ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОСП НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОРГАНИЗУЕМЫХ ТРАКТОВ
Nbsp;
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего образования
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I »
Кафедра «Электрическая связь»
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
Методические указания
К лабораторным работам по дисциплинам
«Многоканальная связь на железнодорожном транспорте»
Санкт-Петербург
Г
Цель работы:
- изучить краткие сведения из теории [1,2,3];
- выполнить измерения параметров сигналов в основных точках схемы волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с использованием программного обеспечения «OptiPerformer »;
- произвести анализ влияния изменения различных параметров системы передачи на качественные показатели организуемых трактов передачи;
- сформулировать выводы по работе.
Выполнению работы должно предшествовать изучение материалов по теме работы учебников [1,2,3], а также учебно-методического пособия по выполнению лабораторных работ [4].
Содержание работы:
1. Изучить сведения из теории [1,2,3].
2. Ознакомиться с назначением элементов лабораторной установки.
3. Изучить структурную схему ВОСП, смоделированную на лабораторной установке.
|
|
|
4. Ознакомиться с измерительными приборами лабораторной установки.
5. Выполнить измерения параметров сигналов в заданных точках ВОСП и показатели, характеризующих качество связи (Q – фактор и коэффициент ошибок по битам BER) при различных значениях:
- скорости передачи сигналов,
- мощности сигнала источника излучения,
- длины волоконно-оптической линии связи,
- «эквивалентной длины волокна» компенсатора дисперсии,
- типа кода линейного сигнала.
6. Произвести анализ влияния изменения указанных в п.5 факторов на параметры сигналов в заданных точках ВОСП и показатели, характеризующие качество связи.
7. Составить отчет по работе.
1 СВЕДЕНИЯ О ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКЕ
В лабораторной установке реализованы работы, представляющие собой имитационные модели ВОСП c различными видами модуляции
[ 4 ]. В процессе выполнения работы можно изменять: параметры передаваемого сигнала, линейного волоконно-оптического тракта, источника и приемника оптических сигналов, а также виды модуляции и типы кодов линейного сигнала. Контроль оптических и электрических сигналов в различных точках ВОСП выполняется с помощью виртуальных приборов, реализованных программным способом: измерителя оптической мощности, анализатора спектра оптического сигнала, осциллографа (визуализатора сигнала во временной области). В установке имеется анализатор ошибок (BER-анализатор) с возможностью наблюдения «глаз-диаграммы». Лабораторные работы разработаны в СПбГУТ с помощью лицензионного программного обеспечения OptiSystem компании OptiWave и функционируют в общедоступной среде OptiPerformer [ 4 ] .
|
|
|
2 УПРОЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВОСП С БИНАРНОЙ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1 Общие сведения
ВОСП с бинарной амплитудной модуляцией (АМ) оптического излучения широко используются, благодаря ее простоте и низкой стоимости реализации.
Бинарный формат указывает, что сигнал имеет два информационных значения мощности, соответствующих логической «1» (включенному состоянию передатчика) и логическому «0» (выключенному состоянию передатчика). Амплитудная модуляция в современной технической литературе обозначается также аббревиатурой ASK (Amplitude Shift Keying). ВОСП с АМ используют внутреннюю модуляцию источника излучения изменением тока накачки со скоростями до 2,5 Гбит/с и внешнюю модуляцию с помощью модуляторов со скоростями до 10 Гбит/с.
|
|
|
При бинарной АМ возможно использование двух основных типов кодирования: «без возврата к нулю» (NRZ) и с «возвратом к нулю» (RZ). В первом случае при коде NRZ импульс занимает весь тактовый интервал, а при RZ - только его часть. В обозначение модуляции часто включают отношение длительности импульса в % к длине тактового интервала, например, RZ-33, RZ-50 или RZ-66.
2.2 Упрощенная структурная схема ВОСП с бинарной амплитудной модуляцией
Схема одноканальной ВОСП, с бинарной амплитудной модуляцией представлена на рис. 1. Она состоит из передатчика, линейного тракта, приемника и измерительных средств. При описании схемы будут приводиться также обозначения, указанные на схеме в открывшемся окне программы.
