отмечается указателем, места которого фиксировано. Один или несколько AU, занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке STM, называются "группой административных блоков" (Administrative Unit Grouр, АUG). Группа содержит однородный набор блоков AU-3 или один AU-4.

STM-N образуется побайтным объединением N AUG и секционного заголовка SОН:

STM-N=SOH+NxAUG

Субблок (Tributary Unit,TU) обеспечивает согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков и содержит информационную нагрузку (VC-1I, 12, 2, 3) и TU-указатель, показывающий отступ начала цикла нагрузки от начала цикла VC высшего порядка:

ТU=TU-указатель+VС

В соответствий со входящими в состав TU видами VC субблоки обозначаются TU-11,12, 2,3. Один или несколько TU, занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке VC высшего порядка, называются "группой субблоков" (TUG). Различают TUG-2 и TUG-3. TUG-2 содержит однородный набор идентичных субблоков TU-11, 12 или один TU-2, TUG-3 -- однородный набор групп субблоков TUG-2 или один TU-3.

На рис. 1.16 показан цикл STM-N. В SDH принято изображение циклов в виде таблиц из n рядов и т столбцов, передаваемых за период Т цикла. Большинство таких таблиц содержит по девять рядов. Каждый элемент таблицы представляет собой 1 байт (8 бит). Порядок передачи байтов -- слева направо, а затем сверху вниз, как при чтений данной страницы. Первый байт цикла расположен в левом верхнем углу таблицы, последний -- в правом нижнем. Наиболее значащий бит байта передается первым. Первые 9N столбцов цикла STM-N несут служебные сигналы. Ряды 1--3 занимает заголовок RSOH регенерационной секции, а ряды 5--9 -- заголовок MSOH мультиплекс ной секции. Четвертый ряд отведен для All-указателей. Остальные 261 Х N столбцов цикла предназначены для информационной нагрузки.

Формула для скорости передачи, отвечающей таким таблицам (циклам), имеет вид: v=8M/T, где М -- число элементов таблицы, а Г-- период цикла. У большинства структур SDH (в том числе и STM-N) T=125 мкс. В таком случае v=64M кбит/с. Для STM-1, например, А=9 X 270= 2430, откуда v=64X2430= = 155520 кбит/с.

На рис. 1.17 показаны циклы наибольшего в SDH контейнера С-4, а также VC-4, AU-4 и STM-I. Все они имеют Т=125 мкс. Цикл С-4 содержит 260 столбцов, его скорость передачи (объем контейнера С-4) v=64 X 9 X 260= = 149 760 кбит/с; виртуальный контейнер VC-4 образуется добавлением к С-4 заголовка РОН, т. е. Первого столбца цикла (576 кбит/с). Административный блок AU-4 (в данном случае он совпадает c AUG) образуется добавлением к VC-4 девяти байтов четвертой строки (64X9=576 кбит/с), часть которых занята AU-указателем. После добавления SОН образуется цикл STM-1.

Структура кадра СЦИ. Для стандартного телефонного канала период дискретизации равен 125 мкс. Под кадром понимают совокупность символов (бит информационного сигнала), переданных за время, равное периоду дискретизации. Так как для основного синхронного сигнала - синхронного транспортного модуля уровня STM-1 скорость передачи - 155,52 Мбит/с, то каждый кадр должен содержать 19440 бит. Особенностью технологии СЦИ/SDH является то, что основной единицей кадра служит не бит, а байт, поэтому в каждом кадре содержится 19440:8 = 2430 байт. Другая особенность технологии СЦИ/SDH заключается в организации структуры кадра, который представляется как блок, состоящий из 9 строк и 270 столбцов, каждый столбец при этом имеет ширину в 1 байт.

Рис. 1.18 Структура кадра STM-1

Кадр синхронного транспортного модуля уровня STM-1 как блок данных можно представить в виде некоторого контейнера стандартного размера, имеющего сопровождающую документацию - заголовок, где собраны все необходимые для управления маршрутизации контейнера поля--параметры, и внутреннюю емкость для размещения информационных символов, которые называют полезной нагрузкой.

В кадре первые 9 байт содержат сигнал синхронизации кадра (или фрейма) FAS (Frame Alignment Signal). Последующие 261 байт используются для передачи полезной нагрузки. Следующие 9 байтов представляются в виде первых 9 столбцов второй строки и используются в качестве секции заголовка - заголовок регенераторного участка RSOH (Regenerator Section Overhead), а последующие 261 байт (261 столбцов) используются для полезной нагрузки и т.д. Таким образом формируется представление кадра синхронного транспортного модуля уровня STM-1 в виде матрицы размерностью 9x270 = 2430 байт, у которой первые 9 столбцов отведены под управляющую информацию -- это заголовок участка SOH (Section Overhead) (состоит из сигнала выравнивания фрейма FAS (1x9 байт), заголовок регенераторного участка RSON (2x9 байт), заголовок мулътиплексорного участка MSOH (Multiplexer Section Overhead) (5x9 байт) и указатель Pointer (1x9 байт), а последующие 261 столбец используются под полезную нагрузку.

