Многоканальные телекоммутационные системы

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» __________________________________________________________________________ Кафедра СИСТЕМ СВЯЗИ (наименование кафедры) КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (наименование учебной дисциплины) Курс 2у, 3у,3 по специальности (направлению подготовки): 210700 ИНфОКОММУТАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ - МТС наименование специальности (направления подготовки) Самара 2013 УДК 621.391 Иванов В.И. МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. Конспект лекций. – Самара.: ПГУТИ, 2013. – 210 с. В конспекте лекций рассматриваются основные вопросы построения современных оптических многоканальных телекоммуникационных систем. Последовательно излагаются методы уплотнения оптических кабелей, способы построения оптических линейных трактов. Большое внимание уделяется технологии спектрального уплотнения. Рецензент: Ротенштейн И.В. – к.т.н., доцент кафедры «Систем связи» ФГОБУВПО ПГУТИ Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» Иванов В.И., 2013 2 Содержание конспекта лекций Введение ................................................................................................................................. 8 Список сокращений и обозначений ................................................................................. 9 Лекция 1 ............................................................................................................................... 11 Тема 1. Основные задачи техники цифровых оптических систем передачи…...11 Введение…....….. .................................................................................................. … 11 Раздел 1.1. Основные задачи техники цифровых оптических систем передачи. Достоинства. Характеристики цифровых каналов тональной частоты………….11 Выводы по разделу .................................................................................................. 16 Контрольные вопросы................................................................................................ 16 Лекция 2 ............................................................................................................................... 17 Тема 2. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов............................... 17 Введение. ..................................................................................................................... 17 Раздел 2.1. Преобразование сигналов в МТС (алгоритмы и методы) .................. 17 Выводы по теме ........................................................................................................ 19 Контрольные вопросы .............................................................................................. 19 Лекция 3………………………………………………………………………………..........20 Тема 2. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов..………………….20 Введение .................................................................................................................. 20 Раздел 2.1. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов....................... 20 Выводы по теме ....................................................................................................... 22 Контрольные вопросы ............................................................................................. 22 Лекция 4 ............................................................................................................................... 23 Тема 3. Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем ...... 23 Введение .................................................................................................................. 23 Раздел 3.1 Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем (продолжение)..…………………………………….………………………..............23 Выводы по теме ....................................................................................................... 25 Контрольные вопросы ............................................................................................. 25 Лекция 5 ............................................................................................................................... 26 Тема 3. Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем ...... 26 Введение .................................................................................................................. 26 Раздел 3.1 Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем (продолжение)..............................................................................................................26 Выводы по теме ....................................................................................................... 27 Контрольные вопросы ............................................................................................. 28 Лекция 6 ............................................................................................................................... 29 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы .......................................................................................................... 29 Введение .................................................................................................................. 29 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы ……………………………………………………………................29 Выводы по теме ....................................................................................................... 30 Контрольные вопросы ............................................................................................. 30 Лекция 7 ............................................................................................................................... 31 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы........................................................................................................... 31 Введение .................................................................................................................. 31 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы (продолжение).……………………………………………............31 Выводы по теме ....................................................................................................... 36 3 Контрольные вопросы ............................................................................................. 37 Лекция 8 ............................................................................................................................... 38 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы………………………………………………………………… ……38 Введение .................................................................................................................. 38 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы(продолжение) ............................................................................... 38 Выводы……………………………………………………………………………… 46 Контрольные вопросы ............................................................................................. 46 Лекция 9 ............................................................................................................................... 47 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы ..……………………………………………………………………..47 Введение .................................................................................................................. 47 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы (продолжение)……………………………………………...............47 Выводы по теме …...………………………………………………………………. .49 Контрольные вопросы ............................................................................................. 49 Лекция 10 ............................................................................................................................. 50 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы............................................................................................................. 50 Введение .................................................................................................................. 50 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы (продолжение)...………………………………………...….............50 Выводы по теме ....................................................................................................... 53 Контрольные вопросы ............................................................................................. 53 Лекция 11.............................................................................................................................. 54 Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы ……..………………………………………………………………..54 Введение .................................................................................................................. 54 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы (продолжение).……………………………………………………..54 Выводы по теме ....................................................................................................... 57 Контрольные вопросы ............................................................................................. 57 Лекция 12 ............................................................................................................................. 58 Тема 5. Принцип временного группообразования……………………………….58 Введение …………………………………………………………………………… 58 Раздел 5.1 Принцип временного группообразования …………………..……….58 Выводы по теме ....................................................................................................... 61 Контрольные вопросы ............................................................................................... 62 Лекция 13 ............................................................................................................................. 63 Тема 5. Принцип временного группообразования................................................ 63 Введение .................................................................................................................. 63 Раздел 5.1 Принцип временного группообразования ……….…………...............63 Выводы по теме ……………………………………………………………………..66 Контрольные вопросы ............................................................................................... 66 Лекция 14 ............................................................................................................................ 67 Тема 6. Системы синхронизации МТС .................................................................. 67 Введение .................................................................................................................. 67 Раздел 6.1 Системы синхронизации МТС ………………….....…………..............67 Выводы по теме ……………………………………………………………………..71 Контрольные вопросы ............................................................................................... 71 Лекция 15 ............................................................................................................................. 72 4 Тема 6. Системы синхронизации МТС .................................................................. 72 Введение .................................................................................................................... 72 Раздел 6.1 Системы синхронизации МТС …………………...………...….............72 Выводы по теме ……………………………………………………………………..75 Контрольные вопросы ............................................................................................... 76 Лекция 16 ............................................................................................................................. 77 Тема 7. Плезиохронные и синхронные цифровые иерархии ............................... 77 Введение .................................................................................................................. 77 Раздел 7.1 Плезиохронные и синхронные цифровые иерархии ..………..............77 Выводы по теме ……………………………………………………………………..82 Контрольные вопросы ............................................................................................... 83 Лекция 17 ............................................................................................................................. 84 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 84 Введение .................................................................................................................. 84 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……..............84 Выводы по теме ……………………………………………………………………...87 Контрольные вопросы ............................................................................................... 88 Лекция 18 ............................................................................................................................. 89 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 89 Введение .................................................................................................................. 89 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……..............89 Выводы по теме ……………………………………………………………………..95 Контрольные вопросы ............................................................................................... 96 Лекция 19 ............................................................................................................................. 97 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 97 Введение .................................................................................................................. 97 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……..............97 Выводы по теме ……………………………………………………………………..100 Контрольные вопросы ............................................................................................. ..100 Лекция 20 ............................................................................................................................. 101 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 101 Введение .................................................................................................................. 101 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..…….............101 Выводы по теме ……………………………………………………………………..103 Контрольные вопросы .............................................................................................. .103 Лекция 21 ............................................................................................................................ .104 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 104 Введение .................................................................................................................. 104 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты………............104 Выводы по теме ………………………………………………………………...…...108 Контрольные вопросы ............................................................................................... 109 Лекция 22 ............................................................................................................................... 110 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 110 Введение .................................................................................................................. 110 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……..............110 Выводы по теме …………………………………………………………………......115 Контрольные вопросы .............................................................................................. .115 Лекция 23................................................................................................................................ 116 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ........................... 116 Введение .................................................................................................................... 116 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……..............116 Выводы по теме ……………………………………………………………………..119 5 Контрольные вопросы ..............................................................................................119 Лекция 24 ........................................................................................................................... 120 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ......................... 120 Введение ................................................................................................................ 120 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……............120 Выводы по теме …………………………………………………………………….123 Контрольные вопросы ............................................................................................. 123 Лекция 25 ........................................................................................................................... 124 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ......................... 124 Введение ................................................................................................................ 124 Раздел 8.1 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты ..……............124 Выводы по теме ……………………………………………………………………132 Контрольные вопросы ............................................................................................. 133 Лекция 26 ........................................................................................................................... 134 Тема 9. Линейные коды МТС и оценка их параметров...................................... 134 Введение ................................................................................................................ 134 Раздел 9.1 Линейные коды МТС и оценка их параметров ….………….............134 Выводы по теме ………………………………………………………………..….136 Контрольные вопросы ............................................................................................. 136 Лекция 27 ........................................................................................................................... 137 Тема 10. Регенерация сигналов в МТС .................................................................. 137 Введение ................................................................................................................ 137 Раздел 10.1 Регенерация сигналов в МТС …………………...…………..............137 Выводы…………………………………………………………………………..…140 Контрольные вопросы ............................................................................................. 140 Лекция 28 ........................................................................................................................... 141 Тема 11. Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров............................................................................................................... 141 Введение ................................................................................................................ 141 Раздел 11.1 Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров ……………………………………………………….…………...........141 Выводы по теме ……………………………………………………………………144 Контрольные вопросы ............................................................................................. 144 Лекция 29 ........................................................................................................................... 145 Тема 11. Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров............................................................................................................... 145 Введение ................................................................................................................ 145 Раздел 11.1 Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров ……………………………………………………….…………...........145 Выводы по теме ………………………………………………………………..….151 Контрольные вопросы ............................................................................................. 151 Лекция 30 ........................................................................................................................... 153 Тема 12. Аппаратура МТС .................................................................................... 153 Введение ................................................................................................................ 153 Раздел 12.1 Аппаратура МТС …………………………………………….............153 Выводы по теме …………………………………………………………………...160 Контрольные вопросы ............................................................................................. 160 Лекция 31 ........................................................................................................................... 161 Тема 13. Основы проектирования оптических цифровых линий передачи ..... 161 Введение ................................................................................................................ 161 Раздел 13.1 Основы проектирования оптических цифровых линий передачи ..161 Выводы по теме ……………………………………………………………………171 6 Контрольные вопросы ............................................................................................. 172 Лекция 32 ........................................................................................................................... 173 Тема 14. Одномодовые источники оптического излучения .............................. 173 Введение ................................................................................................................ 173 Раздел 14.1 Одномодовые источники оптического излучения …………............173 Выводы по теме ……………………………………………………………………181 Контрольные вопросы ............................................................................................. 181 Лекция 33 ........................................................................................................................... 182 Тема 14. Одномодовые источники оптического излучения .............................. 182 Введение .................................................................................................................. 182 Раздел 14.1 Одномодовые источники оптического излучения …………............182 Выводы по теме ……………………………………………………………………187 Контрольные вопросы ............................................................................................. 187 Лекция 34 ........................................................................................................................... 188 Тема 14. Одномодовые источники оптического излучения .............................. 188 Введение ................................................................................................................ 188 Раздел 14.1 Одномодовые источники оптического излучения …………...........188 Выводы по теме ……………………………………………………………………192 Контрольные вопросы ............................................................................................. 192 Лекция 35 ........................................................................................................................... 193 Тема 14. Одномодовые источники оптического излучения .............................. 193 Введение ................................................................................................................ 193 Раздел 14.1 Одномодовые источники оптического излучения …………...........193 Выводы по теме …………………………………………………………………...197 Контрольные вопросы ............................................................................................. 197 Лекция 36 ........................................................................................................................... 198 Тема 15. Одномодовые источники оптического излучения .............................. 198 Введение ................................................................................................................ 