Передатчик включает:
– формирователь модулирующего электрического сигнала – генератор ПСП (Pseudo Random Pulse Generator) с формирователем кода NRZ или RZ,
– внешний амплитудный модулятор AM (Amplitude Modulator),
– одномодовый лазерный диод ЛД непрерывного излучения (CW Laser).
Линейный тракт составляют основное стандартное оптическое волокно (SMF-28) и компенсирующее дисперсию оптическое волокно (DCF).
Приемник ASK (Optical Receiver) (рис. 2) состоит из PIN-фотодиода, усилителя фототока, фильтра нижних частот (ФНЧ) (Low Pass Filter) и 3R-регенератора (3R-regenerator), восстанавливающего амплитуду, длительность и фазу сигнала. В схемах вместо PIN-фотодиода может использоваться также лавинный фотодиод.
|
|
|
Рис.1 Схема ВОСП с амплитудной модуляцией.
Рис. 2 Схема приемника ASK
Все моделируемые ВОСП используют в качестве излучателя лазерный диод (ЛД) с длиной волны λ=1550 нм и шириной спектра излучения Δν = 10 МГц. Коэффициенты затухания основного и компенсирующего волокон (α0 и αс) принимаются равными 0,2 и 0,3 дБ/км. Коэффициенты хроматической дисперсии (ХД) равны для основного и компенсирующего волокон соответственно τ0=16 пс/(км·нм) и τс = –160 пс/(км·нм).
Верхняя частота ФНЧ в приемнике, выраженная в Гц, численно равна удвоенной битовой скорости, которая может быть установлена равной B = 2,5 Гбит/с или 10 Гбит/с.
Исследование параметров схемы выполняются при изменении: уровня мощности источника излучения (Power), длины (Length) основного оптического волокна (ОВ) и «эквивалентной длины» ОВ для компенсации дисперсии (DCF) (LengthDCF). Значения указанных величин могут задаваться в виде исходных данных или рассчитываться предварительно по приведенной ниже методике.
2.3 Имитационная модель ВОСП
Для выполнения лабораторной работы, необходимо запустить программу OptiPerformer с рабочего стола ноутбука или открыть папку «Виртуальные лабораторные работы». Затем открыть папки «Лабораторные работы. Форматы модуляции», «Программы», «Лаб1» и выбрать вначале файл ASK 2.5G с расширением *.osp. Он позволяет моделировать работу ВОСП со скоростью передачи 2,5 Гбит/с. Это даст возможность выполнить исследование параметров сигналов системы передачи с бинарной АМ при скорости 2,5 Гбит/c.
В открывшемся основном окне программы (Рис.3) отображаются две независимые схемы ВОСП, дающие возможность исследовать одновременно форматы модуляции ASK при использовании кода без возвращения к нулю (NRZ) и с возвращением к нулю (RZ).
Рис.3
В правом нижнем углу окна расположена панель управления c изменяемыми параметрами. Внешний вид панели приведен на рис.4. Все устанавливаемые параметры применяются одновременно к двум схемам с разными форматами кодирования NRZ и RZ .
В процессе выполнения работы необходимо задавать: уровень мощности источника излучения (Power), длину (Length) основного оптического волокна (ОВ) и «эквивалентную длину» ОВ для компенсации дисперсии (DCF) (LengthDCF). Значения указанных величин могут задаваться в виде исходных данных. Величина (LengthDCF) может рассчитываться предварительно по приведенной ниже методике. В качестве примера на рис.4 изображена панель с установленными значениями параметров.
Рис.4
Используя указанные значения коэффициентов дисперсии основного и компенсирующего ОВ, необходимо вычислить значения длины компенсирующего волокна DCF, обеспечивающего полную компенсацию хроматической дисперсии (ХД), для соответствующих заданному варианту длин основного ОВ (SMF-28).
