Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА К ШУМУ ПРИ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВОМ СМЕШЕНИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться в волоконно-оптических системах передачи с частотно-разделенными каналами в качестве способа измерения отношения оптического сигнала к шуму.

Известен способ увеличения пропускной способности волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) методом частотного разделения каналов (FDM - Frequency Division Multiplexing). Плотное размещение каналов в частотном спектре позволяет еще больше повысить спектральную эффективность. Одной из прогрессивных технологий является частотное разделение ортогональных каналов. В данной технологии оптический частотный диапазон разбивается между каналами, количество которых может достигать нескольких сотен.

Для наращивания пропускной способности ВОСП-FDM требуется увеличивать число каналов в спектральном диапазоне с одновременным уменьшением частотного интервала между ними. Однако с ростом числа каналов растет и суммарный уровень мощности в оптическом волокне, что приводит к появлению нелинейных явлений в волокне, например четырехволнового смешения (ЧВС). Сигналы трех частот при распространении по волокну взаимодействуют друг с другом, вследствие чего возникают новые частотные комбинационные составляющие. Некоторые вновь появившиеся комбинационные частоты (частотные продукты ЧВС) попадают в диапазоны порождающих их каналов, что приводит к перекрестным помехам между каналами. Для ВОСП-FDM нежелательными и доминирующими являются частотные продукты вида , , где , , - центральные частоты каналов. Для М-канальной системы передачи индексы i, j, k принимают любые значения от 1 до М, что приводит к генерации (М³-М²)/2 частотных продуктов ЧВС. Попадая в каналы частотные продукты ЧВС ухудшают (уменьшают) оптическое отношение сигнал-шум (OSNR - Optical Signal to Noise Ratio) в канале. В реальных условиях внутриканальная оценка влияния частотных продуктов ЧВС на OSNR затруднена. Это связано с тем, что в полосе пропускания канала невозможно отделить (отличить) сигнал от нежелательной помехи и раздельно измерить их уровни мощности. Поэтому разработка способа измерения OSNR является актуальной задачей как для существующих и проектируемых сетей, так и для создания измерительной аппаратуры.

Известен ряд технических решений, позволяющих минимизировать влияние продуктов ЧВС на качество передачи канальных сигналов в ВОСП-FDM. Одно из таких решений, принятое за аналог [1], позволяет с помощью неравномерного размещения в спектре каналов добиться минимизации влияния частотных продуктов ЧВС на каналы и увеличить пропускную способность системы передачи. Способ спектрального размещения каналов в аналоге основан на правиле Голомба [2], и месторасположение каналов в спектре вычисляется с помощью целочисленного (линейного) программирования (ILP - Integer Linear Programming). В [1] приводится пример неравномерного размещения по спектру сигнала из 10 каналов и сравнение со случаем, когда каналы равномерно размещены в спектре. В [1] показано, что если значение частотного интервала между любыми каналами не повторяется, то никакие частотные продукты ЧВС не попадают в частотные диапазоны каналов.

Однако подобные технические решения наряду с положительными свойствами - возможностью исключения влияния продуктов ЧВС на качество передачи каналов, имеют следующие основные недостатки:

1. Неэффективное использование полосы пропускания оптического волокна в системе передачи, так как при неравномерном размещении каналов (по сравнению с равномерным) увеличивается спектральная полоса многоканального сигнала.

2. Для увеличения пропускной способности такой системы передачи требуется добавлять и размещать все каналы по определенному оптимальному алгоритму (неравномерно), что может привести к реконфигурации всего частотного плана действующей системы передачи.

Наиболее близким заявляемому изобретению по технической сущности является аналог [3]. Он и принят за прототип изобретения. В [3] описан способ определения мощности, вводимой в оптическое волокно для системы передачи с мультиплексированием по длинам волн при учете усиленных шумов спонтанного излучения и шумов четырехволнового смешения. Данный учет ведется на приемной стороне, где сравниваются уровни шумов с заданными значениями порогов, как для спонтанного излучения, так и для четырехволнового смешения. По результатам сравнения вырабатываются управляющие сигналы для регулировки коэффициента усиления оптических усилителей.

Основными недостатками [3] являются:

1. В [3] не показано, как на приемной стороне происходит измерение отношения оптического сигнала к шуму четырехволнового смешения. В реальных условиях измерение влияющих на сигнал шумов четырехволнового смешения технически затруднен или невозможен, так как эти шумы попадают в полосы пропускания каналов, и нет возможности раздельно измерить мощности сигнала и нежелательного шума.

2. В прототипе [3] не указаны каналы или группа каналов, в которых производится измерение и сравнение уровня шумов с пороговыми значениями;

3. В прототипе [3] указывается итерационный метод многократной подстройки коэффициентов усиления оптических усилителей в зависимости от требуемого отношения оптического сигнала к шуму на приемной стороне, что может привести к определенным временным задержкам.

