АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт «Информационные технологии и коммуникации»
Кафедра «Сети связи и системы коммутации»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Волоконно-оптические линии связи»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Вариант №4
Работу выполнила: ст-ка гр. ИС-51
Башбаева Р.У.
Руководитель: к.т.н., доцент
Семейкин В.Д.
Астрахань2009
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................
1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:................................................................................
2.ВЫБОР АППАРАТУРЫ ВОСП....................................................................
3.ВЫБОР МАРКИ КАБЕЛЯ.............................................................................
4.ВЫБОР ЛИНЕЙНЫХ КОДОВ ЦИФРОВЫХ ВОСП...................................
5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА В ЛИНЕЙНОМ ТРАКТЕ
6.РАЗМЕЩЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ РЕГЕНЕРАТОРОВ.....................................
7.РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДЛИНЫ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА
8.РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНОЙ ДЕТЕКТИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА.........................................................................................................
9.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАЕМОЙ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ..............................................
10.ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ВОСП В ЦЕЛОМ...................................
11.ВЫБОР ПРИЕМНОГО И ПЕРЕДАЮЩЕГО ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
12.РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА ВОСП.......................
12.1.Расчет требуемых показателей надежности проектируемого линейного тракта ВОСП……………………………………………………………………......
12.2.Расчет показателей надежности проектируемого линейного тракта……………...32
Демонстрационный чертеж………………………………………………….…….
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. ....
ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................
ВВЕДЕНИЕ
В современных сетях связи используются аналоговые и цифровые системы передачи (СП) с тенденцией постепенного перехода к применению только цифровых систем. Однако предстоит длительный период сосуществования на сетях связи аналоговых и цифровых систем, когда большое число соединений будет устанавливаться с использованием обоих технологий. Для обеспечения в этих условиях заданных характеристик каналов и трактов, гарантирующих высокое качество передачи информации, принципы проектирования цифровых и аналоговых систем передачи должны быть совместимы.
Высокая стоимость линий связи обуславливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы связи называют многоканальными. Связь, осуществляемую с помощью этих систем, принято называть многоканальной. Практически все современные системы связи за редким исключением являются многоканальными. Волоконно-оптическими (ВОСП) называют системы передачи, использующие в качестве среды распространения сигнала оптическое волокно.
Первоначально развитие ВОСП шло в направлении создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического излучения) и оборудования данными элементами каналообразующего оборудования ЦСП ПЦИ. Развитие ЦСП и оптоэлектроники для применения в ЦСП шло, фактически, независимо. В качестве примера систем, построенных по такому принципу, можно привести ВОСП отечественного производства "Соната-2", "Сопка-2" и ИКМ-120-4/5 со скоростью передачи 8 Мбит/с; "Сопка-3", ИКМ-480-5 со скоростью передачи 34 Мбит/с; "Сопка-4М", "Сопка-5" со скоростью передачи 140 Мбит/с. Основным преимуществом ВОСП по сравнению с ЦСП, работающими по металлическому кабелю, явилось значительное увеличение длины участка регенерации (до нескольких десятков км).
Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями и широкополосностью, стабильностью и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках.
Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и для любой кабельной системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что носителем информации является поток фотонов.
Волоконно-оптические технологии (ВОТ) и их особенности. Среди особенностей ВОТ выделяются следующие:
· Сверхвысокая пропускная способность, обусловленная работой в оптическом диапазоне радиоволн. По одному ОВ можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12-13 бит/с, что эквивалентно 15 млн. одновременных телефонных разговоров цифрового качества. На сегодняшний день полоса пропускания оптоволокна превышает все потребности существующих сетевых приложений.
· Малое затухание сигнала, значения которого составляют 0.2-0.25 дб/км на длине волны 1.55 мкм. В зависимости от скорости передачи это позволяет создавать линии с регенерационными участками более 100 км.
· Невосприимчивость к электромагнитным помехам и высокая степень защищенности от прослушивания.
· Малый вес и габариты кабелей (малый диаметр оптического волокна, малая удельная масса кварца, отсутствие экранов), легкость и компактность источников и приемников
· ОВ, применяемые в связи на длинные и средние дистанции, в основном состоят из материала широко распространенного в природе, а потому более дешевого, чем медь.
· ОВ обладают гальванической развязкой и большим сроком службы (25 лет и более при качественном изготовлении и прокладке кабелей)
Однако любое оптическое волокно обладает и рядом недостатков, такими как хрупкость, высокие требования при монтаже коннекторов. Важнейшими характеристиками ОВ являются затухание и дисперсия. Затухание в оптическом волокне связано с собственными потерями волокна и так называемыми кабельными потерями, обусловленными деформациями в процессе изготовления. Составляющими собственных потерь ОВ являются: потери на поглощение в стекле и на примесях; потери рассеяния на микронеоднородностях материала и тепловых флуктуациях показателя преломления; рэлеевские потери;
Оптическое волокно бывает следующих типов:
· Многомодовое градиентное (GI – Gradient Index);
· Одномодовое ОВ (SM – single mode 1.31 мкм);
· Одномодовое со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted 1.55 мкм). К этому же семейству принадлежат одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией (DF – Dispersion Flatted 1.3 и 1.55 мкм) и одномодовые со смещенной, но не нулевой дисперсией (NZDS – None Zero Dispersion Shifted);
· “Активные” ОВ (ED – Еrbium Doped). Волокна этого типа используются в оптических усилителях;
· Пластиковые ОВ (POF); Основными факторами, влияющими на надежность и долговечность ОВ являются влага, механические деформации, водород, остаточные деформации.
Типы соединений
· Разъемные:
Механические соединители.
