Проектирование оптических цифровых телекоммуникационных систем

 

КАФЕДРА СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ И 

КВАНТОВОЙ РАДИОТЕХНИКИ (СВЧиКР) 

 

 

А.П. Коханенко,  С.Н. Шарангович  

 

 

П
ПРРО
ОЕЕККТТИ
ИРРО
ОВВААН
НИ
ИЕЕ  О
ОП
ПТТИ
ИЧЧЕЕССККИ
ИХХ  Ц
ЦИ
ИФ
ФРРО
ОВВЫ
ЫХХ  

ТТЕЕЛЛЕЕККО
ОМ
ММ
МУУН
НИ
ИККААЦ
ЦИ
ИО
ОН
НН
НЫ
ЫХХ  ССИ
ИССТТЕЕМ
М  

 

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию   

 

 

 

2012 

Министерство образования и науки Российской федерации  
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное 
 учреждение высшего профессионального образования 
 
ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ 
 УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
 
Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой  радиотехники 
 

 

 

А.П. Коханенко, С.Н. Шарангович  

 

П
ПРРО
ОЕЕККТТИ
ИРРО
ОВВААН
НИ
ИЕЕ  О
ОП
ПТТИ
ИЧЧЕЕССККИ
ИХХ  Ц
ЦИ
ИФ
ФРРО
ОВВЫ
ЫХХ  

ТТЕЕЛЛЕЕККО
ОМ
ММ
МУУН
НИ
ИККААЦ
ЦИ
ИО
ОН
НН
НЫ
ЫХХ  ССИ
ИССТТЕЕМ
М  

 

 

 

Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию   

 по дисциплине «Оптические цифровые телекоммуникационные системы» для 

студентов специальности 210401 – Физика и техника оптической связи  

 

                                                                                      

 

 

 

 

Томск 2012 

Рекомендовано к изданию кафедрой СВЧиКР Томского государственного 
университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) 
 
 
 
УДК 537.8(075.8) + 621.371(075.8) 
 
 
 
Рецензент 
 
Шандаров В.М. ,  д-р физ.-мат. наук, проф. каф. СВЧиКР ТУСУРа 
 
 
 
 
Проектирование оптических цифровых телекоммуникационных систем: 
учебно-методическое пособие по курсовому   проектированию// Коханенко А.П., 
Шарангович С.Н. / Под ред. С.Н. Шаранговича – Томск: Изд-во Том. гос. ун-та 
систем управления и радиоэлектроники, 2012. -120 с. 
 
 
В учебно-методическом пособии приведены основные теоретические 
материалы по проектированию цифровых волоконно-оптических систем 
передачи. Рассмотрены  общие принципы построения и выбора компонент 
многоволновых оптических сетей связи, дан расчет длин регенерационных и 
усилительных 
участков, 
показателей 
надежности, 
рассмотрены 
схемы 
организации связи, вопросы тестирования компонентов  и оценки  их 
характеристик,  вопросы экологии, безопасности и технико-экономическое 
обоснование 
проектируемой 
ВОСП. 
 
Представлены 
 
методические 
рекомендации и примеры решения рассмотренных вопросов.    
Учебно-методическое пособие  предназначено для выполнения курсового 
проекта по дисциплине «Оптические цифровые телекоммуникационные 
системы» для студентов всех форм обучения по  специальности   210401 
«Физика 
и 
техника 
оптической 
связи» 
направления 
подготовки  
«Телекоммуникации», а также может быть полезным при дипломном 
проектировании.  
 
 
 
 
 
 
                                                         © Коханенко А.П., Шарангович С.Н., 2012
 
 
 
 
                   © Томский гос. ун-т систем управления 
                                                              и радиоэлектроники, 2012. 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение…………………………………………………………………….
6 

1 Общие принципы построения современных оптических сетей 
связи……………………………………………………………………… 
 
7 
2 Оптические компоненты современных оптических сетей связи …
12 
   2.1 Требование к компонентам оптических систем ………………………………… 
12 

