РУКОВОДСТВО ЗА КП

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – ВАРНАФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОНИКАКАТЕДРА”РАДИОТЕХНИКА”

Курсов проектОПТОЕЛЕКТРОНИКА И ОПТИЧНИ КОМУНИКАЦИИ

Тема: Кабелна информационна мрежа

Изходни данни:Диапазон O(1260-1360), E (1360-1460), S(1460-1530), C(1530-1565),

L(1565-1625), U(1625-1675) Тип мрежа………………………………………………………………….Брой абонати……………………………………………………………Максимално разстояние между абонатите км.Максимална скорост на предаване Gbps

Студент:...................................................................................................Фак. No курс група

Примерно съдържание:1.Увод.2.Литературна справка.3.Кратки теоретични сведения.4.Избор на топология на мрежата5.Изчисление на дължината на участъците.6.Избор на пасивните елементи на мрежата.7.Избор на оптични приемник и предавател.8.Изчисляване на загубите на оптична мощност по екстемните маршрути.9.Избор на оптични усилватели.10. Изчисляване на дисперсията в екстремните маршрути.11.Подробна функционална схема на мрежата.12.Изводи и препоръки.13.Спецификация на използваните компоненти (фирмени описания).14.Списък на използваната литература.

Дата на задаване:Дата на защита: Студент..............................

Ръководител......................Основна литература:1.Тодоров К. Наръчник на техническия изпулнител”Оптични кабели и линии”София 1999.2. Рабов С., Христов А. Оптични комуникации “Нови знания” С. 19993. Е. Фердинандов, Ц,Мицев. Световодни комуникационни системи. “Сиела” 2001 г.Допълнителна литература:1.Убайдулаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. Москва 1988 г.2.Димитриева С.А. Волоконно-оптическая техника. Москва 2000 г.3.Михаил Гук Апаратъие средства локалънъих свтвй. Москва 2000 г.4.www.lucent.com 11.www.radial.5.www.corning.com 12.www.alcatel.com6.www.ozoptics.com 13.www.draka.com7.www.nec,com 14.www.micropac.com8.www.okioptikal.com 15.www.optocfiberonline.com9.www.pbn.com.au 16.www.rxs.com10.www.highwave-tech.com 17.www.avantex.com

МЕТОДИЧЕСКО РЪКОВОДСТВО ЗА КУРСОВО ПОЕКТИРАНЕ

ПО “ОПТОЕЛЕКТРОНИКА И ОПТИЧЕСКИ КОМУНИКАЦИИ”

1.ВъведениеПри проектирането на оптични мрежи изградени на базата на световоди

се изисква да се определи: Топологията на мрежата. Разстоянието между абонатите. Избор на пасивните елементи на мрежата . Избор на оптични приемник и предавател. Изчисляване на загубите на оптична мощност по екстемните маршрути. Избор на оптични усилватели. Изчисляване на дисперсията в екстремните маршрути. Избор на компенсатори на дисперсията. Изчисляване на вероятността за грешки (отношението сигнал/шум) Съставяне на подробна функционална схема на мрежата.Освен тези основни изисквания е необходимо да се вземат в предвид и

следните допълнителни фактори: възможност за включване на допълнителни абонати, цена, надежност, тегло, размери, енергопотребление, защитеност от смущения, климатични фактори, и др.

Поради сложността и голямото многообразие на възможните решения в настоящото ръководство се разглеждат само два типа конфигурации на PON мрежи: линейна (BUS)(фиг.1) и звездообразна (фиг.2).

Фиг.1

Фиг.2.

2. Енергиен баланс

Енергийното проектиране на световодна оптична мрежа от линеен и звездообразен тип може да се раздели условно на 12 етапа.

Етап 1. На този етап е необходимо да бъдат избрани честотната лента, или скоростта на предаването на данни (етап 1А), отношението сигнал/шум SNR , или вероятността за битови грешки BER (етап 1Б), типа на кодиране на цифровата информация (RZ, NRZ) броят на терминалите N (етап 1В) , структурата на мрежата (линйна, звездообразна и др.) и разстоянието между абонатите Li (етап 1Г).

