МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В КАНАЛЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Моделирование современных линий волоконно-оптической связи (ВОЛС), включая активное приемопередающее оборудование и пассивный тракт передачи, представляет собой актуальную задачу, необходимую для их проектирования и производства. Целью настоящей работы является моделирование волоконно-оптического канала связи с применением специализированной программы для проектирования ВОЛС “OptiSystem” (производитель - фирма “Optiwave”). Библиотека компонентов, узлов и измерительных модулей программы позволяет создавать модели как простых, так и сложных систем оптической связи [1].

В представленной в работе модели канала оптической связи   рассчитывается коэффициент ошибки BER при передаче цифровых данных и его зависимость от выходной мощности источника оптического сигнала. Схема модели канала ВОЛС, включая передатчик и приемник, показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема компьютерной модели канала волоконно-оптической связи

Основными узлами компьютерной модели канал волоконно-оптической линии связи являются: лазер c непрерывным излучением (CW-лазер, CW – continious wave), модулятор Маха-Цендера, волоконный световод длиной 50 км и фотоприемное устройство на основе PIN-фотодиода. Информация для передачи по каналу связи создается путем использования радиоэлектронного генератора псевдослучайных двоичных последовательностей, кодера цифровой информации с кодом NRZ, который к этому генератору подключен. Выход NRZ-кодера подключается к управляющим электродам электрооптического модулятора Маха-Цендера.

К выходу фотоприемника подключены осциллограф и измеритель коэффициента ошибок (BER – bit error rate). Последнее устройство подключено к фотоприемнику через фильтр низких частот (ФНЧ). В качестве ФНЧ используется фильтр Бесселя.

Также к выходу передатчика ВОЛС подключены анализатор оптического спектра и визуализатор сигналов во временной области (они в настоящей работе описываться не будут).

Одной из базовых целей математической модели канала ВОЛС является определение зависимости коэффициента ошибки BER от выходной мощности источника оптического сигнала. Рассмотрим основные узлы активного приемопередающего оборудования и пассивного тракта компьютерной модели линии связи и параметры, которые можно задавать у этих узлов.

Источником оптического сигнала в данной схеме является CW-лазер, параметры которого представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Параметры лазера оптического передатчика ВОЛС

Основными параметрами лазера является мощность сигнала и частота генерации излучения, которые можно задать.

Оптическое волокно обладает следующими параметрами, которые можно задавать для моделирования: длина (Length), затухание (Attenuation) и рядом других. Они представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Параметры оптического волокна

Сигнал поступает на модулятор Маха-Цендера, параметры которого показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Параметры модулятора оптического излучения типа Маха-Цендера

Базовый параметр модулятора - Extinction ratio: это коэффициент экстинкции (коэффициент ослабления сигнала), определяемый как отношение максимального коэффициента пропускания оптического модулятора к минимальному.

В схеме используется генератор псевдослучайных битов с выходными электрическими сигналами, к нему подключен кодер NRZ, также с выходными электрическими сигналами в цифровом формате, сигнал от которого поступает на модулятор Маха-Цендера и BER анализатор.

Генератор псевдослучайных битов (PRBS Generator) - это устройство или алгоритм, который генерирует последовательность битов (обычно 0 и 1), которую можно с некоторым приближением можно считать случайным набором логических нулей и единиц. Следует отметить, что программа может “запомнить” генерируемый набор битов при необходимости его повторного использования.

Параметры этого генератора представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Параметры генератора псевдослучайных бит PRBS- генератора

Параметр “Bit rate” генератора задает скорость передачи битов псевдослучайной последовательности. В настоящей работе скорость передачи выбрана равной 10 Гб/c.

NRZ (Non-Return-to-Zero) кодер - это устройство или программное обеспечение, которое формирует цифровой сигнал с формой импульсов, соответствующих NRZ кодировке. NRZ-кодировка - это один из способов кодирования цифровых данных, при котором уровень напряжения сигнала остается постоянным на протяжении всего битового интервала, если передается логическая единица ("1"), и остается на уровне напряжения, близком к нулю, если передается логический ноль ("0"). Соответственно, при передаче подряд 2-х логических единиц уровень напряжения сигнала не меняется два битовых интервала подряд и т.д.

Параметры NRZ-генератора изображены на рисунке 6.

Рисунок 6. Параметры NRZ генератора

Параметр “Amplitude” (амплитуда) - это максимальное значение амплитуды сигнала, то есть максимальная величина изменения сигнала относительно нулевого уровня. В NRZ-генераторе амплитуда обозначает значение уровня сигнала логической единицы. По умолчанию уровень сигнала логического нуля равен нулю. Например, если амплитуда сигнала составляет 1 В, это означает, что сигнал может изменяться между уровнями 0 В и 1 В.

