Дипломная (вкр): Розробка волоконно-оптичної лінії передавання Вінниця-Луганськ

Загасання кабелю призводить до зменшення потужності, яка передається, що, відповідно, лімітує довжину регенераційної ділянки.

Дисперсія кабелю призводить до поширення імпульсів, які передаються, і чим довша лінія, тим більше вносимо похибки імпульсів, що в свою чергу, також накладає обмеження пропускної можливості кабелю.

Рисунок 2.4 - Структурна схема траси Вінниця-Луганськ з використанням мультиплексорів STM -4

Довжина регенераційної ділянки обирається по найменшому значенню Lp1 або Lp2 (довжина регенераційної ділянки по загасанню та по дисперсії, відповідно).

Згідно з розрахунками, які наведено в попередніх пунктах, (розрахунок довжини регенераційної ділянки по загасанню та розрахунок довжини регенераційної ділянки по дисперсії), було зроблено висновок, що довжина регенераційної ділянки обмежується загасанням (Lp1 < Lp2).

З огляду на максимальне і мінімальне значення довжини регенераційної ділянки, і беручи до уваги проходження траси кабелю, було вирішено встановлювати регенератори в населених пунктах відстань між якими не перевищує максимальних та мінімальних допустимих значень розрахованої довжини регенераційної ділянки.

Так як вибір місця розташування регенераційних пунктів обирається з урахуванням зручності їх обслуговування, можливості підвезення апаратури та іншого обладнання, а також під'їзду до них в будь-яку пору року, найоптимальнішим є встановлення регенераторів у вузлах зв'язку (та інших приміщеннях, які є власністю підприємств зв'язку) обраних населених пунктах.

.5 Розробка рівнів енергетичних потенціалів

Для розробки рівнів енергетичних потенціалів будемо керуватися даними одержаними в розділі 2.3.

Для нормальної роботи волоконно-оптичної системи передачі необхідно забезпечити на вході прийомно-оптичного модуля потужність сигналу більшу, ніж потужність заданого порогу чутливості цього модуля (Р0), при якій забезпечується необхідний коефіцієнт помилок.

Будемо використовувати наступні дані:

Р д = -0,5 дБм - потужність джерела випромінювання;

а р = 0,5 дБ - втрати на роз’ємному з’єднувачі;

а н = 0,1 дБ - втрати на нероз’ємному з’єднувачі;

Р з = 6 дБм - енергетичний запас по потужності сигналу в розрахунку на можливі погіршення параметрів компонентів ВОСП;

Р 0= -39 дБм - потужність сигналу на прийомі, при якій забезпечується задана якість передачі інформації;= 4 км - будівельна довжина кабелю.

У другому розділі ми розрахували оптичні параметри волокна. Розрахували параметри передачі волокна, які відповідали рекомендації G.652. Розрахували довжину ділянки регенерації по загасанню і дисперсії. З’ясували, що вона обмежена загасанням і дорівнює 94,1 км. Обрали населені пункти, в яких будуть розміщені регенератори.

3 ОПИС ПРОГРАМНОГО ПРОДУКТУ

.1 Тестування волоконно-оптичної лінії за допомогою рефлектометра (OTDR)

Після того, як лінія змонтована, вимірюються втрати у всіх з'єднаннях волокон і відстані до них. При цьому фіксується рефлектограма всієї регенераційної ділянки лінії зі всіма її особливостями, які вказують місце розташування зварних з'єднань волокон і величину втрат в них. Ця рефлектограма використовується для географічної прив'язки до місцевості і надалі служить для контролю деградації лінії в процесі її старіння.

Особливості OTDR:

•модуль рефлектометра працює у в'язці з селективним вимірником потужності для PON,

•динамічний діапазон до 37 db,

•мертва зона 1 метр,

•підтримка трьох довжин хвиль в одному модулі 1310/1550/1625,

•підтримка 4 довжин хвиль в одному модулі на 2-х портах 850/1300/1310/1550, •автоматичне визначення трафіку,

•автоматичне визначення макро-вигину,

•програмне забезпечення OFS100 FiberTrace Software і OFS200 FiberCable Software.

.2 Характеристики OTDR

Оптичний імпульсний рефлектометр (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer) вперше був застосований для вимірів втрат в оптичних волокнах в 1976 р. Його принцип дії заснований на тому, що у волокно посилається послідовність коротких імпульсів світла, і вимірюється залежність потужності розсіяних назад імпульсів від часу їх запізнювання. В результаті виходить рефлектограма - графік розподілу втрат і коефіцієнтів віддзеркалення уздовж лінії. Для підключення OTDR досить доступу лише до одного кінця лінії, що дозволяє тестувати оптичні кабелі безпосередньо в процесі монтажу лінії. Аналізуючи рефлектограму, можна визначити місце пошкодження лінії і розрахувати всі основні параметри, по яких контролюється якість лінії.