4. Предложенная в [3] методика измерения отношения сигнала к шуму не будет эффективной при создании измерительной аппаратуры, так как при измерениях отношения сигнала к шуму должны быть «активны» все каналы, существующие в системе передачи. Чем больше их количество, тем сложнее техническая реализация - увеличиваются габариты, масса и стоимость измерительной аппаратуры.

Целью заявленного способа является создание эффективного и универсального метода измерения отношения оптического сигнала к шуму четырехволнового смешения для системы передачи с частотным разделением каналов.

Поставленная цель достигается тем, что вместо передачи всех канальных сигналов (как в прототипе [3]), используется передача только четырех канальных сигналов. Частотный интервал между этими четырьмя каналами унифицируется и выбирается следующим образом: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами для многоканальной (более 13) системы передачи. Частотный интервал между любой парой из четырех каналов не повторяется и удовлетворяет правилу Голомба [2]. Как и в прототипе [3] на всех пролетах системы передачи, где присутствуют оптические усилители, подстраиваются коэффициенты усиления. В предположении, что оптические усилители полностью компенсируют потери сигнала в пролетах, в предложенном способе коэффициент усиления оптических усилителей увеличивается однократно в М/4 раза, где М - число каналов системы передачи. Это необходимо для того, чтобы в волокне поддерживался уровень оптической мощности, соответствующий передаче М-канального оптического сигнала. Заметим, что в прототипе [3] не представлен точный алгоритм подстройки коэффициентов усиления оптических усилителей. В предложенном способе измерения на приемной стороне сначала однократно измеряется уровень мощности сигнала в одном из 4-х «активных» каналов и уровень мощности шума в одном из «пассивных» каналов, в который попадают частотные продукты ЧВС. Рассчитывается отношение оптического сигнала к шуму для 4-х канального сигнала. Используя полученную величину рассчитывается (предсказывается) отношение оптического сигнала к шуму для системы передачи с М-каналами. Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг. 1 - Структурная схема пролета ВОСП-FDM, в котором производится измерение отношения оптического сигнала к шуму;

- на фиг. 2 - Спектр комбинационных частотных продуктов ЧВС при передаче 4-х канальных сигналов на частотах , , , ;

- на фиг. 3 - Зависимость OSNR от уровня мощности одного канала для 4-х канального сигнала при разном количестве каналов М.

Детальное описание сущности изобретения.

ВОСП-FDM состоит из нескольких пролетов, оптические потери сигнала в которых полностью компенсируют оптические усилители с управляемым коэффициентом усиления. На фиг. 1 показана структурная схема одного пролета ВОСП-FDM, в котором необходимо измерить OSNR. Каналы (кн.) формируются в передающих оптических модулях 1 и после мультиплексирования в мультиплексоре 2 групповой многоканальный сигнал, состоящий из суммы частотно-разделенных М каналов, усиливается в оптическом усилителе 3. Далее, многоканальный сигнал передается по оптическому волокну 4. На расстоянии L находится измерительная аппаратура, составной частью которой является оптический демультиплексор 5, разделяющий каналы. Мощность в каждом спектральном канале можно измерить анализатором спектра 6 со встроенным измерителем мощности.

На передающей стороне необходимо выбрать четыре канала в частотном диапазоне М-канальной системы так, чтобы никакие комбинационные частоты ЧВС не попадали в полосы пропускания этих четырех каналов, а спектры продуктов ЧВС не перекрывали друг друга. То есть в «пассивные» каналы не должно попадать более одного комбинационного частотного продукта. Предложен следующий неравномерный частотный интервал между каналами: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами в системе с М≥13.

На фиг. 2 представлен спектр всех комбинационных частотных продуктов ЧВС, возникающих при передаче по волокну 4-х канальных сигналов на частотах , , , . Как видим, продукты ЧВС в эти каналы не попадают. А в другие, «пассивные» каналы попадает по крайней мере один продукт вида или один продукт вида .

Необходимо подстроить коэффициент усиления оптического усилителя 3 (фиг. 1) так, чтобы в начале каждого пролета на входе волокна величина суммарной оптической мощности равнялась уровню мощности М-канального оптического сигнала. В конце пролета, измерив анализатором спектра 6, уровень оптической мощности в одном из четырех каналов, например, в канале с индексом 4 (кн.4) и уровень мощности помехи в канале, например с индексом 5 (кн.5), где присутствует помеха вида , рассчитывают отношение оптической мощности сигнала к уровню мощности помехи OSNR₄.

С помощью полученного значения OSNR₄ для 4-канальной системы передачи можно найти OSNR_M для М-канальной системы передачи.

