Справочник/И. И. Гроднев, А. Г. Мурадян, Р. М. Шарафутдинов и др. М.: Радио и связь, 1993. 264 с.: ил

Справочник/И. И. Гроднев, А. Г. Мурадян, Р. М. Шарафутдинов и др.

— М.: Радио и связь, 1993. — 264 с.: ил.

Оглавление

Глава 2. Основы передачи информации по оптическим кабелям

Глава 3. Оптические волокна и кабели

Глава 4 Оптоэлектронные и оптические компоненты ВОСП

Глава 5. Коды для ВОСП

Глава 6. Волоконно-оптические системы передачи

Глава 7. Аппаратура волоконно-оптических систем передачи

Глава 8. Измерения

Глава 9. Проектирование волоконно-оптических линий связи

Глава 10. Строительство ВОЛС

Глава 11. Надежность волоконно-оптических линий связи

Приложение 1. Перечень основных действующих документов по ВОЛС

Приложение 2. Расчет параметров оптических кабелей

Глава 6. Волоконно-оптические системы передачи

Волоконно-оптические системы передачи применяются на всех участках первичной сети ЕАСС для магистральной, зоновой и местной связи. Тре­бования, которые предъявляются к таким системам передачи, отличаются числом каналов, параметрами и технико-экономическими показателями.

На магистральной и зоновых сетях применяются ЦВОСП, на местных сетях для организации соединительных линий между АТС также применя­ются ЦВОСП, а на абонентском участке сети могут использоваться как аналоговые (например, для организации канала телевидения), так и цифро­вые системы передачи.

Максимальная протяженность линейных трактов магистральных систем передачи составляет 830 км при средней длине порядка 500 км. Макси­мальная протяженность линейных трактов систем передачи внутризоновой первичной сети может быть не более 600 км при средней длине 200 км. Предельная протяженность городских соединительных линий для различных систем передачи составляет 80... 100 км.

На рис. 6.1 приведена обобщенная структурная схема волоконно-опти­ческой системы передачи. В качестве оконечной каналообразующей аппара­туры используется аппаратура многоканальных систем передачи с частот­ным (ЧРК) или временным (ВРК) разделением каналов. Применение мно­гоканальных систем передачи с ЧРК связано с определенными трудностями обеспечения требуемой помехозащищенности, особенно в части реализации требований к допустимым нелинейным переходным помехам. При выполнении этих требований длина усилительного участка оказывается соизмеримой с длиной усилительного участка (3 ... 6 км) многоканальных систем переда­чи на симметричных или коаксиальных кабелей, поэтому их применение на сети ЕАСС оказывается нецелесообразным по технико-экономическим пока­зателям.

Известно, что при передаче сигналов электросвязи цифровыми мето­дами полоса частот на один канал тональной частоты увеличивается при­мерно в 15,.. 20 раз. Одновременно увеличивается и помехозащищенность на 20 ,. , 40 дБ. Коэффициент затухания оптического волокна не зависит от частоты в широкой полосе частот (для одномодовых волокон — до десятков гигагерц), увеличение полосы частот цифрового сигнала не приводит к заметному ухудшению технико-экономических показателей системы пере­дачи, а высокая помехозащищенность позволяет увеличить расстояние между промежуточными пунктами в 10... 15 раз. В связи с этим на общегосудар­ственной сети связи во всех странах применяют цифровые волоконно-опти­ческие системы передачи.

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы пере­дачи:

7 6 — оконечная передающей н приемная аппаратура многоканальных систем пере­дачи- 2 5 — оконечная передающая и приемная аппаратура линейного тракта; 3 — опти­ческий кабель; 4— промежуточная аппаратура линейного тракта
В настоящее время ЦВОСП создаются как сочетание волоконно-оптического линейного тракта (точки а на рис. 6.1) с унифицированной канало­образующей аппаратурой и аппаратурой группообразования цифровых си­стем передачи различных ступеней иерархии. Поэтому они имеют унифици­рованные параметры стыка, что позволяет без дополнительных согласую­щих устройств организовать комбинированные линии передачи, содержащие ЦВОСП и ЦСП с применением других сред распространения сигналов электросвязи.

