Лекция № 14 Основные узлы волоконно-оптических систем передачи

Классификация волоконно-оптических систем передачи. Способы уплотнения оптических кабелей

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) вхо­дят следующие технические средства:

1) каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи;

2) оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для со­пряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика;

3) оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразо­вание электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) - оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое
для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ);

4) оптический кабель, волокна которого (ОВ) служат средой рас­пространения оптического излучения;

5) оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождению по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенера­ция и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и опти­ческого сигнала с помощью оптических квантовых усилителей;

6) оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптиче­ского излучения и преобразования его в электрический сигнала; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согла­сующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ);

7) оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразую­щее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответст­вующего КОО;

8) каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осу­ществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис. 1.

Для модуляции оптической несущей многоканальным электриче­ским сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновен­ное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

где - амплитуда поля; - соотвтетственно частота и фаза

оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения будет равно

а усредненное значение по периоду равно

Величина называется средней интенсивностью или мощно­стью оптического излучения. _

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина Р изме­няется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов - фотонов с энергией где_- постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характе­ризовать интенсивностью потока фотонов (числом в единицу време­ни) которая и модулируется многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при по­строении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования опти­ческого сигнала в электрический, т.е. демодуляции.

Существует разнообразная классификация ВОСП, но в основном применяется следующая.:

1. ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования делятся на:

аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе анало­говых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комби­нации) или параметров периодической последовательности им­пульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);

цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидно­стей; самое широкое применение находят ЦВОСП.

2. ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излу­чения подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интен­сивности оптического излучения и соответствующей его демодуля­ции, называемые иногда прямой модуляцией и широко приме­няемой в большинстве ЦВОСП;

волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми мето­дами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.

3. ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оп­тического сигнала подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляци­ей или н епосредст- венным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излуче­ния в электрический сигнал, напряжение или ток которого одно­значно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;

когерентные волоконно-оптические системы передачи, в кото­рых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несин­хронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточ­ной частоте.

При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты f_c на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой f_r, на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота f_npoNi = f_c - f_r, на которой и осуществляются дальнейшие пребразования оптического сигнала в электрический.

При гемодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеро­дина должны быть одинаковыми (f_c = f_r), а фазы синхронизи -рованы.

4. По способу организации двусторонней связи ВОСП подразде­ляются на:

а) двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (ОВ) и осуществляются на одной длине волны L Каждое 0В является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсут­ствуют, то тракты передачи и приема различных систем организу­ются по одному кабелю, т.е. такие ВОСП являются однокабельными однополосными.

Принцип построения двухволоконной однокабельной однополос­ной ВОСП показан на рис. 2, где приняты обозначения:

КОО - каналообразующее оборудование; ОС - оборудование сопряжения; ОПер - оптический передатчик; ОВ - оптическое во­локно; Опр - оптический приемник; достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов пере­дачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - весьма низкий коэффициент использования пропускной способно­сти ОВ;

б) одноволоконную однополосную однокабельную (рис. 3), осо­бенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны; на рис. 3 к ранее принятым обозначениям добави­лись следующие:

ОРУ - оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направляемой волны оптического излучения;

в) одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптическо­го излучения а в другом - разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения; обобщенная схема такого способа организации двусто­ронней связи приведена на рис. 4, здесь- направляющие оптические фильтры, выделяющие соответствующие длины

волн;

5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на:

а) магистральные ВОСП, предназначенных для передачи сооб­щений на

тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;

б) зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протя­женностью до 600 км;

в) ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;

г) ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.

6. По методам уплотнения оптического волокна, в основе кото­рых лежит процесс мультиплексирования, т.е. одновременной пере­дачи нескольких потоков светового излучения по одному волокну, ВОСП подразделяются на:

а) ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексиро­ванием с разделением длин волн (wavelength - division multiplexing, WDM), при котором по одному ОВ одновременно передается не­сколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальный сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием. Возмож­ность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соот­ветствующего окна прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разде­ления, по одному ОВ можно организовать несколько широкополос­ных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Структурная схема ВОСП со спек­тральным разделением оптических каналов показана на рис. 5, где к уже принятым обозначениям добавляются новые:

ОФМС - оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согла­сованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемни­ком (ОПр);

УСО (или MUX - мультиплексор WDM) - устройство спектрального объединения, осуществляющее ввод различных оптических несущих в одно оптическое волокно (ОВ); УСР (или DMUX - демультиплексор WDM) - устройство спектрального разде­ления, где оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники..

На передающей станции имеется п систем передачи, сигналы которых подаются на п оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие .

С помощью УСО осуществляется ввод различных несу­щих в ОВ. На приемной стороне в УРС оптические несущие разде­ляются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разде­ленных оптических каналов, т.е. пропускная способность ОВ уве­личивается в л раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи. Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков. При этом расширяются возможности передачи различных сигналов (телефо­нии, телевидения, телеметрии, передачи данных и др.) с различными скоростями или шириной полосы частот и типами модуляции --цифровой и аналоговой. Все это обеспечивает создание экономич­ных многофункциональных телекоммуникационных систем и сетей.

Для объединения и разделения оптических несущих могут ис­пользоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсия, дифракция и интерфе­ренция. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифрак­ционная решетка и др.

б) ВОПС с частотным или гетеродинным уплотнением. В сис­темах передачи с частотным мультиплексированием исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трак­тах отводятся определенные полосы частот. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного, но достаточно стабильного, с помощью соответствующего сдвига оптической несущей. Уплотнение, использующее такой принцип формирования оптических несущих, называется частотным или гетеродинным уплотнением. Структурная схема, поясняющая принцип формирования группового оптического сигнала, приведена на рис. 6. Оптическое излучение с выхода источника оптического излучения (ИИ), содержащего ряд несущих поступает на анализатор , представляющий собой спектральную призму Глана-Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму- на фильтр первого канала Это фильтр пропускает оптическую несущую первого каналак оптическому модулятору ОМ_Ь где она и моду­лируется информационным оптическим сигналом (ОС»). Оптическое излучение с частотами отражается фильтром

и возвращается к анализатору Л». По пути оно вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор Оптическая несущая первого канала, промодулированная в ОМ₁ информационным сигналом, отражаясь от зеркала также возвраща­ется к анализатору

Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедше­го четвертьволновую призму, поворачивается на по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем свето­вой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнала поступает на анализатор и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой аким образом, формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическое волокно кабеля.

Принимаемый групповой оптический сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁ (рис. 7), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала - на оптический смеситель (ОСМ).

Фильтр Ф₁ пропускает только оптический сигнал с несущей час­тотой f_b сигнал с другими частотами отражается и поступает на А_г. Оптическая промодулированная несущая частота перемножается в ОМС с частотой местного гетеродина (Гет), затем промежуточная частота f_npoм выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на фотодетектор (ФД), на выходе которого формируется электрический информационный сигнал. Таким образом, прием осуществля­ется гетеродинным способом. Аналогично происходит детекти­рование сигнала во всех остальных каналах.

Достоинство метода частотного (гетеродинного) уплотнения за­ключаются в том, что длина регенерационного участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км и значительно повышается коэффициент использования пропускной способности ОВ. Недостатками данного метода является то, что требуется опти­ческий тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, опти­ческих вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилите­лей, систем автоподстройки частоты и т.п., что значительно усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

в) ЦВОСП с временным уплотнением (с временным мультип­лексированием), при котором несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой вре­менной интервал. Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов. Временное мультиплексирование на уровне электрических сигналов приведено на рис. 8, где приняты следующие обозначения:

1...N - источники компонентных информационных потоков, пред­ставляющих многоканальные электрические сигналы; MUX - времен­ной мультиплексор, который, создавая групповой электрический сигнал, последовательно подключает компонентные многоканальные электрические сигналы к общему оптическому передатчику (ОПер) на определенный временной интервал; ОВ - оптическое волокно; ОПр - оптический приемник, преобразующий оптический сигнал в группо­вой электрический, содержащий N компонентных многоканальных электрических сигналов; DMUX - временной демультиплексор, рас­пределяет принятые компонентные многоканальные электрические сигналы по соответствующим приемникам 1...N. Мультиплексор и демульти- плексор должны работать синхронно. Отметим, что компонентные информационные потоки могут быть сформированы как на основе систем передачи с частотным разделением каналов, так и на основе систем передачи на основе импульсных и цифровых методов модуляции.

Схема с временным мультиплексированием на уровне оптических сигналов приведена на рис. 9, где приняты сле­дующие обозначения: - оптические передатчики 1...N компонентных информационных потоков (многоканальных электри­ческих сигналов аналоговых или цифровых, преобразованных в оптические сигналы); OMUX - оптический мультиплексор, осущест­вляющий задержку оптического сигнала от каждого ОПер на вели­чину (здесь N - число компонентных информа­ционных потоков или многоканальных оптических сигналов), объединяющий N многоканальных оптических сигналов в групповой оптический поток и направляющий его в оптическое волокно (ОВ); ODMUX - оптический демультиплексор, осуществляющий на прие­ме обратные преобразования.

При временном мультиплексировании как на уровне электриче­ских сигналов, так и на уровне оптических, требуется передача коротких (наносекундных) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие, близкие к предельным, требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов оптических передатчиков и приемников ВОСП. Кроме того, скорость передачи или широкополосность опти­ческих трактов ограничивается дисперсионными свойствами ОВ.

Основными достоинствами временного мультиплексирования являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ (уже достигнуты скорости передачи до 16 и выше Гбит/с) и возможность создания полностью оптической сети связи.

Литература: Осн. [4] стр. 4 – 9

Доп. [2] стр. 11-38

Контрольные вопросы:

1.Принципы построения ВОСП

1. Методы уплотнения ВОЛ С.
2. Передающие оптические модули.
3. Приемные оптические модули.

Дата добавления: 2014-10-31