Расчет энергетических характеристик и характеристик качества передачи оптических сигналов в каналах ВОСП

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном 

транспорте»

Н.А. КАЗАНСКИЙ, Д.И. КАШИН, А.В. РЫБАЛКА

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ХАРАКТЕРИСТИК 

КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ ВОСП

Учебно-методическое пособие к

дипломному проектированию и курсовой работе

Москва – 2020

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» 

Кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном 

транспорте»

Н.А. КАЗАНСКИЙ, Д.И. КАШИН, А.В. РЫБАЛКА

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ХАРАКТЕРИСТИК 

КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ ВОСП

Учебно-методическое пособие

для студентов направления

«Системы обеспечения движения поездов» специализации 

«Телекоммуникационные системы и сети железнодорожного транспорта»

23.05.05 (специалитет)

Москва – 2020

УДК 681.7
К14

Казанский Н.А., Кашин Д.И., Рыбалка А.В. Расчет энергетических 

характеристик и характеристик качества передачи оптических сигналов в 

каналах 
ВОСП: 
Учебно-методическое 
пособие 
к 
дипломному 

проектированию и курсовой работе. - М.: РУТ (МИИТ), 2020.  – 24 с.

Учебно-методическое 
пособие
позволяет 
приобрести 
навыки 

определения основных параметров каналов цифровых систем передачи путем 

расчета и последующего анализа глаз-диаграммы цифровых сигналов на 

выходе линейного тракта волоконно-оптических систем передачи (ВОСП).

Рекомендовано для направления «Системы обеспечения движения 

поездов» 
специализации 
«Телекоммуникационные
системы 
и 
сети 

железнодорожного транспорта» 23.05.05 (специалитет).

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры «Электроэнергетика транспорта» РУТ 

(МИИТ) Дудин Б.А.

© РУТ (МИИТ), 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ЦЕЛЬ РАСЧЕТА...................................................................................................... 4 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ............................................................................. 5 

2. РАСЧЕТ ГЛАЗ-ДИАГРАММЫ ...................................................................... 7 

3. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ В ЦИФРОВОМ 

ТРАКТЕ ЦСП ........................................................................................................12 

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ГЛАЗ-ДИАГРАММЫ...................................................14 

5. ПРИМЕР РАСЧЁТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА...................................18 

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................23 

ЦЕЛЬ РАСЧЕТА

Приобретение навыков определения основных параметров каналов 

цифровых систем передачи путем расчета и последующего анализа глаз-

диаграммы цифровых сигналов на выходе линейного тракта волоконно-

оптических систем передачи (ВОСП). 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Глаз-диаграмма 
является 
одной 
из 
важнейших 
характеристик 

оптических передатчиков. На основе анализа глаз-диаграммы можно делать 

выводы о качестве передатчика, рассчитывать параметры оптической линии, 

прогнозировать стабильность и качество передачи данных. Глаз-диаграмма 

имеет большое значение при оценке качества оптических трансиверов, 

которые используются в телекоммуникационном оборудовании. Важность ее 

анализа растет со скоростью передачи данных.

Анализ глаз-диаграммы является удобным, наглядным и быстрым 

методом оценки качества передаваемого и принимаемого цифровых сигналов. 

Глаз-диаграмма формируется в результате многократного наложения битовых 

последовательностей 
с 
выхода 
генератора 
псевдослучайной 

последовательности (ПСП) и отображается на экране осциллографа в виде 

диаграммы распределения амплитуды сигнала по времени.

Рис. 1.1. Идеальная глаз-диаграмма

В идеальном случае цифровой сигнал состоит из импульсов 

прямоугольной формы (рис.1.1). Однако ввиду инерционности электронных 

компонентов, особенностей характеристик оптических приемников и 

передатчиков, характеристик оптического кабеля реальная диаграмма 

представляет собой последовательность импульсов с пологими фронтами 

(рис. 1.2).