Действие механических соединителей основано на юстировке ОВ по общей V-образной канавке выполняемой часто из мягкого эластичного материала. Реальные конструкции содержат иммерсионную жидкость для улучшения согласования. Указанные выше устройства являются условно разъемными и рекомендуются к применению на объектах, при аварийно-восстановительных работах, а также для измерения неоконцованых линий.
Разъемы. В разъемных соединениях используется принцип перехода от задачи юстировки тонких сердцевин к более простой задаче юстировки наконечников (ferrule) имеющих “макро размеры” (обычно 2.499 мм в диаметре). Соединение состоит из двух собственно разъемов или коннекторов сидящих на стыкуемых ОВ и проходной розетки. Основной частью оптических разъемов является прецизионный наконечник, выполняемый обычно из циркониевой керамики. По оси наконечника располагается капилляр под зачищенное ОВ (125 мкм). Наконечники юстируются при помощи разрезных керамических или бронзовых втулок составляющих основу проходной розетки.
Основными типами применяемых сегодня коннекторов являются SC, ST и FC, ST (straight tip connector или stick and twist) – разработан компанией АТ&Т в середине 80х и используется в основном в локальных сетях и на ММ ОВ. Отличается фиксацией типа BNC и простотой конструкции. SC (stick and click) – разъем широко применяется в США и имеет пластиковый корпус прямоугольного сечения с фиксацией push-pull (защелка). Отличается большой плотностью соединений и простотой фиксации.
FC – изобретен NTT , и отличается резьбовой фиксацией с помощью накидной гайки и высокой степенью надежности. Часто можно встретить аббревиатуру PC следующую за типом разъема. Сокращение означает physical или positive contact и относится к наконечникам со слабо выпуклым (R=25 мм) торцом. Когда два таких разъема давят друг на друга в розетке, обеспечивается лучший контакт и меньшее отражение.
· Неразъемные:
Сварные . Сварка представляет собой наиболее надежное соединение с точки зрения температурной, временной и механической стабильности затухания. Характеризуется очень низким обратным отражением (лучше –60 дб в широком температурном диапазоне). Соединение производится электрической дугой с помощью сварочных аппаратов, которые относительно недавно стали компактными, высокопроизводительными (длительность процесса 20-30 секунд) и высокоточными (с точки зрения механики). Составляющие процесса сварки: оплавление предварительно сколотых ОВ, предотвращающее возможное появление пузырей, юстировка и собственно разряд. Контроль процесса и юстировка могут осуществляться либо визуально, с помощью микроскопа (обычно в ручных сварках) либо с помощью боковой подсветки и непосредственного непрерывного наблюдения сердцевины (автоматы и полуавтоматы). В современных автоматических сварочных аппаратах фокусировка, обработка изображения с камеры, оценка качества торца, управление моторами подвижек и зеркал – все находится под контролем микропроцессора.
1.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Вариант №4
1. длина тракта передачи L=300 км;
2. число необходимых каналов N=300;
3. допуск на температурные изменения параметров ВОСП DT=30 0
С;
4. схема температурной компенсации (СТК) в блоке передачи не присутствует;
5. ширина полосы оптического излучения источника Dl=0,2 нм;
6. квантовая эффективность фотодиода h=0,75;
7. полная емкость цепи фотодиода С=10 пФ;
8. коэффициент шума усилителя ПРОМ Fш
=8;
9. расчетная температура ПРОМ в градусах Кельвина = 283 К;
10. коэффициент лавинного умножения фотодиода М=25;
11. быстродействие ПОМ tпер
=4 нс;
12. быстродействие ПРОМ tпр
=1 нс.
2. ВЫБОР АППАРАТУРЫ ВОСП
Выбор аппаратуры волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) для проектируемой волоконно-оптической системы передачи произведем в соответствии с исходными данными. Так как длина проектируемой ВОЛС составляет 300 км, а число необходимых каналов равно 300, то наиболее оптимальным вариантом является аппаратура “Сопка-3М”(число стандартных каналов ТЧ составляет 480). Система передачи «Сопка-3М» обеспечивает передачу третичного цифрового потока (34,368 Мбит/с), работает в диапазоне волны 1,55 мкм с использованием одномодовых ОВ.
Комплекс аппаратуры «Сопка-3М» представляет собой второе поколение аппаратуры третичной ЦСП. В диапазоне оптических длин волн 1,55 мкм передача сигналов по ОК с одномодовыми ОВ осуществляется с меньшими потерями и дисперсионными искажениями , чем по ОК с градиентными ОВ на длинах волн 1,3 мкм.
Принцип работы аппаратуры линейного тракта систем передачи «Сопка-3М» представлен на рис.1. Аппаратура содержит: стандартное каналообразующее оборудование(стойки СВВГ,САЦО,СТВГ); стойку оборудования линейного тракта (СОЛТ-О) для передачи вторичного и третичного цифровых потоков со скоростями 8,448 и 34,368 Мбит/с; стойку телемеханики и служебной связи (СТМСС); оборудование линейного тракта, устанавливаемое в НРП; стойку дистанционного питания (СДП-О); специализированную контрольно-измерительную аппаратуру; комплект инструментов и приспособлений для монтажа ОК. Трехуровневый сигнал в коде HDB-3 по станционному электрическому кабелю поступает от оборудования временного группообразования на вход стойки СОЛТ-О, где происходит его преобразование в двухуровневый сигнал с линейным кодом 2В4В при одновременном увеличении скорости. Сигналы СТМСС объединяются с информационным сигналом передающей части стойки СОЛТ-О методом ЧРК и передаются нижней части спектра линейного сигнала. Объединенный электрический сигнал поступает на вход платы передачи (ПП), на которой установлен ЛД. С выхода ЛД оптический сигнал передается в оптический станционный кабель, который в устройстве соединения станционного и линейного кабеля(УССЛК) состыкован с линейным кабелем. На стойке СОЛТ_О противоположного оконечного пункта происходит обратное преобразование.
