Глава3.Оптические усилители. Компенсаторы дисперсии. Принцип действия. ОСШ. Схемы включения.
Итак, тернистый путь построения DWDM привел нас к методам борьбы с затуханием и дисперсией. А тут всё просто: с дисперсией борются компенсаторами дисперсии, с затуханием – усилителями.
Начнем с компенсаторов дисперсии. Компенсатор дисперсии – пассивное устройство, технологически представляющее собой катушку волокна в некотором корпусе (например, 1U 19 inch). Особенность этого устройства в его внутреннем волокне – оно имеет отрицательное значение дисперсии, то есть, восстанавливает «размытый» сигнал. Значение дисперсии у такого волокна примерно 165 пс/(нм*км). Как следствие, компенсаторы дисперсии обычно характеризуются тремя цифрами: длина полностью компенсируемого обычного волокна, длина волокна в самом компенсаторе дисперсии и суммарное отрицательное значение дисперсии (например, для полной компенсации дисперсии в 80 км стандартного волокна (1360 пс/(нм*км)) требуется 8,2 км компенсирующего волокна, суммарный показатель дисперсии у которого равен -1360). Включаются компенсаторы дисперсии обычно на приёмной стороне линии связи (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Схема включения компенсаторов дисперсии.
Как выбрать нужный компенсатор дисперсии? Да тут все предельно ясно – взять документацию к трансиверу, посмотреть в раздел «приёмник» и найти там максимальное допустимое значение дисперсии. Потом посчитать значение дисперсии на трассе (длину трассы помножить на значение дисперсии в волокне используемого типа; значение указано в документации к волокну). Сравнить, и, если в волокне дисперсия больше, чем допускается в приёмнике трансивера – начинать присматривать компенсатор дисперсии.
Компенсатор выбрали, проставили – не работает! Вообще ничего не едет! Как так? А всё потому, что забыли, что компенсатор – это волокно, при том его много. Километры волокна! Просто оно в коробочке и без брони. А раз в линию добавилось волокно, значит, линия удлинилась. А это значит, что, скорее всего, в оптический бюджет уже «не пролезть». Надо усилить сигнал. Для этого существуют усилители.
Усилитель оптического сигнала – активное устройство, нелинейно усиливающее световой сигнал. Существует несколько разных типов усилителей, работающих по различным физическим принципам, но мы остановимся на EDFA усилителях – они более широко распространены и универсальны, нежели другие. Принцип действия EDFA усилителя в общих чертах следующий: за счет легированного эрбием волокна (в стекло, фактически, примешивается данный редкоземельный элемент) и одного-двух лазеров накачки создаётся ситуация, когда частицы эрбия сначала резко и мощно возбуждаются, а затем переводятся в состояние покоя, тем самым «выплёвывая» дополнительную энергию, которая усиливает световой поток, проходящий через данное волокно.
EDFA усилители бывают трёх типов: Мощные Усилители (Amplifier Booster), Линейные Усилители (Linear Amplifier) и Предварительные Усилители (Pre-Amplifier). Различаются они, в первую очередь, уровнями сигнала на входе.
Мощные Усилители (AmplifierBooster) – усилители, устанавливаемые непосредственно за передатчиком или аппаратурой уплотнения. Характеризуются относительно высокими параметрами мощности входного сигнала ((-10)дБм…(+10)дБм) и высочайшими параметрами мощности выходного сигнала ((+13)дБм…(+26)дБм). Некритичны к уровню шумов в линии.
Линейные Усилители (LinearAmplifier) – усилители, устанавливаемые на линии в качестве повторителей. Характеризуются средними параметрами мощности входного ((-20)дБм…(+3)дБм) и высокими параметрами мощности выходного ((+13)дБм…(+26)дБм) сигнала. Критичны к уровню шумов в линии.