Для этого может быть применено выражение, определяющее расширение оптического импульса за счет ХД в основном ОВ длиной L0 и компенсирующем ОВ длиной Lс:
, (1)
где Δλ - ширина спектра источника, нм, τ0 и τс – коэффициенты хроматической дисперсии основного и компенсирующего ОВ, пс/(нм·км).
Длина компенсирующего ОВ Lc0, обеспечивающего полную компенсацию хроматической дисперсии, может быть определена с помощью выражения:
, (2)
Используя значения коэффициентов затухания основного и компенсирующего ОВ, необходимо вычислить суммарное затухание в линейном тракте a (дБ) для длин ОВ, соответствующих выбранному варианту. Зная значения затухания в основном a0 и компенсирующем волокне aс, расчет выполняется с помощью выражения:
. (3)
После того, как все исходные параметры установлены в соответствии с заданием, необходимо запустить процесс измерения, нажав в левой нижней части рабочего окна кнопку
Проводить измерения можно только после окончания расчета и появления надписи «Calculation finished». Измерения выполняются с помощью приборов, входящих в схему исследования. Для получения результатов измерения необходимо навести указатель (стрелку) на изображение соответствующего измерительного прибора в интересующей точке схемы и нажать левую кнопку мыши два раза. После этого откроются его дисплей и панель управления.
2.4 Виртуальные приборы, используемые для измерения параметров ВОСП
В лабораторной работе для измерения параметров ВОСП используются указанные ниже виртуальные приборы. Для получения результата необходимо навести курсор на изображение соответствующего прибора и дважды нажать левую кнопку мыши. После этого откроются дисплей и панель прибора.
1. Оптический измеритель мощности (Optical Power Meter, OPM), который позволяет получать значения средней мощности в Вт и уровня средней мощности в дБм. На схеме лабораторной установки он выглядит следующим образом:
2. Оптический анализатор спектра (Optical Spectrum Analyzer, OSA), который дает возможность получать и настраивать изображение спектра поступающего на вход оптического излучения (спектрограммы).
3. Анализатор ошибок (BER Analyzer), который используется для определения показателя качества связи и параметров принятого сигнала. Анализатор позволяет наблюдать «глаз-диаграмму», определять показатель качества связи (Q - factor) и коэффициент ошибок по битам (Min BER).
4. Осциллограф (Oscilloscope Visualizer) позволяет наблюдать зависимость оптической мощности сигнала во времени. Существует возможность наблюдать сигнал с шумом, а также отдельно сигнал и шум, пользуясь меню слева от экрана осциллографа.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОСП НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОРГАНИЗУЕМЫХ ТРАКТОВ
Исследования выполняются в следующей последовательности.
1. Выбрать схему ВОСП, реализующую скорость передачи 2,5Гбит/с и вид линейного кода NRZ.
2. Ввести исходные данные, в соответствии с вариантом:
– значение длины основного ОВ L0 (Length): 40 км, 80 км или другое, заданное преподавателем;
– значение длины компенсирующего ОВ Lс0 (LengthDCF) вначале равное 0, а затем - рассчитанное предварительно;
– значение уровня мощности источника p0 (Power): 5 dBm, 10 dBm, 15 dBm, 20 dBm.
Введенные параметры будут применены к обеим схемам с линейными кодами NRZ и RZ.
3. Произвести запуск процесса измерения, нажав кнопку,
и дождаться сообщения «Calculation finished».
4. Убедится, что качество связи по показаниям прибора «BER Analuzer» в пределах нормы, т.е. величина Q - factor больше 7. Если условие не выполняется, проверить правильность исходных данных и повторно запустить программу.
5. Подключить оптический измеритель мощности (Optical Power Meter) на выход оптического лазера.
Измерить уровень средней мощности. При этом следует учитывать, что верхняя строка на панели отображает среднюю мощность в Вт. Нижняя строка отображает уровень средней мощности в дБм. Поле «Signal Index» и «Total Power» не используются.
Занести результат измерения в таблицу 1.
6. Подключить оптический анализатор спектра Optical Spectrum Analyzer на выход оптического лазера.
