Качество линейного тракта ВОСП в большой степени определяет качество доставки информационных данных в сети связи. Для выполнения высоких требований по доставке информационных данных линейный тракт может быть резервирован полностью (режим 1 + 1 – один рабочий и один резервный) или частично (1 : n – один резервный на n рабочих (n = 1, 2,…14)). Рабочие и резервные тракты проектируются по заданным показателям качества, основным из которых является коэффициент ошибок передачи двоичного сигнала (сигнала с импульсно-кодовой модуляцией – ИКМ) на скорости 64 кбит/с на общей длине 27500 км (рисунок 8.15).
Рисунок 8.15. Нормирование коэффициента ошибок при международном соединении
На рисунке 8.15 обозначено: ОС – оконечная станция; МС – международная станция. Национальный участок при организации международного соединения в канале 64 кбит/с (основной цифровой канал – ОЦК) имеет допустимый коэффициент ошибок КОШ = 0,4 ´ 10 – 6. Коэффициент ошибок обозначается BER, Bit Error Rate и соответствует отношению:
Число неправильно принятых символов/Общее число символов, переданных в единицу времени
Интервалы времени измерения BER, рекомендованные МСЭ-Т для линейных трактов, приведены ниже:
КОШ ³ 10 – 3 для t = 10 мс;
КОШ = 10 – 4 для t = 100 мс;
КОШ = 10 –5 для t = 1 с;
КОШ = 10 – 6 для t = 10 с;
КОШ = 10 – 7 для t = 100 с;
КОШ = 10 – 8 для t = 1 000 с;
КОШ = 10 – 9 для t = 10 000 с;
Рисунок 8.16. Нормирование коэффициента ошибок в ОЦК при международном соединении
Учитывая, что при цифровой передаче в ОЦК ошибки суммируются, можно получить условие по допустимой величине коэффициента ошибок на длине линейного тракта в 1 км:
- для магистрального участка КОШ м = 10 – 7 /10 000 = 10 – 11;
- для внутризонового участка КОШ в = 10 – 7 /600 = 1,67´ 10 – 10;
- для местного участка КОШ у = 10 – 7 /100 = 10 – 9.
Указанные величины КОШ положены в основу требований к коэффициенту ошибок одиночного регенератора
КОШ РЕГ = КОШ х ´ LРЕГ, (8.5)
где LРЕГ – длина участка регенерации, х = м, в., у.
КОШ РЕГ определяется соотношением сигнал/помеха на входе регенератора для заданного импульсного сигнала. Для линейных трактов ВОСП характерна передача однополярных импульсов. На рисунке 8.17 представлена зависимость коэффициента ошибок от соотношения сигнал/помеха на входе регенератора.
Рисунок 8.17. Зависимость коэффициента ошибок от соотношения сигнал/помеха на входе регенератора
Отношение сигнал/помеха играет решающую роль в устройстве регенерации (рисунок 8.18).
Решающее устройство (РУ) принимает решение о приеме импульса или паузы. Решение должно быть принято при наиболее вероятной амплитуде импульса, т.е. на половине такта Т. Для этого с помощью выделителя тактовой частоты (ВТЧ) и формирующего устройства (ФУ) создается последовательность коротких стробирующих импульсов середины тактовых интервалов передачи информационных символов (единиц и нулей). При этом импульсный сигнал, искаженный при передаче в линейном тракте, восстанавливается в первоначальном виде.
Рисунок 8.18. Структурная схема регенератора
Для решающего устройства создается порог различения информационных нулей и единиц. Если учесть, что помеха имеет гауссовский вероятностный закон распределения, то уровень порога равен половине амплитуды единичного импульса. При этом вероятность ошибочного приема обозначается
РОШ = р(0) ´ р(1/0) + р(1) ´ р(0/1), (8.6)
где р(0) и р(1) априорные вероятности появления единицы и нуля, р(1/0) р(0/1) – вероятности ложного приема. Величины р(0) = р(1) = 0,5, что обеспечивается линейным кодом ВОСП, а вероятности ложного приема определяются через гауссовское распределение (8.7)
(8.7)
где 
— интеграл вероятности, табулированный и приводимый в математических справочниках, Uед – напряжение единичного импульса, σ — дисперсия напряжения шума (помехи).Таким образом, отношению сигнал/помеха на рисунке 8.17 соответствует отношение Uед / 2σ . При этом самый низкий порог отношения сигнал/шум служит нормативом для определения минимального уровня оптического сигнала на входе фотоприемного устройства. Даже небольшое отклонение от этого норматива может повлечь резкое увеличение числа ошибочно принятых символов. Из рисунка 8.17 видно, что, например, изменение отношения сигнал/помеха с 6 до 5 приведет к росту коэффициента ошибок от 10 – 9 до 10 – 6. Это должно учитываться при определении длины регенерационного участка. Неточность восстановления тактовых интервалов также относится к факторам повышения вероятности ошибки. При регенерации цифрового сигнала наблюдается накопление фазовых дрожаний в цепочке регенераторов:
An = A× 4√N,
где А- амплитуда дрожаний на выходе одного регенератора, Аn – амплитуда дрожаний на выходе цепочки из n регенераторов. В цепочке из 20 регенераторов амплитуда дрожаний увеличивается в 2.11 раза.