Выбор четырех тестовых каналов для проведения измерения отношения оптического сигнала к шуму ЧВС основан на следующих критериях:

1. Из технико-экономической целесообразности необходимо выбрать наименьшее число тестовых каналов для измерения отношения оптического сигнала к шуму ЧВС.

2. Явление ЧВС проявляется, когда канальные сигналы трех частот при распространении по волокну взаимодействуют друг с другом, вследствие чего возникают новые (комбинационные) частотные продукты ЧВС. Применительно к системам передачи необходимо учитывать, что частотные продукты ЧВС, попадают не только в диапазоны порождающих их каналов, но и влияют на соседние каналы. Следовательно, для полного описания этого явления в многоканальных системах передачи необходимо использовать не менее 4 каналов.

3. Разработчики и производители оборудования систем передачи выпускают оборудование с четным количеством каналов, что связано в основном с потребностями телекоммуникационного рынка. Приобретая такое оборудование сегодня, а в будущем дооснастив или модернизируя его, можно легко увеличить пропускную способность в два, в четыре и более раз. В предложенном способе для проведения измерений необходимо увеличить коэффициент усиления оптического усилителя таким образом, чтобы в волокне поддерживался уровень оптической мощности, соответствующий передаче М-канального оптического сигнала, этот прирост коэффициента усиления должен равняться M/n, где n - число тестовых каналов для ВОСП-FDM, M≥4. Следовательно, для того, чтобы величина прироста усиления M/n принимала определенное числовое значение, число тестовых каналов n должно быть четным, в противном случае отношение M/n может принять бесконечное значение. Так как число тестовых каналов должно быть минимальным, а явление ЧВС проявляется при числе каналов 3 и более, то этим условиям удовлетворяет количество каналов равное 4. Таким образом, при использовании тестового 4-канального сигнала необходимо увеличить коэффициент усиления оптических усилителей в М/4 раза.

Отношение мощности канального сигнала к мощности одного продукта ЧВС, измеренное на приемной стороне при подаче на вход волокна 4-канального сигнала (OSNR₄), будет являться величиной, характеризующей комплексное влияние нелинейности оптического волокна на качество передачи сигналов. Измерив OSNR₄ при определенной величине суммарной оптической мощности сигнала на входе волокна, можно предсказать отношение мощности сигнала к полной мощности продуктов нелинейностей OSNR_M, попадающих в полосу пропускания канала при заданном значении количества каналов М (более 13).

Для М-канальной системы мощность одного продукта ЧВС определяется

[4]:

где (P_i)м - мощность в одном канале i,

η_ijk - эффективность генерации комбинационных частот,

d - коэффициент вырождения (d=3 или 6 для продуктов вида или ),

γ - нелинейный коэффициент оптического волокна,

- эффективная длина,

α - коэффициент затухания оптического волокна,

L - длина оптического волокна.

Для i-го канала OSNR_M определяется как, , где суммарная мощность продуктов ЧВС, попадающих в канал. С учетом (1) и затухания сигнала в волокне:

где (N(m))_M - количество продуктов ЧВС, частота которых совпадает с частотой m-го канала, при общем количестве каналов в системе М.

Предположим, что на передающей стороне уровень мощности в каждом канале задан и одинаков для данной конфигурации системы передачи. Из условия постоянной суммарной оптической мощности в волокне, как при количестве каналов М, так и при количестве каналов 4, имеем:

Подставим (3) в (2):

Воспользуемся аналитическими выражениями (N(m))_M для случая передачи равномерно размещенных в спектре каналов [5]. Для продуктов ЧВС вида :

Для продуктов ЧВС вида :

Сравнивая (5) и (6) видим, что количество продуктов ЧВС вида - стремительно растет с увеличением числа каналов М и преобладает над продуктами ЧВС вида и если М→∞ последние можно не учитывать. Более того, максимальная концентрация этих продуктов наблюдается в середине частотного диапазона размещения каналов, где [5]. Тогда, при очень большом количестве каналов (М → ∞) число продуктов ЧВС вида стремится к предельному значению

Для крайних каналов, расположенных в спектре, где или М:

Таким образом, подставляя (7) в (4) для каналов, расположенных в середине частотного диапазона размещения каналов отметим ухудшение отношения сигнал - шум при передаче вместо 4-х большого количества (М→∞) каналов. При условии постоянного среднего уровня оптической мощности в волокне величина этого отношения оставит не более 7,8 дБ, то есть . Подставив (8) в (4) можно убедиться, что для крайних каналов (первого и последнего) ухудшение OSNR₄ составит не более 6 дБ, т.е. .

Таким образом, измеряя OSNR₄ с помощью формулы (4) рассчитывают отношение оптического сигнала к шуму ЧВС OSNR_M при передаче М-канального сигнала.