На полученном изображении спектрограммы на экране анализатора по оси X откладывается либо длина волны λ (нм), либо частота ν (Гц). По оси Y откладывается либо уровень мощности p (дБм), либо мощность P (Вт).
| Скорость передачи, Гбит/с | Длина основного ОВ, км | Длина компенс. ОВ, км | Уровень входной мощности, дБм | Код | Источник излучения | После АМ | После лин. тракта | BER анализатор | ||||
| Ур. макс. мощности, дБм | Ширина спектра, ГГц | Ур. макс. мощности, дБм | Ширина спектра, ГГц | Ур. макс. мощности, дБм | Ширина спектра, ГГц | Макс. Q-фактор | Мин. BER | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 2.5 | 80 | 0 | 10 | NRZ |
|
| ||||||
| 2.5 | 80 | 0 | 10 | RZ | ||||||||
| 2.5 | 80 | 0 | 20 | NRZ | ||||||||
| 2.5 | 80 | 0 | 20 | RZ | ||||||||
| 2.5 | 80 | 8 | 10 | NRZ |
|
| ||||||
| 2.5 | 80 | 8 | 10 | RZ | ||||||||
| 2.5 | 80 | 8 | 20 | NRZ | ||||||||
| 2.5 | 80 | 8 | 20 | RZ | ||||||||
Таблица 1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
| 10 | 80 | 0 | 10 | NRZ |
|
| ||||||
| 10 | 80 | 0 | 10 | RZ | ||||||||
| 10 | 80 | 0 | 20 | NRZ | ||||||||
| 10 | 80 | 0 | 20 | RZ | ||||||||
| 10 | 80 | 8 | 10 | NRZ | ||||||||
| 10 | 80 | 8 | 10 | RZ | ||||||||
| 10 | 80 | 8 | 20 | NRZ | ||||||||
| 10 | 80 | 8 | 20 | RZ |
Продолжение таблицы 1
Переключение единиц измерения производится на передней панели анализатора OSA с помощью выпадающих меню «Wavelength Units» и «Amplitude Units». Измерения выполняются в соответствии с приведенным ниже алгоритмом.
6.1 Перевести прибор в режим измерения частоты. Для этого переключить отображение единиц измерения в окне выпадающего меню «Wavelength Units» на «Hz».
6.2 Выбрать режим «Resolution Bandwidht», установив вначале нажатием левой кнопки мыши в окне знак « √». Затем задать разрешающую способность анализатора OSA в окне «Res», равную Δλ=0.01 нм.
6.3 Определить ширину спектра сигнала. Для этого необходимо:
- определить максимальное значение амплитуды сигнала, «кликнув» правой кнопкой мыши и, выбрав инструмент «Zoom», выделить вершину амплитуды.
Для возврата к начальному масштабу изображения сигнала, надо нажать клавишу «AutoSet».
6.4 Измерить ширину спектра излучения на уровне
– 20 дБ относительно максимального уровня. Для этого:
- «кликнуть» правой кнопкой мыши и, выбрав инструмент «Zoom», приблизить изображение спектра на уровне на 20 дБ меньше того максимального значения, которое определено в предыдущем пункте. Необходимо учитывать, что от масштаба полученного изображения зависит точность результатов измерения;
- «кликнуть» правой кнопкой мыши и, выбрав инструмент «Marker», поставить знак «+» на пересечении спектрограммы и линии выбранного уровня. После нажатия левой кнопки мыши появится точка «А». Для получения ее координат необходимо навести на нее курсор и дважды нажать левую кнопку мыши. Аналогично определяются координаты точки «В». Следует помнить, что от точности установки точек на спектрограмме зависит точность результатов измерения.
Ширина спектра отображается в окне «Info -Window». Записать полученное значение «А-В» в таблицу 1.
Для удаления маркера, необходимо выбрать инструмент «Select», затем два раза «кликнуть» на точку и выбрать клавишу «Delete».
7. Провести измерения по пункту 5 и 6 для всех точек на схеме ВОСП, где включены приборы OSA. Занести в результаты в таблицу 1.
