УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ’ЯЗКУ

Богданова Ірина Вікторівна

УДК 621.396

ДОСЛІДЖЕННЯ ТА Розробка методик

ЕФЕКТИВного проектування лінійних трактів ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАВАННЯ ЗІ СПЕКТРАЛЬНИМ розДІЛЕННЯМ КАНАЛІВ

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Українському науково-дослідному інституті зв’язку

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Хиленко Володимир Васильович,

Український науково-дослідний інститут, директор

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Чайка Василь Євгенович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних

технологій (ДУІКТ),

професор кафедри радіомоніторингу

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Карушкін Микола Федорович,

Державне підприємство Науково-дослідний інститут

”ОРІОН” (ДП НДІ ”ОРІОН”),

провідний науковий співробітник

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ КПІ), м. Київ.

Захист відбудеться 02.02. 2007 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.849.01 Українського науково-дослідного інституту зв’язку за адресою: 03680 МСП, м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту зв’язку за адресою: 03680 МСП, м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13

Автореферат розісланий 29.12. 2006 року

Учений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., с.н.с. В.Ф. Михайлов

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку оптичних інформаційних технологій спостерігається стрімке зростання об’ємів трафіку, що передається по лініях зв’язку, при цьому потреба у збільшенні пропускної здатності мереж зв’язку щорічно приблизно подвоюється. Вирішення цієї проблеми здійснюється шляхом модернізації існуючих волоконно-оптичних систем передавання (ВОСП) із застосуванням нових технологій, що дозволяють максимально використовувати ємність вже прокладених оптичних кабелів та потребують менших термінів реалізації та пов’язаних з цим витрат порівняно з будівництвом нових волоконно-оптичних ліній зв’язку (ВОЛЗ) з більш високими швидкостями передавання даних.

Питаннями впровадження нових технологій на мережах зв’язку України займались такі провідні українські вчені, як Стєклов В.К., Беркман Л.Н., Панфілов І.П., Каток В.Б.

На сьогоднішній день на транспортній телекомунікаційній (первинній) мережі зв’язку України найбільш поширеною та перспективною технологією, що забезпечує майже необмежений потенціал для збільшення інформаційно-пропускної здатності існуючих багатоканальних ВОСП, є мультиплексування з розділенням за довжиною хвилі або спектральне розділення каналів (СРК).

Однак, крім зазначених переваг, використання цієї технології потребує також урахування ряду окремих факторів, що суттєво впливають на якість передавання у ВОСП з СРК. Зокрема, це стосується наявності взаємних впливів між каналами, що призводить до появи в них завад від сусідніх каналів та, як наслідок, до збільшення коефіцієнту помилок. При цьому причини виникнення міжканальних взаємних впливів можуть бути пов’язані як з характеристиками сучасного ущільнювального обладнання, так і зі спектральними характеристиками лазерів, що входять до складу систем передавання. Крім того, як показує практика, постачаючи готове обладнання, виробники не наводять у паспортних даних відомості щодо величини міжканальних взаємних впливів. Отже, актуальною є проблема розрахунку та вимірювання міжканальних взаємних впливів для дотримання нормованого рівня коефіцієнта помилок, що встановлений міжнародними стандартами, та визначення технологічного запасу по якості передавання при експлуатації ВОСП з СРК.

Крім того, при високих швидкостях передавання даних при наявності певної множини каналів у ВОСП з СРК необхідно враховувати також і групу нелінійних ефектів у оптичному волокні (ОВ). В цьому випадку внаслідок міжканальної взаємодії виникають нелінійні комбінаційні продукти, які при попаданні в смугу робочих частот каналу також можуть спричинити збільшення коефіцієнта помилок. Через причини технологічного характеру має місце деяка відмінність характеристик навіть однотипних ОВ з різних партій. Оскільки рівень нелінійної взаємодії визначається переважно оптичним волокном, актуальною є проблема оцінки рівня нелінійної взаємодії в конкретному волокні з метою вибору для будівництва ВОЛЗ з СРК саме того оптичного волокна з мінімальними нелінійними ефектами, що забезпечуватиме мінімальний коефіцієнт помилок та, відповідно, стабільно високу якість передавання.

Враховуючи достатньо високу вартість комплексу робіт з будівництва або модернізації ВОСП, актуальним є питання попередньої оцінки зазначених факторів та ступеня їх впливу на якість передавання у ВОСП з СРК ще на етапі проектування для гарантованого запобігання виходу значення коефіцієнта помилок за межі, що встановлені міжнародними стандартами.

Існуючі методики проектування багатоканальних ВОСП з СРК передбачають розрахунок довжини регенераційної дільниці, втрат та загасання, енергетичного бюджету потужності системи з урахуванням частотного плану, швидкості передавання, але зовсім не враховують лінійні та нелінійні взаємні міжканальні впливи у ВОСП з СРК. Лише в найсучасніших іноземних виданнях, наприклад, в книзі А.Жирара (Andre Girard ”Guide to WDM Technology and Testing”), розглядаються питання вимірювання лінійних міжканальних взаємних впливів при експлуатації ВОСП з СРК, але застосування при цьому вимірювачів оптичної потужності потребує значних ресурсів для одержання необхідних даних для розрахунків. Крім того, дотримання паспортних характеристик окремого ущільнювального обладнання та волоконно-оптичного кабелю у підсумку не гарантує, що значення коефіцієнту помилок системи в цілому буде у межах норми. Тому актуальною є проблема розробки комплексної методики попередньої оцінки факторів, що впливають на якість передавання у ВОСП з СРК.