198 Раздел 15.1 Одномодовые источники оптического излучения …………...........198 Выводы по теме ……………………………………………………………………202 Контрольные вопросы ………………………………………………………..........202 Список использованных источников……………………………………………………...203 Глоссарий……………………………………………………………………………………204 7 Введение Целью и задачами преподавания дисциплины «Многоканальные телекоммуникационные системы» является изучение общих принципов построения и функционирования оптических цифровых телекоммуникационных систем (ОЦТС), принципов организации и расчета параметров цифровых волоконно-оптических линейных трактов (ОЛТ), методов расчета параметров каналов и групповых трактов, организованных посредством ОЦТС, а также вопросов их технической эксплуатации. Кроме того, целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с российскими и международными стандартами в области телекоммуникаций и перспективами развития оптических цифровых телекоммуникационных систем. Освоение курса МТС базируется на основных смежных курсах: «Физика», «Теория электрической связи», «Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей», «Устройства цифровой обработки сигналов», «Нелинейная оптика», «Физические основы волоконной и интегральной оптики», «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства», «Микропроцессорная техника в оптических системах связи», «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты ВОЛС». 8 Список обозначений и сокращений АЛ АМТС АРУ АСК АРП АТС АСТЭ ВЗГ ВОЛП ВОЛС ВСС ГСЭ ГТС ДП ЗС ИКМ К.З. ЛАЦ ЛД ЛТ ЛФД МДМ МСЭ-Т НРП НС ОВ ОК ОП ОРП ОЦК ПОМ ПОРП ПРОМ ПЦИ ПЭГ РАТС РП РС РТМ РТЦ РУ СКТВ СЛ СТМ СЦИ ТКС ТМ ТО ТРС - абонентская линия; - автоматическая междугородняя телефонная станция; - автоматическая регулировка уровня; - аппаратно-студийный комплекс; - аппаратура регенерационного пункта; - автоматическая телефонная станция; - автоматическая телефонная станция электронная; - ведомый задающий генератор; - волоконно-оптическая линия передачи; - волоконно-оптическая линия связи; - взаимоувязанная сеть связи; - генератор сетевого элемента; - городская телефонная сеть; - дистанционное питание; - звуковое сообщение; - импульсно-кодовая модуляция; - короткое замыкание; - линейно-аппаратный цех; - лазерный диод; - линейный тракт; - лавинный фотодиод; - минимальная детектируемая мощность; - Международный Союз Электросвязи, комитет по Телефонии; - необслуживаемый регенерационный пункт; - неразъемное соединение; - оптическое волокно; - оптический кабель; - оконечный пункт; - обслуживаемый регенерационный пункт; - основной цифровой канал; - передающий оптический модуль; - полуобслуживаемый регенерационный пункт; - приёмный оптический модуль; - (PDH) плезиохронная цифровая иерархия; - первичный эталонный генератор; - районная АТС; - регенерационный пункт; - разъемный соединитель; - руководящий технический материал; - радио -, телецентр; - регенерационный участок; - система кабельного телевидения; - соединительная линия; - (STM) синхронный транспортный модуль; - (SDH) синхронная цифровая иерархия; - телекоммуникационная система; - терминальный (оконечный) мультиплексор; - техническое обслуживание; - токораспределительная сеть; 9 ТС ТСЛ ТСС ТЭ УВС УИС УС ФД ЦСП ЦУС ЭПУ APS ADM B-ISDN BBER DCC DM DCCM DCCR ECC ESR ETSI FS IEEE LAN - транспортная сеть или система; - транссибирская линия; - тактовая сетевая синхронизация; - техническая эксплуатация; - узел входящих сообщений; - узел исходящих сообщений; - узел связи; - фотодетектор; - цифровая система передачи; - центральный узел связи; - электропитающее устройство; - автоматическое защитное переключение; - мультиплексор ввода/вывода; - широкополосная сеть с интеграцией служб; - Кош по блокам с фоновыми ошибками; - канал передачи данных; - несрочная сигнализация; - канал передачи данных в мультиплексной секции; - канал передачи данных в регенерационной секции; - канал управления; - Кош по секундам, с ошибками; - Европейский институт стандартов в области связи; - балласт; - институт инженеров по электронике и радиотехнике; - локальная вычислительная сеть; 10 Лекция 1 Тема 1. Основные задачи техники цифровых оптических систем передачи (2 часа) Введение. Построение МТС основано на принципе временного разделения каналов. При этом, непрерывный аналоговые сигнал преобразуют в цифровой с использованием различных методов цифровой обработки сигналов (ЦОС). Основные задачи техники оптических цифровых телекоммуникационных систем: эффективное использование волоконнооптических линий связи, создание каналов и трактов передачи, соответствующих современным требованиям. Раздел 1.1. Основные задачи техники цифровых оптических систем передачи. Достоинства. Характеристики цифровых каналов тональной частоты. В настоящее время ускорение технического прогресса невозможно без совершенствования средств связи, систем сбора, передачи и обработки информации. В вопросах развития сетей связи во всех странах большое внимание уделяется развитию систем передачи и распределения (коммутации) информации. Наиболее широкое распространение в последнее время получили МТС с импульснокодовой модуляцией (ИКМ), работающие по волоконно-оптическим кабелям (ОК). В настоящее время волоконно-оптическая связь широко применяется не только для организации телефонной связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонии, радиовещания, передачи данных и т.д. Дальнейшему развитию методов и аппаратуры волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) способствуют уникальные свойства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС): - малые затухание и дисперсия оптических волокон (ОВ); - гибкость в реализации требуемой полосы пропускания; - широкополосность; - малые габаритные размеры и масса ОВ и ОК; - невосприимчивость к внешним электромагнитным полям; - отсутствие искрения при обрывах, коротком замыкании и ненадёжных контактах; - допустимость изгиба световода под малым радиусом; - низкая стоимость материала световода; - возможность использования ОК, не обладающих электропроводностью и индуктивностью; - высокая скрытность связи; - высокая прозрачность ОВ; - возможность постоянного усовершенствования системы связи по мере появления источников с улучшенными характеристиками. Отечественными и зарубежными фирмами разработана и продолжает разрабатываться широкая номенклатура волоконных световодов и оптических кабелей для МТС различных предназначений и структур. Для широкополосных систем дальней связи, в частности магистральных, изготавливаются кабели с одномодовыми волокнами, т.е. волокнами, в которых распространяется лишь основной тип колебаний. Здесь одновременно предъявляются и наиболее высокие требования по снижению затухания и дисперсионных искажений. Изготавливаются волокна, обеспечивающие сохранение поляризации в 11 распространяющемся оптическом излучении. Такие кабели, предназначенные для магистральной связи, весьма сложны в изготовлении и относительно дороги. Кроме того, их использование предусматривает сочетание с лазерными передающими оптическими модуляторами (ПОМ), к которым также предъявляются повышенные требования в отношении спектральной чистоты излучения, высокой стабильности всех характеристик излучения и т.д. Например, АО «Самарская оптическая кабельная компания» для использования на Взаимоувязанной сети связи (ВСС) производит оптические кабели ОКЛ, встраиваемые в грозозащитный трос и самонесущие кабели. В них используется оптические волокна фирмы Corning – крупнейшего производителя ОВ в мире. В последнее время на ВСС широко внедряются ТКС синхронной цифровой иерархии (СЦИ, англ. SDH) работающих, также по ВОЛС. SDH – это набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования нужным образом адаптированной нагрузки по физическим цепям. В SDH реализуется комплексный процесс перемещения информации, включающей в себя не только передачу сигналов, но и глубокую автоматизацию функций контроля, управления и обслуживания (ОАМ – Operation, Administration and Management). SDH разработана с учетом недостатков РDH и по сравнению с последней имеет следующие преимущества: 1. Возможность передачи широкополосных сигналов, предполагаемых в будущем. 2. Синхронизация сети и синхронная техника мультиплексирования. 3. Использование синхронной схемы передачи с побайтным мультиплексированием. 4. Временное выравнивание за счет побайтового двухстороннего стаффинга. 5. При мультиплексировании осуществляется синхронизация под входные сигналы. 6. Возможность плезиохронной работы при необходимости. В этом случае стаффинг осуществляется за счет двустороннего побитового выравнивания. 7. SDH удачно сочетается с действующими системами РDH и позволяет существенно улучшить управляемость и эффективность этих сетей. 8. Мультиплексирование с использованием техники указателей (пойнтеров). Фазовые соотношения между циклом SТМ и полезной нагрузкой записывается с помощью указателей. Таким образом, доступ к определенному каналу возможен за счет использования указателя. 9. Сокращение потребности в аппаратуре вследствие эффективности ввода/вывода потоков без разуплотнения группового сигнала. Это позволяет выделять сигналы только требуемых каналов для взаимодействия между системами и при реализации ответвлений. При этом требуется меньше оборудования, снижается потребление энергии, уменьшается занимаемая площадь, снижаются затраты на эксплуатацию. 10. Создается возможность ввода/вывода компонентных сигналов на любом пункте. 11. Встроенная система оперативного переключения сокращает потребности в аппаратуре, улучшает производительность и надежность сети, позволяет выполнять кросс- коммутацию потоков на различных уровнях согласно планируемой конфигурации сети, а также ускоряет процедуры восстановления сети в аварийных ситуациях. 12. SDH обеспечивает надежную трассу передачи системой указателей, которая способствует безупречной работе даже в случае, когда узлы не синхронизированы. Для стыковки сигналов РDH применяется юстификация по битам. Все это вместе гарантирует исключительно низкий коэффициент ошибок по битам. 13. Кольцевые сети SDH обеспечивают экономичное резервирование маршрута и оборудования без сложных схем резервирования сети. 14. Высокая надежность и само восстанавливаемость сети с использованием резервирования и автоматического переключения в обход поврежденного участка за счет полного мониторинга сети и использования кольцевых топологий. 15. Простота перехода с одного уровня SDH на другой. Структура мультиплексированного сигнала SТМ – N идентична структуре сигнала SТМ-1. Скорости 12 транспортировки сигналов SТМ – N определяются умножением базовой скорости 155,52 Мбит/с на N, поэтому при мультиплексировании не требуется формирования нового цикла. 16. Гибкая структура цикла предоставляет возможность для наращивания пропускной способности системы. 17. Прозрачность сети SDH для передачи любого трафика, обусловленная использованием виртуальных контейнеров. 18. Возможность прямого преобразования электрического сигнала в оптический без сложного линейного кодирования. Управление за счет контроля количества ошибок на различных участках передачи информации. Традиционное оконечное линейное оборудование становится не нужным, оно объединяется с аппаратурой мультиплексирования для повышения эффективности. 19. Единый всемирный стандарт для производителей оборудования, высокий уровень стандартизации SDH технологий и стандартизованный линейный код NRZ обеспечивают совместимость мультиплексного и линейного оборудования разных фирм – изготовителей. 20. Нет необходимости в отдельной сети управления, так как сигнал SТМ содержит стандартные сигналы контроля и управления. Управление сетью можно сосредоточить в одном узле. 21. Предоставление услуг по требованию, обеспечиваемое гибкими элементами сети и эффективным управлением сетью. 22. Сокращение издержек технической эксплуатации (ТЭ) и технического обслуживания (ТО) вследствие широких возможностей сетевого управления в системах SDH. Управление функциями передачи, резервирования, оперативного переключения, ввода/вывода и контроля на каждой станции и во всей транспортной системе осуществляется программно и дистанционно по каналам, встроенным в цикл STM, полная автоматизация процессов эксплуатации сети SDH, радикально повышает её гибкость и надежность, а также качество связи. Особенности МТС 1. Высокая помехоустойчивость. 2. Независимость качества передачи от длины линии связи – и цифровой транзит не снижает качества связи. 3. Стабильность параметров каналов МТС. 4. Эффективность использования пропускной способности МТС для передачи дискретных сигналов, так как: - ввод может быть осуществлен непосредственно в групповой тракт; - при вводе дискретного сигнала на временные позиции, соответствующие 1-му каналу ТЧ, могут передаваться со скоростью 64 кбит/с; - ввод дискретных сигналов в групповой тракт позволяет значительно снизить требования к частотной и фазовой характеристикам канала ТЧ; 5. Возможность построения цифровой сети связи: - при этом считаются принципы построения МТС и оборудования коммутации цифровых сигналов; - помехозащищенность оборудования транзита и коммутации является достаточно высокой; - параметры каналов практически не зависят от структуры сети; - высокая надежность сети. 6. Высокие технико-экономические показатели: - большой удельный вес цифрового оборудования; - высокая степень унификации оборудования; - нет необходимости регулировки узлов аппаратуры; - снижение стоимости оборудования и ее габаритов. 7. Более простая математическая обработка передаваемых сигналов (ЦОС). ЦОС направлена на устранение избыточности в исходных сигналах, перекодирование передаваемых сигналов. Например, в результате перекодирования телевизионный сигнал, исходная скорость которого 114 Мбит/с уменьшается до 35 Мбит/с. 13 ЦОС – цифровая обработка сигналов для формирования спектра, объединение и разделение сигналов, оценки характеристик и параметров сигналов (например, спектра). По-сравнению с аналоговыми методами ЦОС позволяет достигать более высокой точности и технологичности. Области применения МТС 1. Уплотнение соединительных линий на ГТС. 2. Интегральная система связи электронных АТС. 3. Радиорелейные системы передачи прямой видимости и тропосферные системы передачи. 4. Спутниковые системы передачи с многостанционным доступом. 5. Волноводные и оптические системы передачи. Параметры каналов ТЧ МТС. МТС формируют стандартные каналы ТЧ, параметры которых нормируются и во многом совпадают с соответствующими параметрами каналов АСП. Особенности обусловлены операциями дискретизации по времени, квантованием по уровню и кодированием сигнала. 1. Остаточное затухание. В зависимости от точки измерения может иметь значения -17 дБ; +7 дБ в зависимости от мест измерения и должно быть установлено с точностью 0,5 дБ на f=800 Гц. 2. Амплитудная характеристика (АХ). Определяется в основном амплитудной характеристикой квантующих устройств АЦП и ЦАП. Имеющих ступенчатый (нелинейный характер). АХ – зависимость приращения остаточного затухания от уровня на входе канала. Эта характеристика измеряется в диапазоне входных уровней -55…+3 дБ с частотой 700…1100 Гц и должна укладываться в шаблон (рис. 1.1). аост , дБ 5 3 5 -55 -50 -40 +3 Рвх, дБм Рисунок 1.1 Шаблон амплитудной характеристики КТЧ Появляющиеся в результате нелинейности амплитудной характеристики для МТС шумы квантования требуют введения параметра: отношение сигнал/шум квантования (защищенность от шумов квантования). Защищенность от шумов квантования (А з В) зависит от уровня сигнала. Шаблон очерчивает нижнюю границу диапазона изменений А з В (рис. 1.2). Реальная величина должна быть больше. Измеряется на частотах 700…1100 Гц. 14 ОСШ, дБ 33 27 30 22 20 10 р, дБ -10 -20 -30 -40 -50 Рисунок 1.2 Защищенность от шумов квантования КТЧ 3. Амплитудно-частотная характеристика. Зависимость приращения остаточного затухания на частоте, отличной от опорной частоты по отношению к остаточному затуханию на опорной частоте. Нормируется с помощью шаблона (рис. 1.3). а, дБ 2,0 1,0 0,5 1 2 3 f, кГц -0,5 Рисунок 1.3 Шаблон амплитудно-частотной характеристики КТЧ 4. Фазочастотная характеристика. Зависимость группового времени прохождения сигнала от частоты. Тоже нормируется с помощью шаблона (рис. 1.4). 5. Уровень внятных переходов между каналами ТЧ одной системы передачи на частотах 700…1100 Гц не должен превышать -65 дБм. 6. Формирование ЦСП различных уровней иерархии происходит путем объединения цифровых потоков систем передачи более низкого уровня. Точки соединения аппаратуры 2-х смежных ступеней иерархии называют цифровыми стыками. Параметры цифровых сигналов с стыках стандартизированы: - скорость передачи в стыке; - тип стыкового кода; - параметры элементов цифрового стыка; - затухание соединительной линии стыка. Таким образом, стандартизируют параметры первичных, вторичных, третичных стыков цифровых потоков. 15 ГВП, мс 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,6 1,0 2,0 2,6 3,0 f, кГц Рисунок 1.4 Шаблон фазочастотной характеристики КТЧ 7. Форма импульсов укладываться в шаблон. цифрового сигнала номинально прямоугольна и должна Выводы. 1. Одной из основных составляющих построения сетей связи являются МТС. 2. В настоящее время МТС подразделяются на АЦИ и СЦИ. 3. Основой построения МТС является основной цифровой канал (ОЦК). 4. Основной цифровой канал (ОЦК) отвечает требованиям МЭС-Т (все характеристики строго нормируются). Контрольные вопросы. 1. Перечислите основные достоинства оптических кабелей связи. 2. Назовите основные достоинства МТС. 3. Как подразделяются МТС? 4. Что такое основной цифровой канал? 5. Назовите основные характеристики ОЦК. 6. С какой целью снимаются характеристики ОЦК? 16 Лекция 2 Тема 2. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов (4 часа) Введение. Рассматриваются основные алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов, применяемых в оптических цифровых телекоммутационных системах. Последовательно излагается материал по преобразованию аналогового сигнала в сигнал с импульсно – кодовой модуляцией. Также рассматривается вопрос о восстановлении аналогового сигнала на приемном конце МТС Раздел 2.1. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов Преобразование сигналов в МТС (алгоритмы и методы). Аналоговый сигнал, поступающий на вход канала связи МТС посредством операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования преобразуется в цифровой сигнал. 1. Дискретизация по времени. При дискретизации непрерывного сигнала по времени передается не весь сигнал, а его амплитудные значения, взятые через промежутки времени, называемые периодом дискретизации. Uс(t) G(f) t Uаим(t) G(f) t fmin fmax fд-fmax fд f, кГц Рисунок 2.1- Дискретизации непрерывного сигнала по времени и его спектр Причем, период дискретизации выбран таким образом, что передаваемый дискретными отсчетами сигнал мог быть восстановлен практически без искажения. Частотный спектр последовательности отсчетов Uаим содержит: 1. Модулирующий сигнал. 2. Частоту дискретизации и ее гармоники. 3. Боковые полосы частот около частоты дискретизации и е гармоник. Если спектр исходного сигнала ограничен частотой f max, то демодуляция АИМ сигнала возможна с помощью фильтра нижних частот, который выделяет только низкочастотную составляющую спектра. Этот фильтр должен иметь частоту среза f ср =f max 17 Выделить исходный сигнал возможно лишь в том случае, если выполняется условие теоремы Котельникова f д.=2 f max – это условие можно применить лишь для фильтров с идеальной характеристикой (рис. 2.2). Для фильтров с реальной характеристикой и имеющих полосу расфильтровки: f д. 2 f max. Обычно f д.=(2,3…2,4) f max. G(f) G(f) f, кГц f, кГц Рисунок 2.2 Восстановление непрерывного сигнала в тракте приема Если дискретизации подвергается сигнал со спектром 0,3…3,4 кГц, то f д=8 кГц. Полоса расфильтровки такого фильтра fр =1,2 кГц, что снижает требования к крутизне нарастания затухания ФНЧ. Следовательно, стандартная частота дискретизации сигналов тональной частоты ЦСП f д.=2 f max, отсюда Тд=1/f д=125 мкс. 2. Аналого-цифровое преобразование. Полученные в результате дискретизации по времени АИМ сигнал является аналоговым, так как амплитуды отсчетов изменяются аналогично изменению амплитуды исходного сигнала. Так образом, амплитуды импульсов АИМ сигнала соответствуют амплитуде сигнала в момент отсчета, причем значений амплитуд может быть бесконечное множество. Искажения и шумы, возникающие в линейном тракте прежде всего изменяют амплитуды импульсов. На приемной станции отличить полезный сигнал невозможно, так как все значения амплитуды являются разрешенными. Помехоустойчивость систем передачи, использующих АИМ очень низка. Повышение помехозащищенности передачи информации возможно путем применения цифровых методов модуляции. Аналого-цифровое преобразование может быть обеспечено импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) дифференциальной ИКМ (ДИКМ), дельта -модуляцией (ДМ). ИКМ сигнал образуется из непрерывного в 3 этапа: 1. Дискретизация исходного сигнала по времени. 2. Квантование непрерывных отсчетов по уровню. 3. Кодирование квантованных отсчетов. При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на отрезки, называемые шагами квантования. Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни квантования (рис. 2.3) . 18 Uс(t), Uаим(t), Uкв(t) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 t кв (t ) 2 t 2 Рисунок 2.3 Дискретизация исходного сигнала по времени и квантование непрерывных отсчетов по уровню Амплитуда каждого отсчета Uаим(t) округляется до значения ближайшего уровня квантования и отсчету присваивается значение величины разрешенного уровня Uкв(t)/ Амплитуды квантованных импульсов отличаются от амплитуды отчетов, что приводит к искажению сигнала, а на приемном конце возникают помехи, которые называют шумом квантования. Ошибка квантования может быть определена как (t ) U аим (t ) U кв (t ) / 2 . Чем меньше шаг квантования, тем Максимальная ошибка квантования кв max кв 2 меньше ошибка квантования. Мощность шума квантования Ршкв 12 . Выводы. 1. Аналоговый сигнал, поступающий на вход канала связи МТС посредством операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования преобразуется в цифровой сигнал. 2. При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на отрезки, называемые шагами квантования. Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни квантования. 3. Амплитуды квантованных импульсов отличаются от амплитуды отчетов, что приводит к искажению сигнала, а на приемном конце возникают помехи, которые называют шумом квантования. 1. 2. 3. 4. 5. Контрольные вопросы. Перечислите этапы преобразования аналогового сигнала в цифровой с ИКМ. Что такое шумы квантования? От чего зависит число уровней квантования? Как выбирается частота дискретизации? Как восстанавливается непрерывный (аналоговый) сигнал в тракте приема? 19 Лекция 3 Раздел 2.1. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов (продолжение) Неравномерное квантование (рис. 3.1). Качество передачи информации оценивают показатели помехозащищенности Азшкв Рс Ршкв Из формулы следует, что если шум квантования величина постоянная, то с уменьшением уровня сигнала уменьшается помехозащищенность от шумов квантования. С учетом, того что сигналы с меньшей интенсивностью появляются чаще, необходимо, чтобы шаг квантования слабых сигналов был меньше, т.е. квантование должно быть неравномерным. Uвых Uогр i Ui Ui+1 U вх Uогр Рисунок 3.1 Неравномерное квантование Выполнить квантующее устройство с неравномерной шкалой квантования довольно сложно. Амплитудную характеристику квантующего устройства при этом строят по логарифмическому закону (А-87,6). Применение неравномерного квантования позволяет повысить помехозащищенность слабых сигналов на 26…33 дБ. В стандартных ЦСП применяют цифровую компрессию. 1. Кодирование. Полученный в результате дискретизации по времени и амплитуде сигнал представляет собой групповой сигнал Uкв(t). Так как каждому уровню квантования присвоен свой номер, то его величину из десятичной системы счисления преобразуют в двоичную. Вместо самих отсчетов в линейный тракт передаются кодовые группы импульсов номеру уровня квантования, т.е. цифровой сигнал. С этой целью в ЦСП используют АЦП –кодеры и ЦАП –декодеры. Телефонные сигналы, сигналы звукового вещания являются двуполярными, при их дискретизации получают последовательность разнополярных импульсов. Для кодирования разнополярных импульсов используют натуральный и симметричный коды. Натуральный код. 20 Максимальное по абсолютной величине значение сигнала может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Значению максимально возможной амплитуды отсчетов с отрицательным знаком присваивается значение 0 уровня, возрастающие номера уровней присваиваются следующим через шаг квантования значениям квантованных отсчетов (рис.3.2). +Uогр 10 9 8 9 9 8 8 7 6 5 t 4 3 2 2 2 1 -Uогр 2 Рисунок 3.2. Характеристика натурального кодирования Число уровней квантования может быть определено Lнат 2 U огр 1 Число импульсов в кодовой группе m Ц log 2 Lнат - ближайшее целое число в большую сторону. Вид кодовой группы для любого отсчета, достигшего разрешенного уровня квантования (N) определяют из выражения: m ai 2 m i , N i 1 где аi – кодовая группа (1 или 0) i-го разряда. Симметричный код Отсчет шагов квантования начинается от нулевого значения сигнала в сторону положительных и отрицательных значений его амплитуд. Число уровней квантования (рис. 3.3): U огр Lсим 21 +Uогр 5 4 4 4 3 3 3 2 1 t -1 -2 -3 -3 -3 -4 -Uогр -3 -5 Рисунок 3.3. Характеристика симметричного кодирования Для кодирования разнополярных импульсов старший разряд кодовой группы – знаковый (1- положительной полярности отсчетов, 0 –для отрицательной). Остальные разряды кодовой группы определяют номер уровня квантования, которого достиг сигнал в положительной или отрицательной области. m m Ц log 2 Lсим 1, N ai 2 m i . a1 i 2 Выводы. 