Цифровые волоконно-оптические системы связи

Развитие цифровой техники и преимущества, свойственные цифро­вой передаче информации (высокая помехозащищенность и нечувстви­тельность к нелинейности тракта передачи), привели к широкому ис­пользованию цифровой связи для передачи всех видов сообщений. Циф­ровые сигналы передаются по кабельным, спутниковым, радиорелейным линиям. ВОСС в этом смысле не является исключением. Наоборот, этот вид модуляции считается наиболее перспективным для световодных систем в обозримом будущем, так как выходная характеристика полупроводникового лазера - основного источника систем передачи существенно нелинейна.

Основным методом преобразования аналогового сигнала электро­связи в цифровой сигнал является, как известно, импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Рис.9.11. Структурная схема системы интерактивного кабельного телевидения

ВОСС с ИКМ отличается от соответствующей кабельной системы, главным образом линейным оборудованием и средой передачи сигналов. Поэтому, рассматривая работу цифровой ВОСС, необходимо выделить, пре­жде всего, ее отличительные особенности:ход в линии передачи сигнала, оптические приемник и передат­чик, построение линейного тракта, а также проследить влияние этой системы на проектирование сетей связи.

Выбор элементной базы и параметры линейного тракта ВОСС зави­сят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ устано­вил правила объединения цифровых сигналов и определил иерархии ап­паратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной aаппаратуры, при которой на каждой ступени объединяется определенное число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени, а скорость передачи сим­волов образованного цифрового сигнала электросвязи представляет возможность для дальнейшего объединения с другими сигналами электросвязи, имеющими такую же скорость передачи.

Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи сигналов для различных ступеней иерархии (соответственно емкости в телефонных каналах): первая ступень – 2,048Мбит/c(120 телефонных каналов); вторая – 8,448Мбит/с (120 теле­фонных каналов); третья – 34,368Мбит/c (480 телефонных каналов); четвертая – 139,264Мбит/с (1920 телефонных каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четверичной группах цифровых каналов связи (в том же порядке присвоено название системам ИКМ), представляет собой соответствующие многоканальные цифровые сигналы. Более высокие иерархические системы находятся в процессе изучения.

Сигналы первичной системы ИКМ можно, но экономически не целесообразно передавать по волоконно-оптическому кабелю, поэтому ис­пользование световодных систем ориентировано преимущественно на передачу вторичных, третичных и четверичных групп цифровых сигна­лов.

На основе рассмотренных иерархических систем ИКМ могут даваться городские, зоновые и магистральные сети связи,

Цифровые сигналы во вторичной, третичной, четверичной системах получены объединением цифровых сигналов четырех предыдущих иерар­хических систем. Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется оборудованием временного объединения цифровых сигналов (рис.9.12). На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером 2, т.е. преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства ксвойствам случайного сигнала. Это по

Достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статических свойств источников информации.

Цифровой сигнал после скремблера может подаваться на вход любой цифровой системы связи, что осуществляется при помощи аппа­ратуры электрического стыка. Каждой иерархической скорости МККТТ рекомендованы свои коды стыка. Операцию преобразования бинарного кода, поступающего от оборудования временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода 3. К оборудованию стыка так­же относится соединительная линия длиной от единиц до сотен мет­ров, соединяющая обе части оборудования цифровой волоконно-оптичес­кой системы передачи. Код стыка может отличаться от кода, принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСС выполняет преобразователь кода 4, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий излучение оптического передатчика 5.

Рис 9.12. Оконечное оборудование цифровой волоконно-оптической системы передачи: 1 – оборудование временного объединения; 2 – скремблер; 3,4 – преобразователь кода; 5 – оптический передатчик.

Модулированное оптическое излучение с помощью согласующего устройства вводится в ВОК. Строительные длины кабеля со­единяются между собой при помощи разъемных и неразъемных соедине­ний, полоса пропускания идеального световода, не имеющего неоднородностей, обратно пропорциональна его длине ∆F_L=∆F/L,где ∆F – полоса пропуcкания волокна в МГц∙км, L – протяженность волокна в км. Такая полоса реализуется при отсутствии преобразования мод в волокне и определяется различием группового времени распростране­ния мод, а также внутримодовой и материальной дисперсией.

В оптический линейный тракт могут включаться оптические кор­ректоры, которые способствуют выравниванию груп­пового времени распространения мод в световоде и увеличению. При использовании модовых смесителей (модовых скремблеров) ширина полосы пропускания оптического волокна будет определяться как

. (9.4)

В реальном световоде из-за взаимодействия направляемых мод на неоднородностях полоса пропускания пропорциональна L^-δ, где 0,5≤δ<1. При полном смешении мод значение δприближается к0,5, соответствующему случаю скремблирования.

Наряду с полезным эффектом расширения полосы частот ∆F_L, взаимодействие мод сопровождается увеличением затухания в свето­воде на величину δ_СМ∙L,при этом, чем больше относительное расши­рение полосы ,тем больше дополнительное затухание. При установившемся распределении мод связь этих величин определя­ется равенством

, (9.5)

где k – постоянная, которая не зависит от размеров волокна и пока­зателя преломления, а определяется профилем показателя преломления, затуханием и статистическим распределением функции связи мод вдоль волокна. Для волокна с параболическим профилем величина k приблизительно равна 0,18 дБ.

Затухание световода приводит к уменьшению интенсивности распространяющихся по нему оптических импульсов, а конечное значение ширины полосы пропускания – к уширению этих импульсов. Для восста­новления формы, амплитуды и временных характеристик цифровой пос­ледовательности в ВОСС, также как в цифровых системах с другой сре­дой передачи, используется регенератор. Регенератор состоит из фотоприемника, устройства обработки сигнала, оптического передатчика и устройства контроля. Различают линейные регенераторы, устанавлива­емые вдоль линейного тракта системы в необслуживаемых регенерационных пунктах (НРП), обслуживаемых пунктах с гарантированным элек­тропитанием (OРП) или на попутных АТС, и станционные регенераторы, устанавливаемые на оконечных станциях и входящие в состав прием­ной части станционного оборудования линейного тракта.

Расстояние между регенераторами зависит от общих потерь в оптическом тракте, величины оптической мощности, введенной в свето­вод на передающей стороне и минимальной требуемой мощности прини­маемого оптического сигнала, которая определяется заданной величи­ной вероятности ошибки Р_ОШ, конструкцией фотоприемника, типом ис­пользуемого фотодиода, длительностью и формой оптического импульса на выходе оптического передатчика, амплитудно-частотной характерис­тикой оптического тракта и фотоприемника и т.д.

В технической литературе принято пользоваться относительной мощностью дБм. Это – мощность в децибелах относительно одного милливатта, определяемая соотношением P(дБм)=10∙lgP(мВт).

Приближенное значение требуемой мощности можно оценить также по формулам:

В формулах (10.6 – 10.9 ) Р_p-i-n и Р_ЛФД в дБм, В- в Мбит/с. Расстояние между регенераторами зависит также от величины уширения оптических импульсов в световоде. Если среднеквадратическая ширина импульса больше половина интервала между импульсами Т, то возможность различить два соседних импульса сильно уменьшается.

Величина ∆ называется полным раскрывом «глаз-диаграммы». С увеличением перекрытия импульсов ∆ уменьшается. Если ширина по­лосы световода такова, что уширение импульса меньше 0,25∙Т, то расстояние между оптическим передатчиком и регенератором определяется потерями в оптическом тракте. Если уширение импульса превышает 0,5∙Т, то длина кабеля должна бать уменьшена по сравнение с длиной ограниченной потерями, чтобы уменьшить перекрытие импульсов до требуемого уровня. Относительно этих двух ситуаций рассматривают систему, ограниченную по потерям или по полосе.

В регенераторе искаженный цифровой сигнал восстанавливается с заданной точностью поамплитуде, форме и временным характеристи­кам и с помощью согласующего устройства оптического передатчика регенератора вводится в ВОК. Сигнал проходит новый участок регенерации, восстанавливается в следующей регенераторе и т.д. Этот про­цесс продолжается до тех пор, пока оптический сигнал не достигнет фотоприемника станционного регенератора.

После восстановления в станционном регенераторе электрический цифровой сигнал преобразуется в цифровой сигнал в коде стыка преобразователем кода, аналогичным преобразователи кода 4, затем по соединительной линии сигнал достигает преобразо­вателя кода оборудования стыка, на выходе которого получается сиг­нал в бинарном коде. После этого устройство, называемое дескремблер, выполняет над сигналом операции, обратную скремблированию, и исход­ный цифровой сигнал поступает в оборудование временного разделения.

Отличительные особенности в построении линейного тракта циф­ровой световодной системы передачи начинаются собственно с выбора кода и преобразователя кода, осуществляющего операцию преобразова­ния хода стыка в выбранный код системы. Чтобы понять эти особеннос­ти, рассмотрим сначала, какие требования предъявляются к цифровому сигналу в связи с передачей его по ВОСС.