   2.2 Мультиплексоры и демультиплексоры…………………………………………... 
13 

   2.3 Оптические мультиплексоры ввода/вывода каналов……………………………. 
16 

   2.4 Оптические усилители…………………………………………………………….. 
17 

   2.5 Передатчики……………………………………………………………………….. 
26 

   2.6 Фотоприемники……………………………………………………………………. 
28 

   2.7 Оптическое волокно……………………………………………………………….. 
29 

3 Расчет длины регенерационного и усилительных участков………. 
31 

   3.1 Определение необходимого качества передачи системы связи……………….. 
31 

   3.2 Определение максимальной длины усилительного участка……………………. 
33 

   3.3 Определение максимальной длины регенерационного участка……………….. 
36 

4 Схема организации связи…………………………………………....... 
40 

   4.1 Выбор и описание вариантов проектирования участков транспортной сети… 
40 

   4.2 Построение ВОЛС ……………………..………………………………………… 
44 

      4.2.1 Проектирование прямого направления ВОЛС………………………………. 
44 

      4.2.2 Проектирование обратного направления ВОЛС ………………………........ 
53 

   4.3. Определение помехохащищеннсти участка транспортной   сети …………...... 
61 

5 Расчёт показателей надёжности…………………………………………….. 
62 

   5.1 Общие положения…………………………………………………………………. 
62 

   5.2 Основные показатели надежности………………………………………………... 
64 

   5.3 Требования к показателям надежности ВОЛС………………………………….. 
66 

   5.4 Оценка надежности участка первичной магистральной сети………………...… 
68 

      5.4.1 Оценка надёжности работы линейно-кабельных сооружений……………… 
68 

      5.4.2 Оценка надёжности работы аппаратуры……………………………………... 
69 

      5.4.3 Оценка работы надёжности участка сети с учётом линейных сооружений 

              и аппаратуры………………………………………………………………….…  

 

72 

6 Тестирование компонентов и оценка характеристик………………
73 

   6.1 Общие положения………………………………………………………………….. 
73 

   6.2 Оптические источники для тестирования………………………………………. 
75 

6.3 Приемники для тестирования…………………………………………………….. 
76 

      6.3.1  Измерители мощности излучения…………………………………………... 
77 

      6.3.2  Анализаторы оптического спектра………………………………………….. 
77 

      6.3.3 Измерители длины волны…………………………………………………….. 
79 

   6.4 Типовые конфигурации тестирования компонентов……………………………. 
80 

      6.4.1 Тестирование мультиплексоров и демультиплексоров……………………... 
81 

      6.4.2 Тестирование оптических источников………………………………………. 
84 

      6.4.3 Тестирование оптических приемников………………………………………. 
85 

7 Техническое описание используемой аппаратуры и оптических 

кабелей………………………………………………………………………. 

 

86 

   7.1 Система волнового мультиплексирования Lambda Driver 1600……………….. 
86 

   7.2 Терминальный мультиплексор SDH компании «Lucent Technologies» ……….. 
90 

   7.3 Оптический усилитель на волокне, легированном эрбием …………………..… 
91 

   7.4 Одномодовый оптический кабель компании «Москабель-Фуджикура»…….... 
93 

   7.5 Волокно для компенсации дисперсии компании «Москабель-Фуджикура»…… 
94 

8 Разработка вопросов по экологии и безопасности 

жизнедеятельности при работе в ЛАЦ………………………………………. 

 

94 

   8.1 Техника безопасности при наладке и монтаже оборудования………………….. 
94 

   8.2 Роль освещения в создании здоровых условий труда…………………………... 
97 

   8.3 Виды и системы освещения……………………………………………………… 
98 

   8.4 Расчет освещенности ЛАЦ……………………………………………………….. 
100 

9 Технико - экономическое обоснование проекта……………………
105 

   9.1 Расчёт капитальных затрат на создание участка  транспортной сети с 

        использованием аппаратуры WDM…………………………………………....… 

 

105 

   9.2 Расчет эксплуатационных расходов…………………………………………….. 
109 

   9.3 Расчёт годового экономического эффекта……………………………………... 
114 

Список литературы………………………………………………………. 
116 

Список основных сокращений и обозначений……………………….. 
117 

Приложение  Техническое задание на курсовое проектирование  
118 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Оптические цифровые телекоммуникационные системы» 

изучается студентами специальности 210401 «Физика и техника оптической 

связи» направления подготовки «Телекоммуникации» в 7,8,9 семестрах и 

относится к блоку специальных дисциплин. В рамках лекционного курса 

осваивается 
теоретический 
материал 
по 
учебной 
литературе 
[1-5], 

приобретаются навыки практических расчетов, проходится лабораторный 

практикум  и выполняется курсовой проект.  