Заметное повышение соотношения сигнал/помеха может дать фильтр – корректор (ФК), если он согласован с импульсным сигналом по полосе частот и оптимизирован по межсимвольной помехе. Согласование по полосе частот позволяет сгладить импульсные помехи, т.е. устранить шумы вне основной части полосы сигнала. Оптимизация по межсимвольной помехе позволяет добиться устойчивого выделения тактовой частоты и формирования стробирующих импульсов с минимальными фазовыми дрожаниями. Наилучшие результаты дает ФК косинусного типа [8] с передаточной характеристикой (8.8).
(8.8)
где f – текущая частота, В – скорость передачи двоичных импульсов. Графическое изображение этой характеристики приведено на рисунке 8.19.
Рисунок 8.19. Передаточная характеристика косинусного фильтра – корректора
Настройка фильтра – корректора оценивается глазковой диаграммой (рисунок 8.22), формируемой для одного тактового интервала импульса [8, 11, 66].
Определение длины участка регенерации является важной составной частью проектирования линейного тракта ВОСП.
Длина регенерационного участка (РУ) определяется двумя основными параметрами передачи: затуханием и дисперсией импульсов информационных сигналов. Немалое внимание уделяется этим параметрам в различных публикациях [2, 6, 7, 10, 11, 22, 27, 30, 87].
Для определения длины РУ по затуханию можно воспользоваться соотношением, предложенным МСЭ-Т [87]:
(8.9)
где РS – уровень мощности сигнала передатчика в точке стыка S (дБм), РR –уровень мощности сигнала на входе приемника в точке стыка R (дБм), определенный для заданного КОШ; РD – мощность дисперсионных потерь (дБ); Ме – энергетический запас на старение оборудования (дБ); N – число строительных длин кабеля; lS – потери энергии на стыках строительных длин (дБ); NC – число разъемных соединений между точками S и R; lС – потери энергии на разъемном соединении (дБ); a С – коэффициент затухания кабеля (дБ/км); a m – запас на повреждения кабеля (дБ/км).
Расчет длины РУ по значению дисперсии производится с целью определения совместимости полосы пропускания кабеля (оптической полосы) с требуемой скоростью передачи сигнала. В реальных многомодовых волокнах полоса частот с увеличением длины волокна уменьшается и может быть приближенно определена из выражения [10]:
(8.10)
где D F – ширина полосы частот, приведенная к единице длины волокна, удельная полоса [МГц´ км]; g = 0,5 ¸ 0,8 — коэффициент, учитывающий влияние реального профиля показателя преломления сердцевины волокна и закон изменения полосы частот с увеличением длины волокна.
Величина удельной полосы определяется дисперсией волокна [88]:
(8.11)
где D(λ)=
(8.12)
t М М – межмодовая дисперсия; D λ ´ t х(λ ) – хроматическая дисперсия многомодового волокна.
Ширина спектра излучения D λ [нм] определяется для передатчика на уровне мощности, равной половине максимальной.
t х(λ ), [пс/(нм´ км)] – коэффициент удельной хроматической дисперсии.
Для многомодовых кабелей величина D F приводится в их характеристиках и составляет от 500 до 1200 МГц´ км [4].
При оценке ширины полосы частот D F(L) одномодового волокна длиной L известны различные подходы, изложенные в вышеуказанных изданиях. Дисперсия оценивается по среднеквадратическому уширению импульса t СКУ, по уширению импульса на уровне половины максимальной мощности t 0,5, по времени нарастания импульса от 0,1 до 0,9 t Н его максимального значения мощности. Все эти способы оценки связаны между собой соотношением (7.13) [22]:
(8.13)
Полоса частот оптического одномодового кабеля также уменьшается с увеличением длины волокна L, как и у многомодового (8.10), однако коэффициент g = 1.
Скорость передачи линейного сигнала В и полоса пропускания волокна связаны соотношениями (6.17) и (6.18). Значение дисперсии, приводимое в характеристиках волокон, это t СКУ [4, 7, 22]. Необходимо обращать внимание в технических характеристиках на ширину спектра одномодовых лазеров D λ , которая указывается для уровня –20 дБм от максимума излучаемой мощности.
Длина регенерационного участка определяется из соотношения (8.9) и проверяется на соответствие полосы пропускания и скорости передачи соотношениями (8.10), (8.13). При скорости передачи В > 2,5 Гбит/с в расчете должна приниматься хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия [4].
Ограничивающими факторами длины РУ являются:
- для максимальной мощности передатчика РS – нелинейные оптические эффекты [4];
- для минимальной мощности на входе приемника РR – коэффициент ошибок; разность РS — РR называют энергетическим потенциалом системы передачи;
- энергетический запас на старение оборудования Ме имеет разброс от 3 дБ до 6 дБ;
- энергетический выигрыш от применения упреждающей коррекции ошибок (FEC);
- километрическое затухание кабеля a С зависит от окна прозрачности стекловолокна;
- запас на повреждение кабеля указывается для длины линии 100 км на срок эксплуатации 20 лет;
- полоса пропускания волокна зависит от типа волокна, окна прозрачности и ширины спектра излучения лазера или светодиода [4], применения компенсаторов дисперсии, способа модуляции (прямой или внешней), введения линейного или нелинейного предискажения [6].
Другие аспекты проектирования линейных трактов одноволновых ВОСП изложены в [10, 17, 26, 27, 30, 34, 35, 66, 74, 89, 90].