Указатель (Pointer) расположен в начале четвертой строки между заголовками регенераторного RSOH и мультиплексорного MSOH участков и используется для указания начала полезной нагрузки. Как видно из рис. 1.19, действительное положение полезной нагрузки начинается не с первой строки (после сигнала синхронизации кадра FAS), а после указателя и с того места (адреса), которое задается указателем.

Полезная нагрузка располагается не в одном кадре, а частично в следующем. Нумерация емкости нагрузки в связи с этим начинается после указателя, т.е. с 10-го байта четвертой строки, а не с первой строки после FAS. Как следствие конец нумерации нагрузки заканчивается в конце третьей строки следующего кадра. Полезная нагрузка может смещаться в структуре кадра под действием непредвиденных временных флуктуации, а указатель всегда содержит адрес начала полезной нагрузки.

Рис.1.19 Принцип действия указателя в кадре STM-1

Побайтная структура указателя кадра синхронного транспортного модуля STM-1 представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Структура указателя кадра модуля STM-1

В указателе кадра байты Y и 1* являются несущественными: 1* состоит из одних единиц; Y=1001SS11, где S S = 1 0 для AU-3 и AU-4, которые будут определены далее. Байты HI и Н2 содержат значение указателя, для которого отведено 10 бит.

10 бит значения указателя кадра 2 бита расположены в конце байта HI, а остальные 8 - в байте Н2. Допустимые значения указателя кадра лежат в пределах 0...782 в десятичной системе счисления. Буквами I и D биты значения указателя разделены на две группы в соответствии с наличием или отсутствием процедуры выравнивания. Это связано с тем, что если имеет место процедура выравнивания, значение указателя должно увеличиваться или уменьшаться на единицу. Однако в канале передачи не исключены сбои, которые могут приводить к ложному изменению значения указателя кадра. Если можно было бы проводить процедуру накопления значений указателя за несколько кадров, то проблема бы снималась. Однако новое значение указателя должно вводиться сразу в кадр. Приращение указателя кодируется относительно старого значения путем инвертирования всех его нечетных бит I. При уменьшении значения указателя инвертируются все четные биты D. Поэтому изменение значения указателя кадра можно распознать по изменению значений 5 бит в указателе. Принято, что если из 5 бит, по крайней мере, 3 бита инвертированы, то это подтверждает новое значение указателя кадра. В следующем кадре новое значение указателя формируется обычным путем.

Как отмечалось выше, заголовок SON кадра STM-1 состоит из двух блоков: RSOH -заголовка регенераторного участка размером 3x9 = 27 байт и MSOH - заголовка мулътиплексорного участка размером 5x9 = 45 байт. В структуре заголовка кадра основная информация содержится в столбцах 1, 4 и 7. Свободные байты зарезервированы для будущих задач стандартизации, 6 байтовзарезервированы для национального использования.

В заголовке кадра байты Al, A2 в первой строке отведены под сигнал синхронизации (выравнивания) кадра (А 1 = 11110110, А2 = 00101000); С1 - байт идентификации наличия кадра STM-1 в кадре STN-N.

Следующие две строки относятся к заголовку регенераторного участка, к которому имеют доступ только регенераторы линейного участка. Данные строки включают:

- В1, используемый для проверки на четность с целью обнаружения ошибок в предыдущем кадре;

- Е1 используется для организации служебных каналов связи со скоростью передачи 64 кбит/с;

- F1 зарезервирован для создания канала передачи данных пользователя;

- D1-D3 формируют встроенный канал управления ЕСС (Embedded Communication Channel) со скоростью передачи 192 кбит/с.

Рис. 1.21 Структура заголовка кадра STM-1

Последние пять строк заголовка кадра SOH составляют заголовок мультиплексорного участка RSOH, который доступен только мультиплексорам. В данном участке ряд байтов (В2, Е2, D4...D12) предназначен для реализации функций аналогичных функциям в регенераторном участке. Кроме того, здесь реализуется канал автоматического переключения резервирования APS (Automatic Protection Switching) - байты Kl, K2. Канал APS используется также для сигнала индикации аварийного состояния AIS (Alarm Indication Signal) и для сигнализации ошибок (отказов) удаленного оборудования. Байты Zl, Z2 являются резервными, кроме 5-8 бит байтов Z1, используемых для сообщений о статусе синхронизации.

