2. Принципы построения и основные особенности
волоконнооптических
систем передачи в городских телефонных сетях.
Особенностью соединительных
линий является относительно небольшая их
длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения
протяженности соединительных линий
городской телефонной сети в крупнейших городах
свидетельствует, что соединительные линии протяженностью до 6 км составляют 65% от всего числа соединительных линий.
Значительные расстояния
между регенерационными пунктами
волоконнооптических систем передачи дают возможность отказаться от
оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от
организации дистанционного питания (рис2.1).
В наиболее общем виде принцип передачи информации в
волоконно-оптических системах связи изображен на рис.2.2.
На передающей стороне на
излучатель света, в качестве которого в
волоконнооптической системе связи используется светодиод или полупровод-никовый
лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал
модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего
электрический сигнал преобразуется в оптический. На прием-ной
стороне сигнал из оптического
волокна вводится в фотодетектор. В
современных волоконнооптических системах передачи в качестве фотоде-тектора
используют p-i-n или лавинный фото диод.
Фотодетектор преобразует падающее на него
оптическое излучение в исходный
электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель
(регенератор) и отправляется получателю сообщения.
Выбор элементной базы при реализации волоконнооптических систем передачи и параметры её линейного тракта зависят от
скорости передачи символов цифрового сигнала. Существуют установленные правила
объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного
объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в
ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени
объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость
передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во
вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов
предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие
стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно
ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с
(30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264
Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить
о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов
электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).
Аппаратура, в которой выполняется объединение этих
сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На
выходе этой аппаратуры цифровой сигнал обрабатывается скремблером, то есть
преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его
свойства к свойствам случайного сигнала (рис.2.3).
Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от
статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может
подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществля-ется при
помощи аппаратуры электрического стыка.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аппаратура оптического линейного тракта
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
|
|
 |
Для каждой иерархической
скорости рекомендуются свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для
четверичной – код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала,
поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет
преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом
линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой волоконнооптической системы передачи
выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается
цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего
оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи
строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического
линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.
2.1
Линейные коды в
волоконнооптических
системах передачи
Оптическое волокно, как
среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического
передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового
сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому
между оборудованием стыка и линейным трактом волоконнооптической системы
передачи помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи
сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во-первых, нелинейность
модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической
мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых
кодов.
Во-вторых, вид энергетического спектра, который
должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ)
компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части.
Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от
информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не
искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника, желательно иметь
низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра
подавленной. В противном случае для реализации оптимального приёма перед
решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного
устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет
оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения
низкочастотной составляющей сигнала
- оптическая мощность, излучаемая
полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко
стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему
значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть
спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные
устройства, компенсирующие эти изменения.
В-третьих, для выбора кода,
высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В
приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты
синхронизи-рующего колебания, необходимого для управления принятием решения в
пороговом устройстве. Осуществить
синхронизацию тем проще, чем больше число переходов логического уровня в
цифровом сигнале. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и
простоты реализации схемы выделения синхронизирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом
спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.
В-четвертых, код не должен
иметь каких-либо ограничений на передава-емое сообщение и обеспечивать
однозначную передачу любой последовательно-сти нулей и единиц.
В-пятых, код должен
обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной,
характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или
коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно
принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо
производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает
использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение
правил формирования кода, что бы контролировать качество связи.
Кроме вышеперечисленных
требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое
потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.
В современных оптоволоконных
системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для
передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству
вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание
простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с
помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип
построения представлен на рис.2.4).
Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –в кодовое слово
00, символ 0 -в 01. Из рисунка 2.4
видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует
о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые
суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину
ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за
другом символов не превышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно
использовать для передачи служебных сигналов.
|
|
 |
2.2
Источники излучения волоконнооптических систем передачи
Источники излучения волоконнооптических систем передачи должны
обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов
модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и
обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной
эффективностью. Для волоконнооптических
систем передачи потенциально пригодны
твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий алюминиевый
гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой, у которого
основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм.
Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако
большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются
основными причинами, по которым этот источник не используется в
современных волоконно- оптических
системах передачи. Практически во всех волоконнооптических системах передачи,
рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас
используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них
характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие
оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых
источников излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечения
модуляции.
2.3
Детекторы волоконнооптических
систем передачи
Функция детектора
волоконнооптической системы передачи сводится к преобразованию входного
оптического сигнала, который затем подвергается усилению и обработке схемами
фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить
форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть
обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и
чувствительностью. Кроме того, фотодетектор
должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с
оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям
параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно
удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для
применения в волоконнооптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n
фотодиоды и лавинные фотодиоды. Они имеют малые размеры и достаточно хорошо
стыкуются с волоконными световодами.
Достоинством лавинных
фотодиодов является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать
чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в
детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных
фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и
температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а
следовательно фототок и чувствительность лавинного фотодиода, сильно зависят от
напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются
в ряде современных волоконнооптических
системах связи, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5.
2.4
Оптические кабели в волоконнооптических системах передачи
Оптический кабель
предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных
электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время
используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним
инфракрасным волнам. оптического диапазона.
Передача света по любому
световоду может осуществляться в двух
режимах: одномодовом и многомодовом.
где l - длина волны передаваемого
излучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов световода.
Если неравенство (1.1) не
удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим.
Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно
радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны
передаваемого света.
Различают световоды со
ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1
одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1
уменьшается от центра к периферии (рис.2.6).
Фазовая и групповая скорости
каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является
дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из
причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных
мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма
существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям
многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал
искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый
световод можно ввести большую мощность.
На сегодняшний день
промышленностью выпускаются оптические кабели имеющие четыре и восемь
волокон(марки ОК). Конструкция ОК-8 приведена на рис.2.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно
располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон – повивная,
концентрическая. В центре – силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей
в пластмассовой трубке 4. Снаружи – полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель
ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем
заменены пластмассовыми стержнями.
К недостаткам
волоконнооптической технологии следует отнести:
А. Необходимость использования
оптических коннекторов с малыми
оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность
изготовления таких элементов линии связи очень высока. Поэтому производство
таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
Б. Монтаж оптических волокон требуется прецизионное, а
потому дорогое, технологическое оборудование.
В. При аварии (обрыве)
оптического кабеля затраты на восстановление выше,
чем при работе с медными кабелями.
Тем не менее, преимущества
от применения волоконнооптических линий связи
настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки
оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи
информации.
2.5
Особенности
одноволоконных оптических
систем передачи
Широкое применение на
городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации
меж узловых соединительных линий позволяет
решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие
годы потребность в увеличении числа
каналов будет быстро расти. Наиболее
доступным способом увеличения пропускной способности волоконных оптических систем передачи в два
раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в
противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных
исследований и разработок одноволоконных оптических систем передачи позволяет определить принципы
построения таких систем.
Наиболее распространенные и
хорошо изученные одноволоконные оптические системы передачи, работающие на
одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат
пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей на
оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии –
соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и
устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить
пропускную способность и соответственно снизить
стоимость в расчете на один канало- километр.
Увеличить развязку между
противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим
разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно
путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного
направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование
сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию
длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений.
В волоконнооптических системах передачи,
построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые
волоконнооптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу
разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления
накачки.
Развязку между оптическими
сигналами можно увеличить, не прибегая к
сужению импульсов, если для передачи в одном направлении используется
когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом
– модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние
как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.
Если позволяет
энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть
использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На
другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор
отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному оптическому
волокну обеспечивает высокую надежность оборудования и применение
волоконнооптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.
По достижении высокого
уровня развития волоконнооптической техники, когда станет практически возможным
передавать оптически сигналы на различных модах оптического волокна с
достаточной для волоконнооптической
системы передачи развязкой, дуплексная связь по одному оптическому волокну может быть организована на двух разных модах,
распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и
формирователей мод излучения.