8. Измерить показатели, характеризующие качество связи: максимальное значение Q-фактора и минимальное значение коэффициента ошибок по битам BER. Для этого открыть прибор BER Analyzer поочередно в режимах «Q-factor» и «Min BER». В таблице «Analysis» его панели приводятся величины показателей:
- максимальное значение Q-фактора (Max. Q-factor),
- минимальное значение коэффициента ошибок (Min BER).
Занести полученные результаты в таблицу 1.
Значения Q-фактора при АМ и оптимальном пороге решения в регенераторе удобно определять по «глаз-диаграмме» из соотношения:
,
где I1 - среднее значение тока фотодиода (ФД) при приеме логической «1»; I0 - среднее значение тока фотодиода (ФД) при приеме логического «0»; σ0 и σ1 - среднеквадратичные значения (СКЗ) шумовых токов при приеме логических «1» и «0».
Чтобы качество связи было высоким, параметр Q-фактор должен превышать величину 7 (Q>7). Это будет, когда коэффициент ошибок по битам на одном регенерационном участке не будет превышать значения BER < (1х10 E – 12).
9. Выбрать в приборе BER Analyzer режим «Show Eye Diagram», позволяющий наблюдать «глаз-диаграмму». В режиме «Q-factor» на «глаз-диаграмму» накладывается зависимость Q – фактора в пределах нескольких периодов тактовой частоты.
В режимах «Min BER», «Threshold», «Height», «Decision Inst» на «глаз-диаграмму» накладываются соответственно зависимость коэффициента ошибок, оптимального порога принятия решения регенератора, высоты раскрыва «глаз-диаграммы» и сдвига момента стробирования относительно начала тактового интервала в пределах нескольких периодов тактовой частоты.
Проанализировать полученные результаты. Примеры реализации «глаз-диаграмм» для случаев соответственно Q <7 и Q >7 приведены ниже.
Q <7 Q >7
10. Записать результаты измерения:
- высоты раскрыва «глаз-диаграммы» (Eye Height),
- порога принятия решения регенератора (Threshold),
- сдвига момента стробирования относительно начала тактового
интервала (Decision Inst), которые приводятся в таблице «Analysis»
панели прибора BER Analyzer, в виде аналогичной таблицы. Проанализировать полученные результаты.
11. С помощью прибора Oscilloscope Visualizer зафиксировать осциллограммы сигналов в тракте передачи системы, а также в тракте приема до регенератора (с искажениями и помехами) и после регенератора. Сравнить и проанализировать полученные осциллограммы.
12. Выбрать схему ВОСП, реализующую скорость передачи 2,5Гбит/с и линейный код вида RZ. Повторить измерения параметров для второй схемы. Занести полученные результаты измерения в таблицу 1.
13. Открыть схему, моделирующую ВОСП со скоростью передачи 10Гбит/с. Повторить измерения для линейных кодов вида NRZ и RZ. Полученные результаты занести в таблицу 1.
Содержание отчета
1. Схема лабораторной установки с указанием назначения ее элементов.
2. Результаты выполнения работы.
3. Анализ полученных результатов измерения параметров сигналов в заданных точках ВОСП и выводы, в которых объяснить влияние на показатели, характеризующие качество связи (Q–фактор и коэффициент ошибок по битам BER):
- изменения скорости передачи сигналов;
- изменения длины оптической линии;
- «эквивалентной длины волокна» компенсатора дисперсии;
- изменения мощности оптического сигнала на выходе лазера;
- вида используемого линейного кода.
4. Анализ зависимостей высоты раскрыва «глаз-диаграммы»,
порога принятия решения регенератора, сдвига момента стробирования относительно начала тактового интервала при изменении:
- скорости передачи сигналов,
- длины волоконно-оптической линии связи,
- «эквивалентной длины волокна» компенсатора дисперсии,
- мощности сигнала источника излучения,
- вида кода линейного сигнала.
5. Анализ осциллограмм сигналов в тракте передачи ВОСП, а также в тракте ее приема до регенератора и после регенератора.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 588; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!