Виртуальные контейнеры. Для организации соединений в сетевых слоях трактов используются виртуальные контейнеры VC-n, определённые в Рек. G708, G.709. Виртуальный контейнер - это блочная циклическая структура с периодом повторения 125 или 500 мкс. (в зависимости от вида тракта), каждый VC-n состоит из поля нагрузки (контейнер C-n) и трактового заголовка PОН, несущего сигналы обслуживания данного

VC-n = C-n +POH

Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончания трактов. Заголовок создаётся и ликвидируется в пунктах, в которых формируется и расформировывается VC-n , проходя транзитом секции. Он позволяет осуществлять контроль качества трактов "из конца в конец" и передавать аварийную и эксплуатационную информацию.

Тракты, соответствующие виртуальным контейнерам 1-го и 2-го уровня VC-11 и VC-12, относятся к трактам низшего порядка, а виртуальным контейнерам 3-его и 4-го уровней VC-3 и VC-4 - высшего.

Таблица 1.11 Перечень VC-n

VC - n	VC-11	VC-12	VC-2	VC-3	VC-4
Объём, Мбит/с	1.6	2.176	6.78	48.384	149.76
Сигналы ПЦИ Мбит/с	1.5	1.5 и 2	6	34 и 45	140

VC-11, VC-12 и VC-2 относится к нижнему рангу, а VC-3 и VC-4 - к верхнему. Во второй строке таблицы показан их полезный "объём" т.е, предельная скорость нагрузки, а в нижней строке - скорости передачи сигналов ПЦИ (округленно), размещение которых стандартизировано в этих контейнерах.

Информация, определяющая начало цикла VC-n , обеспечивается обслуживающим сетевым слоем. VC-4 - виртуальный контейнер уровня 4 - элемент мультиплексирования СЦИ, который не разбивается по подуровням и представляет собой поле формата 9*261 байтов (содержит 9 рядов и 261 столбец). Первый столбец занимает POH , а остальные 2340 элементов - полезная нагрузка: при прямой схеме мультиплексирования - это контейнер C-4 (скорость передачи 2340 * 64 = 149760 кбит/с.), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TU-3, а именно: VC-4 формируется как 1*C4 или 4*TU-31, или 3*TU-32, или 21*TUG-21, или 16*TUG-22.

VC-3 - виртуальный контейнер уровня 3 - элемент мультиплексирования СЦИ, который разбивается на два виртуальных контейнера: VC-31 и VC-32 - поля формата 9*65 байтов - для VC-31, и поля формата 9*85 байтов - для VC-32; полезная нагрузка VC-3 формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант схемы мультиплексирования), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2, а именно: VC-31 формируется как 1*С31 или 4*TUG-22, или 5*TUG-21; VC-32 формируется как 1*С32 или 7*TUG-22. Контейнер C-3 имеет 84 столбца и выдаёт полезную нагрузку 84 * 9 * 64 = 48384 кбит/с. Виртуальные контейнеры верхних уровней VC-3,4 позволяют сформировать соответствующие административные блоки.

Виртуальные контейнеры нижнего ранга используют сверхцикл 500 мкс. На рис.1.25 показан VC-12. байты V5, J2, Z6 и Z7 образуют заголовок тракта, а четыре группы по 34 байта нагрузки - контейнеры С-12 с полезной ёмкостью 2176 кбит/с VC-11 и VC-12 имеют ту же структуру, но содержат соответственно по 25 и 10 байтов в каждой из групп нагрузки.

Рис. 1.22 Сверхцикл TU-12

Необходимо отметить, что европейский стандарт не включает контейнер С-2. Соответствующий виртуальный контейнер VC-2 предназначен для транспортирования не сигналов ПЦИ, а новых сигналов с иерархическими скоростями (например, ячеек при АТМ).

Синхронные транспортные модули переносят виртуальные контейнеры верхнего ранга и обмениваются ими в узлах сети. Аналогично сами VC-3,4 обмениваются контейнерами нижнего ранга. Эти процессы должны обеспечиваться компенсацией возможных на пути колебаний фазы и частоты VC-n относительно цикла обслуживающей структуры. Упомянутая компенсация дополняется указанием начала цикла контейнера в цикле обслуживающего сетевого слоя. Обе операции выполняются механизмом указателей, оговоренным в Рек. G.709.

Мультиплексирование цифровых потоков. Многовариантность и сложность формирования модуля STM-1, предложенная в первой редакции, ставила в трудное положение производителей оборудования СЦИ и отрицательно сказывалась на его унификации. На рис. 1.23. представлена схема мультиплексирования SDH (стандарт G.708 и G.709, 1993 год).