Таким чином, актуальність теми визначається необхідністю підвищення завадостійкості, якості передавання та надійності функціонування ВОСП з СРК за рахунок мінімізації коефіцієнта помилок та забезпечення запасу по співвідношенню сигнал / завада ще на етапі проектування ВОЛЗ з СРК шляхом вибору відповідних оптичних волокон, пристроїв демультиплексування та джерел випромінювання.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Українському науково-дослідному інституті зв’язку (УНДІЗ) на базі науково-дослідних робіт, що проводились в інституті, а також в Науково-інженерному центрі лінійно-кабельних споруд при Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ) згідно з науковими планами кафедри Волоконно-оптичних ліній зв’язку ДУІКТ та за планами Державного департаменту з питань зв’язку та інформатизації Міністерства транспорту та зв’язку України, Міністерства освіти і науки України, іншими загальнодержавними науковими програмами.

Дисертаційна робота була спрямована на виконання задач зі створення транспортної мультисервісної мережі з використанням технології мультиплексування з розділенням за довжиною хвилі на магістральному та зоновому рівнях і пов’язана з планами щодо розвитку ВАТ ”Укртелеком” в цілому та транспортної телекомунікаційної (первинної) мережі ВАТ ”Укртелеком” зокрема.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка принципів та методик ефективного проектування ВОСП з СРК для підвищення їх завадостійкості, якості передавання та надійності функціонування.

Відповідно до поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Впорядкування і розробка термінології та визначень щодо параметрів взаємних впливів в симплексних (односпрямованих) та дуплексних (двоспрямованих) ВОСП з СРК.

2. Дослідження та розробка методики розрахунку лінійних взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК на етапі їх проектування та функціонування.

3. Дослідження та розробка нових методик і принципів вимірювання параметрів лінійних взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК, які є більш ергономічними та потребують технічних ресурсів меншого рівня складності.

4. Розробка методики оцінки впливу нелінійних ефектів у оптичному волокні на якість передавання в каналах ще на етапі проектування ВОСП з СРК з метою запобігання виходу параметрів якості передавання за межі норм, що встановлені міжнародними стандартами.

5. Розробка принципів зменшення взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК.

Об’єктом дослідження є лінійний тракт ВОСП з СРК.

Предметом дослідження є параметри взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, нелінійні ефекти в оптичному волокні та ступінь їх впливу на якість передавання.

Методи дослідження. Для розрахунку рівня взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК були застосовані матричні методи. Розрахунки нелінійних ефектів у ВОСП з СРК були проведені з використанням математичного апарату теорії коливань, в тому числі нелінійних коливань. Крім того, з метою перевірки теоретичних результатів застосовувались експериментальні методи досліджень, зокрема, спектральні методи моніторингу сигналу, з використанням зовнішніх пристроїв оптичного моніторингу (серійних засобів вимірювальної техніки).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Впорядковано основні визначення та розроблено окремі термінологічні елементи для параметрів взаємних впливів між каналами у симплексних та дуплексних ВОСП з СРК.

2. Розроблено методи вимірювання параметрів лінійних взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що забезпечують меншу трудоємність порівняно з існуючими та дозволяють застосовувати поширені вимірювальні прилади порівняно невисокого рівня технічної складності.

3. Досліджено та розроблено методику розрахунку величини взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, яка забезпечує можливість оцінки їх рівня ще на етапі проектування ВОСП з СРК.

4. Запропоновано методику розрахунку продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в оптичному волокні та визначено за її допомогою співвідношення між продуктами взаємодії різного типу в робочій смузі частот.

5. Розроблено метод оцінки рівня завад, що викликані міжканальним впливом за рахунок ефекту 4-хвильового змішування в оптичному волокні, який дозволяє мінімізувати коефіцієнт помилок у ВОСП з СРК, що проектуються, шляхом вибору оптичного кабелю з відповідними волокнами.

6. Розроблено методику оцінки величини взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що зумовлені внеском спектральних характеристик джерел випромінювання.

7. Запропоновано шляхи зменшення взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК за рахунок вибору режиму лазерних джерел випромінювання та/або встановлення на їх виході та на виході демультиплексорів вузькосмугових оптичних фільтрів, а також застосування оптичних ізоляторів.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновані методи та методики вимірювання параметрів взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК можна рекомендувати для експлуатаційних вимірювань у ВОСП з СРК для визначення технологічного запасу по якості передавання.

2. Розроблену методику розрахунку величини взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК можна рекомендувати для оцінки відповідності ВОСП з СРК, що проектуються, нормам міжнародних стандартів щодо якості передавання.

3. Розроблену методику оцінки рівня завад, що викликані нелінійним ефектом 4-хвильового змішування, можна застосовувати для оцінки якості передавання ще на етапі проектування ВОСП з СРК та для мінімізації коефіцієнта помилок шляхом вибору для будівництва оптичного кабелю з відповідними оптичними волокнами.