Стойки телемеханики и служебной связи предназначена для сбора и отображения информации о положении датчиков на контролируемых ОП, ОРП, НРП по двум ОВ в цифровом виде в низкочастотной части спектра совместно с информационным сигналом, с также для организации оперативной телефонной связи между ОП, ОРП и НРП по двум ОВ совместно с информационным сигналом. Одна стойка обслуживает два линейных тракта при установке на ОП и четыре при установке на ОРП.
Комплект блоков НРП обеспечивает передачу по каждой паре ОВ цифровых сигналов совместно с сигналами СС и ТМ. Оптический сигнал поступает на оптический линейный регенератор (РЛ-О), в котором производится оптоэлектронное преобразование, после чего сигнал усиливается, из него выделяются низкочастотные сигналы ТМ и СС, которое подаются соответственно в блоки телемеханики и сервисного обслуживания (БТМ-О и БССС-О). Информационный сигнал поступает на видеорегенератор, где восстанавливается по амплитуде и временному положению и объединяется с сервисными сигналами ТМ и СС. Объединенный сигнал преобразуется в оптический с помощью ЛД и излучается в ОВ ОК.
Электропитание оборудования НРП рассчитано на работу от устройства дистанционного питания (УДП) по отдельно проложенному кабелю, либо по медным жилам ОК, либо от автономного источника питания . Стойка дистанционного питания (СДП-О) обеспечивает электропитание до двух НРП, по одному в каждую сторону. В качестве автономного источника питания НРП предполагается использовать термоэлектрический генератор (РИТЭГ).
Допустимые значения наведенных ЭДС на цепи дистанционного питания составляют: долговременно 150 В; грозовой импульс 3 кв.
Таблица 1
Характеристики аппаратуры ВОСП “Сопка-3М”
| Число стандартных каналов ТЧ | 480 |
| Скорость передачи, Мбит/с | 34,368 |
| Линейный код | 2В4В |
| Тип приемника излучения | PIN-FET |
| Тип оптического волокна | ООВ |
| Длина волны, мкм | 1,55 |
| Тип источника излучения | ЛД |
| Энергетический потенциал, дБМ | 38 |
| Затухание ОВ, дБ/км | 0,3 |
| Максимальная длина регенерационного участка, км | 70 |
| Рекомендуемый кабель | ОКЛ |
| Максимальная длина линейного тракта, км | 600 |
Примечание: PIN-FET –p-i-n фотодиод, ЛД – лазерный диод, ООВ – одномодовое оптическое волокно.
Структурная схема ВОСП «Сопка-3М» приведена на рис.1.
3. ВЫБОР МАРКИ КАБЕЛЯ
Рекомендуемым кабелем для использования совместно с аппаратурой «Сопка-3М» является ОКЛ. Для магистральных ВОСП, работающих на длине волны 1,55 мкм, согласно ТУ 16.К71-79-50 кабельной промышленностью выпускаются одномодовые оптические кабели типа ОКЛ.
ОКЛ - оптический кабель для линейной магистральной связи.
Характеристики кабеля ОКЛ представлены в таблице 2
Таблица 2
Характеристики кабеля
| Система передачи | “Сопка-3М” |
| Число цифровых каналов | 480 |
| Длина волны | 1,55 мкм |
| Коэффициент затухания | 0,3 дБ/км |
| Число ОВ и их тип | 4,8,16 ОМВ с ГПП |
| Дисперсия, пс/(нм км) | 2;3;5 |
| Строительная длина | 1;2 |
На рис.2 изображен оптический кабель типа ОКЛ.
Магистральный кабель ОКЛ изготавливается из одномодовых волокон с сердцевиной диаметром 10 мкм, имеет две модификации: с медными проводниками диаметром 1,2 мм для дистанционного питания регенераторов и без медных проводников с питанием от местной сети или автономных источников теплоэлектрогенераторов (ТЭГ). Центральный силовой элемент выполнен из стеклопластиковых стержней. Наружный покров кабеля имеет несколько разновидностей: для прокладки в канализации — это полиэтиленовый шланг (марка ОКЛ), для подземной прокладки—броневой покров из стеклопластиковых стержней (ОКЛС), стальных лент (марка ОКЛБ), круглой проволоки (ОКЛК).
1. оптическое волокно фирмы "Корнинг"
2. гидрофобный заполнитель
3. центральный силовой элемент (стеклопластиковый стержень или стальной трос в ПЭ оболочке)
4. водоблокирующая лента (по требованию)
5. полимерная трубка
6. скрепляющая лента
7. вспарывающий корд(по требованию)
8. кордель
9. полимерная защитная оболочка
10. маркировка
4. ВЫБОР ЛИНЕЙНЫХ КОДОВ ЦИФРОВЫХ ВОСП
К линейным сигналам ВОСП предъявляются следующие требования:
· спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем меньше требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума и его влияние. Ограничение спектра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение снизу — флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической части фотоприемника, имеющего цепи развязки по постоянному току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной мощности оптического передатчика;
· код линейного сигнала должен обеспечивать возможность выделения колебания тактовой частоты, необходимой для нормальной работы тактовой синхронизации;
· код линейного сигнала должен обладать максимальной помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации;
· код линейного сигнала должен облачать избыточностью, которая позволяет по нарушениям правила образования кода судить о возникновении ошибок;
· код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода.