1. Аналоговый сигнал преобразуется в сигнал с ИКМ в 3 этапа: Дискретизация исходного сигнала по времени. Квантование непрерывных отсчетов по уровню. Кодирование квантованных отсчетов. 2. Дискретизация аналогового сигнала осуществляется по теореме Котельникова. 3. В качестве станционных кодов можно использовать симметричный и натуральный коды. В основном в МТС применяется симметричный код. 4. При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на отрезки, называемые шагами квантования. 5. Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни квантования. 6. При преобразовании сигнала АИМ – 11в ИКМ сигнал используется нелинейная шкала квантования. Контрольные вопросы. 1. Сколько этапов используется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой? 2. Сформулируйте теорему Котельникова. 3. Почему АИМ- 1 преобразуется в АИМ -11? 4. Поясните принцип кодирования симметричным и натуральным кодами? 5. Что такое шум квантования? 6. Почему используется нелинейная шкала квантования? 22 Лекция 4 Тема 3. Структура оптических многоканальных телекоммуникационных систем (4 часа) Введение. В лекции рассматривается принцип построения МТС. 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 МТС. Раздел 3.1 Обобщенная схема оптических многоканальных телекоммуникационных систем (МТС) Обобщенная схема оптической цифровой многоканальной телекоммуникационной системы (МТС) показана на рис.4.1 ОЛТ А 1 2 КОО ОС ОВ ОПер Б ОВ ОР ОПр ОС N КОО 1 2 N Промежуточная станция Рисунок 4.1. Принцип организации волоконно-оптической связи На передающей станции А (рис. 4.1 ) 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. 23 Групповое оборудование предназначено для кодирования группового сигнала, передачи сигналов в цифровом виде и декодировании группового цифрового потока в тракте приема (рис.4.2). На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции МТС 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)=Eм cos(ω0 t+φ0 ), где Eм – амплитуда поля; ω0 и φ0 – соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно: Pмг = E2 (t)=Eм 2 cos2 (ω0 t+φ0 ), а усреднение по периоду T0 =2π/ω0 дает величину P=0,5Eм 2 , 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 hf 0 , где h—постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J=Р/hf 0 . 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), Выводы. 1. Любую систему передачи можно представить в виде трех основных частей: - каналообразующего оборудования (КОО); -оборудования сопряжения (ОС); -оборудования линейного тракта (ОЛТ). 2. Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в тракте передачи и приема. 24 3. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. Контрольные вопросы. 1. Назначение КОО? 2. Назначение ОС? 3. Назначение ОЛТ? 4. Что такое модуляция по интенсивности оптического излучения? 25 Лекция 5 Раздел 3.1 Обобщенная схема оптических многоканальных телекоммуникационных систем (МТС) (продолжение) 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 МТС используются цифровые системы передачи, т. е. МТС строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высоки ми технико-экономическими показателями и др. Аналоговые СП не применяются на волоконнооптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой помехозащищенности. Тем не менее, исследования в области аналоговых МТС показывают их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи). В настоящее время МТС 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. МТС являются однокабельными. Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной МТС 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. ОВ 1 1 ОС ОПер ОПр ОС 2 2 КОО КОО N ОС ОПр ОПер ОС N ОВ Рис. 5.1 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной МТС 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 МТС) при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ) 26 (рис.1.3). Особенностью данной схемы является использование 0В для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны. ОС 1 2 ОПер ОПр ОС 1 ОВ КОО ОРУ ОС N 2 ОРУ ОПр КОО ОПер ОС N Рис. 5.2. Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной МТС 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 МТС, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучени я 1 в одном окне прозрачности, а прием осуществляется в другом окне прозрачности на длине волны 2, показан на рис. 5.3 Разделение направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. ОС 1 2 ОПер ОФ ОФ 1 1 ОВ 1 ОПр ОС КОО N 1 2 КОО ОС ОПр ОФ ОФ 2 2 ОПер ОС N 2 Рис. 5.3. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной МТС 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 , λ3……… λn . 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. 27 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 МТС. 3. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной МТС. 4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной МТС. 5. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной МТС 28 Лекция 6 Тема 4. Структурная схема оконечной станции (для первичного цифрового потока) МТС и основные узлы оборудования (12 часов) Введение. Рассмотрим структурную схему оконечной станции первичной МТС и основные узлы оборудования Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной МТС и основные узлы оборудования Структурная схема оконечной станции МТС показана на рис. 6.1 N ОС 4 3 2 1 ЭК аим1 аим2 кодер УВУ КЛТ к ОЛТ СУВ fд Nfд fт СУ Пер СС Генераторное оборудование передачи Генераторное оборудование приема fд fт Деко дер ЭК СУ СУВ Пр СС ДЛТ СР к ОЛТ 1 2 3 ОС 4 N Индивидуальное оборудование Групповое оборудование Рис. 6.1. Схема оконечной станции МТС Тракт передачи. Речевой сигнал, пройдя через фильтр нижних частот, ограничивающий спектр сигнала частотой 3,4 кГц. Подается на амплитудно-импульсный модулятор, в качестве которого служит электронный ключ. Работой электронного ключа управляет импульсная несущая, поступающая от генераторного оборудования передачи и следующая с частотой дискретизации. Время замыкания ключа определяется длительностью этой несущей и, таким образом, электронные ключи выполняют функцию модулятора АИМ1. Импульсные последовательности, управляющие работой электронных ключей каналов, смещены относительно друг друга на одинаковые временные интервалы, рав ные длительности канальных импульсов к. Импульсы сигналов АИМ1 всех каналов объединяются в групповой АИМ сигнал и подаются к формирователю импульсов АИМ2, где импульсы АИМ1 расширяются и обеспечивается плоская их вершина. Групповой АИМ2 сигнал квантуется и кодируется в кодере. Таким образом, за период дискретизации происходит по одному разу отсчет дискретных значений речевых сигналов во всех каналах, их квантование и кодирование. Устройство временного уплотнения объединяет этот сигнал с импульсными сигналами 29 управления и взаимодействия, а также с синхросигналом, поступающим от передатчика синхросигнала. В кодере линейного тракта сигнал перекодируется в код удобный для передачи в линии и поступает через линейный трансформатор в линейный тракт. Тракт приема. Из линейного тракта через линейный трансформатор цифровой сигнал поступает на станционный регенератор, где происходит восстановление импульсов по форме и временному положению. Декодер линейного тракта преобразует линейный код в станционный. Здесь же из цифрового сигнала выделяют колебания тактовой частоты, управляющие работой генераторного оборудования, обеспечивающие синфазность работы генераторного оборудования передающей и приемной частей СП. В декодере групповой сигнал преобразуется в АИМ сигнал. Затем он поступает в индивидуальное оборудование, где происходит его распределение с помощью временных селекторов по отдельным каналам. Работой временных селекторов управляют импульсные последовательности от генераторного оборудования приема. Затем из АИМ сигнала в каждом канале с помощью ФНЧ выделяется исходный речевой сигнал, который усиливается усилителем низких частот. Приемник синхросигнала выделяет синхроимпульсы, служащие для синхронизации генераторного оборудования приема. Здесь же выделяются СУВ, которые поступают на согласующие устройства, где импульсные последовательности преобразуются в импульсы постоянного тока. Последние управляют работой узлов АТС. Выводы. 1. Оборудование формирования потока Е1 включает в себя узлы, которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой с ИКМ. 2. На приемном конце осуществляется обратное преобразование. 3. При формировании ИКМ сигнала используется нелинейное кодирование. Контрольные вопросы 1. Нарисуйте схему АИМ тракта на передаче и поясните принцип работы. 2. Нарисуйте схему АИМ тракта на приеме и поясните принцип работы. 3. Что такое нелинейное кодирование? Достоинства, недостатки. 4. Нарисуйте схему тракта передачи МТС и поясните принцип работы. 5. Нарисуйте схему тракта приема МТС и поясните принцип работы. 30 Лекция 7 Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции (для первичного цифрового потока) МТС и основные узлы оборудования (продолжение) Рассмотрим передачу сигналов в произвольном, например, i-м канале (рис.7.1) в течение k циклов (k=1,2,3, …). В первичном сигнале ci(t) с частотой f д выбирается множество отсчетов c1i, c2i, c3i, …, соответствующих мгновенным значениям ci(t) в моменты t 1 , t 2 , t 3 ,…(рис.1.8). Модулятор i-канала Мi вырабатывает последовательность сигналов u1i(t), u2i(t), u3i(t), …, которые содержат информацию о вышеупомянутых отсчетах, так что канальный сигнал ui(t)=u1i(t)+u2i(t)+u3i(t)+… Ci(t) u C2i C1i C3i t1 t2 t3 u u3i(t) u2i(t) u1i(t) T0 T0 Рис.7.1. К пояснению работы модулятора Временное расположение этих сигналов определяется воздействием импульсов, вырабатываемых распределителем канальных импульсов (РИК) (см. рис. 7.2), действующих на i-м выходе РИК. 31 Вых. 1 t t tКИ t Вых. N … КИ1 КИ2 КИ3 КИN t T0 Рис.7.2. Временные диаграммы на выходах РИК Распределитель на приеме работает синхронно с РИК на передаче. Под воздействием импульсов РИК на приеме замыкается ключ i-го канала (Клi), в результате чего на выходе Клi действует только сигнал ui(t). Демодулятор выделяет из ui(t) последовательность отсчетов c1i, c2i, c3i, …, и преобразует ее в первичный сигнал. Теоретическое обоснование возможности передачи информации в СП с ВРК связано с теоремой Котельникова, которая доказывает возможность передачи информации с помощью системы отсчетов, если f д 2Fмах, где Fмах – максимальная частота в спектре первичного сигнала. В качестве канальных сигналов в СП-ВРК широко используются модулированные импульсные последовательности, и в частности АИМ сигналы. В этом случае высота импульсов пропорциональна отсчетам первичного сигнала. U 11 C 1 (t) U 21 U 31 t U 22 U 12 t C 2 (t) U 1N U 2N t C N (t) U г (t) t  t КЧ Т0 Т0 Рис.7.2. Сигналы в системе передачи с ВРК при использовании АИМ 32 На рис.7.2 показаны временные диаграммы канальных и группового АИМ сигналов СП-ВРК. Однако групповой АИМ сигнал затруднительно передавать по линии из-за искажения формы импульсов, связанного с резким увеличением длительности фронтов и спадов. В результате возникает взаимное наложение импульсов, находящихся в разных канальных интервалах, что вызывает взаимное влияние между каналами. Это обстоятельство является одной из причин внедрения цифровых СП ВРК (МТС). На передающем конце МТС в точке А (рис.7.3, а) действует групповой АИМ сигнал. С помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) каждому импульсу группового АИМ сигнала ставится в соответствие кодовая комбинация, т.е. последовательность импульсов и пауз, причем длительность кодовой комбинации равна t ки (рис. 7.3, б). В результате на выходе АЦП формируется групповой ИКМ сигнал в виде цифрового потока. В настоящее время принято, что Т0 =125 мкс (f д=8 кГц), число элементов кодовой комбинации m=8. Частота следования элементов цифрового потока или тактовая частота N-канальной ЦСП f т =Nmf д=64N кГц. На приеме с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) групповой ИКМ сигнал преобразуется в групповой АИМ сигнал, после чего происходят его разделение на канальные сигналы и демодуляция. Сравнение СП-ЧРК и ЦСП показывает, что ширина спектра группового сигнала в случае ЧРК примерно равна N f с, где f с - ширина спектра первичного сигнала. В случае МТС ориентировочно можно считать, что ширина спектра группового ИКМ сигнала сверху ограничивается f т . Таким образом, если в СП с ЧРК на один канал отводится диапазон частот, равный 4 кГц (ширина сигнала f с =f в-f н=3,4-0,3=3,1 кГц; полоса частот, отводимая на расфильтровку fр =0,9 кГц), то в ЦСП этот диапазон составляет 64 кГц. Необходимость существенного расширения спектра сигналов, передаваемых по линейному тракту в случае ЦСП, является существенным недостатком систем передачи этого типа. Однако их высокая помехозащищенность, возможность использования современной элементной базы, стабильность в работе обуславливают широкое внедрение ЦСП на различных участках сети связи. Линейный тракт 1 M1 A ЦАП АЦП  1 Кл ДМ 1 1 1 1 N N M Кл N N 1 ДМ N N N 2 N 1 2 N РИК РИК а) КИ ККi КК2 КК1 1 КИ 2 КК … … Т0 N КИ N tки 1 1 1 1 1 б) Рис.7.3. К пояснению принципа функционирования МТС 33 В системах передачи с ВРК каждый канальный сигнал представляет собой периодическую последовательность импульсов, промодулированных исходным сигналов. При этом чаще всего используется амплитудно-импульсная модуляция, при которой модулируется амплитуда импульсов, а другие параметры (длительность, частота, временное положение) остаются неизменными. Таким образом, в процессе АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала по времени в соответствии с известной теоремой дискретизации: любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой Fв, полностью определяется последовательностью своих отсчетов, взятых через промежуток времени Тд 1/2Fв, называемой периодом дискретизации. В соответствии с этим частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия Fд 2 Fв. При АИМ амплитуда периодической последовательности импульсов изменяется в соответствии с изменениями амплитуды модулирующего сигнала с(t) (например, телефонного сигнала). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода. При АИМ-1 амплитуда отсчетов, следующих с частотой дискретизации Fд, изменяется в соответствии с изменениями модулирующего сигнала с(t), а при АИМ-2 амплитуда каждого отсчета неизменна и равна значению модулирующего сигнала с(t) в момент начала отсчета. На рис. 7.4 представлен исходный модулирующий сигнал с(t), а также сигналы при АИМ-1 и АИМ-2 в случае дискретизации двухполярных сигналов. Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром. причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией на передаче необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой Fв. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза. Fв=3,4 кГц. G(f) Fр G0 Fн Fв Fд 2Fд 3Fд f Рисунок 7.5. Спектральный состав АИМ сигнала Рис.7.4. Формирование АИМ сигнала Если длительность АИМ отсчетов и много меньше периода их следования Тд, т.е. скважность q=Тд/ и 1, то разница между АИМ-1 и АИМ-2 оказывается несущественной. Это 34 условие выполняется в системах передачи с ЧРК, так как длительность канальных импульсов должна выбираться из условия и Тд/N, где N – число каналов. Частотный спектр модулированной последовательности при АИМ однополярного сигнала содержит (рис. 7.5): постоянную составляющую G0 ; составляющие с частотами исходного модулирующего сигнала Fн … Fв; составляющие с частотой дискретизации Fд и ее гармоники kFд; составляющие боковых полос (нижней и верхней) при частоте дискретизации и ее гармониках kFд (Fн … Fв). При дискретизации двухполярных сигналов (телефонных звукового вещания) в спектре АИМ сигнала практически отсутствует постоянная составляющая и составляющие с частотами Fд и kFд. Из рис. 7.4 видно, что для восстановления исходного непрерывного сигнала из АИМ сигнала на приеме достаточно поставить ФНЧ с частотой среза, равной Fв, который выделит исходный сигнал. Поскольку для телефонного сигнала Fв=3,4 кГц, то Fд должна выбираться из условия Fд 6,8 кГц. Реально выбрана Fд=8 кГц, что позволяет упрощать требования к ФНЧ приема. При Fд =8 кГц полоса расфильтровки Fр оказывается достаточно большой и составляет Fр =( Fд -Fв)-Fв=1,2 кГц, а при Fд =6,8 кГц Fр =0 и потребовался бы ФНЧ приема с бесконечно большой крутизной («идеальный» фильтр, рис. 7.5). Кроме того, следует иметь в виду, что если на выходе ФНЧ передачи появятся плохо подавленные составляющие исходного сигнала с частотами выше Fв+ Fр , то это неизбежно (даже в случае идеального ФНЧ приема) приведет к искажениям сигнала при его восстановлении на приеме. G(f) f, кГц Рис. 7.6. К вопросу необходимости выбора Рис. 7.7. Групповой АИМ сигнал fд>2 Выбор частоты дискретизации широкополосных групповых сигналов имеет свои особенности. В соответствии с рис. 7.7 после дискретизации канальные сигналы, представляющие собой последовательности АИМ отсчетов, сдвинутых по времени друг относительно друга, объединяются, в результате чего образуется групповой АИМ сигнал (АИМ гр). На рис. 7.7 над каждым отсчетом указан номер канала, к которому он относится. Групповой АИМ сигнал передается между выходом формирователя АИМ сигнала (АИМ модулятора) и входом кодирующего устройства в оконечном оборудовании передачи и входом декодирующего устройства и входом устройства разделения канальных сигналов (временного селектора) в оконечном оборудовании приема. Прохождение группового АИМ сигнала по цепям с ограниченной полосой пропускания или неравномерной АЧХ 35 сопровождается искажением формы импульсов, выражающейся в затягивании фронтов и срезов импульсов и возникновении выбросов. Это может привести к перекрытию временных интервалов между каналами и вызвать переходные помехи. Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот сверху, называются искажениями первого рода. Ограничение полосы частот сверху связано наличием реактивных элементов в цепях, по которым проходит групповой АИМ сигнал, с ограниченным быстродействием транзисторов, используемых в узлах формирования АИМ сигнала, и с другими факторами. Характер возникающих искажений при передаче прямоугольных импульсов показан на рис. 7.8,а. При этом, как правило, достаточно учитывать влияние только предшествующего канала, тат как влияние более отдаленных по времени каналов оказывается малозаметным. Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот снизу, называются искажениями второго рода. Это ограничение происходит из-за наличия в цепях группового сигнала реактивных элементов (трансформаторов, емкостей и др.). Характер показан на рис. 7.8, б. В отличие от искажений первого рода выбросы обратной полярности затухают медленно, поэтому влиянию подвергаются даже каналы существенно удаленные по времени от влияющего канала. Это делает искажения второго рода более опасными по сравнению с искажениями первого рода. В реальных трактах возникают искажения обоих типов. Таким образом, линейные искажения в системах с ВРК приводят к возникновению переходных помех между каналами. В тоже время при прохождении группового АИМ сигнала по тракту, обладающему нелинейностью (например, через амплитудные ограничители, импульсные усилители, электронные ключи и др.), изменяются амплитуды отсчетов каждого из каналов, однако отсутствуют переходные помехи между каналами, поскольку длительность импульсов не изменяется. Следовательно, в отличие от систем с ЧРК в системах с ВРК качество передачи в большей степени определяется величиной и характером линейных искажений. N 3 АИМгр 1 2 Т1 а) АИМгр 1 Ic t 3 1 Т2 Iу2 Ес 2 Rн Iу1 б) t Uу Рис.7.8. Искажения АИМ сигнала Рис.7.9. Схема АИМ модулятора Выводы. 1. Прохождение группового АИМ сигнала по цепям с ограниченной полосой пропускания или неравномерной АЧХ сопровождается искажением формы импульсов, выражающейся в затягивании фронтов и срезов импульсов и возникновении выбросов. Это может привести к 36 перекрытию временных интервалов между каналами и вызвать переходные помехи. 2. Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот сверху, называются искажениями первого рода. 3. Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот снизу, называются искажениями второго рода. Контрольные вопросы. 1. Поясните влияние линейных и нелинейных искажений при прохождении группового АИМ сигнала по ОЛТ. 2. Поясните, что такое искажение первого рода? 3. Поясните, что такое искажение второго рода? 4. Чем отличается АИМ-1 от АИМ-11? 37 Лекция 8 Тема 4. Структурная схема оконечной станции ) для первичного цифрового потока) МТС и основные узлы Введение. В лекции рассматриваются построение тракта передачи КОО и схемы основных узлов: амплитудно - импульсные модуляторы, преобразователи АИМ-1 в АИМ-11,кодеры с равномерной и неравномерной шкалой квантования. Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования (продолжение) Амплитудно-импульсные модуляторы. Амплитудно-импульсные модуляторы осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи. Временные селекторы распределяют на приеме импульсы группового АИМ сигнала по входам низкочастотных окончаний каналов. В качестве таких устройств применяются быстродействующие электронные ключи, управляемые импульсным напряжением, называемым импульсной несущей. Параметры амплитудно-импульсных модуляторов и временных селекторов определяют параметры цифрового канала ТЧ и влияют на уровень шумов в них. Присутствие импульсов управляющего тока на выходе амплитудно-импульсного модулятора приводит к смещению произвольным образом амплитуды отсчетов, что увеличивает погрешность при квантовании и кодировании и уровень шумов на выходе канала. Мощность остатков управляющих импульсов не должна превышать 0,001 пикового значения мощности сигнала. Это достигается применением балансных схем модуляторов и временных селекторов. Причем, требования к балансировке могут быть снижены, так как затухание ФНЧ-3,4 в тракте приема на частоте 8 кГц достаточно велико. К амплитудно-импульсным модуляторам и временным селекторам предъявляют высокие требования по быстродействию и линейности амплитудной характеристики. От их быстродействия зависит уровень переходных помех между каналами, а от линейности амплитудной характеристики – нелинейные искажения. Амплитудно-импульсные модуляторы. В качестве электронного ключа может быть использован диодный мост (рис. 8.1). Д1 Д3 Rc H(t) Rн Uс Д2 Д4 Rн Ес Uу Рис. 8.1. Диодный мост Управляет работой диодов напряжение импульсной несущей Uу . Для обеспечения баланса необходимо подобрать диоды с одинаковыми параметрами. На практике используют интегральные сборки, в которых диоды выполнены на одном кристалле и обладают практически одинаковыми параметрами. 38 Схема электронного ключа на транзисторах (рис. 8.2): N Т1 Т2 1 Ic Iу2 Ес Rн Iу1 Uу Рисунок 8.2. Схема электронного ключа на транзисторах Управляющее импульсное напряжение Uу поступает на базы транзисторов одновременно, а токи эмиттерных цепей Iу1 , Iу2 в нагрузке протекают в противофазе. Таким образом, если параметры транзисторов одинаковы, то суммарный ток импульсной несущей в нагрузке будет равен 0. В типовой аппаратуре в качестве активных элементов в электронных ключах чаще всего используют интегральные транзисторные сборки. Преобразователь АИМ1 в АИМ2. Сигналы с выходов электронных ключей тракта передачи объединяются в групповой АИМ сигнал. Причем, амплитуды в течении длительности импульса будут изменяться в соответствии с изменением амплитуды исходного сигнала, т.е. на выходе электронного ключа передачи имеется сигнал – АИМ1. Для устойчивой работы кодеров необходимо преобразование группового сигнала в форму АИМ2, т.