Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Магистерская диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения.

В первом разделе проводиться анализ литературных источников, описывающих текущее состояние исследований по определению и оптимизации длины регенерационного участка.

Второй раздел посвящен факторам, влияющим на качество передачи сигнала в оптическом волокне и, соответственно, на определение длины регенерационного участка. Первый подраздел посвящен затуханию сигнала в оптическом волокне, второй – дисперсии. В третьем подразделе приведена математическая модель определения длины регенерационного участка. Четвертый подраздел описывает стандарты международного союза электросвязи, использующиеся для классификации оптических волокон.

В третьем разделе излагается математическая модель распространения оптических импульсов через оптическое одномодовое волокно.

Четвертый раздел описывает разработку программы и графического интерфейса пользователя в среде Matlab.

В пятом разделе приводятся результаты исследований. Этот раздел разделен на четыре подраздела. Первый подраздел описывает исследование зависимости длины регенерационного участка от скорости распространения импульса. Во втором подразделе приведены выводы по исследованию зависимости длины регенерационного участка от параметров волокна таких как, коэффициент хроматической дисперсии, коэффициент поляризационно-модовой дисперсии, коэффициент затухания. Третий подраздел содержит результаты исследования по зависимости длины регенерационного участка от параметров аппаратуры, приведены графики зависимости от ширины спектра источника и энергетического потенциала. В четвертом подразделе описаны зависимости длины регенерационного участка от крутизны фронта и параметра модуляции.

1. Анализ литературных источников, описывающих текущее состояние исследований по определению и оптимизации длины регенерационного участка

Оптоэлектронная связь сегодня является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Достоинства оптических кабелей и систем передачи, и в первую очередь экономия меди, вызвали повышенный интерес к ним и привели к интенсивному развитию этой отрасли [3].

Особое внимание уделяется одномодовым волокнам, так как при их использование возможна передача большого потока информации на требуемые расстояния при больших длинах регенерационных участков. Хотя, общая стоимость установки одномодовых систем непомерно высока, если для систем связи не предъявляются требования работы со скоростями свыше 1 Гбит/с или на расстояниях свыше 5 км [4].

Первым шагом в разработке волокна для использования в передаче данных было создание стекла настолько чистого, чтобы был сохранен один процент света в конце волокна длиной 1 км, традиционное расстояние для телефонных систем на медной основе (без повторителей). При этом затухание составляет 20 дБ на километр (20 дБ/км). В течение 1960-х гг. исследователи во всем мире работали над этой проблемой, и прорыв произошел в 1970 г., когда ученые из Корнинга (Corning) д-р Морер (Dr. Maurer), д-р Кек (Dr. Keck) и д-р Шульц (Dr. Schultz) создали волокно с требуемыми параметрами затухания [4].

С тех пор с точки зрения производительности и применений технология стеклянных волокон чрезвычайно продвинулась.

Производительность современного волокна приближается к теоретическому пределу изготовленных на кварцевой основе стеклянных материалов, и это позволяет волокну при использовании с соответствующей электроникой передавать оцифрованные световые сигналы без усиления на расстояния, существенно больше 100 км. По сравнению с ранними уровнями затухания 20 дБ на км, современные достижимые уровни – менее 0,35 дБ/км на 1310 нм и 0,25 дБ/км на 1550 нм – совершенно поразительны [4]. К сожалению, при передаче информации на большие расстояние требуется установка дополнительного оборудования, что увеличивает стоимость установки.

Интерес к изучению длины регенерационного участка нашел свое отражение в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов. Например, длину регенерационного участка волоконно-оптического тракта исследовал И. И. Гроднев в своем справочнике «Волоконно-оптические системы передачи и кабели» [3].

«В общем виде ограничивающим фактором длины регенерационного участка может быть как дисперсия, так и затухание. Применительно к передаточным характеристикам существующих оптических кабелей в многомодовых световодах длины регенерационного участка и дальность связи лимитируются дисперсией и соответственно полосой пропускания, а в одномодовых световодах, обладающими хорошими дисперсионными характеристиками, длина участка и дальность связи определяются затуханием световодного тракта».

В работе были использованы наработки и развиты идеи российских и зарубежных авторов таких, как В. В. Виноградов [5], Agrawal G. P. [6], Дж. Гауэр [7] относительно расчетов длины регенерационного участка.

В своих исследованиях мы используем более современные данные, а именно, параметры современных волокон фирм Fujikura Ltd (Япония) и Draka (Финляндия) и характеристики источников и детекторов волоконного излучения, которые сейчас предлагают производители. Поэтому результаты работы будут дополнением к вышеупомянутым выводам авторов.

На данный момент исследователи предлагают использовать фазово-модулированные импульсы для оптимизации длины регенерационного участка. При исследовании таких импульсов И. Л. Виноградова, профессор кафедры телекоммуникационных систем, доктор технических наук, написала несколько статей [8, 9, 10]. В них она рассматривала применение фазово-модулированного сигнала для построения адаптивных волоконно-оптических сетей связи и искажение цифрового сигнала под действием хроматической дисперсии волоконно-оптических линий передач.