Совокупности указанных требований в полном объеме не удовлетворяет ни один код. Поэтому для разных ВОСП применяются различные коды. Во всех оптических кодах исходная электрическая комбинация в виде простейшего кода NRZ (NonReturntoZero - без возврата к нулю) перекодируется, причём каждым m импульсам исходного кода сопоставляются n импульсов линейного оптического кода, где n>m. Отсюда формула кода mBnB. При этом тактовая частота линейного оптического сигнала
(1)
где - тактовая частота исходной цифровой последовательности.
Наиболее простыми кодами, сравнительно легко реализуемыми, являются коды класса 1B2B, для которых согласно (1) fл
= 2×fT
. Однако, в условиях ограничения полосы частот применение кодов класса 1B2B нецелесообразно и обычно они используются в системах, где скорость передачи не превышает нескольких десятков мегабит в секунду.
В некоторых системах применяется код класса 2В4В, получивший название кода с позиционно-импульсной модуляцией (ПИМ). В этом коде используются разрешённые комбинации с единственным импульсом, временное положение которого зависит от блочной комбинации двух исходных импульсов. Четырём таким возможным комбинациям 00, 01, 10, 11 соответствуют в коде с ПИМ комбинации 1000, 0100, 0010, 0001 (рис.3).
Достоинством ПИМ комбинаций является выигрыш по мощности передаваемых сигналов. В то же время этому коду присущ ряд недостатков: удвоение передаваемой полосы, сложность кодопреобразователей, проблемы контроля ошибок, возрастание трудности синхронизации. В высокоскоростных системах используют блочные коды, для которых m > 2, n > m, причем чем выше скорость передачи, тем ближе m к n, с целью сокращения передаваемой полосы.
Одним из решений, применяемых в этих кодах, является проверка на четность с целью обнаружения ошибок. К блоку из m символов исходной двоичной последовательности добавляется еще один контрольный символ "1" или "0" для того, чтобы сумма по модулю 2 новой комбинации m + 1 символов равнялась 0. Появление в сумме m + 1 символов "1" означает наличие ошибки. Введённый дополнительный символ обозначают буквой Р. Также в этих кодах вводят ещё один дополнительный символ для определения границы кодовой комбинации. Чаще всего по отношению к последнему символу данной комбинации вводится инверсный символ. Этот символ обычно обозначают буквой С. Возможно также использование символа С для сигналов служебной связи и синхронизации. Тогда этот символ обозначают буквой R .
В выбранной нами аппаратуре ВОСП «Сопка-3М» используем код 2В4В. И для данного кода и определяем скорость передачи сигналов в линии. Энергетический спектр этого кода представлен на рис. 5. Наличие 2-х дополнительных символов приводит к частоте передачи.
, (2)
При сохранении такого же соотношения скоростей передачи в линии и исходного кода можно за счет увеличения ёмкости блока символов расширить возможности наборов R и PДостоинства кода 2В4В – отсутствие низкочастотной составляющей.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА В ЛИНЕЙНОМ ТРАКТЕ
На основе формулы (2) по известному коду и скорости передачи ЦСП может быть определена скорость передачи сигнала в линейном тракте. Все дальнейшие расчеты в курсовом проекте ведутся на основе значения частоты ƒл
[МГц], что соответствует численно величине В - скорости передачи в линии в МБит/с.
fЛ
= 1,2 ×fT
.= 1,2 ×34,368=41,2416 (МГц)
В=41,2416Мбит/с.
6. РАЗМЕЩЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ РЕГЕНЕРАТОРОВ
В данном курсовом проекте отсутствует привязка к конкретной трассе прокладки кабеля, что не вызывает необходимости учёта топологии трассы (рельеф, горы, реки и т.д.). Поэтому можно воспользоваться принципом равномерного распределения регенераторов, максимально используя кратность целому числу строительных длин кабеля.
Для определения количества регенераторов, которые необходимо установить на линии, используем формулу:
(3)
где: l – длина линии, км, lру
- максимальная длина регенерационного участка для выбранной аппаратуры, км (так как максимальная длина регенерационного участка выбранных аппаратуры и кабеля равна 70 км, то с учетом запаса возьмем lру
=55км).
Длина линейного тракта (300 км) не превышает максимальную длину между линейного тракта (600 км), поэтому нет необходимости в организации ОРП (ОРП также является регенератором).
7. РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДЛИНЫ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА
При проверочном расчете правильного выбора длины участка регенерации руководствуются двумя параметрами: суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического волокна (ОВ).
Если исходить из затухания с учетом всех потерь, имеющих место в линейном тракте, то расчетная формула длины регенерационного участка выглядит следующим образом:
(4)
Здесь: Эп - энергетический потенциал ВОСП, дБ, определяемый как Эп=Рnер
- Рnр
и указываемый в технических характеристиках ВОСП (для аппаратуры «Сопка-3М» - Эп=38дБ) ;
a - коэффициент затухания оптического волокна, дБ/км;
nрс
- число разъёмных соединителей (их количество равно 2, они установлены на вводе и выводе оптического излучения в ОВ);
aрс
- потери в разъёмном соединителе, дБ;
nнс
- число неразъёмных соединителей на участке регенерации,
анс
- потери в неразъёмном в соединителе, дБ;
аt
- допуск на затухание потерь оптического волокна с изменением температуры;
аВ
- допуск на затухание потерь, связанных с ухудшением характеристик компонентов регенерационного участка (источники излучения - кабель - приёмники излучения) со временем.
Величина Эп характеризует необходимый перепад уровней для нормальной работы аппаратуры, а остальные члены в скобках формулы (4) - суммарные потери участка регенерации.