Каждая одноволоконная
оптическая система передачи из
рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 2.1 показаны достоинства
(знаком «+») систем, их возможности
в отношении достижения наилучших параметров.
Таблица
2.1 - Сравнительная характеристика
принципов построения одноволоконных
оптических систем передачи.
|
Тип волоконно- оптической системы передачи
|
Минимальное затухание, максимальная длина РУ
|
Защищен-ность сигналов
|
Большой объем передаваемой
информации
|
Относи-тельно низкая стоимость
|
Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям
|
|
С
оптическими разветвителями
|
|
|
|
+
|
|
|
С
оптическими циркуляторами
|
+
|
|
|
|
|
|
Со
спектральным уплотнением
|
|
+
|
+
|
|
|
|
С
разделением по времени с использованием оптических переключателей
|
|
+
|
|
|
|
|
С
разделением по времени с использованием оптических усилителей
|
+
|
+
|
|
|
|
|
С
когерентным излучением в одном направлении и модуляцией интенсивности в
другом
|
|
+
|
+
|
|
|
|
С
одним источником излучения
|
|
|
|
+
|
+
|
|
С
модовым разделением
|
|
|
+
|
|
|
|
С
когерентным излучением для обоих направлений с разными видами модуляции
|
+
|
+
|
+
|
|
|
2.6 Построение передающих и приемных устройств в
волоконнооптических системах
передачи
2.6.1
Виды
модуляции оптических колебаний.
Для передачи информации по
оптическому волокну необходимо изменение параметров оптической несущей в
зависимости от изменений исходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.
Существует три вида
оптической модуляции:
Прямая модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью)
оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону
изменения модулирующего сигнала (рис.2.9).
Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы,
выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от
воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей.
Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры
оптической несущей (рис.2.10).
Внутренняя модуляция. В этом случае исходный сигнал управляет параметрами модулятора,
введённого в резонатор лазера (рис.2.11).
Для
внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ) модуляторы.
Принцип действия
электрооптического модулятора основан на электрооптическом эффекте – изменении
показателя преломления ряда материалов под действием электрического поля. Эффект,
когда показатель преломления линейно зависит от напряженности поля, называется
эффектом Поккельса. Когда величина показателя преломления нелинейно зависит от
напряженности электрического поля, то это эффект Керра.
Акустооптические модуляторы
основаны на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления
вещества под воздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны
возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от
генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.
Наиболее простым с точки
зрения реализации видом модуляции является прямая модуляция оптической несущей
по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. На рис.2.12 представлена схема простейшего
прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётся на базу
транзистора V1, в коллектор которого включен излучатель V2.
Устройство смещения позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной
характеристике излучателя.
2.6.2
Оптический
передатчик прямой
модуляции
Структурная схема
оптического передатчика прямой модуляции приведенная на рис.2.13, является
оптимальной, т.к. наиболее рационально реализует все функциональные
возможности и достоинства выбранного вида модуляции.
Преобразователь кода ПК преобразует стыковой
код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор.
Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля
(ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты
излучения полупроводникового лазера или
светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный
усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный
оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности
излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через
вспомогательное волокно ОВ-2 подается
часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода,
отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается
усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом,
создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель.
Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя.
При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода
смещается (рис.2.14), и при
отключенных цепях стабилизации мощности уровень оптической мощности при
передаче «0» (Р0) и при передаче «1» (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iб и
порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0 уменьшается. После
времени установления переходных процессов в цепях стабилизации устанавливаются
новые значения Iб и Iп и восстанавливаются
прежние значения Р1-Р0 и Рср. Для уменьшения температурной зависимости
порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термостабилизации
(СТС), поддерживающая мощность излучения передающего оптического модуля постоянной при
изменении температуры от номинального значения.
|
|
 |
2.6.3.
Оптический
приемник
Структурная схема оптического
приемника (ОПр) показана на рис.2.15.
Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в
электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного
электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр
(Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный
прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В линейной коррекции
компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и
первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход
решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от
устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом
символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК),
преобразующий код линейный в стыковой код.