Предварительные Усилители (Pre-Amplifier) – усилители, которые ставятся непосредственно перед приёмником или аппаратурой демультиплексирования. Характеризуются крайне низкими уровнями входного сигнала ((-30)дБм…(-5)дБм) и средними уровнями выходного сигнала
((-10)дБм…(+10)дБм). За счет высокой чувствительности приёмника очень чувствительны и к шумам в линии.
Что означают пометки «чувствителен к шумам»? Дело в том, что световой сигнал, так же, как и любой другой, подвержен воздействию внешних факторов. Поставили бустер на входе в линию – получите остаточное усиление накачки (усиленное спонтанное излучение) и, как следствие, усиление шумовой составляющей. Криво воткнули коннектор – получайте отражённый сигнал и усиление шумовой составляющей, с ним связанной. Вариантов появления шумов в линии много, и для их характеристики ввели понятие Отношение Сигнал/Шум (ОСШ или OSNR) – отношение мощности сигнала к мощности шумов, или разность мощности сигнала и мощности шумов в том случае, если эти параметры выражены в дБм.
Допустим, есть трасса 200км, в которой посередине стоит Линейный Усилитель. Сигнал, вышедший из бустера, имеет, к примеру, ОСШ 6/0. На входе в ЛУ сигнал является ослабленным и имеет некоторую шумовую составляющую (допустим, 3/1). ЛУ усиливает всё, что в него входит, а значит, усиливает и шум. По выходу из ЛУ сигнал будет иметь, к примеру, ОСШ 6/2. Потом сигнал опять затухнет и к нему опять добавится шумовая составляющая, и на входе в приёмник предусилителя (или аппаратуры демультиплексирования) поступит «грязный» сигнал. Приёмник будет иметь проблемы с детектированием и вообще всё плохо.
Пример, конечно, «взят с потолка», но проблема ясна: усилители – штука сложная, и их выбор требует тщательных исследований трассы на предмет наличия шумов и их составляющей в усиленном/восстановленном сигнале по итогу.
Отдельно следует отметить, что существуют усилители как для красного, так и для синего диапазона, а также усилители во всём диапазоне C и в диапазоне L. Ходят слухи, что в лесах Китайской Народной Республики видели широкополосные усилители для C+L диапазона, но они пока не востребованы.
Для полного понимания на рисунке 3.2 приведена схема расположения каждого типа усилителей.
Рисунок 3.2 – Схема расположения Amplifier Booster (AB), Linear Amplifier (LA)
и Pre-Amplifier (PA) в системе DWDM
Проще говоря, если нужно усилить сигнал – используем мощный усилитель (AB), если требуется регенерировать сигнал где-то «в поле» - ставим линейный усилитель (LA), а если необходимо «вытянуть» сигнал из бездны до вменяемой мощности – используем предусилители (PA). Ниже (Рисунок 3.3) представлена сетка усилений «от» и «до». Как видно из нее, зависимость усиления не линейна.
Рисунок 3.3 – Сетка усиления сигнала в зависимости от мощности сигнала на входе.
Следует отметить большими жирными и красными буквами, что УСИЛИТЕЛЬ УСИЛИВАЕТ ТОЛЬКО В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ, а это значит, что их нужно два (один усиливает в одну сторону, другой – в другую). А если усилителей нужно два – то они должны работать по двум разным волокнам. А это, в свою очередь, значит, что в дальнобойной DWDM системе с усилителями и катушками компенсации (которых, кстати, в такой системе тоже должно быть две) необходимо использовать те самые двухволоконные мультиплексоры.
Ну вот и добрались почти до самого конца. С дисперсией поборолись, сигнал усилили, пробили невозможное ранее расстояние. Как же это выглядит? Смотрим рисунок ниже.
Рисунок 3.4 – Схема включения DWDM системы
с усилителями и компенсаторами дисперсии.