е. импульсы должны быть с плоской вершиной и значительной длительностью. Структурная схема преобразования АИМ1 в АИМ2. Кл1 1 U Кл2 аим1 Ус2 Ус1 U аим 2 2 С N Кл3 Рис. 8.3. Структурная схема преобразования АИМ1 в АИМ2 В состав схемы входят электронный ключ, накопительный конденсатор С и операционные усилители. КЛ1 – амплитудно– импульсные модуляторы каналов; КЛ2 – работают одновременно с КЛ1, подключает на короткое время заряда ( з). Накопительный конденсатор С заряжается до амплитуды АИМ сигнала, КЛ1 и КЛ2 – размыкаются. 39 УС2 – имеет высокоомное входное сопротивление, что обеспечивает постоянное напряжение заряда конденсатора на время кодирования сигнала. Для подготовки накопительного конденсатора и к следующему отсчету сигнала АИМ1 он разряжается на землю КЛ3. Кодеры с равномерной и неравномерной шкалой квантования. В ОЦТС с ИКМ используют три основных метода построения аналого-цифровых преобразователей: - матричный; - последовательного счета; - поразрядного взвешивания. Матричный кодер. Образуется кодовое поле, состоящее из пространственно разнесенных элементов, число которых равно числу разрешенных уровней. Кодовое поле может представлять собой набор пороговых устройств (при m 5), либо кодовую маску в специальной электроннолучевой кодирующей трубке (m=8, 9). Недостатком матричных АЦП, построенных на обычных элементах, является низкая точность преобразования (т.к. m мало). Необходимость использования специальных электронно-лучевых приборов для повышения точности ограничивает возможность применения таких кодеров. Кодер счета (рис. 8.4.). Счетчик 1 2 m АИМ АИМ-ШИМ И Т1 Т2 Тm Генераторное оборудование Рис. 8.4. Схема кодера счета На вход кодера подаются импульсы сигнала АИМ2, которые затем преобразуются в импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), длительность которых пропорциональна высоте отсчетов. Модулированные по длительности импульсы подаются на один из входов логической ячейки И, на другой вход которой от генераторного оборудования подается последовательность коротких импульсов. На выходе ячейки И получаются пачки импульсов. Причем, количество импульсов в каждой пачке будет пропорционально длительности импульсов ШИМ и, следовательно, пропорционально высоте отсчетов АИМ сигнала. Максимальное число импульсов в пачке 2m. Число импульсов в единицу времени N·fд. Ячейки двоичного счетчика производят счет импульсов, содержащихся в каждой пачке, формируя двоичную кодовую группу. Скорость работы счетчика может быть определена как N·fд 2m. Например, для N=30, fд=8 кГц, скорость 30·8·103 ·28 =6·106 имп/с. Таким образом, по своему принципу действия кодеры счета требуют высокого быстродействия – основной недостаток. Достоинство – простота, надежность и высокая точность работы. Кодеры взвешивания. 40 1. Линейный кодер. В таких кодерах величина отсчета сигнала выражается суммой определенного набора эталонных сигналов m Uс m ai 2m i Uk i 1 ai U этi , где i 1 U этi= U k 2m-I – эталонный сигнал i-го разряда U k – шаг квантования ai – кодовый символ i-го разряда. Структурная схема кодера приведена на рисунке, она содержит число ячеек, равное разрядности кода m. АИМ сигнал СВ СВ РУ РУ Uэт1 РУ Uэтm Uэт2 m-й разряд 2-й разряд 1-й разряд ячейка Рис. 8.5. Кодер поразрядного взвешивания Каждая ячейка содержит решающее устройство РУ с порогами, равным эталонным напряжениям данного разряда и схему вычитания. В РУ амплитуда импульса сравнивается с эталонным пороговым напряжением данного разряда Uэтi. Если Uc>Uэт, на выходе РУ формируется «1», а на схему вычитания подается импульс с амплитудой Uэт, т.е. на следующую ячейку подается сигнал Ui-Uэтi. Если же Uc2m1 Uk , на выходе компаратора появляется «1». Он же поступает на регистр сдвига по цепи обратной связи и подтверждает правильность подачи импульса на первый выход ЦАП. Если же в начале кодирования окажется Uc<2m-1 Uk , на выходе кодера формируется сигнал «0», этот символ появиться и на первом входе ЦАП и будет удерживаться на протяжении всего цикла формирования кодовой группы. Формирование символов (0 или1) следующего разряда производится аналогичным образом. Импульсы от генераторного оборудования ячейки регистра сдвига переводятся в положении, когда на всех входах ЦАП, кроме 2-го будут нулевые импульсы. На входе ЦАП появится импульс с амплитудой 2 m-21 Uk . Процесс формирования кодовой группы будет повторяться до тех пор, пока не будут перепробованы импульсы всех разрядов. Нелинейный кодер. Как уже говорилось ранее квантование в современных МТС происходит нелинейным способом, т.е. используется нелинейное компандирование. Более современный способ реализации требуемой характеристики компандирования состоит в управлении с помощью цифровых схем алгоритмом выбора эталонных напряжений при кодировании и декодировании. 42 U вых U выхмах 1 VIII VII 0,75 VI V 0,5 IV III 0,25 II I 1/16 1/8 1/4 1/2 1 U вх U вхмах Рис. 8.8. Характеристика компандирования 16-ти сегментная Используется 16-ти сегментная линейно-ломаная аппроксимация характеристики компандирования. Характеристика для одной полярности напряжения аналогового сигнала приведенная на рисунке содержит 8 сегментов. Каждый сегмент имеет 16 уровней равномерного квантования. В I и II сегментах характеристики шаг квантования одинаковый, а в каждом следующем сегменте, начиная с III, величина шага квантования удваивается. Обычно символ кодовой группы первого разряда определяет полярность сигнала «1» - для положительного, «0» - для отрицательного. 2-й, 3-й, 4-й разряды определяют номер сегмента в двоичной форме (от 0 до 7). 5-й, 6-й, 7-й, 8-й разряды определяют номер уровня в сегменте. Таблица эталонных значений напряжений для определения номера сегмента, номера уровня квантования внутри сегмента. Таблица 8.1. Значения эталонных напряжений Номер 2-й, 3-й, 4-й Шаг Эталонное Эталонное сегмента разряды квантования напряжение напряжение при кодировании нижней в пределах сегмента границы сегмента I 000 ,2 ,4 ,8 II 1 001 ,2 ,4 ,8 16 III 2 010 2 , 4 , 8 , 16 32 IV 3 011 4 , 8 , 16 , 32 64 V 4 100 8 , 16 , 32 , 64 128 VI 5 101 16 , 32 , 64 , 128 256 VII 6 110 32 , 64 , 128 , 256 512 VIII 7 111 64 , 128 , 256 , 512 1024 Из таблицы видно, что для формирования всех уровней квантования достаточно иметь 11 эталонов ( , 2 , 4 , 8 , 16 , 32 , 64 , 128 , 256 , 512 , 1024 ). При кодировании в пределах одного сегмента требуется всего 5 эталонов: - один для определения нижней границы сегмента; - четыре для определения шага квантования в пределах сегмента. Малое число эталонных сигналов, используемых при формировании одного квантованного отсчета, упрощает требования к точности источника эталонных сигналов в целом. 43 ПРИМЕР. U=352 . Определим первый разряд. Поскольку отсчет имеет положительную полярность, следовательно, 1. Далее определяем 2-й, 3-й, 4-й разряды т.е. номер сегмента: 352 находится между 256 и 512, поэтому нижняя граница сегмента 256, таким образом отчет находится в 5 сегменте, которому соответствует кодовая комбинация 101. После чего необходимо закодировать разницу между 512-256=96 (т.е. получит номер уровня внутри сегмента). Это значение кодируется уже с помощью эталонных напряжений для 5 сегмента 16 , 32 , 64 , 128 . 96=32+64. Следовательно, 5-й, 6-й, 7й, 8-й разряды 0110. Таким образом, полученная кодовая комбинация: 1 101  знак ном ер сегм ента 0110  ном ер уровня внутри сегм ента Схема нелинейного кодера: Назначение элементов схемы (рис. 4.9): ЗУ – запоминающее устройство. Запоминает мгновенное значение сигнала и поддерживает его в течение всего времени кодирования. К – компаратор. Определяет полярность отсчета и знак разности между амплитудой кодируемого отсчета и суммой эталонных напряжений. В зависимости от знака этой разности на выходе компаратора формируется «0» (Uc>Uэт), или «1» (Uc 8, и НЧР = 1000 ГГц), а также значения оптических несущих при НЧР = 200 ГГц (4 < п < 20), для п = 8 (НЧР = 500 ГГц), п = 4 (НЧР = 600 ГГц и НЧР = 1000 ГГц). C(B) S(R) L(R) L(B) 40,82 1528,77 196,2 1545,32 194 5,2 43 1569.59 1612,65 185,9 191,0 , нм f, ТГц 5,1 Рис. 18.4. Спектр МТС -WDM Аналогичные частотные планы разработаны и для OB G.653. Для уменьшения влияния четырехволнового смешивания при организации ВОСПWDM на волокнах G.653 предлагается использовать неодинаковое НЧР между каналами. Заметим, что максимальная скорость передачи Вмах ВОСП-WDM во многом определяется приятым частотным планом. Bmax Bch n, где Вch - максимальная скорость передачи в канале; п - число каналов. 92 Поэтому увеличить скорость передачи системы WDM можно, увеличивая скорость передачи в канале. Например, если п = 4, В= 2,5 Гбит/сек (STM-16), то Smax= 10 Гбит/с, что соответствует 64-му уровню STM-N. Строгая регламентация оптических частот для систем HDWDM, DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих(λ1…λN). В рекомендации ITU-T G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому, в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений спектральных каналов и частотного интервала между ними можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (Δ), а также допустимую величину нестабильности оптической частоты. При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 100 ГГц спектральная ширина линии излучения Δ не должна превышать величину Δ = ± 0,08 нм, нестабильность оптической несущей не более 10 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены. Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δ = 0,5 нм (для STM-16), для STM-64 - Δ = 0,1 нм , а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. Таблица 18.1 Значения центральных частот каналов при использовании ОВ G.652/G.655 Интервал Интервал Интервал Интервал Интервал Интервал Длина Частота 100 ГГц 200 ГГц (4 400 ГГц 500/400 600 ГГц 1000 ГГц волны, (8 ТГц канала и (только 4 ГГц (только 4 (только 4 нм каналов и более) (только 8 канала) канала) канала) более) каналов) 196,1 * * 1528.77 196,0 * 1529,55 195,9 * * 1530,33 195,8 * 1531,12 195,7 * * 1531,90 195,6 * 1532,68 195,5 * * * * 1533,47 195,4 * 1534,25 195,3 * * * 1535,04 195,2 * 1535,82 195,1 * * 1536,61 195,0 * 1537,40 194.9 * * * 1538,19 194,8 * * 1538,98 194,7 * * 1539,77 194,6 * 1540,56 194,5 * * * 1541,35 194,4 * 1542,14 194,3 * * * * 1542,94 194,2 * 1543,73 194,1 * * 1544,53 194,0 * 1545,32 193,9 * * * * 1546,12 93 193,8 193,7 193,6 193,5 193,4 193,3 193,2 193,1 193,0 192,9 192,8 192,7 192,6 192,5 194,4 192,3 192,2 192,1 * 1546,92 * * * * 1547,72 * 1548,51 * * * * 1549,32 * * 1550,12 * * * 1550,92 * 1551,72 * * * * 1552,52 * * 1553,33 * * * 1554,13 * 1554,94 * * * 1555,75 * 1556,55 * * * * * * 1557,36 * 1558,17 * * * 1558,98 * 1559,79 * * * 1560.61 Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства - транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется N оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для первого канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ1 , для второго λ2 и т.д. до λN. С выходов транспондера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического мультиплексора, соответствующие указанным длинам волн λ1 …λN. Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери ОМ на канал составляют ~ 7... 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величинасоставит14...18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния. Для того чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений , возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления проявляются начиная с указанной мощности в виде допол94 нительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS ( или ВРМБ - вынужденное рассеяние Манделынтамм - Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (или ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Величина суммарной оптической мощности в системах WDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне +17дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами — допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм. Особо следует отметить, что с внедрением технологии WDM появилась возможность создавать многофункциональные системы передачи. Пример одной из таких схем организации связи приведен на рис. 18.5. Рис. 18.5. Схема организации связи. Выводы. 1. При уплотнении ВОЛС можно применять следующие методы: временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM), пространственное уплотнение и спектральное. 2. Основным способом уплотнения является временное уплотнение (Times Division ultiplexing,TDM). 3. С целью повышения эффективности использования пропускной способности оптических волокон в настоящее время внедряются системы со спектральным уплотнением. 95 Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схему временного уплотнения (Times Division ultiplexing,TDM) и поясните принцип ее работы. 2. Нарисуйте схему пространственного уплотнения и поясните принцип ее работы. 3. Нарисуйте схему спектрального уплотнения и поясните принцип ее работы. 4. Требования к источникам излучения при спектральном уплотнении. 96 Лекция 19 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Оптический передатчик. Оптические передатчики ОЦТС реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. Обобщенная структурная схема передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ) приведена на рис. 19.1, где приняты следующие обозначения: СВД Сигнал отказа СУ и ОС ОР ФМС ЛОС ОВ МОИ ИОИ СРРИОИ Рис. 19.1 Обобщенная структурная схема оптического передатчика ФМС — формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения, к виду, обеспечивающему оптимальный режим работы оптического модулятора или источника оптического излучения; МОИ – модулятор оптического излучения, здесь осуществляется модуляция одного из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы, поляризации и др.); ИОИ — источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на СРРИОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения; ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение, передаваемое по оптическому кабелю; СВД – схема встроенной диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие ввод оптического сигнала в оптический кабель; ОВ – оптическое волокно. Основным блоком, определяющим качество функционирования ПОМ, является источник оптического излучения. К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна: достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно 97 большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик. Известны три класса источников оптического излучения для ОЦТС: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в первую очередь, с уникальным сочетанием важных для ВОСП положительных свойств, таких как непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры. Принцип действия некогерентных и когерентных источников излучения. Как известно из квантовой механики, значения приобретаемой электронами энергии не являются непрерывными, а носят дискретный характер. Дискретность энергетических состояний дает основание говорить, что электрон находится на том или ином энергетическом уровне. В полупроводниках (рис. 19.2) плотность электронов значительна и поэтому многочисленные энергетические уровни расположены плотно, образуя зоны. Имеется два типа таких зон – верхняя зона – проводимости с энергией Ес и нижняя зона – валентных электронов с энергией Ev. Между этими зонами находится запрещенная зона с энергией Еq . Ес Еq Еv Рис. 19.2 Энергетические уровни в полупроводнике Считается, что зона валентных электронов соответствует базовому (минимальному) энергетическому уровню. При тепловом равновесии почти все электроны находятся именно в этой зоне, т.е. сосредоточены в определенных местах кристаллической решетки полупроводника. Что же произойдет с электронами, если добавить энергию извне? Если к pn переходу полупроводника приложить напряжение смещения в прямом направлении, то через переход потечет электрический ток. Если количество добавляемой энергии значительно, то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетическом уровне, приобретая добавочную энергию, переходят на более высокий уровень. Таким образом, часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Это приводит к появлению свободных электронов, которые могут свободно перемещаться внутри полупроводника. При этом в зоне валентных электронов на освободившихся местах появляются положительно заряженные дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями тока в полупроводнике. Свободные электроны в полупроводнике, сталкиваясь с узами кристаллической решетки или с другими электронами «падают» в зону валентных электронов, и пара «электрон-дырка» исчезает. Если падение на нижний энергетический уровень или в зону валентных электронов происходит без соударения, в таких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным. Частота f определяется разностью энергетических уровней Eq (равна Ec-Ev), т.е. шириной запрещенной энергетической зоны: c Eq f (19.1) h Эта формула называется частотным условием Бора. Интенсивность света зависит от числа пар «электрон-дырка». 98 Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебание энергии Eq тоже, пусть и не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения. Напряженность электрического поля оптического излучения изменяется во времени по следующему закону: E (t ) A a(t ) sin 2 ft (t ) , где a(t) – колебания амплитуды (шумы амплитудной модуляции); (t) – колебания частоты (шумы частотной модуляции). Если бы все колебания представляли собой синфазные синусоиды и отсутствовали бы частотные отклонения, то спектр состоял бы из единственной линии с частотой f. Поскольку в нашем случае имеются флуктуации частоты, то спектр приобретает некоторую ширину f, определяемую этими флуктуациями. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом. Когерентными источниками света называются такие источники, которые в отличие от описанных выше излучают синфазные оптические волны. В основе их лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Широкое распространение получил резонатор Фабри – Перо, который представляет собой два зеркала, установленные перпендикулярно оси z (рис 19.3). z x y Рис. 19.3 Общая структура резонатора Фабри – Перо Зеркала исполняют роль положительной обратной связи. Данная конструкция препятствует распространению лучей вдоль оси z, а, следовательно, уменьшается число поперечных мод. Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным. В соответствии с законами квантовой механики в таких структурах с положительной обратной связью происходит не только спонтанное излучение, но и еще один процесс – индуцированное (вынужденное) излучение. Суть вынужденного и злучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с частотой f 0 , примерно равной частоте f, определяемой (19.1), то возникает излучение с частотой f 0 и направлением падающего света. Таким образом, к спонтанному добавляется вынужденное излучение. При каждом переходе возникшего вынужденного излучения между зеркалами оно усиливается средой полупроводника, так как вызывает все новые и новые вынужденные излучательные рекомбинации носителей. Если потери в такой структуре меньше, чем усиление, то возникает лазерный эффект, характеризующийся появлением генерации вынужденного излучения. Стоит убрать зеркала, обеспечивающие положительную обратную связь, генерация прекратится, хотя спонтанное излучение можно по-прежнему наблюдать. Механизмы спонтанного и вынужденного излучений используются в лазерных диодах. 99 Вынужденное или индуцированное излучение приводит к значительному снижению числа излучаемых продольных мод. Выводы. 1. Известны три класса источников оптического излучения для ОЦТС: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. 2. Оптические передатчики МТС реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электроннооптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. 3. Основным узлом ПОМ является источник оптического излучения 4. Различают два вида оптического излучения: спонтанное и вынужденное (индуцированное). Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схему оптического передатчика и поясните назначение узлов. 2. Какие источники оптического излучения используются в МТС? 3. Поясните механизм спонтанного излучения? 4. Поясните механизм вынужденного (индуцированного) излучения? 5. Назначение резонатора Фабри – Перо. 100 Лекция 20 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Светоизлучающие диоды. Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). В нем электрон в зоне проводимости не сталкивается с узлами кристаллической решетки, т. е. при сохранении количества энергии переходит в зону валентных электронов и воссоединяется с дыркой. При таком переходе возникает спонтанное излучение. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения, и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью. Его называют некогерентным светом. В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа. Структура светодиода с поверхностным излучением показана на рисунке 29.1. Свет 1 1 - оптическое волокно; 2- склеивающий состав; 3- электрод. 2 3 n GaAs p GaAs p-n переход SiO2 3 Рис. 20.1. Структура светоизлучающего диода с поверхностным излучением Для предотвращения сильного поглощения света и физического сопряжения с ОВ в подложке из GaAs протравливается ямка. Для такого диода характерно практически ламбертовское распределение интенсивности с шириной диаграммы направленности 120 . Размеры излучающей области определяются размерами металлического контакта и подбираются в соответствии с диаметром ОВ. Потери на ввод без применения согласующих устройств зависят от NA волокна и составляют 14. . .20 дБ. Применение согласующих устройств позволяет уменьшить эти потери. 101 Структура СИД торцевого типа показана на рисунке 20.2. В торцевом СИД используется двойная гетероструктура. Гетероструктурой или гетеропереходом называются полупроводники с p-n–переходом из различных материалов. На рисунках 20.3, а и б показаны гетероструктуры соответственно с одно- (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничениями. В СИД с ОГС под действием прямого смещения электроны инжектируются через прямой p-n- переход, а затем удерживаются (рисунок 20.3, а ) потенциальным барьером перехода p(GaAs) – p(Alx Ga1-x As). Излучательная рекомбинация происходит преимущественно в активной области толщиной d. Возникшее излучение распространяется в волноводе, образовавшемся из-за разных коэффициентов преломления слоев структуры. Мощность излучения возрастает за счет локализации излучения (в данном случае – справа) . Электрод N GaAs n AlyGa1-yAs P GaAs p AlxGa1-xAs p GaAs Электрод Рис. 20.2. Структура светоизлучающего диода торцевого типа d P 0,1 мкм 1 мкм n GaAs p GaAs а) d P 2 мкм p AlxGa1-xAs y 0,3 мкм 0,1 мкм n AlxGa1-xAs 0,1 мкм p GaAs y p AlxGa1-xAs б) Рис. 20.3. Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б) Гораздо лучшими свойствами обладает ДГС. В такой структуре активная излучательная рекомбинация (рисунок 20.3, б) наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d. 102 Использование ДГС в СИД торцевого типа позволяет уменьшить расходимость излучения в плоскости, нормальной p-n-переходу, примерно до 30 , а в плоскости, параллельной переходу, где нет волноводного эффекта, излучатель остается ламбертовским с шириной диаграммы направленности = 120 . Мощность излучения у торцевого СИД оказывается в 2-5 раз меньше, чем у поверхностного СИД. Однако потери на ввод излучения в ОВ благодаря меньшей угловой расходимости также оказываются меньше и в зав исимости от NA составляют 10 . . . 16 дБ. Выводы 1. Светодиоды являются примером некогерентного оптического излучения. Основой такого источника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs и т. п.). 2. В настоящее время разработаны два основных типа светодиодов: с поверхностным излучением и торцевого типа. 3. В структуре ДГС активная излучательная рекомбинация наблюдается в p-области (GaAs) благодаря имеющимся слева и справа от нее потенциальным барьерам. Образовавшийся плоский симметричный волновод способствует локализации излучения практически в пределах активной области d. Контрольные вопросы. 1. Объясните принцип работы СИД с поверхностным излучением. 