Эта схема объединяет европейскую и американскую схемы мультиплексирования, рекомендованные ITU-T и Институтом стандартов

Рис. 1.23 Общая схема мультиплексирования PDH каналов в технологии SDH (редакция ITU-T 1993г

Описанные упрощения привели к тому, что осталось только по одному пути формирования STM-1 из потоков Е1 (2 Мбит/с) для каждой из систем:

H12 - C12 - VC12 - TU12 - TUG2 - TUG3 - VC4 - AU4 - AUG - STM-1(ЕС);

H12 - C12 - VC12 - TU12 - TUG2 - VC3 - AU4 - AUG - STM-1 (АС).

Другие варианты сборки STM-1 для европейской схемы:

T1 - C11 - VC11 - TU12 - TUG2 - VC4 - AU4 - AUG - STM1;

E3 - C3 - VC3 - TU3 - TUG3 - VC4 - AU4 - AUG - STM1;

T3 - C3 - VC3 - TU3 - TUG3 - VC4 - AU4 - AUG - STM1;

E4 - C4 - VC4 - AU4 - AUG - STM1.

Варианты 1 и 3 применяются для обеспечения совместимости с сетями SONET/SDH, использующими американскую иерархию PDH.

Формирование транспортных модулей. Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться как каскадно (поэтапно): 4х1->4, 4х4->16, 4x16->64, 4x64->256, так и непосредственно по схеме N:1->N, где N = 4, 16, 64, 256. При этом для схемы непосредственного мультиплексирования используется чередование байтов.

2. Теоретическая часть - расчет параметров ОЛТ ВОСП с WDM

2.1 Структура оптического линейного тракта ВОСП с WDM

Цифровым оптическим линейным трактом (ЦОЛТ) называется тракт, где передается световой поток, интенсивность которого модулируется цифровым электрическим сигналом, сформированным с помощью определенной кодовой последовательности.

Передача оптических WDM - несущих производится по ЦОЛТ, их построение осуществляется по единой структурной схеме (рис.2.1).

Рис. 2.1 Структурная схема цифрового линейного тракта

Структурные схемы ОЛТ передачи и ОЛТ приема для оптического тракта представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2 Обобщенные структурные схемы ОЛТ: а) ОЛТ передачи; б) ОЛТ приема

Основными элементами ВОСП (рис. 2.3) являются оптический кабель (ОК), а также оптический передатчик (ОПер) и оптический приемник (ОПр). Передатчик выполняет роль преобразователя электрического сигнала в оптический, а приемник обеспечивает обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Рис. 2.3 Оптический кабель

Обобщенная структурная схема волоконно-оптических систем передачи. Обобщенная структурная схема РУ волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) без устройств компенсации и линейных усилителей представлена на рис.2.4. Приведен пример оптической системы передачи работающей на одной оптической несущей, без чирпа (с внешним модулятором) и прямым детектированием.

Передатчик ВОСП обеспечивает преобразование входного электрического сигнала в выходной световой сигнал. Скорость передачи в линии современных систем синхронной цифровой иерархии составляет 2,5 - 40 Гбит/с. Соответственно длительность импульса источника оптического излучения не должна превышать 0,2 - 0,05 нс. Это требует применения когерентных источников излучения - лазеров.

В общем случае передатчик включает в себя лазерный диод (ЛД), модулятор (М) и кодек, на который поступает кодовая последовательность от цифровой системы передачи (ЦСП).

Модулятор производит модуляцию генерируемой лазером оптической несущей.

Кодек осуществляет преобразование кода ЦСП (аналогового сигнала) в линейный код оптической системы передачи и обратно.



Рис.2.4 Упрощенная структурная схема ВОСП

Приемник ВОСП осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. Он включает в себя фотодиод (ФД), оптический усилитель (ОУ), фильтр нижних частот (ФНЧ) и кодек. Основной элемент - ФД. Применяются p-i-n или лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.

Оптический кросс служит для оперативного соединения и разъединения оптических волокон станционных и линейных оптических кабелей в процессе технической эксплуатации ВОЛП.

2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема

2.2.1 Выбор типа источника излучения и фотоприемника, их параметры

Выбор типа источника излучения. Общие требования к источникам излучения ВОСП следующие: л излучения источника должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь ОВ; конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в ОВ; источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными; простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

В высокоскоростных ВОСП значительные требования предъявляются и к динамическим характеристикам источников света. Удобнее всего использовать оптические излучатели, допускающие прямую модуляцию интенсивности, частоты или фазы излучения без существенных изменений других параметров (модового состава, диаграммы направленности и т.д.).