В качестве последнего штриха хочется отметить, что всю эту двухволоконную схему можно «загнать» в одно волокно, если использовать Фильтр Красного/Синего диапазона (Red/Blue Band Filter). При этом возможность использования линейных усилителей недоступна (по понятным причинам). Также заметим, что катушку компенсатора дисперсии лучше выносить за предусилитель, если таковой в системе имеется (снизим общее влияние шумов). Окончательный вариант показан на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Схема включения DWDM системы уплотнения
с использованием Red/Blue Band фильтра.
Естественно, в DWDM, так же, как и в CWDM, используются OADM мультиплексоры, однако, использование и на сверхдлинных трассовых пролётах влечет за собой проблемы с затуханием, а также проблемы с приёмниками трансиверов, которые могут «захлебнуться» сигналом высокого уровня, сформированным усилителем.
Следует ещё раз обратить внимание на тот факт, что любой усилитель следует подбирать не только исходя из его выходной мощности, но также учитывать суммарную мощность входного сигнала. То есть, если передатчик трансивера C58 «светит» 4дБм в линию, то примерно через 30км (взято значение затухания 0.3дБм/км) его мощность будет (-5)дБм – максимальная планка, которую способен принять и усилить предусилитель. А если в линию «светят» сразу несколько трансиверов (например, С58 и С59) с одинаковой мощностью 4дБм каждый, то суммарный сигнал, пришедший на вход предусилителя, будет примерно равен (-2)дБм, что уже плохо потому, что предусилитель может просто не среагировать на столь мощный входящий сигнал и не усилить его. Поэтому DWDM хоть и кажется простым, но в действительности является сложной системой с кучей «подводных камней». Однако, если грамотно подойти к построению DWDM системы уплотнения, итогом может стать высококачественная дальнобойная система с гигантскими пропускными способностями.
Заключение.
В заключении хочется отметить, что китайские сетестроители активно используют DWDM при построении городских сетей на одном волокне, при этом обычно суммарное количество каналов в одной DWDM системе ограничивают двенадцатью-четырнадцатью полноценными дуплексными каналами связи. В нашей стране DWDM только начинает подниматься на ноги, и то только в качестве магистральной составляющей. Причина – крайне высокий порог вхождения как по финансовым, так и по техническим причинам. Но следует понимать, что на сегодняшний день стоимость любого трансивера 10G (двухволоконного, WDM, CWDM, DWDM) равна, а это, в свою очередь, значит, что вложив средства в DWDM, можно получить удобную расширяемую одно- или двухволоконную платформу (в отличии от CWDM, которая ограничена всего девятью полноценными дуплексными каналами, да и то с большим количеством вопросов как по дальности работы, так и по пропускной способности).
Подведём итоги:
- DWDM можно использовать как на одном волокне (городская сеть, средне протяжённые магистральные трассы, дальнобойные трассы с использованием усилителей, компенсаторов и фильтров), так и на двух (максимально дальнобойные магистральные трассы);
- DWDM является одной из самых мощных систем уплотнения на сегодняшний день, имеет великое множество каналов и подканалов (зависит от выбранной частотной сетки);
- DWDM является одной из самых дальнобойных систем уплотнения за счет возможности использования EDFA усилителей;
- Стоимость DWDM системы высока на старте, при этом стоимость добавления нового канала ниже, чем у аналогичных систем уплотнения (CWDM);
- DWDM система очень требовательна к цифрам, поэтому для её качественной работы требуется проводить серьёзные расчеты и иметь высококвалифицированный обслуживающий персонал;
- DWDM можно строить как с использованием всех возможных типов усилителей и компенсаторов дисперсии, так и с использованием только необходимого типа (или вообще без усилителей/компенсаторов).
Данные статьи являются обзором, писались исключительно для ознакомления читателя с существующими технологиями (простым языком и для людей) и не претендуют на энциклопедичность. Все формулы и графики максимально упрощены для большего понимания и не претендуют на рабочие; использовать эти данные рекомендуется только в качестве «прикидочного» материала. Все существующие в обзоре схемы включения не являются эталоном и могут быть пересмотрены.