4. Запропоновану методику розрахунку величини взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що зумовлені спектральними характеристиками джерел випромінювання, можна використовувати для вибору джерел випромінювання з потрібними характеристиками на етапі проектування ВОСП з СРК.

5. Запропоновані дії щодо зменшення взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК можна рекомендувати для підвищення якості передавання як на етапі проектування, так і в процесі експлуатації при виході параметрів якості передавання за межі встановлених норм.

Результати розробок підтверджені актами впровадження.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- проаналізовано переваги використання технології спектрального розділення каналів для збільшення пропускної здатності існуючої транспортної телекомунікаційної (первинної) мережі зв’язку України [6];

- проаналізовано ряд аспектів, що пов’язані з переходом до повністю оптичних транспортних мереж, досліджено архітектури їх побудови та параметри фізичного рівня одноканальних та багатоканальних міжстанційних інтерфейсів, визначено методи специфікації та нормування цих параметрів [9, 10];

- проведено класифікацію та узагальнення основних технічних характеристик найбільш часто застосовуваних в техніці оптичного зв’язку пасивних компонентів [11];

- проаналізовано вплив хроматичної дисперсії на пропускну спроможність багатоканальних ВОСП у розрізі швидкості передавання та оптичних волокон, що використовуються [8];

- проаналізовано підходи до визначення критеріїв ефективності інформаційних систем [12, 13, 14];

- впорядковано та розроблено визначення і термінологічні елементи для параметрів взаємних міжканальних впливів у симплексних та дуплексних ВОСП з СРК [3, 7];

- досліджено та запропоновано методику розрахунку величини параметрів взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК внаслідок кінцевих значень перехідних загасань у демультиплексорі, із застосуванням елементів теорії взаємних впливів між ланцюгами ліній зв’язку з використанням металевого кабелю [3, 7];

- запропоновано метод вимірювання параметрів взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК за допомогою оптичних аналізаторів спектру, що забезпечує меншу трудоємність порівняно з існуючими методами [1];

- досліджено розподіл нелінійних комбінаційних продуктів, що утворюються внаслідок ефекту 4-хвильового змішування в оптичному волокні, визначено співвідношення між нелінійними комбінаційними продуктами різного типу в робочій смузі частот та запропоновано методику розрахунку продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в оптичному волокні [2, 5];

- запропоновано методику оцінки рівня завад, що викликані ефектом 4-хвильового змішування, за допомогою оптичних аналізаторів спектру та вимірювачів оптичної потужності, а також методику виключення впливу на результати вимірювань потужності, що проникає до робочого каналу із сусідніх каналів внаслідок кінцевих значень перехідних загасань у демультиплексорі (при використанні вимірювачів оптичної потужності) [2];

- запропоновано методику розрахунку величини взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК, що зумовлені внеском спектральних характеристик лазерів [4];

- запропоновано шляхи зменшення взаємних міжканальних впливів у ВОСП з СРК за рахунок вибору режиму лазерних випромінювачів та/або встановлення на їх виході та на виході демультиплексорів вузькосмугових оптичних фільтрів, а також застосування оптичних ізоляторів [4].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях: 7-я, 8-я, 9-я Международная научно-практическая конференция ”Эволюция транспортных сетей телекоммуникаций. Проблемы построения, развития и управления”, пгт. Партеніт, Лівадія 2004, 2005, 2006 гг.; ІІ молодіжна наукова конференція ”Сучасні інформаційні технології в повсякденній діяльності та підготовці фахівців”, Одеса, 31 березня 2006р.; І щорічна конференція професорсько-викладацького складу та студентства Міжнародного гуманітарного університету, Одеса, 14-15 квітня 2006р.

та науково-практичних семінарах: ”Актуальні питання стандартизації та оцінки відповідності у галузі зв’язку України”, Київ, 14-15 грудня 2005р.; ”Сучасні інформаційно-комунікаційні технології”, Київ, 25 квітня 2006р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, в тому числі: 7 ? в фахових наукових журналах, 7 в збірниках праць конференцій та семінарів.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація викладена на 110 сторінках, містить 30 рисунків на 25 сторінках та 9 таблиць. Список використаних джерел містить 96 найменування на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі проведено оцінку сучасного стану розв’язуваних завдань, вміщено головні вихідні дані для розробки теми, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, необхідність виконання роботи, зв’язок між проведеними дослідженнями та науковими темами. Сформульовано мету і задачі дослідження. Визначено наукову новизну та практичну значущість отриманих результатів.

У розділі 1 проведено оцінку перспективних напрямків збільшення пропускної здатності існуючих мереж зв'язку. Як один із найбільш перспективних напрямків, детально розглянуто технологію спектрального розділення каналів (СРК або WDM). Детально розкрито питання стандартизації частотного розподілу каналів у ВОСП з СРК. Проведено класифікацію ВОСП з СРК в залежності від щільності каналів, наявності лінійних підсилювачів, швидкості та відстані передавання, тощо. Проведено порівняльний аналіз різних типів джерел випромінювання та оптичних волокон, що можуть бути використані у ВОЛЗ з СРК.