Данное 
учебно-методическое 
пособие 
является 
частью 
учебно
методического комплекса и предназначено для подготовки и проведения 

занятий по курсовому проектированию. В пособии содержится необходимый 

теоретический материал,  методические рекомендации и примеры выполнения 

курсового  проекта.  

Пособие состоит из девяти разделов Первый и второй разделы посвящены 

описанию общих принципов построения и компонентам оптических цифровые 

телекоммуникационные системы (ОЦТС). Во втором разделе рассматриваются  

регенерационные и усилительные участки ОЦТС. В четвертом обосновывается 

выбор схемы организации связи.  В пятом и шестом разделах приведены оценки 

надежности и и рассмотрено тестирование компонент. В седьмом, восьмом и 

девятом разделах приведены описание используемой в ОЦТС аппаратуры, 

рассмотрены 
вопросы 
экологии 
и 
БЖД, 
дано 
технико-экономическое 

обоснование проектируемой ОЦТС.   

Список литературы  включает источники [1-7], рекомендуемые  для 

самостоятельного и более углубленного  изучения вопросов, выносимых на 

практические занятия, а также  нормативные документы [8-15].  

При подготовке пособия использовались учебно-методические материалы 

по проектированию волоконно-оптических систем передачи со спектральным 

разделением, предоставленные доцентом каф. МЭС МТУСИ Шарафутдиновым 

Р.М..   

 

. 1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ 

ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ  

В настоящее время волоконно-оптические коммуникации используются в 

сетях практически всех масштабов: корпоративные сети, сети доступа, 

городские, 
региональные 
сети, 
междугородние 
линии 
связи, 

трансконтинентальные линии связи. И чем больше протяженность, и чем выше 

скорость передачи, тем более заметны преимущества технологии ВОЛС по 

сравнению с другими. Рост скорости передачи в протяженных линиях связи 

показывает, что нет ни какой альтернативы волокну. Мы наблюдаем 

соревнование одной 
волоконно-оптической 
технологии 
с 
новой 
более 

совершенной 
волоконно-оптической 
технологией. 
При 
строительстве 

протяженных ВОЛС волокно осталось один на один с самим собой.  

Применение эрбиевых усилителей открыло новую эру ВОЛС. Стала 

возможной безрегенерационная передача на расстояния до 1000 км и более [7]. 

В настоящее время можно утверждать, что решения на основе EDFA проверены 

практикой, надежны, сравнительно недороги, достаточно эффективны и не 

имеют лучших альтернатив при строительстве протяженных ВОЛС с 

расстоянием между усилителями 60 - 120 км. 

Системы с многомодовыми волокнами MMF долгое время составляли 

основу протяженных ВОЛС - градиентное многомодовое волокно (волокно 

G.651), светодиоды на основе арсенида галлия излучающие на длине волны 850 

нм. Поскольку потери в волокне на этой длине волны были более чем 

существенны (3 дБ/км), такие линии связи строились с большим числом близко 

расположенных друг к другу регенераторов. Эти оптические магистрали были 

наземными, а для межконтинентальной связи все еще использовались 

подводные коаксиальные кабели. 

С появлением одномодового волокна (которое сегодня называется 

стандартное одномодовое волокно, SSF или волокно G.652) становится ясно, что 

значительно перспективней вести передачу на длине волны 1300 нм - меньше 

потери и дисперсия. Использование одномодового волокна позволяет передавать 

оптические сигналы с большей скоростью и на большие расстояния. Сначала 

сложно было реализовать на практике преимущество нового типа волокна. Но 

улучшение технологий сварки одномодового волокна, серийное производство 

лазеров на длине волны 1300 нм и развитие технологии производства 

одномодового 
волокна 
способствовали 
быстрому 
устареванию 
систем 

протяженных магистралей на основе многомодового волокна. 