Етап 2. Избор на световода в зависимост от зададения диапазон на работната вълна λ и загубите при разпространение α(λ), броят на заваръчните съединения СС, броят на разглобяемите съединения РС и големината на загубите в тях αСС αРС.

Етап 3. Избор на оптическия източник (етап 3А), който се характеризира с величината на излъчваната мощност PS(dBm).

PS(dBm) = 10.lgPS(mW) (1)Средната величина на излъчваната мощност РSвх (dBm) зависи от метода

на кодиране и е с 3dB по малка от PS при NRZ и с 6dB по малка при кодиране RZ (етап 3Б).

РSвх (dBm) = PS(dBm) – 3 за NRZ

РSвх (dBm) = PS(dBm) – 6 за RZ

Етап 4. На етап 4А се избира фотоприемник в зависимост от дължината на

работната вълна λ , типа (PIN или APD) и с помощта на фирмените описания се снемат техническите му параметри (бързодействие, чувствителност, максимална входна мощност, шумови характеристики и др.)

На етап 4Б се определя минимално допустимата усреднена оптична мощност Pmin на входа , която обезпечава зададеното отношение сигнал/шум SNR (за аналогови мрежи), или зададената битова грешка BER (за цифрови мрежи).

За аналогови фотоприемници:

Pmin(dBm)PIN = NEP(dBm) + 5.lg(ΔFR) + 0,5.SNR(dB)

Pmin(dBm)APD = NEP(dBm) + 5.lg(ΔFR) + SNR(dB) (2a)

За цифрови фотоприемници:

Pmin(dBm)PIN = NEP(dBm) + 5.lg(ΔFR) + 0,5.SNR’(dB)

Pmin(dBm)APD = NEP(dBm) + 5.lg(ВR) + SNR’(dB) (2б)

В горните формули NEP= SN/K (noise equivalent power) – спектрална плътност шума на

изхода на фотоприемника SN (V/Hz-1/2), отнесен към входната оптичния приемник, който има коефициент на преобразуване К (V/W). NEP обикновено се взема от фирмените описания и има дименсия (W/Hz-1/2), или (dBm/Hz),

ΔFR (Hz) – ширина на честотната лента на приемника,ВR (bit/s) – максималната скорост на предаване на информацията,SNR’ – преизчислено отношение сигнал/ шум за цифровите приемници,

по известна стойност на допустимата вероятност за битова грешка ВER,

например:ВER SNR’(dBm)10-3 1610-4 17,510-5 18.810-6 19,6 (3)10-7 20,410-8 21,0510-9 21,610-10 19,9510-11 22,6

Често за цифровите приемници фирмените описания съдържат сведения за максималната скорост на предаване на информацията ВR (Мbit/s) и за минимално допустимата усреднена оптична мощност Pmin на входа, като се посочва стойността на BER ( най-често 10-9 , или 10-11 ).

При избора на фотоприемник следва да се отчита, че PIN фотодиода има динамичен диапазон до 100 dB, a APD има динамичен диапазон в границите (0-30) dB.

На етап 4В се определят допустимите загуби на оптичната мощност α4

при разпространението по трасето:

α4 (дБ) = РSвх (dBm) - Pmin(dBm) (4)

Етап 5. На този етап се определят загубите в световодите α5 (дБ).

За линейна мрежа (фиг.1):

α5 (дБ) = αλ . (L1 + L2 +… LN) (5)

За звездообразна мрежа (фиг.2):

α5 (дБ) = αλ . Lmax (6)

В тези формули αλ (dB/km) – относителни загуби в световода за избраната работна

дължина на вълната (от фирмен сартификат),Li – дължина на i-я участък в km,Lmax – дължината на участъка, който съединява двата максимално

отдалечени абоната в km.