В ходе изучения И. Л. Виноградова пришла к следующим выводам. Современные телекоммуникационные системы показывают, что влияние хроматической дисперсии зависит как от длительности импульса, так и от его формы (огибающей оптической мощности), главным образом – от крутизны фронтов, что в известной модели не принимается во внимание. Она исследовала импульс супергауссовой формы, похожей на меандровый импульс и имеющей линейно-частотную модуляцию.

(1.1)

где: – параметр модуляции;

– степень крутизны фронтов.

Одно и то же оптоволокно с неизменными параметрами по-разному действует на длинный и на короткий импульс. На короткие импульсы оно действует сильнее, чем на длинные импульсы. Иными словами, чем короче импульс, тем больше он будет уширен. Если считать импульс фазово-модулированным, то при увеличении крутизны фронтов импульс искажается быстрее – при прохождении меньшего расстояния. Если принять во внимание начальное модулирование, то фронты импульса начинают искажаться неравномерно, характерные пики появляются не только на вершине, но и на фронтах.

«Используемое сегодня соотношение для определения степени уширения импульса под действием хроматической дисперсии является приближенным и может использоваться лишь для первичных оценок. Кроме того, при выявлении в эксплуатации значительного дисперсионного уширения импульсов сначала надо понять, какой именно причиной вызвано данное уширение: широким спектром излучения передатчика, очень короткими импульсами или чрезвычайно крутыми их фронтами. Вполне возможно, что, с одной стороны, существуют и другие причины повышения дисперсионных искажений, и, с другой стороны, возможности подстройки импульса под параметры волоконно-оптической линии связи с целью уменьшения их искажений».

Исследования по влиянию фазово-модулированных импульсов на уширение импульса и длину регенерационного участка проводил и Э. Л. Портнов [11, 12, 13].

Он пришел к выводу что, применяя модулирование, уширение битового интервала меньше, чем без него. Это означает, что, можно увеличить длину усилительного или регенерационного участка. Следует отметить, что это противоречит выводам предыдущего автора И. Л. Виноградовой. Можно предположить, что они используют разный метод оценки уширения импульса. В связи с этим следует проверить результаты обоих авторов в нашей работе.

1. Анализ факторов, влияющих на качество передачи в оптических системах

Оптическое волокно – среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации.

При передаче импульсных сигналов по оптическому волокну их амплитуда уменьшается и искажается форма (они уширяются). Уширение импульсов обусловлено дисперсией волокон. Дисперсия является так же и причиной уменьшения амплитуды импульсов, так как уширение импульсов неизбежно сопровождается уменьшением их амплитуды. Но в большей степени уменьшение амплитуды импульсов обусловлено потерями в волокнах. Таким образом, потери и дисперсия являются основными оптическими характеристиками волокон, применяемых в линиях связи [14].

1. Затухание

Затуханием называется потеря оптической энергии по мере движения света по волокну. Измеряемое в децибелах на километр, оно изменяется от 300 дБ/км для пластикового волокна до примерно 0,21 дБ/км для одномодового волокна [15].

Затухание зависит от длины волны света. Существуют окна прозрачности, в которых свет распространяется вдоль волокна с малым затуханием. На заре своего развития оптические волокна работали в окне прозрачности от 820 до 850 нм. Второе окно относится к области нулевой дисперсии вблизи 1300 нм, третье окно – в области 1550 нм. Типичное волокно со структурой показателя преломления 50/125 имеет затухание 4дБ/км при 850нм и 2,5 дБ/км при 1300 нм, что соответствует увеличению эффективности передачи в 30%. График зависимости затухания от длины волны представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1  Зависимости затухания от длины волны

Затухание в волокне определяется двумя эффектами:

• Поглощение;

• Рассеяние.

Поглощением называется процесс, при котором неоднородности волокна поглощают оптическую энергию и преобразуют ее в тепло. При этом свет становится более тусклым.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут быть значительными.

Рассеяние, с одной стороны, обусловлено неоднородностями материала оптического волокна, размеры которых меньше длины волны, а с другой ­­­ тепловыми флуктуациями показателя преломления.

Рассеяние света принципиально неустранимо и вносит свой вклад в затухание оптического волокна даже в том случае, когда потери света на поглощение равны нулю.

Другими факторами, которые вносят вклад в общие потери, могут быть потери, вызванные механическим, конструктивными и эксплуатационными факторами при использовании волокна, а именно:

• Потери, вызванные различными дефектами при соединении волокон;

• Потери, вызванные микроизгибами и макроизгибами волокна;

• Потери, вызванные рассеянием на границе между сердцевиной и оболочкой [16].

Затухание определяется отношением оптических мощностей на входе и выходе. Для оценки таких величин по решению Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) от 1971 г. используются логарифмические единицы с основанием 10 (десятичные логарифмы). Величина затухания вычисляется по формуле (2.1):

(2.1)

где: – затухание [дБ];

– амплитуда сигнала на входе;

– амплитуда сигнала на выходе.

Для однородного волокна в состоянии равновесия можно определить затухание на единицу длины, или коэффициент затухания по формуле (2.2):

(2.2)

где: – длина оптического волокна.

1. Дисперсия

Дисперсия является важнейшим параметром оптического волокна, которая определяет его пропускную способность для передачи информации.

Дисперсия  это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну и определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе оптического волокна [5]:

(2.3)

где: – длительность импульса на выходе;

Характеристики

Список файлов ВКР