Источниками излучения в оптических передатчиках с прямой модуляцией являются полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) или лазеры. Передатчики на основе светодиодов используются совместно с многомодовым волокном в низкоскоростных системах передачи информации на короткие расстояния. Основными недостатками светодиодов являются малая скорость передачи информации, малая выходная мощность, широкая полоса спектра и большая расходимость излучения.

В зависимости от скорости передачи (В) и энергетического потенцила (Э), которые берутся из табл. 2.1, выбираем пару источника излучения и фотодиода.

Таблица 2.1 Параметры СИД и ЛД

Параметр	СИД	FP	DFB	VCSEL
Длина волны, нм	850/1310	1310/1550	1310/1550	850/1310
Мощность на стыке с ОВ, дБм	-10…-15	0	-1…2	0
Спектральная ширина линии, нм	30-60	<3	<0.1	<3
Максимальная скорость, Гбит/с	<0.155	>2	>10-40	2
Тип волокна	MMF	SMF, NZDSF	SMF, NZDSF	MMF, SMF
Цена	низкая	Умеренно высокая	Высокая	Умеренная
Время наработки на отказ, ч	109	108	108	108

SMF - стандартное одномодовое волокно, MMF - многомодовое волокно, NZDSF - волокно со смещенной ненулевой дисперсией



Рис. 2.5 Зависимость энергетического потенциала между передающим и приемным модулями для различного сочетания источников излучения и фотодиодов от скорости передачи

В системах связи со скоростью менее 2,5 Гбит/с используются простейшие лазеры с резонатором Фабри - Перо и прямой модуляцией (рис. 2.6.).

При скоростях передачи информации В = 2,5 Гбит/с и выше необходимо использовать лазеры с распределенной обратной связью (DFB), в которых обеспечивается эффективная селекция мод и сужение спектра излучения (рис.2.7).

Рис.2.6 Полупроводниковый лазер с резонатором Фабри - Перо и спектр его излучения



Рис. 2.7 Полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (DFB) и спектр его излучения

В сетях связи возможно широкое использование лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) (рис.2.8).

Рис.2.8 Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)

Достоинство VCSEL: возможность массового производства и тестирования , что ведет к значительному снижению их стоимости.

Преимущества: узкая полоса излучения, высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но доступная мощность излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно.

При проектировании оптической системы передачи на 10 Гбит/с и л=1550 нм в качестве источника лучше использовать DFB лазер фирмы Nel - NLK3C8CAKB потому, что: работает в необходимом оптическом диапазоне и обеспечивает в нем мощность 1 дБм данный тип лазера имеет узкий спектр излучения (л<0.1нм); имеет высокий уровень подавления боковых мод (35дБ); г) максимальная скорость передачи 10 Гбит/с; данный тип лазера имеет интегрированный в корпус электро-абсорбционный модулятор, что дает выигрыш в комбинации лазер + модулятор по цене и делает систему более компактной;

Таблица 2.2 Сравнение лазерных модулей

Характеристики	Тип лазерного модуля
	ПОМ-03545	ЛПН-602М	JDSU 54TM-3XYZ	CyOptics D2500	CyOptics E3500	Nel NLK3C8CAKB
Диапазон рабочих длин волн, нм	1500…1550	1500…1550	1500…1580	1530…1570	1530…1563	1530…1565
Мощность излучения, дБм	0	0	-1.5…2	1	0	-1…2
Пороговый ток накачки, мА	25	30	20…50	12…50	5…35	15…30
Сопротивление терморезистора, кОм	19	10	15	10	10	10
Максимальный ток микрохолодильника, А	0.5	1	1	1	1.3	1.2
Уровень подавления боковых мод, дБ	-	-	30	30	30	35
Время нарастания, спада (по уровням 20/80%), пс	-	-	150	130	125	125
Максимальная скорость передачи, Гбит/с	0.155	0.622	2.5	2.5	2.5	10

Выбор фотодетектора. Наиболее распространены в ВОСП два типа фотодетекторов: pin-фотодиод и лавинный фотодиод (APD).

Pin: выделяют pin-фотодиоды на основе кремния и InGaAs. Чувствительность выражается в А/Вт или В/Вт и является мерой электрической мощности, которую можно ожидать на выходе фотодиода, отданной определенной, падающей на вход, световой мощностью сигнала. Для фотодиодов чувствительность отклика R связана с длиной волны светового потока л и квантовой эффективностью з, той частью падающих фотонов, которые производят пары электрон - дырка:

 (А/Вт)

где л- в нм.

Рис. 2.9 Зависимость чувствительности от длины волны для кремниевых фотодиодов

Как видно из рисунков, кремниевые фотодиоды могут использоваться в диапазоне коротких волн (850 нм), тогда как фотодиоды типа InGaAs - в диапазонах волн 1310 и 1550 нм.

Рис. 2.10 Зависимость чувствительности от длины волны для фотодиодов типа InGaAs

APD фотодиод представляет из себя pin диод с усилением. В его структуре присутствует дополнительная область усиления, приложив напряжение к которой можно добиться эффекта ударной ионизации. Эта усилительная зона достаточно велика, чтобы обеспечить полезное усиление порядка 100 (дБ) для кремниевых APD и 10-40 для германиевых и InGaAs APD. У APD фотодиодов есть и недостатки - они характеризуются коэффициентом избыточного шума (F), т.е. вместе с усилением они вносят в сигнал дополнительный шум.

Чувствительность приемников оптического излучения. Важная рабочая характеристика ВОСП, определяющая качество связи - это коэффициент ошибок (BER). Его значение равно отношению числа ошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок - наличие шумов.

В реальных системах связи значения фототока, соответствующие и 1, и 0, флуктуируют во времени из-за наличия шумов. Такие временные флуктуации тока могут привести к ошибочной интерпретации информационного символа. Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рис. 2.11.

Рис.2.11 Электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения

Уровень нуля I0, уровень единицы I1, уровень сравнения ID, длительность такта tD (слева) и распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для 1 и 0 (справа). Закрашенные области показывают вероятности ошибок: Р(1/0) - вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) - вероятность интерпретации 1 как 0.

Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных значений тока при передаче логической 1 и 0 описывается соответствующими функциями F1(I) и F0(I) распределения вероятностей. На рис. 2.11, справа, графики функций F1(I) и F0(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствующую уровню напряжения сравнения ID. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от 0 вероятность неправильной интерпретации принятого сигнала. Вероятность Р (1/0) ошибочной интерпретации 0 как 1 определяется площадью под частью функции распределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. Аналогично вероятность Р (0/1) ошибочной интерпретации 1 как 0 определяется площадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID. При равной вероятности передачи 0 и 1 коэффициент ошибок определяется простым выражением:

В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратичными отклонениями , для 1 и 0 соответственно коэффициент ошибки определяется выражением:

где - показатель качества принимаемого сигнала.

Для нормальной работы ВОСП требуется, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пренебрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать постоянными и не зависящими от мощности света. В этом случае Кош уменьшается при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличивается при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи сигналов с заданным BER, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэффициента ошибок обычно принимается равным 10-9.

С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости B [бит/с]. Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе pin-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 2.12).

Рис.2.12 Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе pin - фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников

В отсутствии шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми свойствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности. При высоких скоростях, таких как 2.5 Гбит/с и 10 Гбит/с, улучшение чувствительности APD приемников может оказаться значительным.

Для InGaAs/InP APD, предназначенных для систем ВОСП с большой длиной волны, можно получить улучшение по крайней мере в 7 дБ по сравнению с pin приемниками на скорости 2.5 Гбит/с и 5 - 6 дБ на скорости 10 Гбит/с. Однако, при проектировании высокоскоростной системы передачи я сделал выбор в пользу InGaAs pin диода. Это обусловлено следующими факторами: а) pin диоды имеют большую наработку на отказ (может быть в 10 раз больше чем у APD); б) pin диоды менее чувствительны к изменению температуры и более просты в обращении; в) pin диоды значительно дешевле APD (по данным Farnell.com pin диоды в 10 - 20 раз дешевле APD);

2.2.2 Расчет параметров КЭМ передачи и приема

Состав и назначение квантово-электронного модуля (КЭМ). Для повышения надежности и снижения требований к условиям эксплуатации и монтажа источники и приемники для ВОЛС выполняют в виде КЭМ, предназначенных для приема и передачи информации по ВОЛС.

КЭМ позволяет подключать с одной стороны аппаратуру (передачи или приема), а с другой -- ОК. На передаче КЭМ обеспечивает преобразование электрического сигнала в оптический, а на приеме -- обратное преобразование. В состав КЭМпер входят: полупроводниковый источник излучения с электронной схемой возбуждения (ИЛ), согласующие устройства, обеспечивающие эффективный ввод излучения в ОВ и разъемный соединитель, с помощью которого осуществляются подсоединение световода и ввод в него оптического сигнала. Каждый КЭМ комплектуют кабельной частью соединителя, рассчитанной на применение ВОК с диаметром световодной жилы около 10 мкм.