Проаналізовано основні чинники, що суттєво впливають на співвідношення сигнал / завада та, як наслідок, на коефіцієнт помилок та якість передавання у ВОСП з СРК, серед яких, зокрема, наявність міжканальних перехідних завад, що виникають внаслідок взаємного впливу каналів у демультиплексорі, наявність продуктів нелінійної взаємодії каналів у оптичному волокні та вплив спектральних характеристик джерел випромінювання. Для запобігання виходу параметрів якості передавання за межі норм, що встановлені міжнародними стандартами, необхідно вже на етапі проектування ВОЛЗ з СРК оцінювати можливий вплив цих факторів. При цьому критерієм ефективності проектування вибрано забезпечення достатнього експлуатаційного запасу по співвідношенню сигнал / завада. Також проведено аналіз існуючих методик і підходів до проектування, а також сучасних методів моніторингу сигналу та обладнання у ВОСП з СРК.

У розділі 2 на прикладі 4-канальної ВОСП з СРК та її компонентів проведено впорядкування визначень та розробку нових термінологічних елементів щодо параметрів взаємних впливів у симплексних та дуплексних ВОСП з СРК типу ”точка - точка”.

Визначено математичний апарат для оцінки та розрахунку параметрів лінійних перехресних завад, що виникають внаслідок кінцевих значень перехідних загасань між каналами мультиплексорів та демультиплексорів через недосконалість їх конструкцій. При цьому використано елементи теорії взаємних впливів між ланцюгами ліній зв’язку з використанням металевого кабелю.

Рис. 1. Симплексна 4-канальна WDM-система

Як це видно з рис. 1, для симплексних ВОСП з СРК типу ”точка - точка” потребують визначення такі основні параметри:

- оптичні втрати, що внесені каналом (власні втрати WDM-пристрою) аіі :

, при j = i, (1)

де Pi (i), Pi (i) – вхідна та вихідна потужності інформаційного сигналу i в каналі і WDM-MUX або WDM-DEMUX, мВт;

- оптичне перехідне загасання на дальньому кінці aпр ij :

, при j i, (2)

де Pпр ij* (j) – вихідна потужність сигналу-завади j в робочому каналі i WDM-DEMUX, мВт;

- оптична канальна ізоляція: , при Pпр j = Pпр i , (3)

- оптичні втрати, що внесені передавальним волокном aОВ ii,

- оптичні перехідні завади на дальньому кінці Аl_oптN[i,(N-1)j]:

, при j i (4)

де Pпр ij *(j) - вихідна потужність сигналу-завади j в робочому каналі i WDM-DEMUX, Pпр i ’(і) - вхідна потужність інформаційного сигналу i в каналі i WDM-DEMUX, N- кількість каналів.

При цьому величина Al_oптN показує, при якому значенні перехідного загасання на дальньому кінці в дБ для WDM-DEMUX один (або N-1) сигнал(и)-завада(и) в каналі i повинен бути подавлений, щоб дати можливість інформаційному сигналу з робочою довжиною хвилі i передаватися всередині каналу i WDM-системи, не перевищуючи визначеного коефіцієнта помилок (BER) Кпом = 10-12 .

Рис. 2. Дуплексна 4-канальна WDM-система

Для дуплексних ВОСП з СРК (рис. 2), крім зазначених вище параметрів, додатково потребують визначення ще такі параметри:

- оптичне перехідне загасання на ближньому кінці aпр/пер ij :”

при j i, (5)

де Pпр/пер ij *(j) - вихідна потужність сигналу-завади j- в робочому каналі i WDM-MUX/DEMUX, мВт; Pпер j (j) - вхідна потужність сигналу-завади j в каналі i WDM-MUX, мВт;

- оптичні перехідні завади на ближньому кінці А0_oптN[i,(N-2)j]:

, (6)

де Pпр/пер ij *(j) - вихідна потужність сигналу-завади j- в робочому каналі i WDM-MUX/DEMUX, мВт; Pпр i ’(i) - вихідна потужність інформаційного сигналу i в каналі i WDM-MUX, мВт, при j i.

На основі співвідношень (1) – (6) було розроблено програму для розрахунку на ПК зазначених параметрів взаємних впливів у ВОСП з СРК. Результати проведених розрахунків для цифрових систем передавання рівня STM-4, STM-16 та STM-64 підтверджують, що із збільшенням швидкості передавання даних у ВОСП з СРК рівень взаємних міжканальних впливів також збільшується.

При цьому для забезпечення достатньої якості передавання у ВОСП з СРК (при коефіцієнті помилок Кпом = 10-12) допустима величина перехідних завад на дальньому кінці складає - 10 дБ, а величина загасання на ближньому кінці становить від 27 дБ до 49 дБ в залежності від довжини усього лінійного тракту.

У розділі 3 проведено огляд відомих нелінійних ефектів у оптичному волокні та досліджено групу нелінійних ефектів, що пов'язані із залежністю показника заломлення волокна від оптичної потужності, зокрема, фазову автомодуляцію, перехресну фазову модуляцію та 4-хвильове змішування. Серед них, враховуючи тенденцію до збільшення кількості каналів у сучасних ВОСП з СРК та, як наслідок, зменшення інтервалу між каналами, особливої уваги заслуговує ефект 4-хвильового змішування.