Основные характеристики современных ВОСП определяются параметра­ми оконечной и промежуточной аппаратуры линейного тракта (2, 4 и 5 на рис. 6.1), а также параметрами волоконно-оптического кабеля. Наиболее существенной особенностью линейных трактов ЦВОСП является большая длина участка регенерации, которая определяется двумя факторами: энерге­тическими соотношениями и дисперсионными искажениями.

В современных ЦВОСП энергетический потенциал Э, определяемый как разность между уровнем мощности оптического сигнала Р_пер, введенного в волокно, и уровнем мощности Р_пр на входе приемного устройства, при ко­тором коэффициент ошибок регенератора не превышает заданного значе­ния, установленного для данной системы передачи, достигает 35... 50 дБ. Это зависит от скорости передачи, технического уровня элементов электро­оптических и оптоэлектронных преобразователей, длины волны использу­емого источника излучения и других факторов.

Энергетический потенциал определяет максимально допустимое зату­хание оптического сигнала в оптическом кабеле, в разъемных и неразъем­ных соединениях на участке регенерации, а также другие потери в узлах аппаратуры. Исходя из энергетических параметров передатчика, приемника и потерь в линии максимально допустимую длину участка регенерации можно определить из следующего выражения:

где α_к — коэффициент затухания оптического кабеля; α_с = А_с//— удельные потери на стыках при неразъемном соединении строительных длин оптиче­ского кабеля (затухание соединения Лс, приведенное к одному километру); l — строительная длина оптического кабеля; А_a— дополнительные потери (3... 5 дБ) в аппаратуре передачи и приема (разъемные соединители, устройства соединения линейного кабеля со станционным и др.); 3 — энергетический запас системы (6...10 дБ), необходимый для компенсации эффекта старения элементов аппаратуры и оптического кабеля, компенсации дополнительных потерь при ремонте оптического кабеля (стыки кабельных вставок) и других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации.

Другим ограничивающим фактором при определении допустимой длины участка регенерации является дисперсия в оптическом волокне.

Как показано в гл. 2, в многомодовых волокнах оптический сигнал, модулированный по интенсивности, переносится направленными модами, которые имеют различные групповые скорости. Для оценки искажений в многомодовых волокнах используются амплитудные модуляционно-частотные характеристики A (F), показывающие, как меняется амплитуда модулиро­ванного сигнала на выходе волокна в зависимости от модулирующей часто­ты F. Ширина полосы частот градиентных волокон намного больше, чем ступенчатых многомодовых. Это объясняется тем, что разность групповых скоростей направляемых мод в градиентных волокнах значительно меньше, что достигается выбором определенного профиля показателя преломления.

В реальных многомодовых волокнах распределение диэлектрической про­ницаемости отлично от оптимальной. Вследствие этого разность групповых скоростей возрастает и ширина полосы частот ΔF уменьшается. Для про­мышленных образцов оптических кабелей ΔF = 0,5 ... 0,8 ГГц-км.

С увеличением длины волокна полоса частот ΔF (L) уменьшается и для реальных градиентных волокон может быть приближенно определена из выражения

где ΔF — ширина полосы частот, приведенная к единице длины волокна (обычно на 1 км); γ = 0,5...0,8-—коэффициент, учитывающий влияние реального профиля показателя преломления и закон изменения полосы ча­стот с увеличением длины волокна.

В табл. 6.1 приведены ориентировочные расчетные данные длины участ­ка регенерации L, определенные на основании выражений (6.1) и (6.2) для градиентных волокон на различные диапазоны длин волн, а также ширина полосы частот а зависимости от длины волокна L для ΔF, равной 500 и 800 МГц-км (для удобства расчета принят нижний предел γ = 0,5).

Из табл. 6.1 видно, что при больших значениях коэффициента затуха­ния волокна (3...5 дБ/км) допустимая длина участка регенерации ограни­чена энергетическим потенциалом и составляет 12... 8 км, а ширина поло­сы частот на этих длинах позволяет использовать системы передачи со скоростью 140 и 280 Мбит/с. С уменьшением коэффициента затухания во­локна (на длинах волн 1,3 мкм и особенно 1,55 мкм) рабочая полоса частот градиентных волокон падает настолько, что безыскаженная переда­ча возможна только на малых скоростях (8 Мбит/с и в некоторых случаях 34 Мбит/с).