Етап 6. На този етап се отчитат загубите при въвеждането на оптичния поток от източника в световода α6 (дБ). Тези загуби зависят от многобройни фактори ( размери на сърцевината на световода и на излъчващата повърхност на източника, френелови загуби, разходимост на излъчения поток, кохерентност на източника, числена апертура на световода, степен на съгласъване при използване на съгласуваща оптика и др.) При липса на достатъчни данни от този характер може да се приеме , че α6 (дБ) ≈ 6.

Съвременните полупроводникови източници се предлагат със съединен към тях къс световод (pig tail). В тези случаи РSвх (dBm) се счита за излъчена мощност от световода . В тези случаи е необходимо да се изчислят загубите при съединяването на източника към основния световод така, както се изчисляват загубите при съединения световод-световод, например

при наличие на разлики в диаметрите на сърцевините

α6d (дБ) = 10.lg(d1

2/d22) , d1> d2 ,

(7) а при разлики в числовите апертури

α6NA

(дБ) = 10.lg(NA12/NA2

2) , NA1> NA2 . (8)

Пълните загуби от разсъгласуване се определят като сума от всички видове загуби:

α6 (дБ) = α6d (дБ) + α6

NA (дБ) (9)

При отсъствие на загуби от разсъгласуване (еднакви световоди) загубите α6 могат да бъдат отчетени на етап 10.

Етап 7. На този етап се отчитат загубите в съединенията световод- приемник. Тези загуби обикновено са малки и могат да бъдат приети приблизително равни на α7 (дБ) ≈ 1.

В редките случаи, когато напречното сечение на сърцевината на световода е по-голямо от фоточувствителната повърхност на приемника, може да се използва формула (7).

Етап 8 . На етап 8А се определят загубите на мощност α8А (дБ) предизвикани от

изменението на температурата на окръжаващата среда. За мрежи свързващи абонати разположени в различни обекти тези загуби могат да се определят в съответствие с таблица 1.

Таблица 1Наличие на схема за термостабилизация

Температурен интервал α8А (дБ)

НЕ По голям от 100С-300С 4НЕ 100С-300С 2ДА По голям от 100С-300С 1ДА 100С-300С 0

На етап 8Б се определят загубите на мощност α8Б (дБ) предизвикани от влошаването параметрите на мрежата в течение на времето. Ако считаме, че деградацията се дължи на приемниците и предавателите, може да използваме таблица 2 ,отчитаща често срещаните комбинаци.

Таблица 2Състав α8Б (дБ)

LED + PIN PD 2LED + APD 3

LD + PIN PD 4LD + APD 5

Етап 9. На този етап се определят загубите в насочените отклнители (spliters) , разпределящи оптичния поток между терминалите (абонатите).

За линейни мрежи с еднакви насочени отклонители, загубите α9(дБ) до на-отдалечения абонат ( с номер N) , се определят по формулата

α9(дБ) = (N-1). αS31 + αS41 (10)

В тази формула αS31 = S31 (dB) = -10 lg (P3/P1) - коефициент на предаване в права посока,αS41 = S41 (dB)= -10 lg (P4/P1) – коефициент на преходно затихване (Фиг.3).

В стойностите на αS31 и αS41 влизат загуби свързани с работата на идеалния насочен отклонител αS31

0 , αS410 и допълнителните загуби αΔ .

Загубите в идеалния (без загуби на мощност) насочен отклонител зависят от коефициента на делене D = P3/P4. В таблица 3 са посочени стойностите на загубите в насочените отклонители в зависимост от D при допълнителните загуби αΔ≈ 1 dB.

