Диссертация (Научно-методические и физико-технологические принципы создания оптоэлектронных устройств нового поколения на модифицированных наноструктурах), страница 10

Они заключаютсяне только в затухании сигнала по энергии, но и в расширении импульса подлительности из-за хроматической дисперсии. Дисперсию можно оценить спомощьюкоэффициентаW.ВеличинаW = L / τ э [ MГц ⋅ км ]называетсяудельной полосой пропускания и зависит от типа ОВ, расположения «окнапрозрачности» (значения оптической несущей), ширины спектра излучениялазерного диода ∆λ [59].Отсюда, выражение Шеннона для оптического волокна с одинаковымидля всех каналов значениями τ к и ∆f к будет иметь вид:V1 = Kf (bτэ)⋅ N ⋅(L) ⋅ n ⋅ (a c − a ш ( 10 lg K f ) = K f Nbn(a c − a ш ( 10 lg K f ) . (2.7)WКак видно из этой формулы, общее число каналов по технологииWDM , равное K = K f ⋅ N , ограничено шириной полосы Fов и временем Tтс .Для технологии TDM ( K f =1) весь частотный ресурс Fов можетрасходоваться на организацию временных каналов N , а следовательно, наскорость передачи информации υ , которая для двоичного кодирования повеличине не отличается от скорости передачи сигналов ν .Для технологии WDM увеличение количества частотных каналов K fуменьшает число временных N , и наоборот, уменьшение длительностиэлементарного импульса τ э и соответствующее расширение полосы ∆f к60снижает значение K f .

Это свидетельствует о том, что общее число каналовВОЛС, определяемое на основании соотношения Хартли [58]K = Кf ⋅N,одинаково для TDM и WDM.Линейная зависимость между значениями K , K f , N говорит о том, чтоне существует оптимальной длительности τ э , позволяющей обеспечитьмаксимальное значение пропускной способности ОВ.Таким образом, при условии наличия соответствующей элементнойбазы обе технологии могут предоставить одинаковое число каналов ВОЛС.Эти каналы можно организовать с помощью волнового уплотнения ОВ(разделив общую полосу между отдельными каналами).

Затем передаватьоптические сигналы одновременно в нескольких волновых каналах (WDM).Другой способ - это с помощью временного уплотнения осуществлятьпередачу сигналов в строго отведенные временные промежутки, которыезанимают всю полосу «окна прозрачности» ОВ (TDM).Отсюда следует, что обе технологии при наличии одинаковогоэнергетического запаса Ров обеспечивают равную информационную емкость.Проанализируем возможности технологий TDM и WDM по дальностисвязи.Для технологии TDM величина Авх полностью расходуется на энергиюоптического сигнала. Поэтому длина усилительного участка зависит отэнергии оптического импульса(произведения квадрата амплитуды надлительность импульса), километрического затухания ОВ α и уровнясигнала ас = аш + а з .

Согласно энергетическому балансу ВОЛС (рис.2.2а )максимально возможная дальность усилительного участка равна [57]:Lэн =Авх − а сα.(2.8)61авх, дБL1 L2Δаасаз1ашL,кмаз2Рисунок 2.2а. Диаграмма уровней ВОЛСРисунок 2.2б. К расчету длины усилительного участкаОднако в это выражение входят уровни сигналов, не учитывающиеуменьшения дальности связи при увеличении скорости передачи сигналов.Два импульса одинаковой амплитуды, но разной длительности будут иметьразные энергии (рис.2.2б). Для простоты рассуждений в качестве примера нарисунке 2.2б выбраны импульсы прямоугольной формы.

В линии связи, какизвестно, затухает энергия сигнала, величина которой и определяет длинуусилительного участка. Чем меньше энергия сигнала на входе ОВ, тембыстрее он затухнет в линии связи, тем короче длина УУ. При одном и томже значении входного уровня авх , но разной длительности τ э , скоростьзатухания(потериэнергииимпульса)воптическойлиниибудетпропорциональна величине τ э (см. графики 1 и 2 на рис.2.2а). Допустим,62график 1 (рис.2.2а ) соответствует эталонной скорости, например, STM-1 суровнем защищенности а з , а график 2 – скорости STM-4.

Системы ВОЛС с1такими параметрами и одинаковой величиной защищенности обеспечатдальность связи, равную соответственно L1 и L2  L1 . Чтобы эти расстояниябыли равны, необходимо повысить входной уровень второй системы. Врассматриваемомслучаеанализируютсяпотенциальныевозможноститехнологий TDM и WDM. Поэтому в качестве входного уровня принимаетсямаксимально возможное значение для выбранного оптического волокна Авх. .Такие же графики 1 и 2 получатся, если использовать разные оптическиелинии связи с различными коэффициентами километрического затухания ОВα 1  α 2 .

Выражение (2.8) в этом случае справедливо для энергетическихрасчетов ВОЛС, организованных с помощью разных оптических кабелей.Поэтому в формуле (2.8) требуются дополнительные уточнения длясравнения ВОСП с разными скоростями передачи информации. Это можноосуществить следующим образом: 1) взять за основу расчетов в качествеэталонной системы, например, график 1; 2) найти дополнительную величину∆атак, как это показано на рис.2.2а; 3) получить новое значениезащищенности а з = а з + ∆а для системы с другой скоростью передачи21сигналов; 4) согласно рассчитанной величине а з определить дальность УУ2для новой системы L2 по графику 1 (рис.2.2а ).Таким образом, уменьшение энергии элементарного импульса за счетсокращения его длительности предлагается учесть в формуле (2.8)увеличением значения защищенности а з для сохранения качества связи. Наосновании рис.2.2аможно сделать вывод, что величина ∆а зависит ототношения энергий исходных импульсов и при одинаковой их амплитуде(входном уровне Авх ) определяется отношением длительностей элементарныхимпульсов.