Пример реализации изобретения сводится к следующему:

1) На передающей стороне включенными остаются только сигналы 4-х передающих оптических модулей 1 (фиг. 1), центральные частоты которых соответствуют частотам , , , . Остальные каналы пассивны. Частотные интервалы между этими четырьмя каналами выбраны следующим образом: 3Δf, 4Δf, 5Δf, где Δf - частотный интервал между каналами в М-канальной системе передачи, при этом М≥13(фиг. 2).

2) Увеличивается коэффициент усиления оптического усилителя 3 в М/4 раза от первоначально установленного рабочего значения (фиг. 1). Такое увеличение связано с необходимостью поддержания в волокне такого же уровня оптической мощности, что и при передаче М-канального оптического сигнала. Это увеличение коэффициента усиления реализуется программно-аппаратными средствами.

3) В конце пролета, на выходе порта демультиплексора 5 (фиг. 1), соответствующего каналу №4 (кн.4) измеряется уровень мощности сигнала в канале.

4) На выходе порта демультиплексора 5 (фиг. 1), соответствующего каналу №5 (кн.5) измеряется уровень мощности помехи в канале.

5) Рассчитывается OSNR₄, затем OSNR_M с помощью формулы (4).

На фиг. 3 приведен пример зависимости OSNR₄, от уровня мощности одного канала 4-канального сигнала, полученного экспериментальным путем по описанной выше процедуре измерения. Канальные сигналы передаются по стандартному одномодовому волокну (SSMF-Standard Single-Mode Fiber) на расстояние L=100 км в диапазоне длин волн 1550 нм.

На фиг. 3 показано семейство кривых OSNR_M для ВОСП-FDM, использующей передачу М-канального сигнала на такое же расстояние (L=100 км), в предположении, что частотное распределение каналов равномерное, а частотный интервал между каналами составляет 6,25 ГГц. Приведенные на фиг. 3 кривые OSNR_M построены по формуле (4) для разного числа каналов М и полученных с помощью измерений значений 0SNR₄. Как видно из фиг. 3, по мере увеличения числа каналов М (от 4 до 64) OSNR_M стремится к предельному значению (OSNR₄ - 7,8) дБ. Заметим, что при М=4 кривая OSNR_M находится ниже кривой OSNR₄ на величину 3 дБ. Это связано с тем, что при измерении OSNR₄ 4-х тестовых каналов, неравномерно расположенных в спектре, учитывается только один частотный продукт ЧВС, при равномерном же размещении 4-х каналов, количество продуктов ЧВС удваивается. При большом количестве каналов М>64 можно считать, что OSNR_M не зависит от числа каналов и при известном значении OSNR₄ с большой точностью определяется как OSNR_M≈(OSNR₄-7,8) дБ.

Таким образом, передавая по оптическому волокну 4-канальный сигнал, и выполнив измерение OSNR₄, рассчитывается отношение оптического сигнала к шуму ЧВС OSNR_M при передаче М-канального сигнала.

Применение данного изобретения в области телекоммуникации имеет важное практическое значение, так как величина отношения сигнала к шуму является одним из основных критериев оценки качества передачи сигналов по волоконно-оптическому тракту. Использование данного способа измерения отношения сигнала к шуму ЧВС позволяет доступными методами диагностировать существующие системы передачи, а также проектировать ВОСП-FDM с требуемым качеством передачи сигналов.

На основе предложенного способа измерения можно создать технико-экономичное эффективное измерительное оборудование, так как используется передача только 4-канальных сигналов, а измерение оптической мощности производится в определенных каналах.

Кроме этого, с помощью предложенного способа измерения отношения сигнала к шуму четырехволнового смешения можно усовершенствовать прототип [3], что исключает неопределенность технической осуществимости измерения шумов четырехволнового смешения на приемной стороне. Однако эти измерения возможны на начальном этапе пуско-наладочных работ прототипа [3] или во время регламентных работ по техническому обслуживанию прототипа [3].

Заявленный способ измерения отношения сигнала к шуму ЧВС в ВОСП-FDM удовлетворяет критериям новизны, поскольку не выявлены технические решения имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Источники информации

1. Патент US №5546210, МПК H04J 14/02. Опубликован 13.08.1996.

2. J.P. Robinson Optimum Golumb Rulers, IEEE Transaction on Computers, vol. C-28, No. 12, Dec. 1979, pp. 943-944.

3. Патент US №2002/0044340 A1, МПК H01S 3/00. Опубликован 18.04.2002. Patent Application Publication. (Прототип).

4. Tomas Shneider. Nonlinear Optic in Telecommunications. Springer, 2004, P. 415.

5. Варданян В.А. Исследование распределения продуктов четырехволнового смешивания в ВОСП с ЧРК // Вестник СибГУТИ. 2016. №2. С. 78-84.