Ефект 4-хвильового змішування полягає у тому, що при взаємодії трьох хвиль з частотами i , j , k (з відповідними кутовими частотам i , j , k) утворюється четверта хвиля на частоті i j k . Доведено, що доцільно враховувати тільки нелінійні комбінаційні продукти (НКП) виду 2i - j (НКП-А) та i + j -k (НКП-В).

Загальну кількість НКП-А та НКП-В в N-канальній WDM-системі можна визначити як S НКП-А = N (N-1) (7)

S НКП-В = N (N -1) (N -2)/2 (8)

Комбінаційні частоти розподіляються в робочій смузі частот = n - 1 симетрично, з максимумом в середині діапазону.

Шляхом моделювання досліджено розподіл НКП внаслідок 4-хвильового змішування у робочій смузі частот.

В результаті проведеного моделювання при N = 3…11 видно, що при збільшенні кількості каналів в WDM-системі також збільшується % НКП, що попадають в робочу смугу частот. Так, при N < 11 в робочу смугу попадає більше 45 % НКП-А від їх загальної кількості та більше 61 % НКП-В.

Рис. 3. Графік розподілу НКП-А при N = 8

Слід зазначити, що аналогічна ситуація спостерігається також при інших розподілах частот в смузі , за умови, якщо розподіл рівномірний.

Запропоновано методику розрахунку продуктів нелінійної взаємодії каналів у ВОСП з СРК в оптичному волокні внаслідок 4-хвильового змішування, за допомогою якої визначено співвідношення між продуктами взаємодії різного типу.

Розмах області визначення НКП першого роду визначається як

R = max – min (9)

де максимальні та мінімальні частоти НКП-А и НКП-В визначаються як:

maxA = 2fn – f1 (10)

maxB = fn + f N -1 – f1 (11)

minA = 2f1 – f N (12)

minB = f1 + f2 – f N . (13)

Причому maxB < maxA (14)

minA < minB (15)

Крім того, в точках максимуму та мінімуму знаходиться тільки по одному НКП. Тоді, використовуючи (10) – (13), вираз (9) для розрахунку розмаху області визначення НКП першого роду набуває вигляду:

RНКП-А = maxА – minА = 3f N – 3f1 (16)

RНКП-В = maxВ – minВ = 2f N – 2f1+ f N -1 – f2 (17)

Запропонована методика дозволяє розрахувати як загальну кількість продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в оптичному волокні, так і кількість та розподіл продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в межах робочої смуги частот.

Проаналізовано вплив хроматичної дисперсії на пропускну спроможність багатоканальних ВОСП у розрізі швидкості передавання та оптичних волокон, що при цьому використовуються. З точки зору ”найгіршого випадку” у ВОСП з СРК викликають інтерес такі параметри, як максимальна та мінімальна хроматична дисперсія. Нормативні значення цих параметрів визначені міжнародними стандартами, зокрема, Рекомендаціями Міжнародного союзу електрозв’язку (ITU-T). Розглянуто існуючі методи розрахунку та визначення хроматичної дисперсії у ВОСП з СРК.

У розділі 4 запропоновано методику попередньої оцінки (на етапі проектування ВОСП з СРК) параметрів лінійних та нелінійних перехресних завад, що полягає у проведенні (в запропонованому порядку) на імітаційній моделі майбутньої ВОСП з СРК (в лабораторних умовах) ряду експериментальних вимірювань із застосуванням серійних засобів вимірювальної техніки. Так, для вимірювання та оцінки лінійних перехідних завад, завад, що викликані 4-хвильовим змішуванням, та завад, що зумовлені спектральними характеристиками джерел випромінювання, запропоновано методи, що дозволяють застосувати як оптичні аналізатори спектру, так і вимірювачі оптичної потужності.

Також запропоновано принципи зменшення взаємних міжканальних впливів у ВОСП з СРК за рахунок вибору режиму лазерних випромінювачів та/або додаткового застосування вузькосмугових оптичних фільтрів, а також застосування оптичних ізоляторів.

Незважаючи на простоту та розповсюдженість таких вимірювальних приладів, як вимірювачі оптичної потужності, їх використання дуже ускладнює процес вимірювань та збільшує об’єм робіт, що є особливо істотним при тестуванні багатоканальних компонентів ВОСП з СРК. Тому для вимірювання спектральних характеристик джерела випромінювання, перехресних завад демультиплексорів та інших компонентів ВОСП з СРК доцільно використовувати оптичні аналізатори спектру (ОАС), оскільки ці прилади дозволяють спостерігати та досліджувати як спектр групового (мультиплексного) сигналу у ВОСП з СРК, так і спектри окремих канальних сигналів у робочому діапазоні довжин хвиль. Крім того, ОАС також дозволяють вимірювати перехідні загасання між каналами у ВОСП з СРК, мають великий динамічний діапазон та високу роздільну здатність.