 
Рисунок 1.1 - Обобщенная схема оптической системы передач. 
 

Минимальные значение потерь в стандартном одномодовом волокне 0,2
0,25 дБ/км достигается на длине волны, близкой к 1550 нм. Минимальная 

хроматическая дисперсия, в окрестности нуля, достигается на длине волны 1310 

нм. Чтобы обеспечить высокую скорость передачи на большие расстояния, 

необходимо свести к минимуму потери и дисперсию, причем на одной и той же 

длине волны. Прямолинейным ответом было создание волокна со смещенной 

дисперсией (DSF, волокно G.653). Это волокно, имеющее нулевую дисперсию в 

окрестности длины волны 1550 нм, обещало быть очень привлекательным для 

одноканальной передачи. Однако две появившиеся впоследствии технологии - 

DWDM и EDFA – показали несостоятельность волокна DSF. Четырехволновое 

смешение, эффект выражающийся в появлении дополнительных паразитных 

сигналов на частотах, являющихся комбинацией рабочих частот, которые также 

усиливаются, проходя через каскады усилителей EDFA. Этот эффект становится 

заметным при многоволновой передаче. 

В технологии WDM нет многих ограничений и технологических 

трудностей, свойственных TDM. Для повышения пропускной способности, 

вместо увеличения скорости передачи в едином составном канале, как это 

реализовано в технологии TDM, в технологии WDM увеличивают число каналов 

(длин волн), применяемых в системах передачи (рисунок 1.1). Рост пропускной 

способности при использовании технологии WDM осуществляется без 

дорогостоящей замены оптического кабеля.    

Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не только 

оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, то есть реализовать 

концепцию «виртуального волокна». По одному волокну на разных длинах волн 

можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное 

телевидение, телефонию, трафик Интернет, “видео по требованию” и т.д. Как 

следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для 

резерва. 

Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную 

прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем 

стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, 

волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное 

оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного 

использования, необходимо иметь возможность в течение долгого времени 

увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых 

услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет именно 

такую возможность. 

Технология WDM пока применяется в основном на линиях связи большой 

протяженности, где требуется большая полоса пропускания. Сети городского и 

регионального масштаба и системы кабельного телевидения потенциально 

также являются широким рынком для технологии WDM. Необходимость 

эффективно использовать проложенный кабель привела к значительному 

увеличению числа каналов, передаваемых по одному волокну, и уменьшению 

расстояния между ними.  

Теоретически возможна передача в любом диапазоне длин волн, однако 

практические ограничения оставляют для использования в системах WDM узкий 

диапазон в окрестности длины волны 1550 нм. Но даже этот диапазон 

предоставляет огромные возможности для передачи данных. Многочисленные 

преимущества систем DWDM отражаются на их цене. Во-первых, становятся 

исключительно 
важными 
многие 
свойства 
оптических 
компонентов 
и 

характеристики оптического кабеля. Во-вторых, требования к архитектуре сети 

и выбору компонентов систем WDM являются более жесткими, чем, например, 

для систем TDM уровня STM-16. 

Совместное применение технологий TDM и WDM позволяет значительно 

расширить спектр предоставляемых услуг, оставляя практически без изменений 

большую часть имеющегося оборудования. 

Главным отличием систем WDM от систем TDM является то, что в 

системе WDM передача ведется на нескольких длинах волн. Система WDM в 

общем случае состоит из одного или нескольких лазерных передатчиков, 

мультиплексора, одного или нескольких усилителей EDFA, мультиплексоров 

ввода/вывода, 
оптического 
волокна 
(кабеля), 
демультиплексора 
и 

соответствующего числа фотоприемников, а также электронного оборудования, 

которое обрабатывает передаваемые данные в соответствии с используемыми 

протоколами связи, и системы сетевого управления [7]. 

Для того, чтобы компоненты систем WDM были взаимозаменяемы и 

могли взаимодействовать между собой, в системах WDM необходимо 

использовать стандартный набор частот генерации лазеров. Всеми вопросами, 

связанными со стандартизацией систем WDM занимается международный орган 

стандартизации  -сектор стандартизации телекоммуникаций Международного 

союза электросвязи   ITU-T (International Telecommunications Union, ITU) в 

рамках исследовательской группы SG15 по транспортным сетям, системам и 

оборудованию (Study Group 15 on Transport Networks, Systems and Equipment). 