Для систем передачи со скоростью 140 Мбит/с и выше градиентные волокна не удовлетворяют требованиям и должны применяться только одномодовые волокна. В одномодовых волокнах искажения сигнала зависят от параметров волокна, источника излучения и полосы частот модулирую­щего сигнала.

При оценке ширины полосы частот ΔF(L) одномодового волокна дли­ной L рассматриваются два случая:

1) ширина полосы частот источника излучения ΔF_ист больше ширины полосы частот ΔF_м модулирующего сигнала или Δλ_ист>Δλ_м, где Δλ_ист и Δλ_м — соответственно диапазон длин волн, излучаемый источником излуче­ния, и диапазон длин волн модулирующего сигнала. Для этого случая справедливо соотношение

где k — коэффициент, зависящий от формы сигнала; τ—обобщенное зна­чение дисперсии в одномодовом оптическом волокне (включая дисперсию мод, материальную и другие факторы, влияющие на искажения сигнала). Обычно измеренное τ(пс) приводят к единице длины волокна (на 1 км) и к единице ширины диапазона длин волн, излучаемого источником (на 1 нм), поэтому чаще всего дисперсию измеряют в пс/(нм-км).

Пример. Определить допустимую для безыскажснной передачи ширину полосы частот одномодового оптического волокна при длине волны λ_ист=1.3 мкм,

τ =6 пс/км◦нм, λ_ист =2 нм и гауссовской фирме сигнала, для которой κ = 1,3. На основании выражения (6.3) для волокна длиной 1 км

или полоса частот волокна длинен 1 км составляет 100 ГГц.км. При длине волокна 50 км ΔF(50)=2 ГГц. Проверим, удовлетворяется ли начальное условие Δλ_ист>Δλ_м если даже сигнал заполняет всю полосу частот оптического волокна:

следовательно, Δλ_м =1,1 нм и Δλ_ист>Δλ_м

2) ширина полосы частот источника излучения меньше ширины полосы частот модулирующего сигнала, т. е. ΔF_истм или Δλ_истм.

Для определения рабочей полосы частот одномодового волокна длиной L при указанном условии можно воспользоваться выражением

При распространении по оптическому кабелю, обладающему ограни­ченной шириной полосы частот и определенным затуханием, линейный сигнал, представляющий собой импульсную последовательность, искажается, изменяясь по форме и длительности, нарушаются тактовые интервалы, уменьшается их амплитуда и возникает межсимвольная интерференция. Дискретный сигнал превращается в квазинепрерывный. Для восстановления параметров сигнала в линии связи на определенных расстояниях друг от друга включают промежуточные регенерационные устройства.

В тех случаях, когда длина линии ограничивается энергетическим по­тенциалом, а по дисперсионным искажениям (или по полосе частот) имеет­ся достаточный запас, для увеличения дальности связи на промежуточных станциях можно устанавливать оптические усилители, число которых (п) будет ограничено не только искажениями на общей длине оптического ка­беля (nL), но и рабочей полосой частот оптического усилителя. Поэтому через определенное число усилителей устанавливают регенераторы. Такие системы называют «гибридными», так как на линии устанавливают и уси­лители, и регенераторы.

В тех же случаях, когда длина участка регенерации ограничивается дис­персионными искажениями, для увеличения дальности передачи необходимо в промежуточных пунктах устанавливать регенераторы, восстанавливающие форму сигнала и временные интервалы в передаваемой импульсной после­довательности. В настоящее время еще не созданы элементы и устройства, работающие в оптическом диапазоне длин волн для обработки оптического сигнала, выделения тактовой частоты и формирования линейного сигнала. Поэтому в современных системах передачи эти функции выполняют элек­тронные узлы (9) промежуточного регенератора (рис. 6.2). Цифровой линей­ный сигнал детектируется в приемной части регенератора фотоприемным устройством (8), после регенерации поступает на электрооптический преоб­разователь (W) и далее в оптический кабель (7) следующего участка.