Рис. 1.2. Реальная глаз-диаграмма

В противном случае, когда составляющая шума сравнима с уровнем 

полезного сигнала, глаз-диаграмма называется плохо раскрытой или 

недостаточно раскрытой (глаз прикрыт), (рис. 1.3).

Рис.1.3. Реальная глаз-диаграмма с малым раскрывом

Из-за этой формы импульсов глаз-диаграмма и получила свое название 

– она отдаленно напоминает по форме человеческий глаз. В случае, если 

амплитуда принимаемого сигнала значительно больше составляющей шума 

(рис.1.2) 
(т.е. 
приемник 
способен 
четко 
различать 
импульсы, 

соответствующие логическому «0» и логической «1»), глаз диаграмма 

называется раскрытой (глаз открыт).

2. РАСЧЕТ ГЛАЗ-ДИАГРАММЫ

Расчет производится для систем с волновым мультиплексированием

DWDM. Предварительно    вычисляется уровень мощности сигнала на выходе 

источника оптического излучения:

p0 = 10 lg (

P0

10−3) , дБм ,
(2.1)

где P0 – заданная мощность на выходе источника оптического излучения, Вт 

(Приложение 1). 

Расчёты 
производятся 
для 
элементарного 
кабельного 
участка. 

Элементарный кабельный участок (ЭКУ) – наибольшая длина секции ВОЛС, 

взятая из схемы проектирования сети связи. Уровень мощности оптического 

сигнала на выходе фотоприемника оптических систем передачи определяется 

суммарными потерями мощности сигналов в оптическом волокне (ОВ) на 

ЭКУ:

pL = p0 − AЭКУ − αISI, дБ,
(2.2)

где AЭКУ – суммарные потери мощности в ОВ на ЭКУ вычисляется по формуле 

(2.3);

aISI – потери мощности сигнала из-за шумов межсимвольной интерференции 

(ISI – Intersymbol Interference), определяется по формуле (2.5).

AЭКУ = αLЭКУ + αнNн + αрNр, дБ,
(2.3)

где α – коэффициент затухания ОВ на рабочей длине волны λ, дБ/км;

LЭКУ – протяженность ЭКУ, км;

ан –потери мощности в неразъемном соединении на заданной рабочей длине 

волны λ, принять aн = 0,1-0,4 дБ; 

ap – потери мощности в разъемных соединениях; предполагая использование 

оптических разъемов типа FC/PC, принять ap = 0,5 дБ;

Nр – количество разъемных соединений на ЭКУ, принять Nр = 4 (по 2 разъема 

на приеме/передаче – 1 на оптическом кроссе и 1 на приемопередающем 

модуле оптической системы передачи);

Nн – количество неразъемных соединений, определяется:

Nн =

LЭКУ
LСД − 1,
(2.4)

где LСД – строительная длина оптического кабеля, которая обычно составляет 

2-6 км.

aISI = 10 lg [

1

1−1,425 exp[−1,28(T0

TL)]] , дБ,
(2.5)

где Т0 – время нарастания фронта оптического импульса на входе источника 

оптического излучения от 10% до 90% его максимального значения, 

непосредственно связано со скоростью передачи оптического сигнала в линии:

T0 =

0,48

BL∙106 , с,
(2.6)

где BL – скорость передачи оптического сигнала в линии, Мбит/с.

В данной работе рассматривается применение блочного линейного кода 

оптического 
сигнала 
MBNВ, 
где 
М 
–
число 
символов 
кодовой 

последовательности, а N – число импульсов, необходимых для передачи:

BL =

N

M B, Мбит/с,
(2.7)

где B – скорость передачи цифрового потока. Для уровней синхронной 

цифровой иерархии (SDH) STM-4 (В = 622 Мбит/с), STM-16 (В = 2,5  Гбит/с), 

STM-64 (В = 10 Гбит/с), STM-256 (В = 40 Гбит/с)    можно условно принять 

10В11В.