Расчёт проводится для самого длинного участка регенерации. Сначала определяется число строительных длин на участке регенерации:
(5)
где lc
- строительная длина кабеля (строительную длину возьмем lc
=2км).<
Общее число строительных длин для участка регенерации определяет число неразъёмных соединителей:
(6)
Величина a задана в исходных данных для выбранного кабеля: a=0,3 дБ/км. Значения величин анс
и арс
выбираем исходя из значений потерь в разъемных и неразъемных соединителях для разных типов ОВ (табл.6 методического указания [1]): анс
=0,3…0,5 дБ; арс
=0,5…1,5 дБ (исходя из того, что возможно старение соединений будем полагать анс
=0,4 дБ; арс
=1 дБ).
Допуски на температурные изменения параметров ВОСП при ΔТ=10ºС: at
=2 дБ (табл.7 методического указания).
Для определения допуска на потери от старения во времени необходимо определить комбинацию источников излучения передатчика и приемника. Эта комбинация определяется согласно заданному энергетическому потенциалу Эп, дБ и скорости передачи в линии В, МБит/с выбранной аппаратуры. Так у нас определена следующая комбинация источников излучения передатчика и приемника – ЛД + pin ФД (при данной скорости передачи в линии, только токая комбинация обеспечивает передачу энергетического потенциала 38 дБ, что и указано в данных аппаратуры). Следовательно, допуски на потери от старения во времени элементов aВ
=4…5дБ (возьмем aВ
=4дБ ).
Проверяем условие (4):
км
км
55 км < 64км – т.е. условие выполняется.
Исходя из полученных значений величин арс
, анс
, аt
, аВ
, определим затухание участка регенерации ару
, (7)
ару
= 0,3×55+1×2+0,4×27+2+4 = 35,3 дБ
Сопоставим величину ару
и энергетический потенциал Эп. При этом должно выполняться условие:
, (8)
35,3 дБ< 38 дБ, следовательно, длина участка регенерации выбрана верно.
Правильность выбора длины регенерационного участка lру
необходимо также проверить с учётом дисперсионных свойств оптического волокна.
Максимальная длина регенерационного участка с учётом дисперсии ОВ выбирается из условия
, (9)
где В - скорость передачи информации, бит/с;
s- среднеквадратичное значение дисперсии выбранного оптического волокна, с/км.
Для одномодовых оптических волокон задается нормированная среднеквадратичная дисперсия sн
, нс/(нм×км) или пс/(нм×км).
Величина s определяется в этом случае по формуле:
, (10)
где К =10 –12
в случае sн
[ пс/(нм×км)], К = 10 -9
в случае sн
[нc/(нм×км)], Dl - ширина полосы оптического излучения в нм. Для светодиодов Dl = 25-40 нм, для лазерных диодов Dl = 0,2-0,5 нм. В нашем случае:
Dl = 0,2 нм (задана в исходных данных),
sн
= 3,5 пc/(нм×км) (с учетом наихудшей дисперсии кабеля ОКЛ),
тогда К=10-12
и получаем
s =10-12
×0,2×3,5= 0,7×10-12
с/км
lру
£ 0,25/(0,7×10-12
×41,2416×106
), км
55 км < 866 км
Значит, условие выполняется.
ПОМ – передающий оптический модуль
ПРОМ – приемный оптический модуль
ОС-Р – разъемный оптический соединитель
ОС-Н – неразъемный оптический соединитель
ОК – оптический кабель
8. РАСЧЕТ МИНИМАЛЬНОЙ ДЕТЕКТИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ
ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Одним из наиболее важных параметров приёмника оптического излучения является минимальная обнаруживаемая мощность оптического сигнала, при которой обеспечивается заданное значение отношения сигнал-шум иливероятности ошибки. Это значение получило название минимальной детектируемой мощности (МДМ). Для внутризоновых первичных сетей вероятность ошибки в расчете на 1 км длины линейного тракта не должна превышать p’ £ 1,67×10-10
, для магистральных сетей p’ £ 1,67×10-11
, для местных сетей p’ £ 1,67×10-9
. Исходя из этих значений вероятности ошибки, можно определить вероятность ошибки для полученной длины регенерационного участка.
, (11)
рош
=1,67×10-10
×55=91,85×10-10
Используя это значение вероятности ошибки на участке регенерации, можно определить с помощью зависимости вероятности ошибки pош
от защищенности А3
(рис. 7) численное значение защищенности на входе регенератора: A3
=22 дБ.
Защищённость A3
определяется отношением сигнал-шум применительно к приёмному оптическому модулю (ПРОМ):
, (12)
В этой формуле: - среднеквадратичное значение полезного тока сигнала; - среднеквадратичное значение тока тепловых шумов на эквивалентном сопротивлении нагрузки; - среднеквадратичное значение тока дробовых шумов фотодиода; - среднеквадратичное значение собственных шумов усилителя, приведенных к его входу.
P - мощность падающего светового сигнала на фотодиод;
Iс
- фототок полезного сигнала на выходе фотодиода;
Rф
- динамическое сопротивление фотодиода;
Сф
- ёмкость р-n перехода фотодиода;
Iд
- ток дробовых шумов фотодиода;
IТ
- ток тепловых шумов нагрузки Rн цепи фотодиода (входным сопротивлением усилителя K пренебрегаем).
S - чувствительность фотодиода:
( 13)
где h - квантовая эффективность фотодиода, q - заряд электрона, l - длина волны излучения, мкм, h - постоянная Планка.
С учетом значения qи hформула (13) трансформируется в формулу
(14)
S = 0,8×0,75×1,55=0,93 А/Вт
Величина R может быть определена из условия обеспечения необходимой широкополосности ПРОМ:
(15)
где С =10 пф, В – скорость передачи, бит/с.