На оконечных станциях ЦВОСП, как было указано выше, использует­ся унифицированная многоканальная аппаратура ЦСП всех ступеней иерар­хии. Каналообразующая аппаратура ИКМ (I и 16), а также аппаратура временного группообразования (2 и 15} имеет стандартные стыки в точ­ках а и 6. В соответствии с рекомендациями МККТТ G.703 для первой (скорость 2,048 Мбит/с), второй (скорость 8,448 Мбит/с) и третьей (ско­рость 34,368 Мбит/с) ступеней иерархии рекомендован трехуровневый код HDB-3, алгоритм работы которого построен следующим образом (рис, 6.3, а). Единицы двоичного сигнала передаются импульсами чередую­щейся полярности с длительностью, равной половине тактового интервала. Когда передаются нули двоичного сигнала, если их не более трех, следую­щих друг за другом, импульсы на тактовых интервалах отсутствуют. Если в последовательности число нулей, следующих друг за другом, равно четырем, то они могут передаваться двумя способами: либо кодом ОООУ, где У означает импульс, сохраняющий полярность предыдущего импульса,

времени предыдущей комбинации 0000 прошло нечетное число единиц группового сигнала, либо кодом ВООУ, где В означает импульс, имеющий полярность, противоположную полярности предыдущего импульса, если прошло четное число единиц времени.

Для четвертичной ступени иерархии (скорость 139,264 Мбит/с) в качестве стыкового кода рекомендован код CMJ, алгоритм построения которого определен следующим образом (рис. 6.3,6), Символ «О» двоичного сиг­нала передается двумя символами 0 и 1, каждый из которых занимает половину тактового интервала. Символ «I» исходного сигнала передается попеременно комбинациями 00 и 11. Частота следования стыкового сиг­нала в 2 раза больше частоты исходной последовательности, и поэтому код CMI принадлежит к коду типа 1В2В.

Применение кода HDB-3 в линейном тракте ВОСП нецелесообразно, поскольку двухуровневый сигнал с переменной полярностью в электрических цепях превращается в трехуровневый в оптическом тракте (рис. 5.3, в) мощность сравниваемых символов при принятии решения оказывается в 2 раза меньше что эквивалентно уменьшению мощности передатчика в 2 раза. Кроме того, специфика шумов фотоприемного устройства и других элементов вносит дополнительные потери в помехозащищенность. В связи с этим в аппаратуре линейного тракта применяют преобразователи (см. узел 3 - рис. 6.2) кода HDB-3 (для первых трех ступеней иерархии) в ли­нейный код типа nВmВ и декодирующее устройство (12). Для четвертичной системы передачи отечественного производства также применяют преобразователи кода, так как хотя код CMJ и однополярный, но он увеличивает линейную скорость в 2 раза.

В первичной системе передачи (30 каналов ТЧ) используется бифазный код; во вторичной (120 каналов ТЧ), предназначенной для соединительных линий ГТС («Соната-2»), используется код CMJ; во вторичной и тре­тичной (480 каналов ТЧ) системах, предназначенных для внутризоновых сетей («Сопка 2>> и «Сопка-3»). используется код 5В6В, а в четвертичной системе (1920 каналов ТЧ) —код класса 10B1P1R.

Во всех случаях предусматривается система технического обслужи­вания (узлы 5 6, 13, 14, 17, 18 рис. 6.2), обеспечивающая контроль со­стояния и обслуживание линии и аппаратуры в процессе эксплуатации в ее состав входят:

система телемеханики (телеконтроль и телеуправление), обеспечиваю­щая телеметрический контроль качества передачи сигнала и технического состояния промежуточного оборудования и кабеля с оконечных станций, отображение результатов контроля, а также дистанционное управление личными устройствами переключения и коммутации;

система служебной связи, обеспечивающая проведение служебных переговоров между оконечными и любыми промежуточными станциями процессе пуско-наладочных, ремонтных и профилактических работ;

система сигнализации.