Р1 Р3

Фиг.3

Р2 Р4

Таблица 3

D Отклонение% αS410 dB αS31

0 dB αS41 dB αS41 dB1 50 3,01 3.01 4.01 4,013 25 6,02 1.25 7,02 2.259 10 10 0,46 11 1,4619 5 13.01 0,22 14,01 1,2299 1 20 0.04 21 1,04

С помощта на таблица 3 формулите за пълните загуби в зависимост от

броя на терминалите (абонатите) приемат вида

D = 1 α9(дБ) = 4,01 .N;D = 3 α9(дБ) = 2,25.N + 4,47;D = 9 α9(дБ) = 1,46 . N + 9.54; (12)D = 19 α9(дБ) = 1,22 . N + 12,79;D = 99 α9(дБ) = (N-1). αS31 + αS41 = 1.04 .N + 19,96.

Използвайки тези формули е необходимо да се определи оптималната стойност на α9(дБ) , като се подбира подходящ коефициент на делене D .

В мрежите тип “звезда” се използват многовходови делители на мощност, които разпределят оптичния поток по равно между абонатните световоди.

Идеалният звездообразен делител на мощност внася загуби

α90 (dB) = 10 lg ( N) (13)

Допълнителните загуби в тези разклонители могат да се определят приблизително по формулата

αΔ (dB) ≈ 2,5 lg (N) (14)

Пълните загуби в звездообразните делители на мощност се определят по формулата

α9 (dB) = 12,5. lg ( N) , (15)

която дава задоволителна точност за N = (4 -64).Трябва да се отбележи, че разклонителите се съединяват към останалите

световоди в мрежата чрез разглобяеми, или неразглобяеми съединения.

Етап 10. На този етап се отчитат загубите α10 (dB) в разглобяемите α10РС(dB) и в неразглобяемите α10СС(dB) съединения. Техният брой NPC и NСC се определя от конфигурацията на конкретната и от строителната дължина на кабелите

α10 (dB) = NPC. α10РС(dB) + NСC. α10СС(dB)

За предварителна оценка на загубите в оптичните линии може да се използва таблица 4.

Таблица 4

Тип на световода α10РС(dB) α10СС(dB)Многомодов 0.1 0.03Едномодов 0.2 0.05

Посочените в таблицата стойности на загубите съответствуват на съединения между еднакви световоди. В противен случай следва да се използват формулите (8) и (9).

Етап 11. На този етап се определят пълните загуби в мрежата за между най-отдалечените терминали

α11 (dB) = α5(dB)+ α6(dB)+ α7(dB)+ α8А(dB)+ α8Б(dB)+ α9(dB)+ α10(dB) (16)

Етап 12 . На този заключителен етап на енергийното проектиране се сравняват пълните загуби α11 (dB) с допустимите загуби на оптичната мощност α4 при разпространението по трасето α4 (дБ)

α12 (dB) = α4 (дБ) – α11(дБ) (17)

Условието за правилно съставен енергиен баланс е

α12 (dB) > 0 (17)

В противен случай е необходимо да се подберат други елементи на мрежата, или да се използва оптичен усилвател.

В случаите когато за най-късото трасе

РSвх (dBm) - α11(дБ) >Pmax(dBm)

е необходимо да се включат атенюатори на входа, или да се подберат други елементи на мрежата.

В тази формула Pmax(dBm) е максимално допустимата мощност на входа на приемника ( или усилвателя ).

3. Изчисляване на бързодействието .Бързодействието на оптичните мрежи се изчислява за най-отдалечения от

предавателя абонат в линейните мрежи, или между двата най-отдалечени абоната в мрежите от звездообразен тип.

Основен параметър, който характеризира бързодействието е времето за нарастване τ на сигнала, което е равно на времето за изменение на неговата амплитуда от ниво 0,1 до ниво 0,9 от максималната и стойност.

За аналогови сигнали , този параметър е свързан с честотната лента Δf на сигнала

τ ≈ 0,35/ Δf (19)

За цифрови сигнали бързодействието е свързано с дисперсията на кодовите импулси и може да се определи чрез зададената скорост В на информационния поток с помощта на формулите

τ ≈ 0,35/ B за RZ (20)

τ ≈ 0,7 / B за NRZ.