К модулятору Маха-Цендера, через волоконную линию связи, подключен фотоприемник на основе PIN-фотодиода. Параметры фотодетектора представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Параметры PIN-фотодетектора

Параметр “Responsivity” (отклик) представляет собой отношение выходного тока фотодетектора к мощности света, падающего на него. Чем он выше, тем более чувствительным является фотодетектор к свету. Параметр “Dark сurrent’ характеризует темновой ток фотодетектор. Он может создавать фоновый уровень для сигнала и ухудшать соотношение сигнал/шум (SNR) в оптической системе. Чем ниже его уровень, тем лучше, так как это обеспечивает более низкий фоновый уровень сигнала и более высокое значение отношения сигнал/шум SNR (signal-to-noise ratio) на выходе фотоприемника.

Анализатор (измеритель) коэффициента ошибок - BER Analyzer:  это устройство или программное обеспечение, которое используется для измерения и анализа качества цифровой связи путем оценки (измерения)  уровня ошибок в передаваемых битах данных. BER Analyzer подключен к выходу фотоприемника через фильтр низких частот.

Низкочастотный фильтр Бесселя (Low Pass Bessel Filter) - это тип электронного фильтра, который пропускает частоты ниже определенной частоты среза. Параметры фильтра представлены на рисунке 8.

Рисунок 8. Параметры фильтра низких частот Бесселя

Параметр “cutoff frequency” -  частота среза фильтра низких частот: это частота, на которой амплитуда выходного сигнала уменьшается на -3 дБ (или в 0,707 раз по напряжению) от его значения на частотах ниже частоты среза.

Для математической модели канала волоконно-оптической связи было выставлено общее количество итераций (повторных вычислений), равное 10 (рисунок 9). Порядок задания итераций в программе представлен на рисунке 9.

Рисунок 9. Интерфейс программы для задания количество итераций в расчетах

Аналогично, на рисунке 10 показан интерфейс программы для задания мощности передатчика ВОЛС в расчетах – каждый расчет производится со своей мощностью, и с каждой следующей итерацией мощность дискретно увеличивается.

Рисунок 10. Интерфейс программы для задания общего диапазона мощности, излучаемой CW-лазером передатчика ВОЛС и его значений для каждой итерации

После того как были произведены все вышеперечисленные действия, была выполнена симуляция работы схемы. В ходе численного эксперимента и получения результатов расчетов, был составлен график зависимости коэффициента ошибок BER от выходной мощности лазера передатчика  в диапазоне ее изменения от -10 до 10 дБм (0,1 – 10 мВт). График этой зависимости показан на рисунке 11.

Рисунок 11. График зависимости коэффициента ошибок BER от выходной мощности лазера передатчика ВОЛС

Так как расчет производился неоднократно (задавалось десять итераций), то на графике по оси ординат отложено минимальное расчетное значение коэффициента ошибки BER среди всех итераций. Для удобства визуализации в широком диапазоне изменения коэффициента ошибок по оси ординат отложен десятичный логарифм этой величины - log₁₀(BER). Этот логарифм равен  степени значения коэффициента ошибки BER, если он выражается через  основание 10 (например, BER=10^-12). То есть на графике, представленном на рисунке 11, если обозначить отложенную по оси ординат величину как k (k=log₁₀(BER)), то абсолютное значение коэффициента ошибки BER будет равно 10^k.

По оси абсцисс оптическая мощность лазера передатчика представлена в единицах дБм, а не абсолютной мощности.  

Как видно по данному графику, коэффициент ошибки BER уменьшается с увеличением выходной мощности передатчика при его малой мощности, так как увеличивается отношение сигнал/шум. Однако на определенном уровне мощности наступает ситуация, когда параметр BER не изменяется при увеличении мощности в некотором диапазоне ее изменения (область плато характеристики), что и видно на данном графике. Соответственно, в этом диапазоне мощности передатчика ВОЛС коэффициент ошибки от отношения сигнал/шум не зависит.

При дальнейшем увеличении уровня мощности передатчика происходит небольшое увеличении коэффициента ошибки, что также видно на данном графике, данная область находится справа от области плато полученной характеристики. Причина этого увеличения BER - нелинейно-оптические свойства волоконного световода, а именно – эффект фазовой самомодуляции [2].

Таким образом, в ходе работы построена модель канала волоконно-оптической линии связи в специализированной программе “OptiSystem” и рассчитана зависимость коэффициента ошибок от уровня входной мощности при длине линии связи 50 км.