Основними характеристиками рефлектометра є чутливість і просторовий дозвіл. Чутливість рефлектометра прийнято характеризувати величиною його динамічного діапазону, а просторовою дозвіл тривалістю імпульсу і шириною мертвої зони. Вибором тривалості імпульсів і часу усереднювання завжди є певний компроміс. Так при зменшенні тривалості імпульсів просторовий дозвіл рефлектометра покращується, а його чутливість погіршується. Час усереднювання сигналу впливає лише на чутливість рефлектометра. Проте із збільшенням часу усереднювання зростає час вимірів, який, враховуючи велику кількість волокон в лінії передачі, не може бути дуже великим.

3.3 Призначення OTDR

Кожний тип неоднорідності (зварне з'єднання волокон, тріщина, оптичний роз'єм і так далі) має свій характерний образ на дисплеї OTDR, і може бути легко ідентифікований оператором (мал.). У автоматичному режимі OTDR сам визначає тип неоднорідності, розраховує втрати на ділянках лінії, коефіцієнти віддзеркалення від неоднорідностей і так далі.

Що так, наприклад, відображають неоднорідності (роз'ємні з'єднання волокон, тріщини, торець волокна) виявляються на рефлектограмме у вигляді вузьких піків, а що не відображають неоднорідності (зварні з'єднання і зігнуті ділянки волокон) - у вигляді вигинів в рефлектограмме. Ділянки рефлектограмми, розташовані між неоднородностямі, мають вигляд прямих ліній з негативним нахилом. Кут нахилу цих прямих прямо пропорційний величині втрат у волокні.

Мал. 3.1. Типова рефлектограма лінії передачі. По вертикальній осі в логарифмічному масштабі відкладається відносна потужність імпульсів, що повернулися в рефлектометр, а по горизонтальній осі відстань до місця віддзеркалення.

.3.1 Динамічний діапазон

Відповідно до рекомендації Міжнародній Електротехнічній Комісії (IEC - International Electrotechnical Commission) динамічний діапазон рефлектометра DIEC визначається як різниця між рівнем сигналу зворотного релеєвського розсіяння на початку рефлектограми і піковим значенням шумів у відсутність сигналу. Рівень сигналу зворотного релеєвського розсіяння знаходиться шляхом екстраполяції прямолінійної похилої ділянки рефлектограми в початок рефлектограми. Рівень пікового значення шуму визначається виходячи з умови, що вірогідність попадання шумового сигналу в довірчий інтервал має дорівнювати 98%. Для цього по верхньому краю шумової доріжки проводиться пряма горизонтальна лінія так, щоб її пересікав лише один шумовий пік з 100.

Рис.3.2 Динамічний діапазон рефлектометра DIEC визначається як різниця між рівнем сигналу зворотного релеєвського розсіяння на початку рефлектограми і піковим значенням шуму у відсутність сигналу.

Фізичний сенс динамічного діапазону рефлектометра пояснюється на рис.3.2. Як видно з цього малюнка повні втрати в лінії А дорівнюють відстані між рівнями сигналу зворотного релеєвського розсіяння на початку і в кінці рефлектограми. Причому кінець рефлектограми буде видно на дисплеї до тих пір, поки сигнал не зменшиться до рівня шуму. Таким чином, динамічний діапазон рефлектометра дорівнює максимально вимірюваній величині повних втрат в лінії.

Важливою гідністю рефлектометричних вимірів є те, що в них вимірювальний прилад підключається лише до одного кінця лінії (мал. 1.16). Оскільки типова довжина регенераційної ділянки в магістральній лінії передачі складає близько 100 км. (з оптичними підсилювачами ~ 1000 км.), то ясно, що підключати вимірювальну апаратуру лише до одного кінця такої лінії значно простіше.

.3.2.Оцінка динамічного діапазону

В логарифмічних одиницях (дБ і дБм) (ми їх виділяємо в тексті жирним курсивом) динамічний діапазон рефлектометра дорівнює напіврізниці між потужністю, розсіяною назад на початку волокна,  і еквівалентною шумовою потужністю на вході фотоприймача  (потужністю світла при якій відгук фотоприймача дорівнює середньоквадратичному значенню шуму):  Потужність, розсіяна назад на початку волокна,  виражається через потужність джерела випромінювання  (введену у волокно), втрати у відгалужувачі η і коефіцієнт зворотного релеєвського розсіяння q, як: . А еквівалентна шумова потужність на вході фотоприймача  виражається через порогу чутливість фотоприймача і b - виграш у відношенні сигнал/шум за рахунок усереднювання імпульсів: . В результаті отримуємо вираз:

 (3.1)

Після того, як в рефлектометрі встановлений відповідний оптичний модуль, потужність джерела випромінювання , порогова чутливість фотоприймача  і величина втрат у відгалужувачі ???? є вже заданими величинами. Користувач може впливати лише на коефіцієнт зворотного релеєвського розсіяння q (змінюючи тривалість імпульсів) і на виграш b (змінюючи час усереднювання імпульсів).