Поэтому введем в числитель формулы (2.8) дополнительноеслагаемое, равное ∆а = 10 lg B / τ э . Это дополнение учитывает необходимые63изменения величины защищенности эталонной системы в зависимости отскорости передачи информации ВОСП, для которой рассчитывается Lэн .Тогда, величина максимальной дальности по энергетическому балансу(бюджету) Lэн для технологии TDM определится как:Lэн =[ Авх − (а с ( 10 lg B τ э ) ] / α ,где B - коэффициент, равный(2.9)длительности импульса эталоннойВОСП;а с = (а ш ( а з1 ) - значение уровня входного сигнала эталонной ВОСП;τ э - длительность элементарного импульса ВОСП, причем τ э B B .Следовательно, возможности ОВ по дальности для технологии TDMограничены величиной Авх , скоростью передачи информации и выбраннымзначением качества а з .Длина регенерационного участка ВОСП выбирается с учетомвременного баланса.

Так, влияние хроматической дисперсии допускаетследующеезначениедлинырегенерационногоучастка,котороерассчитывается как отношение коэффициента W на конечную скоростьν[59]:Lвр = Т тс ⋅ W / N ⋅ n ⋅ m1 ,(2.10)где коэффициент m1 учитывает возможное повышение скорости передачи засчет линейного кода.В этом случае дальность связи ограничивается скоростью передачи ν(количеством временных каналов N ), параметром оптического волокна W ,шириной полосы лазерного излучения ∆λ . В зависимости от скоростипередачи сигналов, линейного кода и параметров ОВ ( α , W ) расстояние Lврможет быть больше или меньше расстояния Lэн .64Какправило,длинаусилительногоучасткаменьшедлинырегенерационного участка.Если приравнять значения Lэн и Lвр по формулам (2.9) и (2.10) другдругу, то получим выражение, с помощью которого можно подбиратьпараметры ВОСП ( α , W ,ν , m1 , ∆λ , К ) таким образом, чтобы они обеспечивалимаксимально возможную дальность связи (длину усилительного участка)волоконно-оптических линий при использовании всех доступных ресурсов(по ширине полосы Fов и входному уровню Авх ) оптического волокна.Для технологии WDM уменьшение длительности τ э влечет за собойрасширение спектров сигнала и снижение числа волновых каналов K f , атакжеперераспределение допустимого входного уровняАвхмеждуволновыми каналами в сторону увеличения входных уровней авх согласноформуле (2.5).

При этом энергияоптического импульса может остатьсянеизменной за счет одновременного уменьшенияτэи возможногоувеличения амплитуды импульса.Так, длина усилительного участка по энергетическому балансу Lэн длятехнологии WDM c учетом выражений (2.5) и (2.9) равна:Lэн = [ Авх − 10 lg К f − (а с ( 10 lg B τ э ) ] / α .(2.11)Из этого выражения видно, что при уменьшении τ э (увеличениискорости передачи сигналов) поднимается уровень защищенности за счетслагаемого 10 lg B / τ э , что уменьшает дальность.Происходящее при этомсокращение числа волновых каналов K f и повышение авх каждого канала,наоборот, увеличивает дальность связи за счет уменьшения величины 10 lg K fв формуле (2.11). Если в итоге получится, что величина K f сравняется свеличиной B / τ э , то значения 10 lg K f и 10 lg B / τ э уравновесят друг друга, адальность связи не изменится.

Этот вывод справедлив при условии полного65использования технологией WDM ресурсов ОВ по полосе Fов и входномууровню Авх .Еслиучестьвлияниехроматическойдисперсиинауширениедлительности импульса, то можно рассчитать дальность связи длятехнологии WDM (длину регенерационного участка) по временному балансу.Так, при делении полосы Fов на отдельные частотные каналы можнозаписать:K f = Fов ⋅ τ э / b или K f = FОВ L / bW .(2.12)Отсюда, длина регенерационного участка равна:Lвр = К f ⋅ W ⋅ b / Fов .(2.13)Приравняв выражения дальности связи по энергетическому (2.12) ивременному (2.13) балансам для технологии WDM, по аналогии с TDMможнополучитьпараметрыВОСП,обеспечивающиемаксимальновозможную дальность связи (длину усилительного участка) при условиииспользования ресурсов ОВ по ширине полосы частот и входному уровню.Сравнение дальности связи ВОСП, организованных с помощьютехнологий WDM и TDM, позволяет получить интересную закономерность.Так, при одной и той же защищенности передачи аз и скорости передачисигналов величина Lэн для технологии WDM (2.11) меньше, чем для TDM(2.9) в К L раз:К L = ( Авх − а с ) / ( Авх − а с − 10 lg K f ) =10gPов / Рс= og PОВ / Рс К f ( Pов / Рс ) .10gPов / Рс K f(2.14)Следовательно, увеличение количества частотных каналов в системепередачи с WDM уменьшает Lэн не пропорционально числу К f (числуволновых каналов), а согласно логарифмической зависимости (2.14).На рис.2.3 изображены кривые, построенные по формуле (2.14) дляотношений Ров / Рс , равных 10; 20.