За допомогою ОАС ACTERNA ONT-30 було проведено вимірювання спектру випромінювання лазера з розподіленим зворотнім зв’язком (DFB-лазера), який звичайно застосовується в якості джерела оптичного випромінювання у ВОСП з СРК. |

Як це видно з рис. 4, у спектрі випромінювання DFB-лазера наявні регулярні складові, що виходять за межі ширини спектральної лінії, а також спостерігається значне перевищення повної ширини спектру випромінювання відносно ширини спектральної лінії, що визначена згідно з встановленим рівнем (наприклад, 3 дБ). Ці фактори можуть спричиняти перехресні завади, які впливають на якість передавання у ВОСП з СРК. Причому при зменшенні міжканального інтервалу спостерігається зростання потужності, що фіксується в каналі (i+1) внаслідок впливу джерела випромінювання каналу і, при однакових робочих смугах довжин хвиль каналів (?max– ?min).

Рис. 4. Спектр випромінювання

DFB-лазера

Тому оцінка спектральних характеристик джерела випромінювання та можливого рівня перехресних завад вже на етапі проектування ВОСП з СРК є важливим завданням. Запропонована методика розрахунку величини взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що зумовлені спектральними характеристиками джерел випромінювання, полягає в наступному.

У загальному випадку коефіцієнти перехідних завад (перехідне загасання) можуть бути виражені як

, при j = 1…N, j i (18)

де Рвих.і – потужність джерела випромінювання в каналі і (вихідна потужність), що вимірюється на імітаційній моделі майбутньої ВОСП з СРК за допомогою ОАС,

Pвпл.ij – потужність, що фіксується в каналі i внаслідок впливу каналу j (також вимірюється за допомогою ОАС),

N – кількість каналів ВОСП з СРК.

Тоді співвідношення сигнал / завада в каналі і можна оцінити із наступного виразу:

, при j = 1…N, j i (19)

Запропоновану методику можна використовувати для підбору джерел випромінювання на етапі проектування ВОСП з СРК.

Іншою причиною міжканальних завад у ВОСП з СРК, що проявляються у вигляді небажаного впливу одних каналів на інші, може бути наявність кінцевого перехідного загасання між каналами мультиплексорів та демультиплексорів внаслідок недосконалості їх конструкцій.

На прикладі окремих компонентів симплексних та дуплексних ВОСП з СРК (зокрема, 4-канального демультиплексора (DEMUX) та 4-канального мультиплексора / демультиплексора (MUX/DEMUX)) запропоновано методи вимірювання параметрів взаємних міжканальних впливів, для чого змоделювати в лабораторних умовах багатохвильовий режим розповсюдження сигналів по оптичному волокну згідно з планом довжин несівних хвиль та у відповідності до рис. 5 провести із застосуванням ОАС наступні вимірювання:

- Pпр i(i) та Pпр і’(i) - рівнів вхідної та вихідної потужності інформаційних канальних сигналів на довжинах хвиль i для DEMUX, мВт;

- Pпр ij*(j) – рівней вихідної потужності сигналів-завад від сусідніх каналів з довжинами хвиль j в робочому каналі i DEMUX, мВт;

- Pпр/пер ij*(j) – рівней вихідної потужності сигналів-завад довжинами хвиль j в робочому каналі i MUX/DEMUX, мВт;

- Pпер j(j) – рівней вхідної потужності сигналів-завад з довжинами хвиль j в робочому каналі i MUX/DEMUX, мВт,

тут N – кількість каналів ВОСП з СРК, і = 1 ... N, j = 1 ... (N-1), і j.

Рис. 5. Методи вимірювання характеристик 4-канальних компонентів симплексної (а) та дуплексної (б) ВОСП з СРК із застосуванням оптичного аналізатора спектру

Надалі, враховуючи математичний апарат для оцінки та розрахунку параметрів лінійних перехресних завад у ВОСП з СРК, що визначений у розділі 2, провести необхідні розрахунки міжканальних взаємних впливів.

Використання запропонованої методики забезпечує можливість оцінки відповідності ВОСП з СРК нормам міжнародних стандартів по якості передавання ще на етапі їх проектування. Крім того, запропоновану методику можна також використовувати при проведенні експлуатаційних вимірювань у ВОСП з СРК для визначення технологічного запасу по якості передавання.

Запропоновано шляхи зменшення взаємних міжканальних впливів у ВОСП з СРК за рахунок вибору режиму лазерних джерел випромінювання та/або встановлення на їх виході та на виході демультиплексорів вузькосмугових оптичних фільтрів, а також застосування оптичних ізоляторів.

На прикладі 4-канальної симплексної ВОСП з СРК, також моделюючи в лабораторних умовах на етапі проектування ВОСП з СРК багатохвильовий режим розповсюдження сигналів із використанням оптичного волокна того ж типу, що й призначений для майбутньої лінії, запропоновано методику оцінки рівня завад, викликаних нелінійними ефектами в оптичному волокні, зокрема, ефектом 4-хвильового змішування.