R=1/(2×p×10×10-12
×41,2416×106
)=386,1 Ом
Приближенная формула мощности излучения на входе лавинного фотодиода P, удовлетворяющая условию реализации МДМ оптического сигнала имеет вид:
, (16)
М= 25
k =1,38∙10-23
- постоянная Больцмана;
Т=273+10=283- температура по Кельвину.
Fш
=8 - коэффициент шума усилителя;
Вт
мВт
9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАЕМОЙ МОЩНОСТИ ПЕРЕДАЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
По значению мощности Pможно определить уровень оптического МДМ-сигнала
где P0
= 1 мВт, и значение P также должно быть в мВт.
(17)
дб
Однако, порог чувствительности приемного оптического модуля (ПРОМ) рекомендуется дополнительно повысить с учетом составляющих шума линейного тракта на 15 дБ. Обозначим это значение p’пр.
min
:
Р’пр.
min
= -40,535 +30=-10,535 дБ.
По окончательно выбранному значению p’пр.
min
определяем минимальную мощность на входе ПРОМ:
(18)
Pпр.
min
= 10 0,1
×
(-10,535)
=0,088 мВт
и минимальный уровень излучения передающего оптического модуля (ПОМ):
(19)
pпер.
min
= -10,535 +70 = 59,465 дБ
По величине pпер.
min
определим минимальную мощность модуля ПОМ:
(20)
Pпер
= 100,1
×
59,465
= 0,841мВт
10. ОЦЕНКА БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ВОСП В ЦЕЛОМ
Возможности выбранной ВОСП можно оценить в целом, учитывая быстродействие модулей ПОМ и ПРОМ, а также уширение импульсов, передаваемых по волоконно-оптической линии передачи. Общее ожидаемое быстродействие определяется как:
(21)
где: tпер
= 4 нс - быстродействие различных передающих оптических модулей;
tпр
= 1 нс - быстродействие приёмных оптических модулей;
tов
– уширение импульса на длине регенерационного участка
(22)
tов
= 0,7×10-12
×55=0,039×10-9
, с
В то же время допустимое быстродействие ВОСП определяется скоростью передачи и характером передаваемого сигнала:
(23)
где b =0,35- коэффициент учета характера кода линейного сигнала,
В результате расчета по формулам (21) и (23) условие tож
< tS
выполняется, то выбор типа ОК и длины lру
сделан верно, и величина
(24)
называется запасом системы по быстродействию.
tож
= 8,486×10-9
-4,581×10-9
=3,905×10-9
с
11. ВЫБОР ПРИЕМНОГО И ПЕРЕДАЮЩЕГО ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
Изучив приведенные в методическом указании данные по источникам излучения и фотоприемникам, применяемым в России и западных странах и сравнив их с нашими требованиями, выбрали прибор фирмы OptoElectronicsLTD (США). Его параметры приведены в таблице 3.
Таблица 3
Характеристики прибора OptoElectronicsLTD
| Тип | ЛД |
| Длина волны излучения, мкм | 1,0..1,6 |
| Активный диаметр,мкм | 100 |
| Интервал рабочих температур, С0
|
-10..+80 |
| Чувствительность, А/Вт | 0,63 |
| Емкость, пФ | 1 |
| Смещение, В | 15 |
| Темновой ток, мА | 40 |
В качестве передающего модуля подходит модуль фирмы EricssonPGR 20302. Его параметры приведены в таблице 4.
Таблица 4
Характеристики PGR 20302
| Тип | PIN-FET |
| Длина волны излучения, мкм | 1,55 |
| Мощность излучения, мВт | 1,2 |
| Ширина спектра излучения, нм | 1 |
| Максимальная скорость передачи, Мбит/с | 17 |
| Интервал рабочих температур, С0
|
-40…+85 |
| Наработка на отказ, ч | 103
|
| Потребляемый ток, мА | 200 |
12. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА ВОСП
12.1. Расчет требуемых показателей надежности проектируемого линейного тракта ВОСП
В данном разделе определяются требуемые показатели качества и надежности для магистральной первичной сети.
Таблица 5
Требуемые показатели надежности для систем передачи внутризоновой первичной сети (ВЗПС)
| Показатели надежности для ВЗПС,Lm
=1400км |
Канал ТЧ или ОЦК независимо от применяемой СП | Канал ОЦК на перспективной цифровой сети | Оборудование линейного тракта |
Коэффициент готовности Среднее время между отказами, ч Время восстановления, ч |
>0.99 >111.4 <1.1 |
>0.996 >2050 <4.24 |
0.92 >350 см. примечание |
Примечания:
Показатели приведены для максимальной длины Lm
соответствующей первичной сети (без резервирования).
Для оборудования линейных трактов на МСП, ВЗПС и СМП время восстановления необслуживаемого регенерационного пункта (НРП), оконечного пункта (ОП) и оптического кабеля (ОК) должны быть соответственно меньше:
·Vнрп
< 2.5 ч (в том числе время подъезда к месту аварии – 2ч );
·Vo
к
< 10 ч (в том числе время подъезда 3,5 ч).
В соответствии с этими данными может быть осуществлен расчет требуемого среднего времени наработки на отказ и требуемого коэффициента простоя для МСП, заданной длины трассы L.
Эти расчеты ведутся по следующим формулам:
, (25)
где KПА
- коэффициент простоя аппаратуры ВОСП;
, (26)
где KГ
- коэффициент готовности ВОСП;
, (27)
где T0
(L) - время безотказной работы для заданной длины канала или магистрали, ч;
/ - время восстановления, ч;
L - интенсивность отказов, 1/ч ,(L=1/T0
);
Т0
- время безотказной работы (среднее время между отказами) для трассы максимальной протяженности, заданное в табл.5, ч.
В соответствии с заданной длиной трассы определим требуемые значения коэффициентов простоя и среднего времени между отказами каналов и оборудования и внесем их в табл. 6.