2. Объясните принцип работы СИД торцевого типа. 3. Поясните, что такое ОГС и ДГС? 103 Лекция 21 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Лазерные диоды. Лазерные диоды являются когерентными источниками света, которые в отличие от некогерентных излучают синфазные оптические волны. В основ е их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Рассмотрим принцип работы простейшего ЛД, выполненного на основе одного вида полупроводника GaAs или InP, представляющего собой параллелепипед с p-nпереходом (рис. 21.1), перпендикулярным двум противоположным торцам кристалла. p n pпереход n Излучение Рис. 21.1 Структура лазерного диода Рекомбинация носителей происходит вблизи плоскости перехода и в самом переходе, положительная обратная связь создается за счет параллельных отражающих торцевых поверхностей, образующих резонатор Фабри – Перо (он получается путем шлифования торцевых поверхностей до зеркального блеска). Отражение от торцов обусловлено разницей показателей преломления n полупроводника и воздуха. Поверхность неизлучающих граней подвергают загрублению, добиваясь их шероховатости, чтобы исключить возможность генерации в нежелательных направлениях. Наличие резонатора создает условия существования синфазных оптических волн и спектр излучения становится дискретным или когерентным. При малых уровнях инжекции присутствует только спонтанное излучение. Когда плотность тока инжекции Iи (накачки) возрастает, достигая порогового значения Iп, полное оптическое усиление в структуре становится равным полным потерям и возникает генерация, или лазерный эффект. Для гомолазера, чтобы достичь порога генерации при комнатной температуре, пороговая плотность Iп должна быть 30 . . . 100 А/см2 . Столь большие плотности токов 104 приводят к перегреву кристалла и быстрому его разрушению. При уменьшении температуры кристалла до температуры жидкого азота возможна длительная работа лазера. На примере гомолазера удобно лишь рассмотреть механизм вынужденного излучения, но использовать его в ОЦТС практически невозможно. Лазерный диод для ОЦТС должен устойчиво работать при нормальных внешних условиях с модулирующими токами, не требуя внешнего охлаждения. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников – гетероструктур. В ЛД с ДГС удается снизить величину Iп до 1 . . . 2 А/см2 . Если увеличивать ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3 . . . 5 мкм. По мере увеличения тока “загорается” все больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения. На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие ЛД называются лазерами с полосковой геометрией. Ток Iп в них уменьшается до 500 мА/см2 , излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в ОВ с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения. Полосковый контакт можно выполнить следующими методами: лазер мезаполосковой структуры, получающийся стравливанием нескольких, их последующей изоляцией и напылением металлического контакта; полосковый контакт образованный протонной бомбардировкой, которая разрушает активную область вне полоски; лазер с так называемой погруженной структурой, создаваемой путем “погружения” мезаструктуры в слой AlGaAs типа n. У ЛД с погруженной структурой наблюдаются низкие значения Iп (5 . . 10 мА/см2 ) и малые выходные мощности (0, 5 . . . 2 мВт) из-за малых размеров излучающей площадки, не превышающей 1 . . . 2 мкм. Рисунок 21. 2. Лазеры с полосковой геометрией Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5 . . . 20 мВт при ширине полоскового контакта 10 . . . 20 мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. 105 Несмотря на использование полосковой геометрии в ЛД, число генерируемых мод все-таки достаточно велико. Для уменьшения числа возбуждаемых мод в резонаторе лазера создается периодическая неоднородность показателя преломления, приводящая к периодическим изменениям оптической толщины активного слоя, в котором распространяется световая волна. В результате дифракции на такой решетке останутся только те моды, длина волны которых кратна периоду решетки (только для этих типов волн наблюдается синфазное сложение волн дифракции). Такой излучатель получил название лазера с распределенной обратной связью (РОС) и показан на рис. 21.3. p InGaAsP p InP InGaAs n n InGaAsP InP lp Рис. 21.3 Структура лазера РОС Необходимый период решетки lр можно определить из соотношения lр = / 2n, где - порядок дифракции. Изготовление решетки внутри кристалла представляет собой сложную задачу. Другой реализацией идеи селекции мод явилось создание лазера с распределенным брегговским отражением (РБО). В этих лазерах (рис.21.4) дифракционные решетки располагаются вне области накачки. InP p InP InGaAsP InP n Рис. 21.4 Структура лазера РБО Требуемая в этом случае точность обработки сопоставима с точностью формирования активного слоя, но зато для полученной таким образом структуры в отличие от лазеров с РОС генерация единственной продольной моды – обычное явление. Лазеры с такой структурой не имеют перескока моды даже при высокоскоростной модуляции и генерируют только одну продольную моду, что делает их удобными для использования в качестве источников излучения при работе по одномодовому волокну и в системах передачи со спектральным разделением каналов. Основными характеристиками источников оптического излучения являются: ваттамперная характеристика Wo =f(Iн),описывающая зависимость мощности оптического излучения Wo от тока возбуждения Iв, (или тока инжекции — Iu ); примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис. 13.4; спектральная характеристика излучения 106 при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной мощности оптического излучения W/Wo от длины волны оптического излучения, т.е. W/Wo = f( , Iв), ( здесь Wo — мощность оптического излучения на номинальной длине волны o и W— на текущей длине волны в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокна) типичная спектральная характеристика источников оптического излучения приведена на рис. 21.5; диаграмма направленности, представляющая пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только малая его часть в действительности попадает в оптическое волокно. Чем уже диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно. Хорошие источники излучения должны иметь малые диаметры выходных пучков света и малую апертуру (NA). Диаметр выходного пучка определяет величину поперечного сечения пучка излучения, а апертура NA — диапазон углов, в которых происходит излучение света. Если диаметр выходного пучка или его апертура превышают соответствующие параметры волокна, в которое вводится излучение, часть излучения не попадает в волокно. На рис.21.6 представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов. W0, мВт W/W0 Светоизлучающий диод 1 Светоизлучающий диод 0,5 Лазерный диод Лазерный диод Порог I пор Iв, мА Рис. 21.4. Ватт-амперная характеристика источника оптического излучения 0,0 Рис. 21.5. Типичная спектральная характеристика источника оптического излучения Светоизлучающий диод Лазерный диод Рис. 21.6. Диаграмма направленности источников оптического излучения Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода — к сферической. Когда выходной диаметр источника du , не соответствует диаметру сердцевины волокна dв то потери излучения, связанные с рассогласованием данных параметров Ад, могут быть определены из следующего выражения: 107 Ad 20 lg du dв Потери отсутствуют, когда диаметр сердцевины волокна превосходит диаметр источника излучения. Когда апертура NАи, источника больше, чем NAв, волокна, то потери, вызванные этим рассогласованием Ад, равны: NAu Ad 20 lg NAв Потери отсутствуют, если апертура волокна больше апертуры источника излучения. Рассмотрим, например, источник излучения с выходным диаметром dи = 100 микрон и апертурой NAи = 0,3, и подключенное к нему волокно с диаметром dв, = 62,5 микрон и NАв, = 0,275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны: d 100 Ad 20 lg u 20 lg 4,8 dв 62,5 NAu 0,3 20 lg 20 lg 1,091 0,76 NAв 0,275 Общие потери составляют Ап =4,08+0,76=4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно. Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения (рис.21.7). Ad 20 lg Рису. 21.7. Колебания длин волн неохлаждаемого лазера с распределенной обратной связью (длина волны – 1.55 нм) Выводы. 1. С целью селекции мод в источниках излучения используют полосковую геометрию, лазеры с распределенной обратной связью (РОС) и с распределенным брэгговским отражением (РБО). 2. Существенным недостатком источников оптического излучения является температурная зависимость мощности излучения. 3. Источник оптического излучения выполняются в виде модулей (ПОМ). 108 Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схемы выполнения полосковых контактов. 2. Нарисуйте схему СИД торцевого типа и поясните принцип работы 3. Нарисуйте схему СИД с поверхностным излучением и поясните принцип работы. 4. Поясните принцип работы ЛД. 109 Лекция 22 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы .ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Приемные оптические модули Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена на рис. 22.1, где приняты следующие обозначения: ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор. ОС ФД ОК МУ с ПМШУ ФК Выход АРУ Рис. 22.1. Обобщенная структурная схема оптического приемника Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности используется предварительный малошумящий усилитель (ПМШУ). Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема МТС. Базовым элементом оптического приемника МТС является фотодетектор — оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта. В технике МТС широкое применение находят два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД. Сущность внутреннего фотоэффекта в полупроводниковом материале заключается в поглощении фототока, энергия которого hf = hс/ более ширины запрещенной зоны материала Еg полупроводникового материала, а длина волны оптического излучения не превышает критического значения кр =1,24/Eg , и сопровождается переходом электрона из валентной зоны в зону проводимости, а дырок — из зоны проводимости в валентную зону (генерация пар «электрон-дырка»). Фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны, 110 или длиной волны больше критической, не поглощаются и, следовательно, не происходит генерации пары «электрон-дырка». Эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связано с эффектом примесного поглощения. Примесное поглощение имеет место в примесных полупроводниковых материалах, электрические свойства которых получаются путем добавки небольшого количества примесей в структуру собственных полупроводников, например, германия — Ge, кремния — Si, а также соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева (ПСЭМ): алюминия — Al, галлия — Ga, индия — In из третьей группы и фосфора — P, мышьяка — As и сурьмы — Sb из пятой группы, например, арсенид галлия — GaAs и фосфид индия — InP. Возможно образование тройных и четверных соединений типа арсенида галлия с добавкой алюминия— GaAIAs или галлий –индий - арсенид фосфора — GalnAsP. Примеси могут создать избыток электронов (полупроводник n+-типа) или дырок (полупроводник р+ - типа). Процесс добавки примесей называется легированием. В легированном полупроводниковом материале имеются основные носители (свободные электроны в материале n+ - типа и дырки в материале р+ - типа). Такие материалы известны как примесные полупроводники. В этих материалах концентрация примесей настолько велика, что она (не температура) является основным фактором, определяющим число свободных носителей и, следовательно, электрическую проводимость и быстродействие прибора. Собственные полупроводники четвертой группы ПСЭМ кремний и гepманий могут быть полупроводниками n-типа после введения небольших концентраций донорных примесей элементов пятой группы ПСЭМ — мышьяка или фосфора. Они же могут стать полупроводниками р-типа в результате введения акцепторных примесей из группы элементов третьей группы ПСЭМ — галлия или индия. Во многих полупроводниковых материалах одновременно присутствуют как донорные, так и акцепторные примеси и такие материалы становятся полупроводниками соответствующего вида проводимости. Р-i-n- фотодиоды. Структурная схема обратносмещенного р-i-n-ФД представлена на рис. 22.2. Сконструированный таким образом полупроводниковый прибор, получил название р-i-n- фотодиода, происходящего из сокращенных названий составляющих его слоев: р — positive (положительный), i — intrinsic (внутренний), n — negative (отрицательный). Обедненный i слой такого ФД сделан максимально широким из полупроводникового материала, легированного в такой степени, чтобы не относиться ни к полупроводникам n-типа с электронным видом проводимости, ни к полупроводникам р-типа с дырочкой проводимостью. Как следует из рис. 22.2 структура такого диода состоит из сильно легированного n+-слоя (подложки), слаболегированного I-слоя и тонкого сильнолегированного р-и-слоя. Толщина i-слоя должна быть во много раз больше, чем длина поглощения оптического излучения соответствующих длин волн. Так, если толщина тонкого р+ -слоя не превышает 0,3 мкм, то ширина i слоя составляет несколько десятков мкм. Так как сильное легирование р- и n-слоев увеличивает их проводимость, то обратное смещение напряжением Eсм , приложенное к этим слоям, создает в I-слое сильное внутренне электрическое поле напряженностью Ев. При этом образуется обедненная зона, толщина которой сравнима с размером диода. 111 Оптическое излучение мощностью W0 Обедненная зона n+ Контакты - + - + - + Обедненный слой Есм + Контакты p+ + Rн Выход электрического сигнала - Рис. 22.2. Структурная схема p-i-n-фотодиода Широкий i- cлой приводит к увеличению интенсивности поглощения фотонов в обедненном слое. В результате чего падающие фотоны возбуждают ток во внешней цепи более эффективно и с меньшим запаздыванием. Носители, возникающие внутри обедненной зоны, мгновенно сдвигаются в сильном электрическом поле к р+ и n+ областям диода. В результате поглощения кванта света с энергией hf в нагрузке диода Rн протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару, то число носителей тока N, равное отношению мощности оптического излучения W к энергии кванта, умноженное на величину носителя q, определит средний ток Iф, протекающий через нагрузку Rн: W . Iф q N q h f Как правило, не все поглощенные кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом, характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический сигнал. Этот коэффициент ф называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора. Следовательно, средний фототок, протекающий через нагрузку фотодетектора, будет равен: W . Iф ф q h f Коэффициент полезного действия фотодетектора, определяемый как отношение среднего значения фототока Iф к среднему значению оптической мощности (А/Вт), называется токовой чувствительностью: 1 ф q . S W h f Отсюда следует, что чувствительность оптического приемника тем выше, чем больше квантовый выход ф, т.е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне фотодиода. Токовая чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Характер этой зависимости определяется спектральной характеристикой квантового выхода, которая обычно имеет вид плавной кривой с более или менее выраженным максимумом и определяется материалом полупроводника (рис.22.3). 112 ф , % Si 100 Ge GeInAs 50 , 0,8 1,0 1,2 1,4 мкм 1,6 Рис. 22.3. Спектральная характеристика квантового выхода – квантовой эффективности Квантовый выход фотодиода однозначно связан с токовой чувствительностью следующей зависимостью: = 1,24S / , где — длина волны, мкм. Конструктивно р-i-n — ФД выполняется так, чтобы максимально уменьшить долю поглощения излучения вне i-слоя. С этой целью переход формируется у самой поверхности кристалла. Следовательно, постоянная времени такого ФД определяется временем перехода носителей заряда через обедненный слой в сильном электрическом поле. При отсутствии внешнего оптического излучения и наличии обратного смещающего напряжения в р-i-n — фотодиодах обедненный слой поляризуется и через нагрузку протекает постоянный ток Im малой величины, который называется темновым током. Значение этого тока определяется свойствами полупроводникового материала, толщиной р-i-n- структуры и температурой окружающей среды. В настоящее время р-i-n-фотодиоды являются довольно распространенным типом фотодетектора. Это объясняется простотой их изготовления, достаточно высокой временной и температурной стабильностью и относительно широкой полосой рабочих частот, они обладают хорошей линейностью в широком динамическом диапазоне (от нескольких пиковатт до нескольких милливатт), обеспечивают детектирование оптических сигналов, модулируемых частотами гигагерцевого диапазона. Для изготовления таких ФД обычно используют кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs), соединения вида InAs, InGaAs, AIGaSb и InGaAsP. Кремниевые ФД считаются идеальными для применения в ВОСП, работающих на длине волны от 0,6 до 1 мкм с максимальной чувствительностью около 0,9 мкм и квантовой эффективностью до 0,9. Для длин волн 1 мкм и выше (вплоть до 1,8 мкм) часто используют ФД на основе Ge. При использовании соединения вида AixGa1-xAsSb получены ФД для работы на длинах волн от 0,9 до 1,3 мкм с квантовой эффективностью не хуже 0,8. В фотодиодах р-i-n — типа каждый поглощенный фотон в идеале приводит к образованию одной пары «электрон-дырка», которая приводит к генерации тока во внешней цепи. Квантовую эффективность ФД можно повысить путем использования лавинного усиления (умножения), реализуемого в структуре, называемой лавинным фотодиодом (ЛФД), где один фотон порождает М электронов. Лавинные фотодиоды (ЛФД). В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полупроводника. При этом электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетическую энергию, большую, чем ширина запрещенной зоны, и «выбивать» электроны из валентной зоны. В валентной зоне образуются дырки, в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в сильном электрическом поле, становятся «быстрыми» и вызывают повторную ударную ионизацию. Вероятность ударной 113 ионизации возрастает с напряженностью электрического поля (или ростом обратного смещающего напряжения) Отметим, что при некоторой напряженности поля ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т.е. к электрическому пробою полупроводника. Следовательно, для создания условий ударной ионизации в структуре фотодиода необходимо создать сильное электрическое поле. Такое поле создается добавлением в структуру р-i- фотодиода дополнительного n-р — перехода, усиленное обратным смещением, рис. 22.4. Есм n+ p+ i Rн p+ W0 Евх (х) x Рис. 22.4. Структура ЛФД и распределение его электрического поля При воздействии оптического излучения мощностью W на i-слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Благодаря относительно небольшому полю i- cлоя, происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения. При попадании свободных электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением. Условия лавинного умножения достигаются увеличением напряжения обратного смещения до значения, чуть меньше напряжения пробоя полупроводника, так чтобы на n+-р — переходе установилось очень сильное поле (с напряженностью не менее 10 В/см). Электроны и дырки, двигаясь в таком поле, приобретают значительную кинетическую энергию, необходимую для образования вторичных носителей путем ударной ионизации. Энергия получаемых при этом электронов, обеспечивает их перенос из валентной зоны в зону проводимости. Процесс лавинного умножения (усиления) ЛФД оценивается коэффициентом умножения М, который приближенно может быть представлен эмпирической формулой: 1 , М U см n 1 ( ) U пр где Uсм — напряжение обратного смещения; Uпр — напряжения пробоя; величина n = 2...6 и определяется материалом проводника и конструкцией фотодиода. Величина фототока через нагрузку Rн для ЛФД определяется по формуле: 114 I ф 0,8 ф М W . Лавинный эффект приводит к увеличению темнового тока ЛФД в М раз по сравнению с темновым током р-i-n — фотодиода. Коэффициент умножения принимает различные значения в зависимости от напряжения смещения. При Uсм = Uпр происходит резкое увеличение коэффициента М, которое может принимать высокие значения. При низком напряжении Uсм ЛФД работает как р-i-n-фотодиод без усиления (умножения). Существует пороговое напряжение UД, для получения лавинного процесса ударной ионизации. Выше этого порога ЛФД будет генерировать ток без наличия возбуждающего оптического излучения. Отметим, что коэффициент умножения сильно зависит от температуры, что является серьезным недостатком ЛФД. Поэтому в схемах смещения ФЛД необходимо предусмотреть меры, которые устраняли бы влияние изменений напряжения и температуры. Типовой компромисс между величиной умножения и стабильностью работы ЛФД достигается при напряжении смещения, равном 0,95 Uпр . Лавинный фотодиод с коэффициентом М=100 может породить как 95, так и 105 вторичных носителей. Такого рода вариации являются причиной возникновения шумов, ограничивающих предел чувствительности ЛФД. Отметим, что темновой ток ЛФД растет при увеличении приложенного смещающего напряжения и, следовательно, зависит от коэффициента умножения М. Квантовая эффективность ФД зависит от коэффициента отражения R на границе «полупроводник-воздух». Для уменьшения френелевского отражения обычно покрывают поверхность прозрачной диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения и показателем преломления, в идеальном случае равным n1 n2 , где n1 и n2 — показатели преломления полупроводникового материала и воздуха. На практике более удобна тонкая кварцевая пленка, заметно увеличивающая пропускание оптического излучения; иногда используют нитрид кремния Si3N4. Такая пленка играет роль линзы, повышающей квантовую эффективность на 20% Выводы. 1. Приемники оптического излучения выполняются в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Основным элементом ПРОМ являются фотодиоды: p-i-n и лавинные ФД. 2. Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с р-n обратносмещенными переходами, работающих на принципах внутреннего фотоэффекта. 3. В основе работы ЛФД лежит процесс ударной ионизации в сильном электрическом поле, т.е. образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных молекул и атомов полу - проводника. Контрольные вопросы. 1 Нарисуйте схему оптического приемного модуля и поясните принцип ее работы. 2 Нарисуйте схему p-i-n фотодиода и поясните принцип работы. 3 Нарисуйте схему лавинного фотодиода и поясните принцип работы. 4 Поясните что такое внутренний фотоэффект. 5 Какие переходы называются обратносмещенными? 115 Лекция 23 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты Введение. Качество работоспособности МТС оценивается коэффициентом ошибок или защищенностью сигнала на входе ретрансляторов или тракта приема оконечных станций. Основную долю шумов ОЛТ вносят приемные оптические модули. Рассмотрим и оценим шумы приемников оптического излучения. Раздел 8.1. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты Шумы приемников оптического излучения. Фотодиоды обычно характеризуются следующими основными параметрами: токовой чувствительностью S; квантовой эффективностью ф;. предельной частотой, т.е частотой гармонической модуляции падающего на ФД модулированного по интенсивности излучения, при которой чувствительность ФД уменьшается до 0,707 чувствительности при немодулированном излучении; отметим, что предельная частота численно равна ширине полосы пропускания фотодиода Fф; быстродействием, под которым понимается время нарастания н или время спада с, фототока lф (t) при воздействии на ФД импульса оптического излучения И(t) достаточно большой длительности (рис. 23.5). W(t) Импульс излучения t Iф(t) Im 0,9Im 0,1Im t н с Рис. 23.5. К определению быстродействия ФД Время спада импульса тока и время его нарастания определяются длительностью переднего и заднего фронтов между значениями 0,1 и 0,9 установившегося значения фототока Im . В совокупности время спада и время нарастания называются временем отклика, т.е. временем, необходимым для преобразования мощности излучения в электрический ток. Быстродействие оценивается максимальным значением одной из составляющих времени отклика (обычно это время нарастания). Между временем нарастания и шириной полосы пропускания существует зависимость вида: 0,35 . Fф н Для ЛФД увеличение коэффициента усиления сопровождается уменьшением быстродействия. Поэтому параметром, характеризующим быстродействие ЛФД является его добротность, под которой понимается произведение коэффициента умножения (усиления) М на ширину полосы пропускания Fф, численно равной предельной частоте. 