Математическое моделирование высокоскоростных волоконно-оптических линий связи на основе спектрально-эффективных методов модуляции сигнала

• Автор: Редюк, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1 Введение в математическое моделирование волоконно-
оптических линий связи
1.1 История развития волоконной оптики
1.2 Ключевые технологии оптической связи
1.3 Паттерн-эффект
1.4 Математические модели
Глава 2 Метод расщепления по физическим процессам
2.1 Режимы распространения импульса в световоде
2.2 Выбор шага по пространственной переменной
2.3 Комплекс программ
2.4 Заключение по главе
Глава 3 Моделирование многоканальной линии связи с амплитудным
методом модуляции
3.1 Постановка задачи
3.2 Прямой счёт статистики ошибок
3.3 Анализ паттерн-эффекта
3.4 Заключение по главе
Глава 4 Моделирование паттерн-эффекта при использовании фазовых методов модуляции
4.1 Постановка задачи
4.2 Статистика ошибок
4.3 Нелинейные искажения сигнала
4.4 Распространение одиночных триплетов
4.5 Заключение по главе
Глава 5 Моделирование экспериментального прототипа линии связи на основе дифференциального фазового метода модуляции без возвращения к нулю
5.1 Результаты лабораторных экспериментов
5.2 Результаты численных расчётов
5.3 Оптимизация параметров ВОЛС
5.4 Заключение по главе
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение
Актуальность темы. Волоконная оптика является относительно молодым, актуальным и интенсивно развивающимся современным направлением оптической физики. Начало бурного развития данной области пришлось на конец 80-х годов прошлого века и продолжается в настоящее время. Постоянный рост объёма передаваемой информации и процессы глобализации общества стимулируют исследователей к созданию эффективного способа передачи больших массивов данных на большие расстояния. На сегодняшний день волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) являются самым эффективным средством передачи огромного объёма информации как на магистральные (~1000 км), так и на трансокеанские (^10000 км) расстояния. Суммарная пропускная способность современных высокоскоростных линий связи со спектральным уплотнением каналов может составлять порядка 10 Тбит/с при скорости передачи данных в одном частотном канале до 100 Гбит/с и дальности передачи в несколько тысяч километров.
Широкое распространение интернета, цифровых коммуникаций, технологий передачи и обработки информации в режиме реального времени обуславливает постоянный спрос на увеличение пропускной способности и дальности передачи ВОЛС, что является одной из наиболее актуальных задач. Увеличения пропускной способности можно добиться либо путём расширения используемого спектрального диапазона, либо при помощи увеличения спектральной эффективности передачи данных, определяемой как отношение скорости передачи информации в одном частотном канале к расстоянию между соседними частотными каналами. Спектральный диапазон оптических линий связи ограничен окнами прозрачности кварцевого световода, в которых сигнал имеет минимальное затухание. Увеличить спектральную эффективность можно путём использования многоуровневых методов модуляции сигнала и/или путём уменьшения расстояния между соседними частотными каналами. Однако каждый из этих способов приводит к тому, что на передачу данных начинают оказывать значительное влияние так называемые нелинейные эффекты, и искажения сигнала определяются сложным взаимодействием шумов, линейных эффектов и нелинейности.

Одним из следствий такого взаимодействия является зависимость искажения сигнала от вида передаваемых данных, называемая паттерн-эффектом. Наиболее наглядным примером паттерн-эффекта является наличие битовых последовательностей, которые вносят непропорционально большой вклад в общее число ошибочно принятых битов. В этом контексте знание особенностей нелинейных искажений сигнала и статистики ошибочных битов может быть использовано современными методами коррекции ошибок для улучшения эффективности обработки передаваемого сообщения.
Стоит отметить, что современные ВОЛС являются сложными и дорогостоящими системами. Качество передачи информации по таким системам зависит от большого числа характеристик среды передачи, оптического сигнала, приёмопередающих и усилительных устройств. Процессу ввода линии в эксплуатацию предшествуют длительные и массивные экспериментальные и численные исследования, направленные на нахождение оптимальных значений различных характеристик. Учитывая этот факт, а также всё вышеизложенное, можно сделать вывод, что математическое моделирование современных ВОЛС с использованием высокопроизводительных вычислительных комплексов является сложной и актуальной задачей.
Цели работы. Разработка инструментария для моделирования передачи информации по современным высокоскоростным волоконно-оптическим линиям связи, а также методов анализа характера искажений оптических сигналов в нелинейном режиме распространения. Создание комплекса программ, адаптированного для численного моделирования на высокопроизводительных вычислительных комплексах. Исследование влияния хроматической дисперсии, шумов усилителей и нелинейных искажений на качество передачи информации по многоканальным высокоскоростным ВОЛС.
Решаемые задачи.
1. Разработка и адаптация математических моделей, описывающих различные устройства ВОЛС, и численных методов, ориентированных на вычисления на высокопроизводительных вычислительных комплексах.
2. Разработка комплекса программ для моделирования распространения оптического сигнала по ВОЛС и статистической обработки принятого сигнала.
3. Изучение влияния паттерн-эффекта на качество передачи сигнала для

рассеяния Манделынтама-Бриллюэна (ВРМБ). ВКР и ВРМБ по своей природе очень похожи, а основное различие между этими эффектами состоит в том, что в ВКР принимают участие оптические фотоны, тогда как в ВРМБ — акустические. О влиянии эффектов ВКР и ВРМБ в современных ХУБМ-системах можно сказать, что эффект ВКР существенен для систем с сотнями каналов, а эффектом ВРМБ можно пренебречь для импульсов короче 10 не.
Четырёхволновое смешение заключается в том, что при наличии двух оптических волн с частотами од и од возникают ещё две волны с частотами из = 2сщ — сь>2 и ид = 2ид — Ш. Причём новообразованные волны усиливаются за счёт исходных. Аналогичные процессы происходят и в том случае, когда имеются три или больше оптических волн. При этом должно быть обеспечено согласование как значений частот, так и волновых векторов всех волн,
1.4.1 Нелинейное уравнение Шрёдингера
Распространение оптических импульсов вдоль ВОЛС описывается обобщённым нелинейным уравнением Шрёдингера для комплексной огибающей амплитуды электромагнитного поля А(г^) [77]-[80]:
,&4 02 д2 А
г^+гаЛ~^-гЛ0+
шодЬ ) дЬ
= 0. (6)
Учитывая параметры оптических импульсов, используемых в современных линиях связи, для описания их динамики можно использовать нелинейное уравнение Шрёдингера, получаемое из (6) отбрасыванием малых слагаемых, связанных с нелинейной дисперсией:
.дА . „ /32д2А ,/?3д3А . |
г_ + гаЛ--— -г-— + 1А А-0. (7)
Здесь 2 — расстояние вдоль линии, Ь — время, А2 — мощность, /32 — параметр дисперсии групповой скорости, /?3 — дисперсионный член третьего порядка, а — коэффициент затухания, у — коэффициент керровской нелинейности. Величины /?2, Д, а и 7 представлены как функции от г, чтобы учесть изменения
этих параметров при переходе от одного типа световода к другому. Коэффици-
, „ 27ГП
ент нелинейности 7 определяется формулой 7 = -—-—, где п2 — нелинейный
А о А;//