Підключаючи ОАС до виходу створеного в лабораторних умовах лінійного тракту (входу демультиплексора) проводимо в досліджуваному каналі вимірювання потужності Р – сумарної потужності вхідного інформаційного сигналу та сигналів-завад, що утворились внаслідок 4-хвильового змішування, тобто

, при i, j k. (20)

Після чого виконується вимірювання вхідної потужності інформаційного сигналу в досліджуваному каналі Рпр-сиг , що проводиться на вході демультиплексора за допомогою ОАС при попередньо відключених джерелах випромінювання всіх інших каналів.

Використовуючи наведені в розділі 3 результати моделювання розподілу продуктів нелінійної взаємодії каналів внаслідок 4-хвильового змішування у робочій смузі частот, визначаємо НКП, що утворюються в досліджуваному каналі. Враховуючи (20), загальна потужність сигналу-завади дорівнюватиме різниці Р та Рпр-сиг. Відключаючи у визначеному порядку джерела випромінювання сусідніх каналів, за допомогою ОАС проводимо вимірювання потужності складових сигналів-завад.

Запропонована методика забезпечує можливість оцінки як сумарної потужності інформаційного сигналу та сигналу-завади, так і окремих потужностей сигналів-завад, що виникають внаслідок ефекту 4-хвильового змішування в оптичному волокні. Крім того, на основі результатів вимірювань можна оцінити вплив ефекту 4-хвильового змішування для лінії передавання заданої довжини на основі розрахункових виразів, що запропоновані в дисертаційній роботі.

На випадок відсутності ОАС, запропоновано методику оцінки рівня завад, викликаних ефектом 4-хвильового змішування, за допомогою вимірювачів оптичної потужності. На виході демультиплексора проводиться вимірювання сумарної потужності Р(кан.і), яка складається з потужності Pпр i’(і), вхідного інформаційного сигналу у досліджуваному каналі і , потужності РNL сигналу-завади внаслідок 4-хвильового змішування та потужності Рa сигналу, що утворюється за рахунок впливу інших каналів через кінцеві значення перехідних загасань демультиплексора:

. (21)

При цьому для виключення впливу на результати вимірювань потужності, що проникає до робочого каналу із сусідніх каналів внаслідок кінцевих значень перехідних загасань у демультиплексорі, запропоновано наступне. Потужність Рa визначається як сума окремих потужностей сигналів-завад внаслідок впливу сусідніх каналів, вимірювання цих потужностей виконується за умови відключення джерела сигналу досліджуваного каналу та при почерговому відключенні джерел випромінювання сигналів в інших каналах. За результатами вимірювань, використовуючи (21), знаходимо потужність сигналу-завади внаслідок 4-хвильового змішування як

. (22)

Запропоновану методику оцінки рівня завад, що викликані ефектом 4-хвильового змішування, можна застосовувати при проектуванні ВОСП з СРК для оцінки якості передавання та для мінімізації коефіцієнта помилок лінії заданої довжини шляхом вибору оптичного кабелю з відповідними оптичними волокнами, що забезпечують низький рівень нелінійної взаємодії.

Правильність та логічність запропонованих методик оцінки лінійних та нелінійних перехідних завад підтверджена наведеними в додатках до дисертації результатами вимірювань, що проведені за допомогою ОАС ACTERNA ONT-30, ONT-50, ONT-160.

Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів забезпечено використанням сучасних математичних методів розрахунку, обговоренням отриманих результатів на наукових конференціях та науково-практичних семінарах, тотожністю теоретичних розрахунків та результатів проведених в роботі експериментальних досліджень.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є рішенням комплексу питань, що мають наукове та прикладне значення у проектуванні ВОСП з СРК. На основі чисельного моделювання, теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень отримано результати, які дозволяють вирішити конкретне науково-технічне завдання щодо підвищення завадостійкості, якості передавання та надійності функціонування ВОСП з СРК, що має важливе значення для галузі технічних наук, а саме забезпечення параметрів якості передавання у межах норм, що встановлені міжнародними стандартами, за допомогою розроблених методик проектування і принципів мінімізації коефіцієнту помилок.

1. Проаналізовано основні фактори, що впливають на якість передавання у ВОСП з СРК, та визначено, що основними з них є лінійні міжканальні перехресні завади та 4-хвильове змішування. Досліджено та розроблено методики розрахунку, оцінки, вимірювання цих факторів.

2. Запропоновано визначення та термінологічні елементи для параметрів взаємних впливів між каналами у симплексних та дуплексних ВОСП з СРК.

3. Досліджено та розроблено методику розрахунку величини параметрів лінійних взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК внаслідок кінцевих значень перехідних загасань у демультиплексорі, зокрема, оптичних втрат, що внесені каналом, оптичного перехідного загасання на дальньому і ближньому кінцях, оптичної канальної ізоляції, оптичних перехідних завад на дальньому і ближньому кінцях. При цьому запропоновано застосування елементів теорії взаємних впливів між ланцюгами ліній зв’язку з використанням металевого кабелю щодо міжканальних впливів у ВОСП з СРК.

4. Досліджено та розроблено метод вимірювань параметрів взаємних впливів між каналами ВОСП з СРК із застосуванням оптичних аналізаторів спектру, що відрізняється високою ергономічністю. Запропоновано методику розрахунку величини параметрів взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що спирається на результати цих вимірювань.