Для канала ТЧ или ОЦК: V= 1.1ч, Т0
= 111.4ч.
T0
(L)=111.4·1400/300=519,8 (ч).
Для канала ОЦК перспективной цифровой сети: V= 4.24 ч, Т0
= 2050 ч.
T0
(L)=2050·1400/300=9566,7 (ч).
Для оборудования линейного тракта (НРП): VНРП
= 2,5 ч, Т0
= 350 ч.
T0
(L)=350·1400/300=1633,3 (ч).
Для оборудования линейного тракта (ОК): VОК
= 10 ч, Т0
= 350 ч.
T0
(L)=350·1400/300=1633,3 (ч).
Для обслуживаемого регенерационного пункта(ОРП): VОК
= 0,5 ч, Т0
= 350 ч.
T0
(L)=350·1400/300=1633,3 (ч).
Таблица 6
Требуемые значения коэффициентов простоя и среднего времени между отказами для каналов и оборудования ВОСП «Сопка-3М» при L = 300 км
Показатели надежности |
Канал ТЧ или ОЦК |
Канал ОЦК на перспективной цифровой сети |
Оборудование линейного тракта | ||
| НРП | ОК | ОРП | |||
Коэффициент простоя |
< 0,01 |
< 0,002 |
< 0,007 |
< 0,03 |
< 0,001 |
| Среднее время между отказами, ч | 519,8 |
9566,7 |
1633,3 |
||
12.2.Расчет показателей надежности проектируемого линейного тракта
Вторая часть расчета сводится к проверке показателей надёжности и качества каналов передачи выбранной системы на их соответствие полученным требуемым показателям. Для этого расчеты ведутся как для традиционной стратегии восстановления, когда принимаются меры по устранению последствий аварии, начиная с момента обнаружения отказа (аварии), так и на основе оптимальной стратегии восстановления, когда используется фактор постепенного отказа, позволяющий принимать меры с учетом интервала между предотказным и отказным состояниями системы. Суть метода сводится к контролю коэффициента ошибок (связь приемлема, если Кош
<10-6
; связь некачественна, если 10-3
<Кош
<10-6
- это соответствует предотказному состоянию аппаратуры; связь неприемлема, если 10-3
<Кош
- отказное состояние, авария в аппаратуре). Использование метода оптимальной стратегии основано на том, что не менее 70% отказов ВОСП может быть отнесено к постепенным (как аппаратурные отказы, так и связанные с оптическим кабелем).
Определим интенсивность отказов линейно-кабельных сооружений и аппаратуры, а также коэффициенты простоя для традиционной и оптимальной стратегии восстановления. По данным статистики повреждений коаксиальных кабелей на магистральной первичной сети связи среднее число (плотность) отказов кабеля из-за внешних повреждений на 100 км кабеля в год составляет М1
=0,34. Такая же цифра справедлива и для оптического кабеля. Тогда интенсивность отказов оптического кабеля за 1 час на длине трассы ВОЛС длиной L определяется следующим образом:
Lок
=М1
×L/(8760×100), 1/ч (28)
Однако, помимо внешних повреждений кабеля надо учитывать также возможность внутренних отказов кабеля и отказы оборудования необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) за счет внешних повреждений. Интенсивность этих регенерационных отказов составляет 0,06 на один НРП в год. Интенсивность отказов оптических кабелей из-за внутренних причин связана с минимальной наработкой строительной длины до отказа, что соответствует среднему времени наработки между отказами примерно 215000×15=3225000 часов.
Исходя из сказанного, суммарная интенсивность отказов оптического кабеля:
(29)
Lок = 0,34×300 /(8760×100) + 0,06 ×4 / 8760 + 150/ 3225000 = 1,903×10-4
1/ч
В выражении (28) nнрп
- число необслуживаемых регенерационных пунктов, nст.д
- число строительных длин на всей трассе ВОЛС. Используя формулу (25) можно также определить коэффициент простоя ВОСП из-за отказов линейно - кабельных сооружений при традиционной стратегии восстановления.
(30)
Kп ока
= 1,903×10-4
×10 / (1+1,903×10-4
×10) = 1,899×10-3
В случае же оптимальной стратегии восстановления предполагается сокращение времени подъезда к месту аварии, в связи с чем сокращается время восстановления кабеля. С учетом поправки имеем:
(31)
Здесь t1
- время подъезда к месту аварии, составляющее для кабеля - 3,5 ч.
Kп ок п
= 1,903×10-4
×(10 – 0,7×3,5) / (1+1,903×10-4
×10) = 1,434×10-3
Суммарный коэффициент простоя аппаратуры ВОСП рассчитывается отдельно для аппаратуры, размещенной в оконечных пунктах (ОП), здесь время восстановления принимается равным V = 0,5 часа, и в НРП время восстановления принимается равным V = 2,5 часа.
При учёте суммарной интенсивности отказов применительно к оборудованию, производимому в России можно воспользоваться таблицей 7.
Знание среднего времени между отказами позволяет вычислить интенсивность отказов L для каждого комплекта оборудования. При расчете суммарной интенсивности отказов оборудования, размещенного в ОП и НРП необходимо составить обобщенную схему комплекса ВОСП для используемой аппаратуры.
Таблица 7
Показатели надёжности аппаратуры ВОСП Российского производства
Тип оборудования (один комплект) |
САЦК-1 | ВВГ | ТВГ | ЧВГ | СДП | ОЛТ |
Среднее время между отказами, ч |
20000 | 87600 | 150000 | 17000 | 87600 | 87600 |
В качестве примера ниже приводится схема для комплекса ВОСП применительно к системе передачи “СОПКА-3М” (рис. 10)
Примечание: Сокращения, принятые в табл.7, на рисунке 9, а также нумерация блоков рис.9 следующие:
1 - аппаратура образования первичного цифрового тракта (САЦК-1);
2 - аппаратура вторичного временного группообразования (ВВГ);
3 - аппаратура третичного временного группообразования (ТВГ);
ОЛТ - аппаратура оптического линейного тракта;
СДП - стойка дистанционного питания;
НРП - необслуживаемый регенерационный пункт;
ОП1,ОП2 - оконечные пункты 1 и 2;
Произведем расчет суммарной интенсивности отказов для оборудования, размещаемого в ОП1и ОП2.
Суммарная интенсивность отказов для оборудования НРП определяется с учетом того, что НРП структурно состоит из двух комплектов ОЛТ:
Lнрп
=2×Lолт
×nнрп.
(32)
(1/ч)
Тогда коэффициент простоя для традиционной стратегии восстановления определяется из формулы:
(33)
Kп нрп а
=
При оптимальной стратегии восстановления с учетом того, что время подъезда к месту аварии составит в этом случае t1
= 2 часа имеем выражение:
(34)
Kп нрп п
=
На основе полученных результатов можно вычислить суммарный Kп
аппаратуры ВОСП при традиционной стратегии:
Kп апa
= Kп орпa
+Kп нрпa
, (35)
Kп апa
=0,728·10-3
Однако, слагаемое Kп орпa
отсутствует из-за отсутствия обслуживаемого регенерационного пункта, то:
и для оптимальной стратегии восстановления
Kп ап п
= Kп орпа
+Kп нрпп
, (36)
Kп апa
=0,6·10-3
С учетом коэффициента простоя оптического кабеля (30) и (31) имеем суммарный Kп всего комплекса ВОСП при традиционной стратегии восстановления:
Kпа
=Kп ока
+ Kп апа
(37)
Kпа
= 1,899*10 -3
+ 0,728*10 -3
Kпа
= 1,627*10 -3
Для случая оптимальной стратегий восстановления имеем:
Kпп
=Kпокп
+ Kпапп
(38)
Kпп
= 1,434*10 –3
+ 0,6·10-3
Kпп
=2,034*10 –3
Полученные результаты сравниваем с данными таблицы 6 и убеждаемся, что обе указанные стратегии позволяют обеспечить требования к проектируемой ВОСП. Поэтому нет необходимости в использовании более высоконадежной аппаратуры, либо перехода на резервирование системы передачи и оптического кабеля.
Итоги расчета надежности приведены в таблице 8.
Таблица 8
| Показатели надежности для СМП Lm
=275 км |
Канал ТЧ или ОЦК независимо от применяемой СП | Канал ОЦК на перспективной цифровой сети | Оборудование линейного тракта | ||
| НРП | ОК | ОРП | |||
Коэффициент простоя (требуемые показатели) |
0,01 |
0,002 | 0,007 |
0,03 | 0,001 |
Коэффициент простоя для традиционной стратегии |
1,627×10-3
|
0,002 | 0,228×10-3
|
1,899×10-3
|
0,5×10-3
|
Коэффициент простоя для оптимальной стратегии |
2,034×10-3
|
0,002 | 0,1×10-3
|
1,434×10-3
|
0,5×10-3
|
При сравнении видно, что оптимальная стратегия позволяет обеспечить требования к проектируемой ВОСП
Демонстрационный чертеж
| Показатели надежности | Канал ТЧ или ОЦК независимо от применяемой СП | Канал ОЦК на перспективной цифровой сети | Оборудование линейного тракта | ||
| НРП | ОК | ОРП | |||
Коэффициент простоя (требуемые показатели) |
0,01 |
0,002 | 0,007 |
0,03 | 0,001 |
Коэффициент простоя для традиционной стратегии |
1,627×10-3
|
0,002 | 0,228×10-3
|
1,899×10-3
|
0,5×10-3
|
Коэффициент простоя для оптимальной стратегии |
2,034×10-3
|
0,002 | 0,1×10-3
|
1,434×10-3
|
0,5×10-3
|
Итоги расчета надежности ВОСП
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсового проекта была выбрана аппаратура «Сопка-3М»,которая предназначена для организации вторичных и третичных цифровых трактов на внутризоновых первичных сетях и соответственно кабель ОКЛ, так как он является рекомендуемым кабелем для использования совместно с аппаратурой «Сопка-3М». В выбранной нами аппаратуре ВОСП используем код 2В4В, по нему и по скорости передачи ЦСП определяем скорость передачи в линии В=41,212416 Мбит/с. Так как максимальная длина регенерационного участка выбранных аппаратуры и кабеля равна 70 км, то с учетом запаса lру
=55км, что и потвердилось проверочными расчётами.
В ходе вычислений были определены минимальная мощность модуля ПОМ Pпер
= 0,841 мВт. и общее ожидаемое быстродействие tож
= 3,905×10-9
с. В качестве приемного модуля был выбран прибор фирмы Ericsson, а передающего модуля - лазерный модуль отечественного производства Н1321Р. Сравнение показателей надежности показывает, что нет необходимости в использовании более высоконадежной аппаратуры, либо перехода на резервирование системы передачи и оптического кабеля.
ЛИТЕРАТУРА
1. Семейкин В. Д. Учебное пособие: проектирование линейных трактов волоконно-оптических систем передачи. Астрахань 2001.
2. www.nii-ecos.ru/elis3/html2/newvol.html
3. www.chipinfo.ru/literature/radio/199902/p64-65.html
4. www.sconline.ru/doc/6091.html
5. www.adk-electronick.spb.ru/prd/prdi06html
6. http://www.plastcom.spb.ru