Тема 6. Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем

Лекция 6

Введение.

В лекции рассматривается принцип построения ОЦТС. Любую систему передачи можно представить в виде трех основных частей:

- каналообразующего оборудования (КОО);

-оборудования сопряжения (ОС);

-оборудования линейного тракта (ОЛТ).

Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в тракте передачи и приема. В настоящей и последующих лекциях рассматриваются последовательно принципы построения каждой части ОЦТС.

Раздел 6.1 Обобщенная схема оптических цифровых телекоммуникационных систем (ОЦТС)

Обобщенная схема оптической цифровой телекоммуникационной системы (ОЦТС) показана на рис.6.1

Рисунок 6.1. Принцип организации волоконно-оптической связи

На передающей станции А (рис. 6.1) первичные сигналы в электрической форме поступают на каналообразующего оборудования (КОО), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. при распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые и необслуживаемые станции (оптические ретрансляторы – ОР), где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

Аппаратура КОО содержит индивидуальное и групповое оборудование.

Индивидуальное оборудование служит для дискретизации передаваемых аналоговых сигналов на передаче и выделения спектра этих сигналов из спектра их отсчетных значений на приемном конце.

Групповое оборудование предназначено для кодирования группового сигнала, передачи сигналов в цифровом виде и декодировании группового цифрового потока в тракте приема (рис.6.2).

На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический сигнал и обратным преобразованием на выходе. В настоящее время возможно построение чисто оптических ретрансляторов на основе оптических квантовых усилителей и регенераторов. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде:

E(t)=E_мcos(ω₀t+φ₀),

где E_м – амплитуда поля; ω₀ и φ₀ – соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно:

P_мг= E²(t)=E_м²cos²(ω₀t+φ₀),

а усреднение по периоду T_0­=2π/ω₀ дает величину P = 0,5E_м², которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р из­меняется в соответствии с модулирующим сигналом с(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов (фотонов) с энергией hf₀, где h —по­стоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J =Р/hf₀. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) ~ с(t).

Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оп­тических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средст­вами. Для управления интенсивностью излучения полупроводни­кового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивает­ся электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Моду­ляция по интенсивности оптического излучения приводит и к про­стым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной, ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.

Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относит­ся к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энер­гетический прием). Другим методом приема является метод фо­тосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием),

Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимае­мого оптического сигнала.

Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что час­тоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с не­обходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гете­родина.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоус­тойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателя­ми и др. Аналоговые СП не применяются на волоконно-оп­тических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности ис­точников оптического излучения и технической сложности обес­печения требуемой помехозащищенности. Тем не менее, исследо­вания в области аналоговых ВОСП показывают их перспектив­ность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, теле­метрия, системы оперативной и служебной связи).

В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные однополосные однокабельные. При таком построении пере­дача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны λ. Каждое 0В является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически от­сутствуют тракты передачи и приема различных систем органи­зуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.

Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП показан на рис. 5.1, 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.

Рис. 6.2 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП

С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование со­ставляет значительную часть стоимости ВОСП, а цены на опти­ческий кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования про­пускной способности 0В за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному 0В (однополосные одноволоконные однокабельные ВОСП) при использовании на оконечных станциях оптических развязы­вающих устройств (ОРУ) (рис.6.3). Особенностью данной схе­мы является использование 0В для передачи сигналов в двух на­правлениях на одной длине волны.

Рис. 6.3. Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП

Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информацион­ными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рас­сеяния в 0В, ответвителях, из-за отражения света от сварных сты­ков и разъемных соединений на концах линии, что ограничивает длину участка ретрансляции.

Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения l₁ в одном окне прозрачности, а прием осуществляется в другом окне прозрачности на длине волны l_{2 ,} показан на рис. 6.3 Разделение направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения.

Рис. 6.3. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП

Так же системы строятся как двухволо­конные многополосные однокабельные. На передающей станции электрические сигналы от N. систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн λ₁, λ₂, λ_3……… λ_n. С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на пе­редаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному 0В организуется N спектрально разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна.

Выводы.

1. Любую систему передачи можно представить в виде трех составляющих: каналообразующее оборудование (КОО), оборудование сопряжения (ОС) и оборудования линейного тракта.

2. Каждая составляющая системы передачи выполнят свою функцию.

3. Каналообразующее оборудование формирует стандартные цифровые потоки Е1, Е2, Е3, Е4 и Е5.

4. Оборудование сопряжения преобразует электрический сигнал в оптический на передаче и осуществляет обратное преобразование на приеме.

5. Оборудование линейного тракта осуществляет передачу оптического сигнала по линейному тракту. В ОЛТ входят оптические передатчики, ВОК, ретрансляторы и оптические приемники.

Контрольные вопросы.

1. Назовите составляющие оптической цифровой системы передачи.

2. Поясните принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП.

3. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП.

4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП.

5. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП

Дата добавления: 2014-01-07