В состав КЭМпр входят согласующее устройство, разъемный соединитель, п/п фотодетектор, преобразующий оптический сигнал в электрический, и МШУ усилитель. Модули выполнены в виде герметических микросборок, используется тонкопленочная гибридная технология, бескорпусные дискретные компоненты и п/п интегральная схема.

Для уменьшения зависимости характеристик ИЛ от температуры и времени наработки используют систему стабилизации выходной мощности, поддерживающую постоянную выходную мощность излучения путем соответствующего изменения тока накачки. В качестве датчика обратной связи используют Si-фотодиод.

Конструктивно указанные модули размером в спичечную коробку содержат несколько микросхем и дискретных элементов, помещенных в герметичный корпус с оптическим разъемом.

Выбор КЭМ приема. Основными параметрами КЭМ приема цифровых ВОСП являются: рабочая длина волны; напряжение шума; пороговая мощность (чувствительность); скорость передачи; коэффициент ошибок; вольтовая чувствительность.

Рабочая длина волны КЭМпр - длина волны принимаемого оптического излучения, для которой его параметры нормированы.

Напряжение шума КЭМпр обусловлено шумами фотоприемника, и шумом предусилителя, включенного непосредственно после фотоприемника. Требование к предусилителю - обеспечение минимального уровня собственных помех в полосе частот усиливаемого сигнала.

Вольтовая чувствительность - отношение напряжения на заданной нагрузке КЭМпр и мощность излучения вызвавшего появление этого напряжения. Значение вольтовой чувствительности КЭМ приема лежит в пределах

Порог чувствительности определяет Рср min мощность излучения на входе КЭМпр для заданного сигнала, при которой обеспечивается заданное отношение SNR или заданный BER. Чем меньше порог чувствительности, тем больше энергетический потенциал системы и длина участка регенерации.

Параметры серийных КЭМ приема цифровых ВОСП приведены в табл.1.14. Основными характеристики: порог чувствительности, при которой обеспечивается заданный BER или требуемое SNR; скорость передачи информации; рабочая длина волны.

Таблица 2.3 КЭМ приема

Расчет мощности излучения. Мощность источника излучения рассчитывается из формулы:

Pпер = Рпр - Э [Вт]

мощность приема (Рпр) была рассчитана, а Э берем из таблицы 2.3.

Выбор КЭМ передачи. Основными параметрами КЭМ передачи цифровых ВОСП являются: средняя мощность излучения; л; ширина спектра излучения; скорость передачи.

В ряде случаев задаются эксплуатационные параметры: интервал рабочих температур; входное напряжение; напряжение питания и др.

Средняя мощность излучения определяется как среднее за данный интервал времени значения мощности на выходе оптического соединителя при определенном входном напряжении.

Длина волны излучения КЭМ передачи, на которой нормируются его параметры, называется рабочей длиной волны.

Ширина спектра КЭМ передачи определяется шириной спектра используемого излучателя.

Скорость передачи зависит от быстродействия источника излучения и электронной схемы возбуждения.

Для уменьшения влияния температурной нестабильности характеристик лазерного диода в состав КЭМ передачи входит фотоприемник, используемый в качестве датчика ОС. Ответвление части оптической мощности излучателя в цепь ОС осуществляют с заднего торца ЛД, а фототок датчика используют для управления режимом работы излучателя.

Паспортные характеристики серийных КЭМ для цифровых ВОСП приведены в табл.2.4. Основными параметрами являются скорость передачи, мощность излучения.

По полученной в результате расчета по формуле

Pпер = Рпр - Э

мощности передачи (Рпер) и скорости передачи (В), по табл.2.4 выбираем КЭМ передачи.

Таблица 2.4 КЭМ передачи

2.3 Оценка параметров оптического волокна

2.3.1 Выбор рабочей длины волны

Форма и длительность оптических импульсов. Оптические импульсы характеризуются зависимостью:

P(t)=P0F(t)

Длительность импульсов характеризуют полной длительностью TFWHM (TFWHM - это время, в течение которого мощность импульса постоянно превышает половину от максимального значения.) по уровню половины максимальной мощности (full width at half-maximum). Мера длительности импульса - корень из временной дисперсии импульса уф. Сама временная дисперсия у2ф.:

где - энергия импульса и координата центра импульса, которую можно считать временем прибытия импульса, а угловые скобки означают операцию усреднения по времени.