Для передачи сервисных сигналов используются свойства избыточности линейных кодов («Сопка-4») либо частотными методами уплотнения ( ка-2» и «Сопка-3») в нижней части энергетического спектра информационной последовательности организуют дополнительные каналы сервисных систем.

Система передачи «Соната-2» обеспечивает:

передачу и прием сигналов цифрового потока со скоростью 8,448 Мбит/с соответствующего требованиям ЕАСС при организации типовых цифровых .каналов передачи и групповых трактов;

организацию 120 телефонных каналов, используемых в качестве соеди­нительных линий между всеми типами АТС;

стык с оборудованием формирования вторичных цифровых потоков;

организацию автоматического технического обслуживания (телеконт­роль, сигнализацию и служебную связь между оконечными и промежуточ­ными станциями) по линейному тракту, предназначенному для передачи ос­новного информационного потока.

В системе передачи «Соната-2» основные цифровые потоки передаются по однокабельной схеме (по одному оптическому волокну в каждом на­правлении передачи); при этом обеспечивается независимость работы всех систем передачи, работающих по одному кабелю. Включение, выключение или повреждение одной из них не вызывает перерывов или ухудшения ка­чества работы других.

Информация о состоянии оборудования каждой станции и линейного тракта в целом передается по рабочим парам оптического волокна с пере­рывом связи вручную оператором при производстве настроечных работ или автоматически при аварийной ситуации. Одновременно можно контролиро­вать девять промежуточных станций и две оконечные. В системе передачи «Соната-2» имеется возможность организовать три канала служебной свя­зи. Один из них организуется между стойками вторичного временного группообразования (ВВГ) оконечных станций во вторичном цифровом потоке 8,448 Мбит/с. Второй канал образуется при подключении переносного аппа­рата служебной связи к паре оптических волокон и используется при прове­дении строительно-монтажных работ на линии. Третий канал организуется при наличии двухпроводной медной линии, проложенной вдоль оптического кабеля и подключенной к оборудованию служебной связи.

В комплексе аппаратуры не предусмотрены промежуточные регенерато­ры контейнерного типа, так как большая длина участка регенерации позво­ляет промежуточные станции стоечного типа размещать на АТС, располо­женных вдоль трассы, и питать их от станционных батарей.

Система предназначена для работы на длине волны' 0,85 мкм по опти­ческим кабелям на градиентных оптических волокнах с диаметрами сердеч­ника SO и оболочки 125 мкм.

Основные данные оптических кабелей системы «Соната-2» приведены в табл. 3.14.
Основные характеристики системы «Соната-2»:

Длина волны оптической несущей, мкм.....................................................................................0,85

Скорость передачи, Мбит/с.........................................................................................................8,448

Число каналов ТЧ..........................................................................................................................…..120

Максимальное число промежуточных станций…………..................................................……..9

Длина, км, регенерационного участка при затухании оптического кабеля 5 дБ/км:

номинальная.........................................................................................................................................7,5

максимальная........................................................................................................................................8,0

минимально проектная...........………………………….…………………………………………..4,0

То же, км, для оптического кабеля с затуханием, 3 дБ/км:

номинальная........................................................................................................................................11,0

максимальная.......................................................................................................................................120

минимально проектная.......................................................................................................................6,0

Стыковой код с оборудованием ВВГ..........................................................................................HDB-3

Линейный код....................................................................................................................................CMI

Средняя мощность, Вт, оптического сигнала, вводимого в оптический кабель............10^-3

Средняя мощность, Вт, оптического сигнала на входе приемной части оборудования..............................................................................................................................10^-5...10^-8

Энергетический потенциал, дБ, не менее………………...................................................................50

Энергетический запас, дБ, не менее……………………………….................................................6

Пределы регулирования АРУ (компенсация разброса длин участков регенерации), дБ…………………………………………….........................................................................................30

Коэффициент ошибок на один участок регенерации, не более.............…………………………10^-9

Электропитание от источника постоянного тока напря­жением, В.................................-60±6

Для компенсации длин коротких участков предусмотрена автоматичес­кая регулировка уровня в пределах 30 дБ.