Спецификации ITU-T G.692 по оптическим интерфейсам для многоканальных 

систем с оптическими усилителями определяет стандартный набор частот – 

частотный план систем WDM. 

В зависимости от используемого канального плана в системах волнового 

уплотнения принято выделять три типа мультиплексоров: 

- WDM –мультиплексирование с разделением по длине волны; 

- DWDM - плотное мультиплексирование с разделением по длине волны; 

- HDWDM - высокоплотное мультиплексирование с разделением по длине 

волны. 

Для каждого типа мультиплексоров характерными особенностями 

являются: 

- системы WDM – системы с шагом (разносом) каналов по частоте ≥ 200 

ГГц, позволяющие мультиплексирование не более 16 каналов; 

- системы DWDM – системы с шагом (разносом) каналов по частоте 

равным 100 ГГц, позволяющие мультиплексирование не более 64 каналов; 

- системы НDWDM – системы с шагом (разносом) каналов по частоте ≤50 

ГГц, позволяющие мультиплексирование  более 64 каналов. 

Появление технологии современных технологий (WDM), как и любой 

новой технологии, одновременно со значительными преимуществами принесло 

и новые проблемы. Основной проблемой для операторов современных систем 

WDM является их надежная и стабильная работа. Очень важным становится 

контроль качества оптических характеристик и поведения системы, начиная от 

производства компонентов и завершая этапом системной интеграции. Такой 

контроль гарантирует ввод современной системы оптической связи в 

эксплуатацию с расчетными параметрами и длительную и устойчивую ее 

работу. 

Несмотря на все сложности встречающиеся на пути проектирования и 

построения 
современных 
систем 
связи 
(например, 
систем 
волнового 

уплотнения), применение этих систем экономически оправдано, и по мнению 

многих специалистов именно по этому направлению будет продолжаться 

увеличение пропускной способности сетей связи.   

 

2 ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ СОВРЕМЕННЫХ 

ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ СВЯЗИ  

2.1 Требование к компонентам оптических систем 

Основное требование к компонентам современных оптических сетей связи 

состоит в том, что они должны одинаково обрабатывать все каналы на всем 

протяжении оптического пути линии связи. Для этого требуется тщательный 

выбор 
оптических 
передатчиков, 
мультиплексоров, 
демультиплексоров, 

усилителей и волокна. Все оптические характеристики пассивных и активных 

компонентов сети – вносимые потери, потери на отражение, дисперсия, 

поляризационные эффекты и т.д. должны измеряться как функция длины волны 

во всем диапазоне длин волн, используемом для передачи в системе связи. В 

системах WDM часто используют значительно более сложные устройства, чем в 

системах с одной рабочей длиной волны, и проводить тестирование 

характеристик таких устройств намного сложнее. В мультиплексорах, 

демультиплексорах, узкополосных фильтрах систем DWDM используются 

тонко-пленочные фильтры, сварные биконические разветвители BFT (Fused 

Biconic Ta-pered Coupler), решетки на основе массива волноводов AWG (Array 

Waveguide Grating), волоконные брэгговские и обычные дифракционные 

решетки [7]. Необходимо исследовать влияние активных компонентов (в 

особенности, оптических усилителей) и взаимной интерференции каналов на 

целостность 
передаваемых 
сигналов 
для 
минимизации 
потенциальной 

возможности их неблагоприятного воздействия. 

Несмотря на то, что все материалы и компоненты при производстве 

тестируются 
на 
соответствие 
стандартам, 
возможно 
ухудшение 
их 

характеристик при непосредственной установке в полевых условиях. При 

объединении отдельных компонентов в единую систему, небольшие различия их 

характеристик могут накапливаться и непредсказуемым образом влиять на 

параметры сети в целом. Для обеспечения гарантированной надежности сети, 

необходимо выполнять тестирование не только каждого компонента в 

отдельности, но и всей системы в целом. Тестирование компонентов может