Импульсы стандартной формы. При теоретическом анализе работы систем связи часто используются импульсы стандартной формы, перечисленные ниже. Гауссов импульс F(t)=exp(-t2/T20),

TFWHM=2(ln2)1/2T0=1,665T0=2,35уф. Импульс в форме гиперболического секанса

Супергауссов импульс

При m = 1 форма этого импульса представляет собой обычный гауссовский импульс. С увеличением m передний и задний фронты супергауссовского импульса становятся все более крутыми. Если определить длительность переднего фронта TN как время, в течение которого мощность импульса возрастает от 10 до 90% от пиковой мощности, то получим TN=(ln9)To/2m=1,1To/m.



Это выражение позволяет оценить m из измерения T0 и TN. Как видно из формулы, увеличение m приводит к росту крутизны фронта. При неограниченном увеличении m супергауссовский импульс переходит в прямоугольный импульс.

Прямоугольный импульс

Электрическое поле оптических импульсов. Зависимость мощности от времени не полностью описывает оптический импульс, распространяющийся в одномодовом волокне. Оптический импульс представляет собой всплеск электромагнитного излучения конечной длительности, распространяющийся вдоль оси z. Для его полного описания надо задать изменение во времени электрического поля E(t,x,y) в некотором сечении волокна. Относительное распределение поля внутри одномодового ОВ в поперечном сечении часто можно считать постоянным и для многих типов ОВ известным. В этом случае импульс полностью описывается зависимостью напряженности электрического поля во времени E(t), поскольку

E(t,x,y)=e(x,y)A(x,y)E(t)

где e(x,y), A(x,y) характеризуют моду ОВ.

Электрическое поле E(t) короткого оптического импульса колеблется с угловой частотой щ0, соответствующей центральной световой длине волны импульса л0. Используется комплексное представление поля E(t), действительная часть равна электрическому полю:

отделим член, быстро осциллирующий на несущей частоте, от более медленно меняющейся компоненты, которая называется комплексной амплитудой поля:

Комплексная амплитуда представлена в виде произведения действительной амплитуды на фазовый множитель:

Интенсивность оптического импульса связана с мощностью выражением

где- эффективная площадь сечения оптического волокна.

Спектр оптических импульсов Спектр оптических импульсов можно вычислить, используя преобразование Фурье. Введем комплексную функцию

Энергетический спектр сигнала определяется квадратом модуля функции

Критические длины волн и частоты. Световоды имеют частоту отсечки (критическую частоту f0), и по ним возможна передача лишь волн длиной меньше диаметра сердцевины световода (<d).

Суммируя значения поперечных состовляющих g сердцевины и оболочки, получаем:

g12+g22=k12 - k22=k0(n12 - n22), (1.2.1)

где k0=2 pi/=2 pi f/c; g12=k12 -b2 -поперечная составляющая волнового числа сердцевины; k1=2 pi/ - волновое число сердцевины; b - коэффициент распространения в световоде.

Для определения f0 надо принять g2=0, т.к. при значениях g2>0 поле концентрируется в сердцевине световода, а при g2=0 оно выходит из сердцевины и процесс распространения по световоду прекращается. Тогда:

g12=k0(n12 - n22), (1.2.2) f0= pi(n12 - n22)1/2

Умножив числитель и знаменатель на радиус сердцевины r1,получим:

F0=g1 c r1/pi d(n12 - n22)1/2 , (1.2.4)

где d - диаметр сердцевины волокна

0=v1/f0=(n12 -n22)1/2

где g1=Pnm - параметр, характеризующий тип волны (моду). Значения Pnm для различных типов волн 0 можно найти в специализированной литературе по ОК. Из формулы видно, что чем толще сердцевина световода и чем больше отличаются n1 и n2 , тем больше критическая длина волны и ниже f0.

f0 для различных типов волн Pnm и диаметра сердцевины d приведены в таблице 2.5 ( n1=1.51 и n2=1.50 ).

Таблица 2.5 Критические частоты

При определённой л наступает режим, когда q=0 градусов, волна падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль световода не распространяется. Это соответствует случаю критической длины волны 0 =d. Поэтому по ОВ возможна передача лишь волн длиной меньше диаметра световода ( <d ).

Рисунок 2.13 - Распространение волны в волоконном световоде для частот: а - очень высоких; б - менее высоких; в - критических

Нормированная частота. Важнейшим обобщённым параметром ОВ, используемым для оценки его свойств, является нормированная частота V:

V=((g1 a)2 - (g2 a)2)1/2=((k12 - b2)+(b2 - k22))2=(k12- k22)1/2=2 pi a(n12 - n22)1/2/

где a - радиус сердцевины оболочки; n1 - показатель преломления сердцевины; n2 - то же, оболочки

В таблице 2.6 приведены значения нормированной частоты V при различных радиусах сердцевины волокна a, длины волн (n1=1,51).

Таблица 2.6 Нормированная частота