Система передачи ИКМ-120-4/5 универсального типа предназначена для организации межузловых и межстанционных соединительных линий ГТС с использованием высокочастотных симметричных кабелей МКС-7Х4Х1.2, МКС-4Х4Х1,2 и волоконно-оптических кабелей. Она обеспечивает органи­зацию 120 каналов ТЧ путем объединения четырех первичных потоков со скоростью 2,048 Мбит/с и организацию 60 каналов ТЧ при объединении 30 каналов первичной группы ЦСП и 30 каналов аппаратуры КАМА (с ис­пользованием аналого-цифрового оборудования АЦО-21 для преобразования группового сигнала с ЧРК в цифровой поток).

Электрические стыковые параметры (т. е. стык аппаратуры линейного тракта (ЛТ) с оборудованием временного группообразования) соответству­ют ГОСТ 26886—86, при этом скорость передачи 8,448 Мбит/с, а стыковой код - HDB-3. В линейном тракте используется также код MCMJ, увели­чивающий линейную скорость передачи в 2 раза. На один участок регене­рации коэффициент ошибок принят не более 10^-9.

В системе имеется возможность использования двух типов источников излучения: светоизлучающих диодов (СД) для работы на сравнительно ко­ротких участках регенерации и лазерного диода (ЛД). Кроме того, каждый из этих источников излучения может быть выбран для работы в диапазонах длин волн 0,85 или 1,3 мкм, в зависимости от конкретных условий и вы­бранного типа кабеля. Все эти четыре возможности обеспечиваются съем­ными взаимозаменяемыми кассетами линейного тракта (КЛТ), имеющими соответствующую маркировку (см. гл. 7).

Мощность, вводимая в волокно лазерными диодами, значительно боль­ше, чем мощность, вводимая светодиодами. Поэтому и энергетический по­тенциал при использовании ЛД больше, чем при СД. Так, на длине волны 1,3 мкм энергетический потенциал при применении ЛД составляет 37 дБ, при применении СД 24 дБ, а на длине волны 0,85 мкм он составляет соответст­венно 50 и 34 дБ.

Для компенсации разброса длины участка регенерации предусмотрена автоматическая регулировка уровня в пределах 30 дБ.

Работоспособность оборудования оконечных и промежуточных станций контролируется с помощью устройств, расположенных на этих станциях.

Телеконтроль и служебная связь между промежуточными и оконечными станциями не предусмотрены; эти функции должны осуществляться с по­мощью центров технической эксплуатации ГТС.

Электропитание оконечного и промежуточного оборудования осущест­вляется от источников постоянного тока напряжением 60В, положи­тельный полюс заземлен.

Используемые типы оптических кабелей и их основные данные приведе­ны в табл. 3.14.

Длина участка регенерации определяется на основании выражения (6.1). Энергетический запас принят равным б дБ. Максимально допустимая длина участка регенерации (даже при нижнем пределе коэффициента за­тухания 0,7 дБ/км) ограничена энергетическим потенциалом, так как при­меняемые градиентные волокна на длине волны 1,3 мкм не приводят к меж­символьным искажениям на этой длине участка регенерации.

В табл. 6.2 приведены максимальные и минимальные значения длин участка регенера­ции при использовании кабелей типа ОК и ОЗКГ на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм.

К перспективным отечественным ЦВОСП для организации соединитель­ных линий ГТС относится система передачи с использованием оборудования третичной ЦСП («Сопка-Г»). Предполагается, что эта система будет иметь две модификации, работающие в диапазоне длин волн 1,3 мкм по опти­ческим кабелям с многомодовыми градиентными волокнами 'и с одномодовыми волокнами. Как и в описанных выше системах, стыковой сигнал в коде HDB-3 со скоростью передачи 34,368 Мбит/с преобразуется в линейный код MGMI. Поэтому скорость передачи в линейном тракте в 2 ра­за больше и составляет 68,736 Мбит/с. В аппаратуре используются лазер­ные диоды, обеспечивающие уровень мощности в волокне —3 дБм, Для компенсации разброса длин участков регенерации предусматривается авто­матическая регулировка входного уровня в пределах 13 дБ. Основные тех­нические характеристики третичной ЦВОСП для ГТС: