Эталонная модель взаимосвязи открытых систем

Оптические среды передачи сигналов.

Практически во всех волоконно-оптических 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 света характерны невысокая стоимость и простота. В современных ВОСП в качестве ФД используют p-i-n или лавинный фотодиод (ЛФД). В качестве приемников света в волоконно-оптических систем передачи на ГТС применяются лавинные фотодиоды, достоинством которых является высокая чувствительность.

К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь оптического волокна (ОВ), источник должен быть достаточно мощным и обеспечивать эффективный ввод излучения в ОВ, иметь высокую надежность, большой срок службы и т.д.

Широко используются такие полупроводниковые источники как светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД), они работают в диапазоне 0,8…1,6 длин волн мкм, который характеризуется минимальными потерями в ОВ и позволяет вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05…2 мВт).

В СИД оптическое излучение происходит из-за спонтанной эмиссии, когда к области p-n – перехода приложено прямое смещение (минусом к полупроводнику n – типа). Частота излучения равна:

f = c/l =E_q/h,

где: h – пост. Планка, с – скорость света в вакууме, E_q – разность энергетических уровней, то есть ширина запрещенной зоны. Колебания E_q влияют на частотный разброс излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью (некогерентное излучение). Зависимость мощности излучения от тока накачки (инжекции) Р = f (I_и) практически линейна, это позволяет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оптического излучения. Максимальная частота модуляции f _max = 1/(2 _{и вн}), где _вн – внутренняя квантовая эффективность материала полупроводника (равная отношению числа рожденных в базе фотонов к числу инжектированных в нее носителей), она характеризует излучательную способность СИД, _и - время жизни не основных носителей. Мощность излучения со временем изменяется по закону: P(t) = P(0)e^{-t/ t}сл,

где t_сл = A I^-_и^m e^{- сл /(kT)} – срок службы СИД. Здесь А и m – константы, определяемые материалом и конструкцией СИД. Обычно м» 1…2 и растет с увеличением тока инжекции I_и. Активационная энергия _сл при росте температуры на 10…20⁰С t_сл снижается в двое. Для использования в ВОСП срок службы СИД должен составлять 10⁵ часов для наземных и 10⁶ часов для подводных кабелей.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. При малых токах накачки происходит спонтанное излучение. Когда потери в материале лазера становятся сравнимы с усилением, наступает лазерный эффект, мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное излучение. Для устранения влияния температуры применяют электрические схемы компенсации и термокомпенсации. Диаграмма направленности (ДН) излучения лазера несимметрична (смотри рисунок):

а б в

Рис. 12.1 (а) -Диаграмма направленности излучения лазера. (б) - Зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях. Рис. в - нормированный спектр излучения лазера.

Ширина диаграммы (рис а) на уровне половинной мощности < 20⁰ в плоскости параллельной переходу, и > 40⁰ в перпендикулярной плоскости. Как видно ДН имеет форму эллиптического конуса. Большая расходимость излучения мешает её эффективному вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств. Спектр излучения лазера – дискретен, ширина линии излучения одной моды, как правило, не превышает 0.01 нм. Для селекции мод применяют специальные меры. Лазеры способные излучать одну моду получили название лазеров с распределенной избирательностью – РОС (DBR) и с распределенным брегговским отражением - РБО (DBR).

Передающий оптический модуль (ПОМ), структурная схема ко­торого приведена на рис. 12.2, осуществляет преобразование элек­трического сигнала в модулированное по интенсивности оптическое излучение полупроводникового лазера или светодиода.

Рис. 12.2. Передающий оптический модуль

Информационный электрический сигнал в поступает на вход преобразователя формата ПФС, который формирует из исходной последовательности биполярных импульсов последова­тельность униполярных импульсов. Это необходимо, поскольку из­лучаемый сигнал модулируется по интенсивности (единице соот­ветствует импульс излучения, нулю - отсутствие импульса).

Далее сигнал поступает на формирователь импульсов тока накач­ки лазера (ФТН). Основным назначением ФТН является формирова­ние достаточно мощных импульсов тока, кроме того, здесь могут осуществляться некоторые функции контроля, в частности, ограни­чение максимального значения тока накачки с подачей соответст­вующих сигналов в систему контроля.

С выхода ФТН импульсы тока поступают на оптический излуча­тель ОИ.

Приемный оптический модуль (ПрОМ) представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p-i-n – фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. В случае использования p-i-n – диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усилителя упрощается.

На левой части Рис. 12.3 показана принципиальная схема ПрОМ с подключением фотодетектора к усилителю (а) и с трансимпедансным усилителем (б). На правой части Рис.12.3 демонстрируется зависимость требуемой оптической мощности от ширины полосы при приемк аналоговых (1) и цифровых (2) сигналов.

Рис. 12.3

Коммуникационная сеть это система состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и использования информации, называемых пунктами (узлами) сети, и линий передачи осуществляющих передачу информации между пунктами. Суть сети – это соединение разного оборудования, а значит, проблема совместимости является очень важной. Для правильного взаимодействия узлов различных сетей их архитектура должна быть открытой. Для этого проводится унификация и стандартизация в области телекоммуникаций, разрабатываемые например международной организацией по стандартизации (ISO – International Standard Organization), международным телекоммуникационным союзом (ITU), Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (IEEE).Протоколы ISO являются семиуровневыми и известны как протоколы эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ЭМВОС).

Сетевая архитектура выделяет функции связи по определённым логическим группам – уровням, это упрощает стандартизацию сетей. Каждый уровень имеет свои определённые правила и процедуры, которые называются протоколами. Протоколы регулируют активность в пределах уровня и характер взаимодействия между уровнями. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, взаимодействуют друг с другом по четко определенным правилам и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называют интерфейсами. Интерфейс определяет набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему уровню. Средства каждого уровня должны отрабатывать свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями. Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов. Протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. В результате происходит передача и преобразование данных между уровнями в пределах одного сетевого устройства и между различными сетевыми устройствами. Разделение на уровни очень удобно и позволяет: упростить конструкцию сети и структурировать её функции; расширить набор приложений, ориентированных на пользователей сети; обеспечить наращивание сети в процессе её развития.

Популярна открытая сетевая архитектура, использующая эталонную модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС), или кратко модель ВОС (OSI- Open System Interconnection/ Reference Model). Уровни модели OSI и их основные функции:

1.Физический (Physical) - ответственен за физические, электрические характеристики линии связи между узлами (коаксиальные кабели, витые пары, волоконно-оптические кабели; разъёмы, конверторы и т. д.).

2.Канальный (Data Link) – обеспечивает надежную передачу данных по физическим линиям связи. На этом уровне (звена данных) происходит исправление ошибок передачи, кодирование и декодирование отправляемых или принимаемых битовых последовательностей. Канальный уровень подразделяется на подуровень – Управление доступом к среде (Medium Access Control (MAC)) и на подуровень – Управление логическим каналом (Logical Link Control (LLC)). Уровень МАС определяет характер доступа к среде – детерминированный доступ с передачей маркера или множественный доступ с распознаванием коллизий. Уровень LLC – верхний подуровень – посылает и получает сообщения с полезными данными.

3.Сетевой (Network) - обеспечивает для верхних уровней независимость от стандарта передачи данных (прозрачность), отвечает за адресацию и доставку сообщений.

4. Транспортный (Transport) – регулирует входящий поток, если на обработку приходит два или более пакетов одновременно. Дублированные пакеты распознаются и лишние фильтруются.

5. Сессионный (Session), (Сеансовый) – открывает соединение (сессию или сеанс), поддерживает диалог, то есть управляет отправкой сообщений туда и обратно, закрывает сессии. Позволяет прикладным программам, работающим на разных сетевых устройствах, координировать свое взаимодействие в рамках отдельных сессий (сеансов).

6. Предварительный (Presentation) (Представительный) – преобразует данные из внутреннего числового формата, присущего данному сетевому устройству, в стандартный коммуникационный формат. Примеры: кодирование, сжатие, переформатирование текста.

7. Прикладной (Application) – предоставляет программисту интерфейс к модели OSI, например сетевое администрирование.

Уровни с меньшим номером принято называть низкими уровнями, а с большим – высокими.

Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, напри­мер к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. Обычное сооб­щение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню ма­шины-адресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем слу­чае заголовок, очевидно, должен содержать информацию о месте нахождения файла и о типе операции, которую необходимо над ним выполнить.

Рис. 12.4 Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

Основная литература: 1ocн[240-244], 2ocн[11-70],

Дополнительная литература:7доп[5-16;97-105]. 8доп[61-82;608-615]. 9доп[9-15;]. 15доп[4-16;76-86],

Контрольные вопросы

1. Принцип действия светодиода?

2. У кого диаграмма направленности уже, у лазера, или СИД?

3. Какие источники излучения называются когерентными?

4. Дискретен или нет спектр излучения лазера?

5. Что происходит с мощностью излучения СИД при длительной эксплуатации?

Лекция 18. Принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (дискретизация по времени, квантование по уровню, кодирование).

План:

Дата добавления: 2014-11-08