5. Запропоновано методику розрахунку продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в оптичному волокні, що дозволяє розрахувати як загальну кількість продуктів нелінійної взаємодії каналів ВОСП з СРК в оптичному волокні, так і їх кількість та розподіл в межах робочої смуги частот. Виявлено, що форма спектру розподілу продуктів нелінійної взаємодії першого роду поза межами робочої смуги частот має форму, відмінну від нормального закону Гауса.

6. Розроблено оригінальну методику оцінки рівня завад, що викликані нелінійними ефектами в оптичному волокні, зокрема, ефектом 4-хвильового змішування, із застосуванням оптичних аналізаторів спектру та вимірювачів оптичної потужності. Запропоновано оригінальну методику виключення впливу на результати вимірювань потужності, що проникає до робочого каналу із сусідніх каналів внаслідок кінцевих значень перехідних загасань у демультиплексорі (при використанні вимірювачів оптичної потужності). Методика забезпечує можливість оцінки рівня сигналів-завад, що виникають внаслідок ефекту 4-хвильового змішування, ще на етапі проектування ВОСП з СРК та сприяє мінімізації коефіцієнта помилок у ВОСП з СРК шляхом вибору оптичного кабелю з відповідними оптичними волокнами, які забезпечують мінімальний вплив ефекту 4-хвильового змішування.

7. Розроблено та досліджено оригінальну методику розрахунку величини взаємних впливів між каналами у ВОСП з СРК, що зумовлені внеском спектральних характеристик джерел випромінювання. Встановлено, що при зменшенні інтервалу між каналами вплив джерела випромінювання призводить до зменшення перехідних загасань між каналами ВОСП з СРК.

8. Запропоновано шляхи підвищення співвідношення сигнал / завада в каналах та зменшення взаємних міжканальних впливів у ВОСП з СРК внаслідок покращення спектральних характеристик джерел випромінювання, підстроювання їх робочого режиму та використання на їх виході або на виході демультиплексорів вузькосмугових оптичних фільтрів, а також застосування оптичних ізоляторів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Хиленко В.В., Богданова І.В., Никифоренко К.Б. Оценка перекрестных помех в WDM-системах при проектировании ВОЛС // Радиотехника. Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник. – 2006. – вып. 146. – 19-24 с.

2. Богданова І.В. Оценка эффекта 4-волнового смешения при проектировании ВОЛС с использованием WDM-систем // Зв’язок. – 2006. – № 7. – 58-61 с.

3. Каток В.Б., Богданова І.В. Анализ взаимных влияний между спектральными каналами в оптических волокнах при использовании систем спектрального уплотнения // Праці УНДІРТ. – 2001. – № 1.- 24-30с.

4. Богданова И.В. Влияние спектральных характеристик источника излучения на переходное затухание между каналами в ВОЛС с использованием WDM-технологии // Вісник Українського науково-дослідного інституту зв’язку. – 2006. – № 1. – 92-96 с.

5. Богданова І.В. Нелинейные эффекты в многоканальных WDM - системах: причины, влияние и расчет // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань.- 2004.- № 1.- 108-117 с.

6. Каток В.Б., Богданова І.В. Системи спектрального ущільнення для волоконно-оптичних ліній зв’язку // Зв’язок.- 2000.- № 2.- 33-35 с.

7. Каток В.Б., Богданова І.В. Методика расчета взаимных влияний каналов в ВОЛС со спектральным уплотнением // Зв’язок.- 2000.- № 5.- 51-54 с.

8. Богданова І.В. Влияние хроматической дисперсии на пропускную способность многоканальных ВОСП // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань.- 2005.- № 1.- 144-151 с.

9. Каток В.Б., Богданова І.В. Некоторые аспекты перехода к полностью оптическим сетям // Зв’язок.- 2001.- № 3.- 11-14 с.

10. Богданова І.В. Нормирование интерфейсов оптической транспортной сети // Вісник Українського Будинку економічних та науково-технічних знань.- 2005.- № 5.- 20-27 с.

11. Каток В.Б., Богданова І.В. Пасивні оптичні компоненти та їх характеристики // Зв’язок.- 2001.- № 2.- 42-43 с.

12. Торошанко Я.І., Богданова І.В. Гносеологічні труднощі встановлення критеріїв ефективності інформаційних мереж // Матер. ІІ молод. наук. конф. ”Сучасні інформаційні технології в повсякденній діяльності та підготовці фахівців”, 31 березня 2006р., Одеса: ОНЮА, 2006. – 21-23 с.

13. Богданова І.В., Торошанко Я.І. Критерії ефективності інформаційних мереж // Матер. І щорічної конф. проф.-викл. складу та студентства Міжнар. гуманіт. ун-ту, 14-15 квітня 2006р., Одеса: МГУ, 2006. – 17-19 с.

14. Богданова И.В., Гура В.И., Корчинский В.В. Метод повышения эффективности информационной сети с коммутацией пакетов // Наук. записки Міжнар. гуманіт. ун-ту. – 2005. – вип. 3. – 111-117 с.

АНОТАЦІЯ

Богданова І.В. Дослідження та розробка методик ефективного проектування лінійних трактів волоконно-оптичних систем передавання зі спектральним розділенням каналів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття