Рассмотрены волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением оптических каналов и основы
проектирования волоконно-оптических линий передачи. <...> Для передачи сообщений на большие расстояния на этом этапе развития цивилизации
использовались оптические сигналы: днем — дым костров, ночью —
их огонь (пламя). <...> «Законный брак» оптоэлектроники (источники и приемники оптического излучения, оптические усилители и коммутаторы, оптические фильтры и др.) и оптоволоконной техники (оптические кабели,
оптические разветвители, аттенюаторы и др.) состоялся в 70-е годы
прошлого века, и его плоды оказали и оказывают самое благоприятное влияние на развитие телекоммуникационных систем и сетей. <...> Вот
их основные этапы:
1980 г. — первая коммерческая волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) Бостон — Ричмонд (США), три рабочих длины волны, градиентное многомодовое оптическое волокно (МОВ), скорость
передачи 45 Мбит/с;
1981 г. — получена скорость передачи 140 Мбит/с по одномодовому ОВ (ООВ) на длине волны 1,31 мкм; начало работ с ООВ со
смещенной дисперсией;
1982 г. — достигнута скорость передачи по ООВ 400 Мбит/с на
длине волны 1,31 мкм;
1987 г. — разработан эрбиевый оптический усилитель; начало работ по созданию ВОСП со спектральным разделением каналов
(ВОСП-СР);
1988 г. — прокладка первой трансатлантической оптической магистрали ТАТ-8. <...> До конца 80-х годов прошлого века основным каналообразующим оборудованием ВОСП являлись системы передачи плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ), или PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). <...> 1989 г. — разработка и начало внедрения систем передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), или SDH (Synchronous Digital
Hierarchy). <...> Этапы развития отечественных ВОСП следующие:
1981–1982 гг. — разработана система «Соната-2» и ее модернизированный вариант «Соната-3», системы ИКМ-30-5, ИКМ-120-4/5,
ИКМ-480-5 для городских телефонных сетей, работающие на длине
волны 0,85 мкм по градиентному ОВ;
1982–1991 гг. — разработка ВОСП типа «Сопка»: «Сопка-2»,
«Сопка-3 <...>
Оптические_телекоммуникационные_системы.pdf
Оптические_телекоммуникационные_системы_(1).pdf
УДК 621.315
ББК 32.889
О-62
Р e ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор
техн. наук, доцент
кандидат
О-62 Оптические телекоммуникационные системы. Учебник для
вузов / В. Н. Гордиенко, В. В. Крухмалев, А. Д. Моченов,
Р. М. Шарафутдинов. Под ред. профессора В. Н. Гордиенко. –
М: Горячая линия–Телеком, 2011. – 368 с.: ил.
ISBN 978-5-9912-0146-9.
Изложены принципы построения и основные особенности оптических
телекоммуникационных систем, использующих в качестве
среды передачи волоконно-оптические кабели. Подробно рассмотрены
физические основы работы различных оптических и оптоэлектронных
компонент, их параметры и характеристики. Обсуждаются
особенности передачи цифровых сигналов по линейным
трактам и оборудования волоконно-оптических систем передачи
(ВОСП) плезиохронной и синхронной цифровых иерархий и
вопросы построения на его основе современных телекоммуникационных
сетей. Рассмотрены волоконно-оптические системы передачи
со спектральным разделением оптических каналов и основы
проектирования волоконно-оптических линий передачи.
Для студентов вузов, обучающихся по направлениям 210400 –
«Телекоммуникации» и 210700 – «Инфокоммуникационные технологии
и системы связи», будет полезна для специалистов.
ББК 32.889
Учебное издание
Гордиенко Владимир Николаевич, Крухмалев Владимир Васильевич,
Моченов Анатолий Дмитриевич, Шарафутдинов Рафаил Муссолимович
ОПТИЧЕСКИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Учебник
Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситникова
Подписано к печати 05.04.2011. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 23. Изд. №11146. Тираж 1000 экз.
ISBN 978-5-9912-0146-9
© В. Н. Гордиенко, В. В. Крухмалев,
А. Д. Моченов, Р. М. Шарафутдинов, 2011
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2011
В.
Б.
Г.
Спасский
Н.
Дмитриев,
Стр.2
Введение
Связь как область человеческой деятельности развивалась от простейших
форм цивилизации первобытно-общественного строя до современной
цивилизации инфокоммуникационного общества. Непреходяще
стремление человека к единственно настоящей роскоши — к
роскоши человеческого общения. И связь в этом играет важную роль,
обеспечивая разнообразные формы общения. Зарождение связи как
формы общения относится к первобытной эпохе, главным достижением
которой является возникновение членораздельной речи, необходимой,
чтобы договориться об организации труда первобытного общества.
Связь здесь имеет форму личного общения, использования
посыльных (гонцов) и простейших форм сигнализации.
В эпоху неолита происходит первое крупное общественное разделение
труда — отделение скотоводческих племен от земледельческих.
Появляются новые виды связи — контакты между представителями
различных племен при обмене продуктами их труда, т.е. связь
в сфере производства.
Второе крупное разделение труда—ремесло отделяется от земледелия.
Для этой эпохи связь личным общением усложняется, так
как возникает необходимость ее установления между тремя партнерами:
земледельцем, скотоводом и ремесленником. Для передачи сообщений
на большие расстояния на этом этапе развития цивилизации
использовались оптические сигналы: днем — дым костров, ночью —
их огонь (пламя). Основу таких оптических систем связи составляли
сторожевые посты, расположенные вокруг селений на специально
построенных вышках, башнях, а иногда и просто на деревьях. Оптические
системы связи с использованием в качестве носителей сообщения
в виде огня и дыма допускали передачу весьма ограниченного числа
сообщений, содержание которых было заранее обусловлено. Код костров
был хотя романтичным и выразительным, но очень бедным, а
пропускная способность весьма ограничена.
Необходимость передавать не только отдельные сигналы типа
тревог и радости привела к применению кодов световых (оптических)
сигналов.
Среди разработок того времени можно, например, отметить азбучный
факельный оптический телеграф, изобретенный в III в. до н.э.
Стр.3
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
Глава 1. Принципы построения волоконно-оптических
систем передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2. Обобщенная схема волоконно-оптической системы передачи.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3. Классификация волоконно-оптических систем передачи
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4. Принципы построения двусторонних линейных трактов
ВОСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5. Уплотнение оптических кабелей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Глава 2. Оптические кабели и пассивные компоненты
волоконно-оптических систем передачи . . . . . . . . 28
2.1. Оптическое волокно . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Особенности распространения сигнала по оптическому волокну
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Профили показателей преломления ОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Апертура ОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Затухание ОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Дисперсия в ОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Конструктивные параметры оптического волокна . . . . . . . 41
2.2. Оптические кабели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Классификация оптических кабелей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Конструктивные элементы оптических кабелей . . . . . . . . . . 47
Типовые конструкции оптических кабелей . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3. Разъемные и неразъемные соединители . . . . . . . . . . . . . . . 56
Назначение и требования к пассивным оптическим устройствам
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Устройства ввода/вывода оптического сигнала . . . . . . . . . . 58
Оптические соединители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4. Оптические разветвители и ответвители . . . . . . . . . . . . . . 67
Типы разветвителей и ответвителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Основные параметры оптических разветвителей-ответвителей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Стр.363
364
Оглавление
Оптические спектрально-селективные разветвители . . . . . 71
2.5. Оптические изоляторы и аттенюаторы . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6. Оптические фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Основные понятия и определения. Классификация оптических
фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Оптические фильтры на основе дифракционных решеток 77
Фильтры на основе волоконно-оптических решеток Брэгга 78
Фильтры на основе резонаторов Фабри–Перо . . . . . . . . . . . . 80
Оптические фильтры на тонких интерференционных
пленках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Оптические фильтры других технологий . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Глава 3. Оптоэлектронные компоненты волоконно-оптических
систем передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1. Источники оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Принципы действия полупроводниковых источников оптического
излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Светоизлучающие диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Полупроводниковые лазерные диоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Передающие оптические модули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2. Оптические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Модуляция оптической несущей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Электрооптические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Магнитооптические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Акустооптические модуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Внутренняя модуляция оптической несущей . . . . . . . . . . . . . 107
3.3. Приемники оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Обобщенная схема приемника оптического излучения . . . 109
Особенности построения фотодиодов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Приемные оптоэлектронные модули . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Шумы приемных оптических модулей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.5. Оптические усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Классификация и основные параметры оптических усилителей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Полупроводниковые оптические усилители . . . . . . . . . . . . . . 124
Волоконно-оптические усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Рабочие параметры оптических усилителей типа EDFA . 128
Основные функциональные схемы усилителей технологии
EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Глава 4. Линейные тракты волоконно-оптических
систем передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1. Оптический линейный тракт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Стр.364
Оглавление
365
Классификация оптических линейных трактов . . . . . . . . . . 137
Линейные ретрансляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Основные параметры линейных трактов ЦВОСП . . . . . . . . 143
4.2. Линейные коды цифровых волоконно-оптических систем
передач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Требования к линейным кодам, их параметры и классификация
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Типы линейных кодов ЦВОСП и их формирование . . . . . . 146
Скремблирование цифрового сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.3. Помехоустойчивость регенераторов ЦВОСП . . . . . . . . . . 158
Расчет вероятности ошибки регенератора . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Оценка качества работы регенератора с помощью глаздиаграммы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Глава 5. Волоконно-оптические системы передачи плезиохронной
цифровой иерархии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.1. Принципы мультиплексирования в цифровых ВОСП
плезиохронной цифровой иерархии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2. Типовая аппаратура ЦВОСП ПЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Аппаратура ВОСП для местных первичных сетей . . . . . . . 168
Аппаратура ВОСП для внутризоновых и магистральных
первичных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.3. Цифровые ВОСП плезиохронной цифровой иерархии
нового поколения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Вторичные цифровые волоконно-оптические системы передачи
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Третичные цифровые волоконно-оптические системы передачи
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Глава 6. Волоконно-оптические системы передачи синхронной
цифровой иерархии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.1. Технико-экономические аспекты создания синхронной
цифровой иерархии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.2. Основные принципы построения СЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
Транспортная сеть на основе технологии СЦИ . . . . . . . . . . . 188
Формирование информационных структур СЦИ . . . . . . . . . 189
Функции и структуры заголовков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Контроль ошибок в трактах транспортных сетей СЦИ . . 212
Функции и структуры указателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.3. Оборудование систем передачи синхронной цифровой
иерархии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Общие понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Синхронные мультиплексоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Стр.365
366
Оглавление
Конфигурации синхронных мультилексоров . . . . . . . . . . . . . 228
Обобщенная структурная схема мультиплексора . . . . . . . . . 231
Глава 7. Телекоммуникационные сети на основе волоконно-оптических
систем передачи . . . . . . . . . . . . . . 236
7.1. Сетевые топологические структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.2. Защита телекоммуникационных сетей и оборудования
СЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.3. Принципы построения сети тактовой синхронизации . . 249
Архитектура сети синхронизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Качество синхронизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Присоединение к базовой сети синхронизации и выбор топологии
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.4. Принципы управления сетями электросвязи . . . . . . . . . . 262
Назначение TMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Логическая архитектра TMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Функциональная архитектура сети TMN . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Информационная архитектура TMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Физическая архитектура TMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Глава 8. Волоконно-оптические системы со спектральным
разделением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.1. Технология спектрального разделения . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.2. Функциональная схема ВОСП-СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.3. Классификация ВОСП-СР и основные параметры . . . . 280
8.4. Параметры и характеристики мультиплексоров и демультиплексоров
ВОСП-СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.5. Переходные влияния в ВОСП-СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Переходные помехи из-за ВКP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Переходные помехи из-за четырехволнового смешения . . 294
Глава 9. Основы проектирования волоконно-оптических
линий передачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.1. Организация проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
9.2. Cоставление схемы организации связи . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
9.3. Выбор аппаратуры ВОСП СЦИ и типа оптического кабеля
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.4. Инженерный расчет основных показателей ВОЛП. . . . . 320
Расчет длины регенерационного участка . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Расчет параметров качества функционирования каналов и
трактов ВОСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Расчет оперативных норм на показатели качества каналов
и трактов ВОСП СЦИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Стр.366
Оглавление
367
Определение показателей надежности ВОЛП . . . . . . . . . . . . 331
9.5. Особенности проектирования ВОЛП с использованием
аппаратуры ВОСП-СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Оценка технологий WDM и типа оптического волокна . . . 338
Схема организации связи на основе технологии WDM . . . 340
Расчет длины усилительного участка ВОСП-СР . . . . . . . . . 346
Расчет защищенности и предельной протяженности регенерационной
секции ВОСП-СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
Расчет дисперсии регенерационной секции . . . . . . . . . . . . . . . 350
Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
Стр.367