Коефіцієнт зворотного релеєвського розсіяння (його значення приводиться в специфікації на волокно) у різних виробників волокон відрізняється на декілька дБ. Для оцінки зазвичай використовують значення:

q=-80дБ+10log (3.2)

де τ - тривалість імпульсів. У більшості моделей OTDR тривалість імпульсів можна міняти від 10 нс до 10 мкс, що дозволяє збільшити коефіцієнт зворотного релеєвського розсіяння на 30 дБ і, відповідно, динамічний діапазон рефлектометра на 15 дБ.

Виграш у відношенні сигнал/шум b (у припущенні, що шум білий) пропорційний квадратному кореню з числа усереднених імпульсів: b=10log. Враховуючи, що на обробку витрачається близько 10 % часу, число цих імпульсів: N= де t - час усереднення, а Т - період дотримання імпульсів. В результаті отримуємо, що виграш у відношенні сигнал/шум рівний: b=5log. Таким чином, для оцінки величини динамічного діапазону треба знати не лише час усереднювання імпульсів t, але і період їх дотримання Т. Період дотримання імпульсів можна оцінити, використовуючи той факт, що при вимірі величини динамічного діапазону OTDR розробники рекомендують підключати до нього волокно завдовжки 25 км.(рис.2.6)

Як відомо для того, щоб імпульси, відбиті від початку і кінця волокна не накладалися один на одного, діапазон вимірюваних довжин має бути на 10...20 % більше довжини волокна. Для оцінки уявимо, що діапазон вимірюваних довжин встановлюється рівним 30 км. Враховуючи, що коефіцієнт пропорційності між часом запізнювання і довжиною волокна дорівнює 10 мкс/км., знаходимо, що період дотримання імпульсів Т дорівнює 300 мкс. При цьому число імпульсів, що усереднюються за час t = 3 хв., рівне: N=, а виграш у співвідношенні сигнал/шум: b=10log

Мал. 3.3. Динамічний діапазон визначається при довжині волокна 25 км., тривалість імпульсу 10 мкс і часу усереднювання сигналу 3 мін.

Оцінимо типове значення величини динамічного діапазону рефлектометра. При цьому, як вже говорилося, слід вважати, що τ = 10 мкс, t = 3 хв і Т = 300 мкс. Ми вже знайшли, що при цих параметрах: q = -40 дБ і b = 29 дБ. Втрати при двократному проході через 3 дБ відгалужувач ???? приблизно рівні 6 дБ. Далі уявимо, що  = 20 дБм. При більшій потужності імпульсів світла у волокні стають помітними спотворення, викликані нелінійним розсіянням світла у волокні (ефекти Рамана і Бріллюена) і зменшується термін служби лазера і фотоприймача. Фотоприймач складається з лавинного фотодіода і трансімпедансного підсилювача (операційний підсилювач з негативним зворотним зв'язком). Такий підсилювач забезпечує великий динамічний діапазон, низький рівень шумів і дозволяє легко змінювати величину коефіцієнта посилення і ширину смуги підсилювача.

В OTDR фотоприймач може працювати в трьох різних режимах: у стандартному режимі, в режимі максимального динамічного діапазону (вузька смуга частот) і в режимі максимального дозволу (широка смуга частот). При τ = 10 мкс фотоприймач працює зазвичай режимі максимального динамічного діапазону (смуга частот ~ 1 Мгц). При типовому значенні порогової чутливості лавинного фотодіода і ширині смуги 1 Мгц отримуємо, що  = -80 дБм. Підставляючи в (2.1) значення:  η=6дБ, q=-40дБ,  та b=29дБ знаходимо:  Залежність  від часу усереднення сигналу та тривалості імпульсів приведена на рис. 2.7.

Відмітимо, що приведена нами оцінка динамічного діапазону не є граничною. Оптичні втрати в схемі можна зменшити майже на 5 дБ, використовуючи замість відгалужувача циркулятор (значно дорожчий пристрій). Потужність джерела можна збільшити до 23 дБ (перш ніж стануть, помітні нелінійні спотворення). Можна також поліпшити і порогову чутливість, оскільки в розглянутому нами прикладі вона майже на 10 дБ гірше за квантову межу. Так в останніх моделях OTDR динамічний діапазон удалося збільшити до 50 дБ.