Етап 1. На този етап се определя допустимата стойност τ1 на времето на нарастване по формулите (19) или (20).

Етап 2. На този етап се определя бързодействието на оптичния предавател τ2 . То може да бъде директно посочено във фирменото му описание, или да се изчисли по формула (19).

Етап 3. На този етап, аналогично на етап 2 се определя бързодействието τ3 на приемника.

Етап 4. На този етап се определят параметрите на избрания световод влияещи върху бързодействието (дисперсията): показателя на пречупване n1 на сърцевината, числената апертура NA, закона на изменение на профила на показателя на пречупване и др.

Етап 5. На този етап се задават допълнителните параметри на избрания предавател, които са необходими за изчисляване на хроматичната дисперсия: дължината на работната дължина λ и полуширината на оптичния му спектър Δλ.

Ако такива данни липсват във паспортните фирмени описания, може да се изберат:

Δλ = 30 nm за LED,Δλ = 2 nm за LD,Δλ = 0.1 nm за DFB, DBR и други “едночестотни” лазери.

Етап 6. На този етап се изчислява междумодовата дисперсия на многомодовите световоди.

За градиентни световоди с параболичен профил

τ6 = L n1.Δ2. / 2C = L.(NA)4 / 8.C.n13 (21)

където Δ = (n1 – n2)/ n1

NA = n1.(2. Δ)1/2.

Когато в паспортните данни на световода е посочена относителната ширина на вълновия му диапазон Δf

τ6 = 0.35 . L / Δf (22)

Когато в паспортните данни се съдържат данни за “равновесната” дължина Lkp на многомодовия световод

τ6 = (L. Lkp)1/2 n1.Δ2. / 2C = (L. Lkp)1/2.(NA)4 / 8.C.n13 (23)

τ6 = 0.35 . (L. Lkp)1/2 / Δf

Във формулите (21) – (23) дистанцията L се определя по формулите

L = L1 + L2 +… LN за линейни мрежи (24)

В звездообразните мрежи , поради промяна на модовия състав в разклонителите, междумодовите дисперсиите τ6,1 и τ6,2 за двата световода

свързващи максимално отдалечените абонати Lmax1 и Lmax2 , трябва да се изчисляват отделно, а максималната дисперсия на мрежата се определя по формулата

τ6 = ( (τ6,1)2 + (τ6,2)2)1/2 (25)

За едномодовите световоди τ6 = 0.

Етап 7. На този етап се изчислява хроматичната дисперсия в мрежата

τ7 = MΔtch(λ) (ps/nm km). L( km).Δλ(nm) (26)

Специфичната хроматична дисперсия MΔtch(λ) (ps/nm km) се избира от паспортните данни на световода. В случаите, когато такива данни липсват за работната дължина λ , тя може да се определи по формулата

MΔtch(λ) = MΔtch(λ0).( λ - λ02/ λ3) , (27)

за диапазона (750 – 1600)nm , в която λ0 е дължина на вълната с нулева дисперсия ( обикновено 1300 nm ),MΔtch(λ0) = 0.1 (ps/nm2 km).

Етап 8. На този етап се резултиращото бързодействие на мрежата

τ8 = (τ22 + τ3

2 + τ62 + τ7

2) (28)

Етап 9. На този етап се определя запаса на мрежата по бързодействие

τ9 = τ1 – τ8 (29)

Ако τ9 > 0 , избраните елементи на мрежата обезпечават зададеното бързодействие.

Ако τ9 < 0 , проектирането се повтаря след избор на други елементи.В случаите , когато заданието по бързодействие не може да бъде

изпълнено по изложения начин, може да се използват компенсатори на дисперсия.

Запаса на бързодействие τ9 , заедно със запаса по мощност α12 показват потенциалните възможности за оптимизация на мрежата.

Приложение 1 LD

Приложение 2 LED

Приложение 3 PIN PD

Приложение 4 LPD

Приложение 5 Fibers