8.2. Расчет проектных потерь сигнала

Следующим шагом в проектировании волоконно-оптической системы является определение того, будет ли эксплуатироваться каждый отдельный сегмент кабельного соединения в системе и какой уровень производительности он должен предоставлять. Здесь главной целью является определение того, будет ли в передаваемом сигнале оставаться достаточно энергии для активации повторителя, когда сигнал достигает конца кабеля, и будет ли сигнал достаточно свободным от шума и дисперсии, чтобы его правильно интерпретировать. В следующем разделе подробно описываются процедуры и вычисления, необходимые для составления бюджета потерь и бюджета пропускной способности. Сначала рассмотрим определение и происхождение параметров, используемых в вычислении бюджета потерь.

8.2.1. Определение параметров

• Мощность передатчика

Принятый для измерения передаваемого из источника света мощности метод является соглашением де-факто, когда кусок волокна примерно 2 м длиной присоединяется к источнику света, а выходная мощность измеряется с другого конца волокна. Использование этого метода вычисляет несоответствия между волокном и источником света, такие, как размеры волокна/источника света и разница апертур, а также любые другие источники потерь мощности в переходе от источника к волокну. Поэтому технические характеристики оптического передатчика определяются для подходящего по размеру и типу кабеля.

• Минимальная передаваемая энергия

Производитель обычно приводит минимальную энергию передачи, которую можно ожидать от источника света в течение его срока службы. Эту цифру нужно использовать в вычислениях, чтобы убедиться, что вычисленный бюджет потерь находится в приемлемых границах.

Указанная величина выходной мощности является либо пиковой, либо средней мощностью и указывается в дБ/мс. Здесь важно в вычислениях для передатчика и приемника не забыть использовать один и тот же вид величины (пиковую или среднюю мощность). Если измеряемые виды различны, цифры бюджета потерь могут содержать ошибку на 3 дБ или более.

• Чувствительность приемника

Для определенного оптического детектора производитель приводит минимальный уровень мощности сигнала, необходимого на приемном конце волокна для активизации приемника. Этот минимально допустимый уровень принимаемого сигнала называется чувствительностью приемника. Приведенная чувствительность приемника является минимальным уровнем сигнала, необходимым для получения от приемника данных с максимальной частотой ошибок по битам в 10^-9 или 10^-12.

Касаясь чувствительности приемника, следует отметить два важных момента. С возрастанием скорости передачи данных для сохранения прежней частоты ошибок по битам минимальная входная мощность (чувствительность приемника) должна быть увеличена. Во-вторых, если скорость передачи данных остается той же, а входной уровень приемника лишь немного снижается, частота ошибок значительно возрастает.

Например, если уровень полученного сигнала снижается на 1 дБ ниже уровня чувствительности приемника, частота ошибок может возрасти до 10^-6.

• Усиление системы

Усиление системы является величиной, представляющей общую доступную оптическую мощность между источником и детектором света. Следовательно, усиление системы можно представить как численную разницу между выходной мощностью передатчика и чувствительностью приемника.

• Потери системы

Потери оптического сигнала (затухание) в волоконно-оптическом канале связи вызываются естественным затуханием в волокнах, потерями соединений, потерями на коннекторах, переходными потерями, потерями из-за дисперсии, потерями из-за старения компонентов и колеблющимися с течением времени потерями от окружающей среды (например, температуры, физического давления, повреждения волокон).

• Запас надежности

Потери вследствие старения и меняющихся со временем потерь от окружающей среды невозможно вычислить непосредственно; для их учета в проекте оставляют запас надежности. Этот запас позволяет также учесть небольшие ошибки проекта и дополнительные соединения, которые могут потребоваться в дальнейшем, если кабель будет поврежден.

Производители иногда также указывают величину, которую называют потерей мощности приемника (receiver power penalty). Это величина запаса надежности мощности, которая должна компенсировать проблемы, связанные с флуктуацией, ограничениями полосы пропускания, дисперсией и восстановлением после сбоев синхронизации, с которыми может столкнуться приемник и которые могут снизить его эффективную чувствительность. Этот запас надежности мощности также должен быть включен в запас надежности системы. Автор рекомендует проектировать запас надежности от 5 до 10 дБ.

• Динамический диапазон

Приемный детектор имеет предел максимальной мощности сигнала, который может быть получен без искажения. Разница между максимальной мощностью, которая может быть принята, и чувствительностью приемника называется динамическим диапазоном.

При проектировании системы важно не выходить за пределы динамического диапазона приемника. Чтобы не допустить этого, на маршруте волокна должно быть доступно существенное ослабление. В некоторых случаях может потребоваться введение в участок волокна дополнительного затухания.

• Потери в сопряжении передатчика с волокном

Сопряжение светодиода с волокном ведет к существенным потерям энергии светодиода, поскольку у него очень большая поверхность излучения по сравнению с площадью сердечника волокна. Например, светодиод, присоединенный к волокну с диаметром сердечника 50 мкм, теряет около 15 дБ передаваемой мощности. Если светодиод имеет выходную мощность 0 дБм (1 мВт), лишь -15 дБм (32 мкВт) мощности попадает в сердечник волокна для передачи. Потери светодиода с одномодовым волокном существенно выше (приблизительно 35 дБ), поэтому эта комбинация почти никогда не используется.

У лазеров площадь поверхности обычно гораздо меньше сердечника одномодового волокна, поэтому переходные потери сравнительно невелики. В одномодовое волокно от лазера можно передать мощность в несколько милливатт. Как указывалось ранее, производитель обычно указывает выходную мощность источника света как мощность, доступную через несколько метров волокна, а не непосредственно от самого источника.

• Потери в сопряжении волокна с приемником

Как для одномодовых, так и для многомодовых волокон площадь поверхности детекторов значительно больше площади сердечников оптических волокон, поэтому имеют место лишь незначительные переходные потери (большей частью из-за внутреннего отражения Френеля).

• Бюджет потерь линии связи

Если запас надежности вычесть из усиления системы, останется значение бюджета потерь. Эта величина представляет собой максимальное значение потерь сигнала, возможных в процессе проектирования для затухания кабеля, потерь соединений и коннекторов. Некоторые производители предоставляют значение энергетического потенциала для своего передающего и приемного оборудования, принимая в расчет запас надежности и усиление системы. Эта идея продемонстрирована на рис. 8.4.

• Границы замирания

При известной длине пробега кабеля можно вычислить общую сумму известных потерь (для коннекторов, соединений, длины кабеля). Если эту величину отнять от значения энергетического потенциала, должна остаться положительная величина. Она известна как запас надежности (fade margin) и представляет собой количество неиспользуемого усиления системы.

Рис. 8.4. Иллюстрация, бюджета потерь и запаса надежности