Время 
нарастания 
фронта 
оптического 
импульса 
на 
выходе 

фотоприемника, вычисляется по формуле:

TL = √T0

2 + (

0,35

BWR∙106,)

2

+ σЭКУ

2
, с,
(2.8)

где BWR– полоса пропускания фотоприемника, МГц, выбирается из условия  

BWR ≥BL;

σЭКУ – среднеквадратическое значение дисперсии на ЭКУ:

σЭКУ = √Dch

2 + DPDM

2
 ∙ 10−12, пс,
(2.9)

где Dch и DPDM – значения хроматической и поляризационной модовых 

дисперсий на ЭКУ, соответственно, пс.

Значение 
хроматической 
дисперсии 
Dch
на 
ЭКУ 
заданной 

протяженности LЭКУ  определяется по следующей формуле:

Dch = DΔλLЭКУ, пс,
(2.10)

где Δλ – ширина спектра излучения источника, нм; выбирается согласно 

исходным данным (Приложение 1);

D – коэффициент хроматической дисперсии на заданной рабочей длине волны 

λ,

пc

нм км:

D =

S0
4 [λ −

λ04

λ3] ,

пc

нм км ,
(2.11)

где S0 – параметр наклона спектральной характеристики дисперсии ОВ в точке 

нулевой дисперсии, 

пc

нм2 км, выбирается согласно исходным данным

(Приложение 1);

λ0 – длина волны нулевой дисперсии, нм, выбирается согласно исходным 

данным (Приложение 1);

Значение ПМД (PMD) на ЭКУ заданной протяженности:

DPDM = PDM√LЭКУ, пс,
(2.12)

где PMD – параметр ПМД волокна, 

пc

√км, выбирается согласно исходным 

данным (Приложение 1);

Мощность оптического сигнала на входе фотоприемника:

PL = 100,1pL, мВт,
(2.13)

где  рL – уровень мощности оптического сигнала на выходе фотоприемника, 

определяется по формуле (2.2).

Для расчета помехозащищенности канала цифровой системы передачи 

необходимо также оценить мощность шума фотоприемника Pnoise. На практике 

фотоприемные устройства высокоскоростных ВОСП проектируются таким 

образом, чтобы логарифм отношения полосы пропускания электрического 

фильтра к полосе пропускания оптического фильтра составлял не менее 2 дБ. 

Согласно определению, уровень чувствительности фотоприемника pR –

это минимальное значение уровня мощности оптического излучения в точке 

нормирования оптического тракта на приеме, при котором обеспечивается 

требуемое качество передачи цифрового оптического сигнала. Максимальный 

уровень мощности шума фотоприемника pnoise вычисляется по следующей 

формуле:

pnoise = pR − 20 lg(Qном) − 2, дБ, (2.14)

где pR – заданная величина уровня чувствительно-сти фотоприемника, дБ,  

(Приложение 1);

Qном – номинальное значение Q-фактора, соответствующее нормированному

коэффициенту ошибок BERном.

Основным
показателем качества передачи является коэффициент 

ошибок BER. Работа цифровых систем передачи считается нормальной только 

в том случае, если BER не превышает определенное допустимое значение, 

соответствующее используемому сетевому стандарту.

Номинальные 
значения 
Q-фактора 
и 
соответствующие 
им 

нормированные коэффициенты ошибок BERном представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Числовые значения коэффициента битовых ошибок BER в зависимости 

от номинальных значений Q-фактора Qном.

BERном
10−9
10−10
10−11
10−12

Qном
5,99
6,63
6,71
7,04

Чувствительность фотоприемника и мощность шума рассчитываются по 

формулам:

PR = 100,1pR, мВт ,
(2.15) 

Pnoise = 100,1pnoise, мВт,
(2.16)

где pR – заданная величина уровня чувствительно-сти фотоприемника, дБ,

(Приложение 1);

pnoise – уровень шума оптического сигнала, дБ, вычисляется по формуле (2.14).