116 Как функциональные элементы р-i-n и лавинные фотодиоды могут быть представлены в виде обобщенной эквивалентной схемы (рис. 23.6), где приняты следующие обозначения: Iф =WS — фототок; Rд — дифференциальное сопротивление обратносмещенного перехода фотодиода; обычно это сопротивление настолько велико, что его шунтирующим действием можно пренебречь; Rв — внутреннее сопротивление диода, состоящее из сопротивления необедненной зоны диода, контактного сопротивления и общего сопротивления, связанного с удельным сопротивлением поверхностного слоя, величина этого сопротивления не превышает нескольких десятков Ом; Cд — емкость обратносмещенного перехода, зависящая от его площади; Rд — сопротивление нагрузки ФД (входное сопротивление предварительного усилителя). Для большинства случаев анализа эквивалентную схему ФД можно представлять генератором тока Iф и шунтируемого емкостью Сд. Можно показать, что для эквивалентной схемы ширина полосы пропускания 1 или предельная частота равна Fф , здесь Rн - сопротивление нагрузки ФД (как 2 Сд Rн правило, входное сопротивление предварительного малошумящего усилителя фототока). Rв Iф=WS Rд Iфд Сд Rн Uфд Рис. 23.6. Эквивалентная схема фотодиода В состав тока Iфд на выходе схемы входят: фототок Iф, темновой ток Im , а также токи шумов различного происхождения, являющиеся естественным ограничением чувствительности фотодиодов. Значения этих токов являются одним из ключевых параметров приемников оптического излучения и оцениваются среднеквадратическими величинами соответствующих токов. Среднеквадратическое значение тока фотодиода определяется следующей формулой: I ф2 2 (Wос S ) 2 M 2 2 I ф2 M 2 . Здесь: Wос — мощность оптического сигнала, поступающего на вход фотодетектора — фотодиода; S — чувствительность фотодиода на соответствующей рабочей длине волны оптического излучения; М— коэффициент лавинного умножения (усиления) ЛФД (для p-i— n фотодиода M = 1); Iф — средний ток фотодиода, генерируемый оптическим излучением. Важной составляющей шумов фотодиодов являются дробовые шумы, обусловленные дискретной природой фотонов и генерируемых ими пар «электрон -дырка». Фототок не является непрерывным и однородным потоком, а представляет поток отдельных дискретных электронов. Фототок флуктуирует в зависимости от того, насколько много или мало пар «электрон-дырка» возникает в данный момент времени. Дробовые шумы присутствуют и тогда, когда свет не падает на фотодиод. Даже в отсутствие оптического сигнала малые флуктуации фототока генерируются за счет темнового тока и температурных колебаний, причем его значение увеличивается приблизительно на 10 % при росте температуры на 1˚С. Типичные значения тока дробовых шумов составляют 22...25 нА при 25˚С. Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробный шум) фотодиода равно: 117 2 I др 2 q I ф M 2 F (M ) Fф , где q — заряд электрона; F(М) — коэффициент избыточного шума лавинного умножения (усиления), учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения; для некоторых типов ЛФД коэффициент F(M) вблизи напряжения пробоя может быть представлен в форме: F (M ) M x , где показатель степени х для кремниевых ЛФД лежит в пределах 0,2...0,5 и для германиевых — 0,9...1, для ЛФД на основе гибридного соединения вида InGaAs — 0,7...0,8; Fф — ширина полосы пропускания фотодиода. Среднеквадратическое значение темнового тока определяется по формуле: I m2 2 q I m M 2 F (M ) Fф . Здесь: Im — среднее значение темнового тока; его величина для кремниевых р-i-n — фотодиодов лежит в пределах (1...8)10 А, а для германиевых — на два порядка выше. Темновой ток возрастает примерно на 10% с ростом температуры на 1˚С. Помимо дробовых шумов и шумов темнового тока в приемниках оптического излучения следует учитывать тепловые шумы (или шумы Джонсона-Найквиста), обусловленных флуктуациями отдельных электронов в проводнике, создающих на его концах напряжение случайного характера. Электроны в пространстве между электродами фотодиода ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток. Он накладывается на полезный сигнал и изменяет его. Среднеквадратическое значение тока тепловых шумов определяется выражением: 4 KT Fф 2 I тш , Rн где К=1,38 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; T— абсолютная температура по шкале Кельвина; Fф — ширина полосы пропускания фотодиода (фотодетектора); Rн — сопротивление нагрузки. Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного шума) на выходе 2 2 I m2 I тш фотодетектора определяется суммой вида I ш2 I dp . Помехозащищенность полезного электрического сигнала от полного шума на выходе фотодетектора определяется отношением сигнал — шум, которое можно представить в виде W Азш 10 lg c , Wш или 2 2 I ф2 М 2 Wc I ф Rn , 2 Wш I ш2 2 q M 2 F ( M ) Fф ( I dp I m2 ) 4 KT Fф где Wc — мощность фототока на единичном сопротивлении нагрузки Rн = 1 Ом; Wш — полная мощность шумов на единичном сопротивлении нагрузки Шумы на выходе фотодетектора при передаче цифровой информации порождают ошибки, и в этом случае интегральной оценкой качества передачи является вероятность ошибки. 118 Выводы. 1. Шумы на выходе фотодетектора при передаче цифровой информации порождают ошибки, и в этом случае интегральной оценкой качества передачи является вероятность ошибки. 2. Основные шумы вносятся приемными оптическими модулями. 3. Среднеквадратическое значение суммарных шумов (полного шума) на выходе фотодетектора определяется суммой вида 2 2 I ш2 I dp I m2 I тш . Контрольные вопросы. 1. 2. 3. 4. 5. Нарисуйте эквивалентную схему фотодиода и объясните принцип ее работы. Поясните, что такое дробовые шумы фотодиодов и как они определяются. Поясните, что такое темновые шумы фотодиодов и как они определяются. Поясните, что такое дробовые шумы фотодиодов и как они определяются. Поясните, что такое тепловые шумы фотодиодов и как они определяются. 119 Лекция 24 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Характеристики приемо – передающих модулей. Основные типы ПОМ на основе лазерных диодов, выпускаемых отечественной промышленностью, представлены в табл.24.1. Таблица 24.1 Основные характеристики передающих оптических модулей на основе ЛД Параметр Длина волны Спектральная ширина Вых. мощность в волокне Пороговый ток размерность ПОМ-21 ПОМ-22 ПОМ-23 нм нм мВт мА 1060 0,1 3-10 30 1300 0,1 3-10 30 1550 0,1 3-10 30 Рабочий ток мА 80 80 80 Время нарастания/спада нс 0,5 0,5 0,5 Рабочее напряжение В 1,7 1,7 1,7 Управляющий фототок мкА 40 40 40 Примечания: 1 - все ПОМ работают на одной продольной моде; 2 - в середине световода сформировано распределенное зеркало Брэгга; 3 - в корпус встроен InGaAsP-фотодиод; 4 - корпус типа DIL (герметичный). Диапазон длин волн выпускаемых модулей от 0,8 до 1,55 мкм, мощность излучения от 1 до 100 мВт, скорость модуляции до 5 Ггц. В зависимости от условий эксплуатации ПОМ могут изготавливаться как с элементом Пельтье, так и без него. Передающие оптические модули на основе светодиодов торцевого типа. Высокое быстродействие полупроводниковых лазеров и большая мощность их излучения позволяют широко применять такие лазеры в МТС различного назначения. Однако анализ технических требований, предъявляемых к МТС, показывает, что подавляющее число линий в нашей стране предназначено для передачи потоков информации от 2 до 100 Мбит/с на сравнительно небольшие (до 15-20 км) расстояния. Принимая во внимание высокую чувствительность современных фотопри емных устройств, для таких линий целесообразно в качестве источника излучения применять светодиоды с выводом излучения через отрезок ВОК. Светодиоды в ВОЛС такой протяженности имеют ряд преимуществ по сравнению с лазерами, а именно: 1. Они не вызывают появления дополнительных ошибок, обусловленных перегрузкой фотоприемных устройств из-за высокой мощности излучения; 2. Светодиоды нечувствительны к неоднородностям ВОЛС и не требуют применения оптических изоляторов для подавления паразитных оптических отражений; 120 3. Беспороговый характер мощности излучения не требует жесткой стабилизации температурного и электрического режима работы; 4. Светодиоды не подвержены катастрофической деградации, характерной для лазеров даже при кратковременных токовых перегрузках. Для ВОЛС средней и малой протяженности разработаны передающие оптические модули на основе торцевых светодиодов. Основные параметры этих модулей приведены в таблице 24.2. Таблица 24.2. Основные характеристики передающий оптических модулей на основе СИД торцевого типа Тип модуля Длина волны Мощность Ток накачки, Тип ОВ, Габариты, излучения, нм излучения в мА (сердцевина, мм ОВ, мВт мкм) ИЛПН-360-1 1250-1350 0,025 50 ММ(50) 20x15x9 ИЛТШ- 360-2 .ИЛПН-360-1Т 1250-1350 0,025 50 ОМ(9) 20x15x9 1250-1350 0,025 70(+5В) ММ(50) 20x15x9 ИЛПН-360-2Т 1250-1350 0,025 7O(+5B) ОМ(9) 20x15x9 Модули ИЛПН-З6О-1 и ИЛПН+З6О-2 содержат торцевой светодиод на держателе и узел стыковки ОВ со светодиодом. В состав модулей ИЛПН-З6О-lT и ИЛПН-360-2Т входят также импульсный модулятор, который управляет импульсами ТТЛ - уровня, и схема параметрической температурной стабилизации мощности излучения. В комплекте с приемными модулями типа ПРОМ-364 передающие модули с торцевыми ФД обеспечивают передачу информации на расстояние 10-30 км со скоростью до 60 Мбит/с по многомодовому (ММ) и одномодовому (ОМ) волокну. Передающие модули размещены в металлостеклянных корпусах с вертикальным расположением выводов. Размеры корпуса (без учета выводов) 20x15x9 мм. Вывод излучения осуществляется через отрезок ВОК (ММ или ОМ), оконцованного оптическим разъемом. Типы и параметры промышленных приемных оптических модулей. В настоящее время разработаны и производятся приемные оптические модули типа ПРОМ для спектрального диапазона 800 -1600 нм, работающие со скоростью до 2,5 Гбит/с. Параметры основных типов приемных оптических модулей приведены в табл. 24.3. Таблица 24.3.Параметры приемных оптических модулей Тип модуля Скорость приема, Мбит/с Коэффиц. передачи, В/мВт Динамичес кий диапазон, дБ Напряжение питания, В (ток, мА) ПРОМ-364 4 1,5 -55 400 52 +5(2O) 16 11 -51 200 48 +5(20) 68 50 -44 70 41 +5(20) 320 220 -35 8 32 +5(20) 565 350 -37 0,8 25 +5(10) 1200 800 -33 0,3 20 +12(20) ПРОМ-365 2500 1800 -28 0,3 20 +5(40) ПРОМ-367 4 - -48 ТТЛ-выход 45 +5(40) 16 - -45 42 +5(40) 68 - -40 37 +5(40) ПРОМ-З6З Шумовая Чувствиполоса, МГц тельность, ДБм 121 Примечание. В колонке "Чувствительность" приведены минимальные значения, полученные при BER = 109 , кроме значения для ПРОМ-365, полученного при BER= 1010 . Наиболее широкое применение нашел трансимпедансный модуль ПРОМ-364, параметры которого оптимизированы для различных скоростей приема. В состав этого модуля входит высокоскоростной ФД на основе многокомпонентного п/п InGaAsP для спектрального диапазона 980 -1600 нм или кремниевый PIN ФД для диапазона 800-900 нм и усилитель, выполненный по тонкопленочной гибридной технологии. На входе усилителя применен GaAs ПТ с малой входной емкостью и высокой крутизной, что позволяет получить большое усиление и низкий уровень собственных шумов. Основное назначение модуля ПРОМ-364 - работа в цифровых ВОЛС с большим динамическим диапазоном входных сигналов. Для фотоприемных устройств на основе трансимпедансных усилителей динамический диапазон обычно не превышает 25 дБ, что в ряде случаев не перекрывает допустимый разброс интенсивности входного сигнала. Для расширения динамического диапазона в усилитель вводится нелинейная обратная связь, позволяющая расширить его до 40-50 дБ. При работе в составе аппаратуры связи низкая (не хуже 109 ) вероятность ошибки сохраняется до минимальной детектируемой мощности порядка 0,5 мВт. Модуль ПРОМ-364 обеспечивает без дополнительных регулировок работу во всем допустимом диапазоне длин передачи. Дальнейшей модификацией приемного модуля ПРОМ-364 является модуль ПРОМ-367. Помимо основных элементов, входящих в состав модуля ПРОМ-364, новый модуль содержит решающую схему, которая преобразует сигнал с выхода усилителя в импульсный сигнал стандартного ТТЛ-уровня, Кроме этого, модуль имеет выход сигнализации наличия или отсутствия информации в линии. Модуль ПРОМ-367 разработан для применения главным образом в локальных и корпоративных сетях, но может быть использован и на магистральных линиях связи, если не требуется предельно высокая чувствительность фотоприемника. Принимая во внимание довольно широкое распространение модулей ПРОМ-364 в аппаратуре связи, в ЗАО "ТЕЛАЗ" была проведена разработка решающей схемы для этого модуля, позволившая потребителям максимально упростить работу по его установке. Решающая схема преобразует выходной сигнал модуля в стандартное напряжение КМОП - уровня. Она содержит ФВЧ, позволяющий установить полосу пропускания в соответствии со скоростью приема сигнала. Кроме того, она формирует два сигнала: один указывает на отсутствие информации в линии, второй - сигнализирует об уменьшении амплитуды принимаемого сигнала до опасно низкого его уровня. Порог такого уровня сигнала можно установить путем подключения соответствующего резистора к одному из выводов решающей схемы. Применение такой схемы позволяет оптимизировать работу модуля ПОМ-364 и повысить надежность аппаратуры в целом. Для высокоскоростных ВОЛС разработаны два типа приемных модулей - ПРОМ-363 и ПРОМ-365. Модуль ПРОМ-З6З имеет в своем составе быстродействующий p-i-n ФД и широкополосный усилитель с полосой выше 1 ГГц. Для выравнивания АЧХ используется внешнее корректирующее устройство - эквалайзер, а для расширения динамического диапазона - схема стабилизации рабочего режима усилителя. Усилитель приемного модуля ПРОМ-365 имеет полосу усиления 2 ГГц. Эквалайзер и схема стабилизации режима работы усилителя расположены внутри корпуса. Полоса усиления регулируется при настройке модуля в соответствии с требованиями заказчика. Выходной каскад усилителя рассчитан на работу с кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом или полосковую линию. Выходной сигнал выводится либо через ВЧ- разъем, либо ножку основания. Выводы. 1. Принимая во внимание высокую чувствительность современных фотоприемных устройств, для линий связи длиной 15 – 20 км 122 целесообразно в качестве источника излучения применять светодиоды с выводом излучения через отрезок ВОК. 2. Основными характеристиками передающий оптических модулей на основе СИД торцевого типа являются длина волны излучения, мощность, ширина линии излучения, ток инжекции и габариты. 3. Основными характеристиками приемных оптических модулей являются скорость приема, шумовая полоса, чувствительность, коэффиц. передачи, динамический диапазон и напряжение питания. Контрольные вопросы. 1. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с СИД. 2. Назовите основные параметры передающих оптических модулей с ЛД. 3. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с лавинным фотодиодом. 4. Назовите основные параметры приемных оптических модулей с p-i-n фотодиодом. 123 Лекция 25 Тема 8. Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 8.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Модуляторы оптической несущей. Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического оптического излучения, мгновенное значение которого при фиксированных пространственных координатах равно , где E — амплитуда поля; и — соответственно, Е (t ) E м cos( 0t ) M o o частота и фаза оптической несущей. Таким образом, оптическое излучение характеризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляризацией. Квадрат выражения называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е. E(t ) 2 ( Eм2 cos 2 ( 0t 0) , здесь EM — амплитудное значение интенсивности. Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего — модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения. Первый из них — это прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного диода (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения (рис. 25.1а). Эти изменения управляют инжекцией электронов через р-n и в широких пределах меняют интенсивность выходного оптического излучения. Ограничение частоты модуляции связано с постоянными времени генерации и рекомбинации свободных носителей, а также емкостями в цепях возбуждения. Непосредственная модуляция, помимо изменения интенсивности излучения, оказывает динамическое влияние на спектр излучения, изменяя длину волны и амплитуды отдельных мод резонаторов для ЛД, причем, чем меньше количество излучаемых мод, тем существеннее это влияние. Поэтому возникла необходимость использования внешних модуляторов. Второй способ — модуляция излучения немодулированного источника света. Это внешняя модуляция (рис. 25.1б). Для внешней модуляции необходимо, чтобы управляющий сигнал воздействовал на оптическое излучение. Для этой цели необходим оптический модулятор. Третий способ — внутренняя модуляция (рис. 25.1 в), при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например, Фабри-Перо, и изменяющего его добротность. Иногда такой вид модуляции оптического излучения называется автомодуляцией. В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: 1) прямая или непосредственная демодуляция модулированного по 124 интенсивности оптического излучения и 2) когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный способы преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляция по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции. Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называются оптическими модуляторами. Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры. Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором. Оптический амплитудный модулятор представляет собой устройство, в котором происходит взаимодействие оптического излучения (света) с кристаллом, свойства которого изменяются под воздействием управляющего или модулирующего сигнала: электрического, магнитного полей или внешнего давления. Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на электрооптическом эффекте в кристаллах, показатель преломления которых изменяется под воздействием приложенного электрического поля. Модулируемый источник излучения Модулированный оптический сигнал Управляющий модулирующий сигнал а) прямая или непосредственная модуляция Немодулированное оптическое излучение Оптический модулятор Модулированный оптический сигнал Управляющий модулирующий сигнал б) внешняя модуляция Лазерный резонатор Активная среда Оптический модулятор Модулированный оптический сигнал в) внутренняя модуляция Рис. 25.1. Модуляция оптического излучения Электрооптическое явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю, называется эффектом 125 Поккельса. Явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля, называется эффектом Керра. Кристаллы, порождающие эффекты Поккельса или Керра при воздействии на них электрического поля, называются электрооптическими криcтaллами. К ним относятся кристаллы фосфорокислого калия КН, Р04, соединения лития LiNbO3 (ниобат лития), LiTaO3 (танталат лития) или соединения вида GаАs и CdTe. Обобщенная функциональная схема электрооптического модулятора приведена на рис. 25.2, где приняты следующие обозначения: П — скрещенный поляризатор; Я — ячейка (Поккельса или Керра), представляющая плоский конденсатор — кристалл, помещенный между двумя электродами, к которым прикладывается электрическое поле (управляющий или модулирующий сигнал); К — компенсатор, устраняющий световое излучение в плоскости, параллельной плоскости приложения электрического поля; А — скрещенный анализатор, выделяющий оптическое излучение соответствующей длины волны и поляризации. Оптическое излучение, поступающее на Вход электрооптического амплитудного модулятора, преобразуется в поляризаторе П в линейно поляризованный свет. В отсутствии управляющего (модулирующего) электрического поля ячейка Я прозрачна для светового луча на выходе поляризатора П, который полностью гасится анализатором А, так как последний расположен под углом 90 к поляризованному входному излучению. При подключении электрического поля (управляющего или модулирующего электрического сигнала) линейно поляризованная световая волна в ячейке Я распадается на две, поляризованные вдоль поля (необыкновенная волна) и перпендикулярно полю (обыкновенная) волны. Это явление называется двойным лучепреломлением. Обыкновенная и необыкновенная волны имеют в ячейке различные скорости распространения, вследствие чего выходящий из кристалла свет оказывается эллиптически поляризованным и частично проходит через анализатор А. При увеличении напряжения осуществляется преобразование состояния поляризации входного луча до такого состояния, когда анализатор становится полностью прозрачным для входного луча и излучение поступает на Выход модулятора. Изменяя уровень приложенного к ячейке Я напряжения, можно управлять интенсивностью выходного оптического излучения. Таким образом, напряжение, приложенное к ячейке, определяет уровень мощности оптического сигнала на выходе модулятора, а его изменение приводит к модуляции световой волны. Ячейки Керра и Поккельса обладают малой инерционностью, что позволяет осуществлять модуляцию оптической несущей до частот порядка 10 13 Гц. При этом глубина модуляции может достигать значений более 99,9 %. В случае применения ячеек Поккельса из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряженностью электрического поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Из-за квадратичности эффекта Керра происходит удвоение частоты и возникновение постоянной составляющей. П Вход А Я К Выход + Рис. 25.2. Электрооптический амплитудный модулятор 126 Соответствующими изменениями геометрии кристаллов ячеек Поккельса и Керра можно осуществлять фазовую модуляцию оптической несущей. В оптических системах передачи находят применение оптические модуляторы, использующие одну из разновидностей магнитооптического эффекта — эффекта Фарадея. Если свет пропустить через вещество (кристалл), которое находится в магнитном поле, то в результате эффекта Фарадея возникает вращение плоскости поляризации света. При распространении света в направлении магнитного поля, в котором находится вещество (кристалл), плоскость его поляризации будет поворачиваться вправо на соответствующий угол. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптический элемент – ячейку Фарадея, помещенного в магнитное поле. Угол поворота плоскости поляризации равен =VIH, где V — постоянная величина вращения плоскости поляризации света, отнесенная к единице напряженности приложенного магнитного поля (управляющего или модулирующего сигнала), приходящееся на единицу длины кристалла и называется удельным магнитным вращением или постоянной Верде; удельное магнитное вращение зависит от типа вещества, температуры и длины волны оптического излучения; I — длина кристалла в направлении магнитного поля; Н — напряженность магнитного поля. Угол поворота пропорционален длине пути света в кристалле и при достаточно прозрачной среде может быть сделан сколь угодно большим. ЯФ П А Вход Выход Управляющий или модулирующий сигнал Рис. 25.3 Магнитооптический амплитудный модулятор При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейно поляризованного света приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению. Последнее свойство позволяет реализовать магнитооптический амплитудный модулятор (рис. 25.3). Входной сигнал, проходя через поляризатор П, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую. Перемагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соответствующее изменение плоскости поляризаци и проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляризатора П. Проходя через скрещенный с поляризатором П анализатор А, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде. Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных гранатах типа R3Fe5O 12, обладающих высоким удельным магнитным вращением плоскости поляризации. Здесь R — редкоземельные элементы: гольмий — Но, диспрозий — Dy, Gd — гадолиний, ТЬ — тербий, Y — иттрий. Широкое применение получили железо-ипериевый гранат Y3Fe5012 и железотербиевый гранат и легированные алюминием или висмутом их соединения, например, Y3Fe5-xА1xО12 или ТЬз-xВixFе5О12. Важной особенностью магнитооптических модуляторов является постоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1...5 мкм). Это обстоятельство повышает конкурентоспособность таких модуляторов при построении волоконно-оптических систем передачи, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна. 127 Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который является взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он может быть использован при создании различных невзаимных оптических устройств: оптических изоляторов, развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении. Модуляция оптической несущей может быть осуществлена с помощью акустооптических модуляторов, принцип действия которых основан на явлении дифракции света на ультразвуке, приводящего к изменению показателя преломления ряда оптически прозрачных материалов. Такими материалами, нашедшими широкое применение в технике оптических систем передачи, являются кристаллы диоксида теллура — ТеО2, ниобата лития — LiNbO3 и молибдата свинца — PbMo04. При распространении света в среде, где присутствуют акустические (ультразвуковые) упругие волны, происходит дифракция света. Упругие волны представляют возмущения, распространяющиеся в твердых (жидких и газообразных) средах. При распространении ультразвуковых (упругих— акустических) волн в среде возникают механические деформации сжатия (под давлением акустического поля), которые переносятся из одной точки среды в другую, меняя ее структуру. При распространении упругих волн в кристаллах может возникнуть ряд специфических эффектов, например, различия в направлениях распространения света, его интенсивности и поляризации, фазовой и групповой скоростей распространения. Диапазон частот упругих акустических волн простирается от долей Гц до 10 Гц. Акустические (ультразвуковые) волны создают давление на оптически прозрачный материал, приводящее к периодическому изменению его показателя преломления. В результате этого в кристаллах возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, период которой равен длине акустической волны . Если в такой структуре распространяется луч света, то в кристалле помимо основного возникают дифракционные пучки света положительных и отрицательных порядков (порядка дифракции), характеристики которых (поляризация, интенсивность и направления в пространстве) зависят от параметров акустического поля (частоты, интенсивности, толщины пучка акустических волн), а также от угла , под которым падает свет на пучок акустических (упругих) волн, рис. 9.4. Лишь при определенном значении угла эффективность дифракции света на ультразвуке оказывается максимальной и зависит от длины L пути, пройденного светом в области акустооптического взаимодействия (объеме кристалла, находящегося под воздействием акустического поля). При достаточно большой длине L интенсивность дифрагированного света становится сравнимой с интенсивностью входного (падающего) света. Дифракция света на ультразвуке для диапазона частот (гиперзвука) от 10 9 до 1013 Гц при выполнении условий L/ > 1, где — длина волны оптического излучения; 128 Акустическая волна (звуковой пучок) Кристалл Световая волна Дифрагированный свет Максимумы дифракции -3 порядок -2 порядок -1 порядок Основной луч Волновой фронт входной световой волны +1 порядок Волновой фронт выходной световой волны +2 порядок +3 порядок Рис. 25.4 К пояснению акустооптического эффекта L—длина пути, проходимого светом в области акустооптического взаимодействия; — длина акустической волны, приводит к так называемой брэгговской дифракц ии. Она возникает в изотропной среде, если световой луч падает на звуковой пучок под углом Брэгга Б = arcsin(2 / ) . Изменение структуры кристалла приводит к появлению дифракционной решетки. В этом случае отклонение света происходит только в 1-й порядок дифракции: в +1й для света, падающего в сторону, противоположную распространению звука, или — 1-й, если свет падает в сторону распространения звука. Падающая под углом Брэгга к дифракционной решетке, порожденной воздействием акустических упругих волн гиперзвука, световая волна частично отражается от нее и интерференция отраженных лучей определяет интенсивность дифрагированного света. Она максимальна, если разность оптического хода световых волн, отраженных от соседних максимумов дифракции кристалла, (9.5), равна Таким образом, описанный эффект можно использовать в качестве оптического модулятора интенсивности оптического излучения. Для фиксированной существует предельная звуковая частота f max = 2v / (v — скорость звука), выше которой брэгговская дифракция невозможна. Обобщенная схема акустооптического модулятора на основе брэгговской дифракции представлена на рис. 25.5, где приняты следующие обозначения: L — длина пути взаимодействия оптического излучения и акустической волны в кристалле; Б — угол Брэгга; Л1, Л2 и Д — линзы и диафрагмы в модуляторе предназначены для выделения необходимого дифракционного максимума. 129 L Световая волна Поглотитель акустических волн L1 Д L2 Модулированное оптическое излучение Б Фронт акустической волны Акустическая волна Пьезоизлучатель акустических волн Управляющий или модулирующий сигнал Рис. 25.5 Акустооптический амплитудный модулятор Пьезоизлучатель акустических волн предназначен для формирования упругих волн с заданными параметрами, а поглотитель акустических волн служит для образования бегущей ультразвуковой волны, на которой и происходит дифракция света. Принцип действия акустооптического модулятора заключается в следующем: под воздействием управляющего или модулирующего сигнала изменяются параметры пьезоизлучателя акустических волн и, следовательно, изменяются параметры брэгговской дифракционной решетки, образованной бегущей ультразвуковой волной. При прохождении световой волны по кристаллу происходит изменение ее амплитуды или интенсивности. Отметим, что имеет место только первый порядок дифракции, определяемый соотношениями между длиной волны входного оптического излучения , значением L и длиной акустической волны . В результате акустооптического взаимодействия частота оптического излучения смещается на величину, равную акустической частоте f а = f м + f ас, f м — частота модулирующего или управляющего сигнала и f ас— частота генератора акустической волны — пьезоизлучателя, что связано с перемещениями дифракционной решетки. При этом, если луч направлен против направления акустической волны, выходная частота выше входной, в противном случае — наоборот. Это явление может быть использовано для гетеродинного приема при частотной, фазовой и амплитудной модуляции оптической несущей. Внутренняя модуляция оптической несущей осуществляется путем изменения физических параметров источника оптического излучения, например, изменением длины резонатора полупроводникового лазерного диода, изменением параметров распределенной обратной связи (РОС) или распределенного брэгговского отражения (РБО). Изменение оптической длины резонатора лазера приводит к изменению частоты излучения. С этой целью одно из зеркал лазера закрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пьезоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект может быть достигнут путем изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор. Для этого внутрь резонатора помещают электрооптический кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также путем наложения на его активный слой магнитного или электрического поля, под действием которого происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, генерирующих когерентное излучения. 130 Под воздействием магнитного или электрического поля происходит изменение усиления активного слоя лазера и, следовательно, можно реализовать амплитудную модуляцию или модуляцию по интенсивности оптической несущей. Одним из методов управления когерентным излучением с целью осуществления модуляции является изменение величины обратной связи лазера, т.е. коэффициента отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал которого вращается с большой скоростью, и поэтому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени, т.е. имеет место импульсная модуляция. Изменение величины обратной связи можно получить путем замены одного из зеркал лазера на интерферометр Фабри — Перо. Коэффициент отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, меняя которое, можно модулировать интенсивность излучения и получать значительные по амплитуде импульсы. Излучение лазеров можно модулировать, изменяя добротность оптических резонаторов, которая равна: I Q 2 здесь I — длина резонатора; а — коэффициент потерь на поглощение за одно прохождение волны в резонаторе; — длина волны оптического излучения. Изменением потерь а, величина которых управляется модулирующим сигналом, а также изменением длины резонатора I, методами указанными выше, можно изменять частоту и интенсивность излучения лазера. Для этого используют электрооптические или акустооптические модуляторы, а также введение в резонатор элементов, прозрачность которых изменяется под действием оптического излучения. Такой вид модуляции называется автомодуляцией и широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано- и пикосекундного диапазонов. Качество работы оптических модуляторов определяется такими параметрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуляционной характеристики, под которой понимается зависимость выходной мощности оптического излучения от управляющего напряжения, динамический диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или быстродействие, экономичность в потреблении энергии. Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирующего сигнала, коэффициента (глубины) модуляции, импульсному или непрерывному режиму работы. По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические модуляторы получили самое широкое применение в технике волоконно-оптических систем передачи. Виды модуляции оптической несущей. В оптическом диапазоне широко используются аналоговая, импульсная и цифровая модуляции: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их разновидности. При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды информационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды (интенсивности) частоты, фазы оптической несущей частоты (аналоговые амплитудная модуляция — АМ, модуляция интенсивности МИ, частотная модуляция — ЧМ, фазовая модуляция — ФМ). Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей оптической несущей правого и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала. 131 При импульсной модуляции амплитуда, интенсивность, длительность— ширина, частота, фаза оптических импульсов изменяются пропорционально амплитуде информационного сигнала (амплитудно-импульсная модуляция — АИМ, импульсная модуляция интенсивности — ИМИ, широтно-импульсная модуляция — ШИМ, частотноимпульсная модуляция и фазо - импульсная модуляция — ФИМ, называемая также позиционно-импульсной модуляцией — ПИМ). Применение ШИМ в ВОСП оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность источника оптического излучения и, кроме того, ниже помехоустойчивость по сравнению с другими видами импульсной модуляции. При ФИМ, ЧИМ и ИМИ для передачи информации используются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения. Под цифровой модуляцией в самом общем случае понимается передача двоичной последовательности импульсов одинаковой амплитуды, длительности и фазы методами ИКМ или ДМ. Однако при этом различают такие виды цифровой модуляции, как ИКМ — АМ (ИКМ — МИ), когда передаче «единицы» или «нуля» информационной последовательности импульсов соответствует максимальная или минимальная, соответственно, интенсивность (амплитуда) оптической несущей; при ИКМ — ЧМ единице» информационной последовательности соответствует одно значение частоты оптической несущей, а «нулю» — другое значение. При ИКМ — ФМ фаза оптической несущей манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или радиан в соответствии с «единицей» или «нулем» исходной информационной последовательности. Импульсно-кодовую поляризационную модуляцию (манипуляцию) И — КМ — ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно - ортогональном. В первом случае «единица» и «нули» исходной информационной последовательности различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизонтальная — нулю). Во втором случае «единице» соответствует правая круговая поляризация, а «нулю» — левая. В настоящее время в технике волоконно-оптических систем передачи в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема. Выводы. 1. В настоящее время в технике волоконно-оптических систем передачи в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема. 2. Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего — модулирующего сигнала называется модуляцией. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. 3. В оптических системах передачи используются два метода приема модулированного оптического сигнала: прямая или непосредственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения и когерентный прием 132 оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный способы преобразования частот. Контрольные вопросы. 1. Поясните, что такое внутренняя и внешняя модуляция? 2. Нарисуйте схему и поясните принцип работы электрооптического амплитудного модулятора. 3. Нарисуйте схему и поясните принцип работы акустооптического амплитудного модулятора. 4. Нарисуйте схему и поясните принцип работы Магнитооптический амплитудный модулятор. 133 Лекция 26 Тема 9. Линейные коды МТС и оценка их параметров (2 часа) Введение. Для формирования линейных сигналов МТС используются блочные коды вида nВmВ, где n означает число кодируемых цифровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счисления исходного кода, т — число передаваемых по 0В двухуровневых сигналов, соответствующих п разрядам. Рассмотрим более детально алгоритмы формирования линейных кодов Раздел 9.1. Линейные коды МТС и оценка их параметров К линейным сигналам ВОСП предъявляются следующие требования: - спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем. меньше требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума н его влияние. Ограничение спектра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение снизу—флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической части фотоприемника, имеющего цепи развязки по постоянному току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной мощности оптического передатчика; - код линейного сигнала должен обеспечивать возможность выделения колебания тактовой частоты, необходимой для нормальной работы тактовой синхронизации; - код линейного сигнала должен обладать максимальной помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации; - код линейного сигнала должен обладать избыточностью, которая позволяет по нарушениям правила образования кода судить о возникновении ошибок; - код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода. Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида nВmВ, где n означает число кодируемых цифровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счисления исходного кода, т — число передаваемых по 0В двухуровневых сигналов, соответствующих п разрядам. Например. 1В2В обозначает, что входной блок состоит из одного разряда (n=1), затем он передается в линию в виде блока из двух разрядов (m=2) и относительная скорость передачи в линейном тракте в 2 раза выше скорости входных символов. 134 1 0 0 1 1 0 0 G 0 1 1 1 0 а t NRZ б t RZ в t BIF г t 2B3B д t CMI е t M t Рисунок 26.1. Линейные коды ВОСП M NRZ 0,8 CMI BIF 0,4 RZ 0,4 0,8 1,2 f/fт 1,6 Рисунок 26.2 Нормированные спектры линейных кодов ВОСП Наиболее простыми линейными кодами являются так называемые МК2 - КОДЫ (без возвращения к нулю, NRZ) и К2-коды (с возвращением к нулю, RZ). В МК2-коде «I» передается импульсами, а «0»—паузой (рис. 26.1, а). В К2-коде «I» передается последовательностью из импульса и паузы, причем имеет в 2 раза меньшую длительность, а «0», как и раньше, передается паузой (рис. 26.1, б). Нормированные спектры кодов МК2 и К2 показаны на рис. 26.2. Недостатком кода К2 по сравнению с М'К2 является необходимость использования более широкой полосы передачи из-за применения импульсов меньшей длительности, а преимуществом его является то, что источник оптического излучения в этом случае работает в течение меньшего времени и соответственно степень деградации его параметров снижается. Согласно принятому определению К2-код является примером 1В2Вснгнала. Недостаток рассмотренных кодов заключается в том, что они не удовлетворяют перечисленным требованиям (за исключением последнего пункта), поэтому такие коды могут быть рекомендованы лишь на линиях небольшой протяженности при отсутствии регенерационных участков. Для снижения содержания в спектре сигналов низкочастотных компонент применяют манчестерский, или бифазный, код В1F, в котором 0 - передается последовательностью из паузы и импульса, а I—последовательностью из импульса и паузы, причем длительность импульса в 2 раза меньше длительности «I» (рис. 26.1, в). В данном коде отсутствуют подряд более чем два идентичных символа, что определяет снижение в спектре низкочастотных компонент. Такой код также целесообразен при передаче в линиях малой протяженности без регенераторов и является примером 1В2В-сигнала. Пример кода 2ВЗВ приведен на рис. 26.1, г. Алгоритм образования следующий: разряды О0 заменяются на 001; 01 на 010; 10 на 100 и 11 на 011. Такой код обеспечивает возможность снижения скорости передачи в линии по сравнению с 1В2В-сигналами. К общим недостаткам рассмотренных кодов относятся следующие: невысокая помехозащищенность, сложности с выделением тактовой частоты, а также с обнаружением ошибки. По этой причине коды не могут быть рекомендованы для организации линейного тракта ВОСП большой протяженности. Введение корреляционных связей между амплитудами передаваемых двухуровневых сигналов позволяет устранять отмеченные недостатки. Примером сигнала с корреляционными связями является код СМ1 или код с поочередной инверсией токовых сигналов, временные диаграммы и энергетический спектр которого показаны на рис. 26.1, д и рис. 726.2. Введение корреляционных связей в СМ1 позволяет обнаруживать ошибки, приводящие к сбою чередования комбинаций 11 и 00 при передаче двоичной 1. 135 Одной из разновидностей сигналов 1В2В является код Миллера (М). Этот код, в котором кодовой посылке 0 бинарного сигнала ставится в соответствие кодовое слово 11 или 00, а кодовой посылке 1—01 или 10, причем последовательность нулей исходного бинарного сигнала передается чередованием кодовых слов 11 или 00. При других комбинациях посылок бинарного сигнала первая кодовая посылка кодового слова должна быть такой же, как последняя предыдущего кодового слова (рис. 26.1е, и 26.2). Например, бинарная последовательность 01100 передается в линейном тракте последовательностью 1110011100. В результате соседние переходы вида 10 или 01 в линейном сигнале будут находиться не ближе, чем на тактовый интервал Т, и не дальше, чем на 2Т, вследствие чего основная часть энергетического спектра линейного сигнала сосредоточена в области ниже тактовой частоты ^т и низкочастотная составляющая энергетического спектра оказывается частично подавленной (составляет 30% низкочастотной составляющей бинарного сигнала в формате МК2). Контроль за появлением переходов с частотой, большей 1/Т, позволяет просто осуществлять оперативный контроль за появлением ошибок в регенераторе. В качестве перспективных для использования в цифровых волоконно-оптических системах связи МСЭ предлагает двухуровневые коды 1В2В, 2ВЗВ, 5В6В. 6В8В и М51Р, где символ 1Р обозначает добавление одной балансовой посылки к М бинарным (например, таким образом, чтобы число единиц и нулей в кодовом слове всегда было четным или нечетным). В цифровых ВОСП для первичной ступени ИКМ иерархии целесообразно использовать код СМ1; для вторичной — СМ1 и В1F; для третичной — В1F и код Миллера; для более высоких ступеней — код Миллера и скремблированный бинарный сигнал в формате МК2. Использование многоуровневых кодов по сравнению с двух уровневыми на городских, зоновых и магистральных сетях связи приводит к снижению энергетического потенциала системы на 15...20 дБ. Поэтому многоуровневые коды рекомендуется использовать во внутриобъектовых линиях связи специального назначения. Выводы. 1. Для формирования линейных сигналов МТС используются блочные коды вида nВmВ, где n означает число кодируемых цифровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счисления исходного кода, т — число передаваемых по 0В двухуровневых сигналов, соответствующих п разрядам. 2. В цифровых МТС для первичной ступени ИКМ иерархии целесообразно использовать код СМ1; для вторичной — СМ1 и В1F; для третичной — В1F и код Миллера; для более высоких ступеней — код Миллера и скремблированный бинарный сигнал в формате МК2. Контрольные вопросы. 1. Сформулируйте требования к линейным кодам МТС. 2. Что такое блочные коды? 3. Рекомендации по использовании блочных кодов 1В2В. 136 Лекция 27 Тема 10. Ретрансляция сигналов в МТС (2 часа) Введение. Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также чувствительностью приемника. Эти обстоятельства накладывают ограничения на дальность передачи и объясняют необходимость установки ретрансляторов сигнала через участок определенной длины. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием. Раздел 10.1. Ретрансляция сигналов в МТС Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также чувствительностью приемника. Эти обстоятельства накладывают ограничения на дальность передачи и объясняют необходимость установки ретрансляторов сигнала через участок определенной длины. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием. Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают световые сигналы непосредственно, не преобразуя их в электрические. Они содержат лазерный усилитель (оптический квантовый усилитель) и нелинейный поглотитель для частичной регенерации световых импульсов. Усилитель компенсирует потери передачи сигнала в световоде и нелинейном поглотителе, т. е. возвращает световым импульсам их первоначальную интенсивность. Нелинейный поглотитель сужает импульсы и тем самым частично компенсирует расширение импульсов и их перекрытие, которое происходит в 0В из-за дисперсии материала и разброса времени пробега. Принцип работы оптического усилителя и нелинейного поглотителя были рассмотрены в главе 3 данного пособия. Наибольшее применение в технике оптической связи получили ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами (рис. 27.1). Оптический ретранслятор отличается от регенераторов проводных ЦСП только наличием оптических модулей (ПрОМ и ПОМ). Электронный регенератор (ЭР) содержит решающее устройство (РУ), устройство тактовой синхронизации (УТС) и формирователь сигналов (ФС). ОВ ОВ ПрОМ РУ ФС ПОМ УТС Рисунок 27.1. Структурная схема линейного ретранслятора для цифровых МТС 137 рпер р пр T U а) п б) в) Рис. 27.2. Временные диаграммы работы линейного ретранслятора рпр min l уч Рис. 27.3. Зависимость уровня мощности оптического сигнала от длинны участка ретрансляции Процесс регенерации в ЭР происходит следующим образом. Значения передаваемых символов (0 или 1) оцениваются решающим устройством, которое анализирует поступающий сигнал и принимает решение о том, какой символ передается по ОВ. В регенераторах при оценке значений символов используется прием методом однократного отсчета, что позволяет при относительно простой реализации получать высокую помехоустойчивость. Временные диаграммы (рис. 27.2) приведены для случая, когда с оконечной ВОСП передается в оптическую линию двухуровневый код с пассивной паузой (рис. 27.2а). При этом в решающем устройстве периодически с тактовой частотой f t=1/T производится стробирование сигнала на выходе ПрОМ и сравнение полученного отсчета с порогом. При превышении порога в формирователе сигнала формируются импульсы прямоугольной формы с определенной амплитудой и длительностью (рис. 27.2,в). Стробирование сигнала осуществляется с помощью узких импульсов, которые вырабатываются устройством тактовой синхронизации (рис 27.2,б). При передаче сигналов по 0В величина ослабления и искажений зависит от длины участка регенерации lуч. При увеличении lуч уровень оптического сигнала Pпр падает плавно на строительных отрезках 0В и скачком в точках их соединении. Для восстановления сигнала необходимо, чтобы на входе ЭР уровень сигнала Pпр≥ Pпр min где Pпр min —минимальный уровень приема оптического излучения, при котором происходит полное восстановление сигнала, т. е. можно записать Pпер —αв—np αp —nн αн — lуч≥ Pпр , где Pпер — уровень передачи на выходе станпии или регенератора; αв —потери при вводе и выводе излучения в волокно; ар , ан — потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине регенерационного участка. Это выражение удобно записать в виде: α lуч+ np αp +nн αн≤ Q, где Q= Pпер — αв — Pпр min — энергетический потенциал ВОСП. Из данного выраженя можно получить значение lуч по затуханию: lуч ≤(Q— np αp —nн αн )/α. Кроме затухания 0В длина участка регенерации ограничивается за счет дисперсионных потерь. Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо выполнение неравенства B≤0,25/σ, где В—скорость передачи информации; σ—среднеквадратическая ширина импульсной характеристики в кабеле длиной lуч. Из приведенного выражения следует, что lуч ≤0,25/(σ0 B), где σ0 —среднеквадратическое уширение импульса в 0В длиной 1 км. 138 Следовательно, для определения максимальной длины регенерационного участка необходимо решить систему неравенств: lуч≤(Q- np αp —nнαн) / α , lуч≤ 0,25/(σ0 B). Расчеты по определению lуч показывают существенные преимущества оптических систем передачи, где регенерационные расстояния превышают 100 км. При использовании коаксиальных кабелей длина lуч составляет 1,5 ...6 км. Оптические регенераторы. В настоящее время разработаны полностью оптические регенераторы. Достоинством таких регенераторов является то, что возможно создать сети прозрачные для оптического сигнала. Использование таки х регенераторов позволяет снизить потребление энергии, уменьшить вес, габариты и повысить надежность оборудования. Размеры модуля 19 х 39 мм. Пространственное разделение индивидуальных каналов для последующей обработки сигналов и последующее их объединение в один оптический поток производится соответственно оптическими демультиплексором и мультиплексором. Полностью оптический регенератор (3R) описан во многих работах. Напомним, что 3R обозначает следующее: 1R (amplification — resharping) — восстановление амплитуды; 2R — восстановление амплитуды и формы (resharping — reforming) и 3R — восстановление амплитуды, формы и временных соотношений цифрового сигнала (resharping — reforming — retiming). На рис. 8.4а - представлена схема последовательности операций при регенерации оптического цифрового сигнала, на рис. 8.4б — осциллограммы сигналов в процессе регенерации.О разработке готовых к практическому применению полностью оптических 3Rрегенераторов сообщается в докладах на конференциях ЕСОС-01, ЕСОС-02, ЕСОС-03, OFC01, OFC-02 и OFC-03. Таким образом, использование в главном оптическом тракте полностью оптических ОУ, компенсаторов дисперсии и оптических регенераторов свидетельствует о том, что для протяженных ВОСП-СР задача полной фотонизации на участке оптического тракта может считаться решенной. Вход искаженных сигналов Усилитель для восстановления амплитуды Оптическая мощность Время Выделение тактовой частоты Восстановление формы и временных соотношений Выход регенератора а) б) Рис. 27.4 Схема последовательности операций при регенерации оптического цифрового сигнала и осциллограммы сигналов в процессе регенерации 139 Одной из ключевых проблем при создании полностью оптических 3R-регенераторов цифровых оптических сигналов является выделение синхрочастоты (тактовой частоты) цифровых сигналов. С помощью этого устройства выделяются тактовые частоты 22-х оптических цифровых сигналов. На рис. 27.5 показаны осциллограммы сигналов тактовой частоты для четвертого и седьмого спектральных каналов. 100 ГГц Входные данные Тактовая частота (канал 4, Тактовая частота (канал 7, 0,25 1533,84нм ) 1536,24нм ) 0,5 Рис. 27.5. Осциллограммы сигналов тактовой частоты 4 и 7 каналов Однако в оконечных пунктах этих ВОСП-СР, а также для гибкого и эффективного управления и конфигурирования оптических сетей, особенно оптических сетей доступа, проблема далека от решения. Как уже отмечалось, для ее разрешения необходимы полностью оптические процессоры, основанные также на полностью оптических элементах, о которых говорилось выше. Выводы. 1. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием. 2. В настоящее время разработаны полностью оптические регенераторы. Достоинством таких регенераторов является то, что возможно создать сети прозрачные для оптического сигнала. Использование таких регенераторов позволяет снизить потребление энергии, уменьшить вес, габариты и повысить надежность оборудования. Контрольные вопросы. 1. Назначение ретрансляторов? 2. Перечислите виды ретрансляторов и назовите их особенности. 3. Поясните, в чем отличие 1R, 2R и 3R ретрансляторов? 4. Нарисуйте схему ретранслятора и поясните принцип ее работы. 140 Лекция 28 Тема 11. Расчет длины участка регенерации и нормирование его параметров (4 часа) Введение. При проектировании МТС необходимо выполнить расчеты по определению длины участка регенерации с целью правильного размещения пунктов регенерации по длине ВОЛС. Рассмотри методику необходимых расчетов. Раздел 11.1. Расчет длины участка регенерации и нормирование его параметров Расчет предельной длины участков регенерации. Известно, что длина регенерационного участка ОЦТС определяется двумя параметрами: суммарным затуханием РУ и дисперсией сигналов ОВ. Длина РУ с учетом только затухания оптического сигнала, то есть потерь в ОВ, устройствах ввода оптического излучения (как правило, потерь в разъемных соединениях), неразъемных соединениях (сварных соединениях строительных длин кабеля) можно найти из формулы: Ару = Э = lру + Ар nр + Ан nн , дБ, (28.1) где Ару – затухание оптического сигнала на регенерационном участке, дБ; Э - энергетический потенциал системы передачи, дБ, - коэффициент затухания ОВ, дБ /км, lру - длина регенерационного участка, км, Ар , Ан - затухание оптического сигнала на разъемном и неразъемном соединениях, дБ nр , nн - количество разъемных и неразъемных соединений ОВ на регенерационном участке. В этой формуле количество неразъемных соединений ОВ на длине регенерационного участка равно: l ру 1, nн = lс где lс - строительная длина ОК. Подставив количество неразъемных соединений на регенерационном участке в уравнение (28.1), получим: l ру 1 , Э= lру + Ар nр + Ан lс Э= lру + Ар nр + Aн lру - Ан , lc Aн = Э - Ар nр + Ан . lс Отсюда можно выразить длину регенерационного участка lру lру = Э Ар nр Ан . Ан / lс Современные технологии позволяют получать затухания Ар 0,5 дБ, 141 Ан 0,1 дБ. Количество разъемных соединений на регенерационном участке nр =2 (4). С учетом энергетического (эксплуатационного запаса) системы определим максимальную длину регенерационных участков с учетом потерь на затухание в ОВ, потерь в устройствах ввода/вывода оптического сигнала (в разъемных соединителях), потерь в неразъемных сварных соединениях при монтаже строительных длин кабеля: Э Эз Ар n р Ан lру max = , км, (28.2) Ан / lс где Э з - энергетический (эксплутационный запас) системы, необходимый для компенсации эффекта старения элементов аппаратуры и ОВ, Э з = 6 дБм, Как было отмечено выше, длина регенерационного участка ОЦТС зависит также и от дисперсии сигнала в ОВ. Максимальная длина РУ с учетом дисперсионных свойств ОВ рассчитывается по следующей формуле: lру max = 0,25 , км, Bлт (28.3) - дисперсия сигнала в ОВ, определенная для многомодового ОВ по формуле (28.1), а для одномодового ОВ – по формуле (28.2), Влт – скорость передачи цифрового сигнала в линейном тракте. Из рассчитанных максимальных длин по формулам (28.2 и 28.3) в курсовом проекте выбирается наименьшее значение, которое не должно превышать максимального значения длины регенерационного участка, указанных для ОЦТС РDH в технических данных. После расчета максимальной длины регенерационного участка следует распределить регенерационные пункты. При проектировании внутризоновой, зоновой или магистральной междугородной связи в соответствии с заданием или по взаимному тяготению следует выбрать населенные пун кты, где будет осуществляться ввод/вывод рассчитанного количества каналов или ци фровых потоков. Такие пункты чаще всего проектируются как обслуживаемые. Затем, если расстояния между ними будут больше lру max , необходимо рассчитать число регенерационных участков, расположенных между обслуживаемыми пунктами: l ОП ( ОРП) nру = , l ру max а количество необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) на этой секции будет равно: nНРП = nру - 1. По этой же методике следует распределить ЛР на всех участках между ОРП (ОП). Такой же методике следует придерживаться при проектировании областных и межобластных кольцевых сетей. При выполнении КП ЛР следует размещать в населенных пункта, где есть источники электропитания. При этом расстояние между регенераторами будет равно расстоянию между населенными пунктами, но не больше lру max. При проектировании городских кольцевых сетей необходимо стремиться к тому, чтобы на сети не было ЛР. При необходимости этого можно добиться выбором кабелей с одномодовыми ОВ с наименьшим затуханием и использованием длины волны 1,55 мкм. А при небольших расстояниях между АТС целесообразна работа на длине волны 1,3 мкм чтобы не было перегрузки входных усилителей ЛР. Пример. Требуется определить длину регенерационного уч а с т ка ОЦТС, работающей по оптическому кабелю. Уровень передачи на выходе ПОМ р а в е н рпер = - 5 дБм, а уровень приема на входе ПРОМ р пр = - 40дБм. Примем коэффициент затухания ОК α=0,7 дБ/км, а строительная длина Lстр =2км. Требуется определить длину регенерационного уч а с т ка 142 данной МТС. Порядок решения: 1. Оп р е д е л я е м энергетический потенциал ОЦТС: Э р пер р пр 5 ( 40) 35 дБ Принимаем эксплуатационный запас Э з = 4дБ. Считаем, что на длине регенерационного участка имеется два разъемных соединения nрс=2: подсоединение ПОМ к линейному оптическому кабелю и подсоединение линейного оптического кабеля к ПРОМ. Положим, что затухание разъемного соединения Ар с = 0,5 дБ. 4. Принимаем затухание неразъемного соединения Анс = 0,1 дБ. 5. Подставив значения Э, Э з, nрс и Арс, Анс и Lстр в формулу, получим: 2. 3. L ру Э Ээ n рс А рс А нс А нс L стр 35 4 2 0,5 0,1 40,13 км 0,7 0,1 2 На длину регенерационного участка влияет величина дисперсии оптического волокна (ОВ). Предельная длина регенерационного участка с учетом дисперсии ОВ определяется по следующей формуле: L руд 0,25 ов В лт (28.4) где, ов - дисперсия оптического волокна; Влт - скорость передачи цифрового потока, соответствующая линейному коду ОЦТС. Если задана широкополосность ОВ, то величин σов равна: 0,25 ов F Здесь, ΔF - коэффициент широкополосности ОВ, Гц км . Подставив значение σ ов в (6), получим: Lруд =ΔF/ Влт (28.5) Для полученного значения длины регенерационного участка определяются основные параметры оптического линейного тракта: быстродействие, порог чувствительности ПРОМ, допустимая и ожидаемая вероятность ошибки или величина коэффициента ошибки. Размещение линейных регенераторов. Для определенной длины оптического линейного тракта (ОЛТ) Lолт выполняется размещение регенерационных пунктов, число которых определяется по формуле: N рп Ц Lолт L ру.ном 1 (28.6) здесь, символ Ц означает округление в сторону ближайшего большего целого числа. Пример. Выполнить размещение регенерационных пунктов (ЛР) для ОЛТ, длина которого равна Lолт =480 км , а номинальная длина регенерационного участка Lру.ном = 77,75 км. Порядок решения: 1. По формуле (27.6) определим число регенерационных пунктов: N рп Ц L олт L ру.ном 1 Ц 480 77,75 1 6 2. Ч и с л о регенерационных участков на длине ОЛТ определяется по формуле: N ру N рп 1 (28.7) Для нашего примера число регенерационных участков будет равно: N ру N рп 1 6 1 7 3. Регенерационные пункты обычно стремятся разместить по длине ОЛТ равномерно. Для чего необходимо определить среднюю длину регенерационного участка по формуле: L ру.ср L олт N ру (28.8) 143 Для нашего примера средняя длина регенерационного участка будет равна: L ру.ср L олт N ру 480 7 68,6 км Длина регенерационного участка должна удовлетворять условию, т.е. быть больше минимальной и меньше максимальной. Примерная схема размещения регенерационных уч а с т ко в приведена на рис 28.1. ПВВ Рис.28.1. Схема размещения линейных регенераторов где приняты следующие обозначения: ОП-А - оконечный пункт А; ОК -оптический кабель; ЛР - линейный регенератор; НРП-1/1 - необслуживаемый регенерационный пункт №1 1-ой секции регулирования (ОПА-ОРП-1); НРП-1/2 - необслуживаемый регенерационный пункт №1 на 2-ой секции регулирования (ОРП-1-ОП-Б); цифра в числителе означает номер НРП на секции регулирования, цифра в знаменателе означает номер секции регулирования; ОРП-1 номер обслуживаемого регенерационного пункта на длине ОЛТ; ПВВ - пункт ввода вывода цифровых потоков; ОПБ-Б оконечный пункт Б. Выводы. 1. При проектировании МТС необходимо выполнить расчеты по определению длины участка регенерации с целью правильного размещения пунктов регенерации по длине ВОЛС. Контрольные вопросы. 1. Что такое участок регенерации? 2. Как определяется максимальная длина участка регенерации? 3. Порядок размещения пунктов регенерации при проектировании МТС? 144 Лекция 29 Тема 11. Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров Введение. Уровень оптической мощности сигнала, поступающего на вход ПРОМ линейного регенератора, зависит от энергетического потенциала МТС, потерь мощности в ОВ, потерь мощности оптического излучения в разъемных и неразъемных соединениях. Рассмотрим методику расчета распределения энергетического потенциала по длине регенерационного участка. Раздел 11.1. Расчет длины участка регенерации и нормирование их параметров (продолжение) Расчет распределения энергетического потенциала по длине регенерационного участка. Уровень оптической мощности сигнала, поступающего на вход ПРОМ линейного регенератора, зависит от энергетического потенциала ВОСП, потерь мощности в ОВ, потерь мощности оптического излучения в разъемных и неразъемных соединениях. Перед выполнением расчетов рекомендуется составить таблицу (например, табл. 4) с исходными данными для расчета распределения энергетического потенциала по длине регенерационного участка. Эта таблица включает в себя следующие параметры регенерационного участка: уровни мощности оптического сигнала р пер на входе разъемного соединения ПОМ, коэффициент затухания оптического кабеля α, минимальный уровень мощности р пр на выходе разъемного соединения ПРОМ, энергетический потенциал ВОСП Э, строительную длину оптического кабеля Lстр ; количество строительных длин nстр ; количество разъемных соединителей nрс на регенерационном участке; количество неразъемных соединителей nнс на регенерационном участке; затухание оптического сигнала на разъемном соединителе А рс; затухание оптического сигнала на неразъемном соединителе Анс. Пример. Рассчитать распределение энергетического потенциала на длине регенерационного участка для ОЦТС, технические параметры которой приведены в табл.29.1. Таблица 29.1 № Единиц Значен Обозначе № Параметры ы ие ния п/п измерений параметра Уровень мощности передачи 1 рпер дБм -4 оптического сигнала Минимальный уровень мощности 2 рпр дБм -35 приема 3 Энергетический потенциал ОЦТС Э дБ 31 4 Длина регенерационного участка Lру км 24 Строительная длина оптического 5 Lстр км 4 кабеля 6 Количество строительных длин nстр 6 7 Количество разъемных соединений nстр 2 145 8 9 10 11 Затухание оптического сигнала на неразъемном соединителе Количество неразъемных соединений Затухание оптического сигнала на неразъемном соединителе Коэффициент затухания ОК Aрс дБ 0,5 nнс - 7 Aнс дБ 0,1 α дБ/км 0,7 Порядок решения: Определяем уровень сигнала после первого разъемного соединения (PC): р р1 р пер А рс 4 0,5 4,5 дБм Уровень сигнала после первого неразъемного соединителя (НС) станционного оптического кабеля и линейного оптического кабеля будет равен: р н1 р р1 А нс 4,5 0,1 4,6 дБм Далее сигнал проходит по строительной длине Lстр =4 км линейного оптического кабеля с коэффициентом затухания α = 0,7 дБ/км и уровень сигнала на входе второго НС через 4 км будет равен: р н 2вх р н1 L стр 4,6 0,7 4 7,4 дБм Уровень сигнала после второго НС будет равен: рн2 р н 2вх 0,1 7,4 0,1 7,5 дБм. Уровень сигнала после прохождения по второй строительной длине на входе третьего НС будет ранен: р н3вх р н 2 L стр 7,5 0,7 4 10,3 дБм Уровень сигнала после третьего НС будет равен: р н3 р н3вх 0,1 10,3 0,1 10,4 дБм Уровень сигнала после прохождения по т р е т ь е й строительной длине на входе четвертого НС будет равен: р н 4вх р н3 L стр 10,4 0,7 4 13,2 дБм Уровень сигнала после четвертого НС будет равен: р н 4 р н 4вх 0,1 13,2 0,1 13,3 дБм Уровень сигнала после прохождения по четвертой строительной длине на входе пятого НС будет равен: р н5вх рн4 L стр 13,3 0,7 4 16,1дБм Уровень сигнала после пятого НС будет равен: р н5 р н5вх 0,1 16,1 0,1 16,2 дБм Уровень сигнала после прохождения пятой строительной длине на входе шестого НС будет равен: р н 6вх р н5 L стр 16,2 0,7 4 19,0 дБм Уровень сигнала после шестого НС будет равен: р н6 р н6вх 0,1 19,0 0,1 19,1 дБм Уровень сигнала после шестой строительной длины на входе седьмого НС будет равен: р н 7 вх р н 6 L стр 19,1 0,7 4 21,9 дБм Уровень сигнала после седьмого НС или на входе второго разъемного соединения будет равен: 146 р н7 р н7вх 0,1 21,9 0,1 22,0 дБм Уровень сигнала на выходе второго разъемного или уровень приема будет равен: р пр р н 7 А нс 22,0 0,5 22,5 дБм Общее затухание регенерационного участка равно: А ру р пер р пр 4 ( 22,5) 18,5 дБ По результатам расчета можно сделать вывод, что затухание на регенерационном участке меньше энергетического потенциала ОЦТС, равного Э =31 дБ. Эксплуатационный запас МТС можно принять равным Эз = 6дБ. Результаты расчета распределения энергетического потенциала можно представить в виде таблицы, форму которой студент выбирает самостоятельно. Диаграмма распределения энергетического для рассмотренного примера приведена на рис.29.1, где приняты следующие обозначения: ППМ - приемo передающий модуль линейного регенератора; PC - разъемное соединение; НС - неразъемное соединение; ОВ - оптическое волокно. Поскольку все уровни передачи диаграммы распределения энергетического потенциала рассчитаны, то ее изображение возможно в условном масштабе, как это сделано на рис.29.1, но с обязательным указанием характерных основных точек диаграммы. Диаграмма распределения энергетического потенциала служит основой для расчета основных параметров оптического линейного тракта: различного вида шумов и вероятности ошибки одиночного регенератора, расчет быстродействия и порога чувствительности ПРОМ линейного регенератора. Рис.29.1. Диаграмма распределения энергетического потенциала Расчет шумов оптического линейного тракта. Качество приема оптического сигнала определяется шумами фотодетектора ПРОМ, основными из которых являются дробовые шумы, шумы темповых токов и собственные шумы. Шумы определяются для одного регенерационного участка (как правило, самого длинного, если размещение регенерационных пунктов неравномерное). Для определения шумов ПРОМ составляется расчетная схема регенерационного участка (см.рис.29.1) и рассчитывается затухание регенерационного участка. 147 Пример. Для условий задачи (табл. 29.1) определить шумы фотодетектора ПРОМ регенерационного участка соответствующей структуры, рис. 29.1. Порядок решения: 1. Определим затухание регенерационного участка, полагая эксплуатационный Э з = 6 дБ. Подставив в (1.2)данные из табл. 2.1, получим: А ру L ру n нс А нс n рс А рс Э з 0,7 24 7 0,1 2 0,5 6 24,5 дБ. 2. Определим мощность оптического излучения на выходе ПОМ по формуле: Wпер 10 0 ,1 рпер (29.1) здесь, Рпер - уровень передачи оптического излучения (берется из технических данных МТС). Подставив в (16) значение рпер из табл.29.1, получим: Wпер 10 0 ,1 рпер 10 0, 4 0,398 мВт 3. Определим мощность оптического излучения на входе приемопередающего модуля (ППМ) линейного регенератора, рис.29,1 по формуле: Wпр Wпер 10 0 ,1 А ру (29.2) здесь, Wпер - мощность оптического излучения на выходе ПОМ; Ару - затухание регенерационного участка. Подставив в (29.2) значения Wпер =0,398 мВт и Ару = 24,5 дБ, получим: Wпр Wпер 10 -0 ,1 А ру 0,398 10 -0,1 24,5 0,0014 мВт 0,0014 10 3 Вт. При выполнении дальнейших расчетов обращайте внимание на размерности величин, входящих в расчетные, и их порядки! Поскольку электрический сигнал на выходе фотодетектора ППМ является случайной величиной, то его величина оценивается среднеквадратическим значением тока, величина которого определяется по формуле: 2 (29.3) Ic 0,5 (0,8 Wпр ) 2 М 2 где, η = 0,8... 0,9 - квантовая эффективность фотодиода (выбирается студентов в заданных пределах); λ - длина волны оптического излучения; Wпр - мощность оптического излучения на входе фотодетектора ППМ (определяется по формуле 2.2), Вт; М - коэффициент лавинного умножения лавинного фотодиода (ЛФД), значение которого 80 …..100 (для p - i- n фотодиода М=1). 4. По формуле (29.3) определим среднеквадратическое значение тока полезного сигнала, подставив в нее значение Wпр и в ней положив η = 0,8 и λ = 1,31 мкм; М = 100 (т.е. фотодетектор ППМ выполнен на основе лавинного фотодиода). Ic 2 0,5 (0,8 Wпр ) 2 М 2 0,5 (0,8 0,8 1,31 0,0014 10 -3 ) 2 100 2 68,9 10 10 А 2 Основными шумами на выходе фотодетектора ППМ (или ПРОМ) являются следующие шумы. Дробовые шумы, которые оцениваются среднеквадратическим значением: I др 2 2 e (0,8 Wпр )2 М 2 F (M ) Bлт 4 Ic 2 F (M ) Bлт (29.4) где, к уже принятым обозначениям, добавились новые: e 1,602 10 19 - заряд электрона, Кл (кулон); 148 F(M) - коэффициент шума лавинного умножения, учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения. Для большинства ЛФД с достаточной точностью для практических расчетов F(М) находится по формуле: F(M) M x , 0,4 x 1 . 5. Для рассматриваемого примера определим величину коэффициента шума ЛФД, подставив в (29.5) значения М = 100 и х=0,8, получим: (29.5) F(M) M x 100 0,8 39,8 2 6. Подставив в формулу значения I c 68,9 10 10 A, F(M) 39,8 , величину заряда электрона e 1,602 10 19 К л и Bлт 41,242 106 бит с и, определим величину дробовых шумов: Iдр 19 4 1,602 10 2 4 е Ic 68,9 10 10 2 F ( M ) Bлт 39,8 41,242 106 7,25 10 18 А2 Темновые шумы, возникающие независимо от внешнего оптического сигнала из-за случайной тепловой генерации носителей под воздействием фонового излучения, не связанного с полезным сигналом, и среднеквадратическое значение которых равно: 2 (29.6) Iт 2 е Iт М 2 F (M ) Bлт здесь, I т - среднее значение темнового тока, величина которого для германиевых фотодиодов равна (1..8) 10 А , а для кремниевых -(1..8) 10 А. Для рассматриваемого примера определим величину темновых шумов, подставив значения заряда электрона е = 1,602 . 10-19 Кл, величину темнового тока I т = 5 10 7 величины М=100 и F(M) = 39,8, скорость передачи линейного цифрового 9 7 6 сигнала Влт =41,242 10 бит/с: Iт 2 1,602 10 19 2 2 е Iт М 2 F (M ) Bлт 5 10 7 6,61 10 14 А2 100 2 41,242 106 Собственные шумы электронных схем ПОМ или ПРОМ, обусловленные хаотическим тепловым движением электронов, атомов и молекул в резисторах, полупроводниках и других радиоэлементов, среднеквадратическое значение которых равно: 2 (29.7) Iсш 4 k Т Fш В R вх где, k = 1,38 10 Дж К постоянная Больцмана; Т - температура по шкале Кельвина; Fш - коэффициент шума предварительного усилителя ППМ или ПРОМ; Rвx - входное сопротивление предварительного усилителя ППМ или ПРОМ, равная 1... 5 МОм (при выполнении контрольной работы значение Rвх выбирается в указанных пределах). 8. Для рассматриваемого примера определим величину собственных шумов, положив 6 T=300°K, Fш = 8, В =41,242 10 бит/с и Rвх =Ом. Подставив численные значения величин в (2.7), получим : 23 1 I сш 4 k Т Fш В R вх 300 10 41,242 10 6 10 6 2 4 1,38 10 23 68,83 10 18 А 2 Сравнивая величины дробовых, темновых и собственных шумов, видим, что основными являются темновые шумы. Среднеквадратическое значение токов суммарных шумов будет равно: Iш 2 I др 2 Iт 2 Iсш 2 (29.8) 9. Сумма среднеквадратических значений токов шумов различного происхождения получится после подстановки в (2.8): 149 I др 2 7,25 10 18 А 2 , I т Iш 7,25 10 18 2 I др 6,61 10 2 6,61 10 14 А 2 и I сш 2 Iт 14 2 Iсш 2 А2 2 68,83 10 18 6,62 10 14 А2 . На этом расчет основных шумов одиночного линейного регенератора или шумов регенерационного участка завершается, и переходят к расчету вероятности или коэффициента ошибки одиночного регенератора. Расчет вероятности или коэффициента ошибки одиночного регенератора Расчет допустимой вероятности ошибки. Первоначально рассчитывается допустимая вероятность ошибки Рош.доп., приходящаяся на один регенерационный участок, исходя из норм на различные участки первичной сети: магистральной, внутризоновой, местной. Допустимая вероятность ошибки, приходящаяся на один километр для различных типов участков первичной сети приведена в табл.29.2. Таблица 29.2. Допустимая вероятность ошибки, приходящаяся на один километр Допустимая вероятность ошибки, приходящаяся на один километр Тип участка первичной сети Магистральная Внутризоновая 10-11 рош.км. 1/км 1,67 10 10 Местная 10-9 Допустимая вероятность одной регенерационной ошибки определяется по формуле: р ош.доп р ош.км L ру (29.9) где, рош км - вероятность ошибки, приходящаяся на 1 километр линейного тракта; Lpу длина регенерационного участка, км. Если длина оптического линейного тракта равна Lт, то общая допустимая вероятность ошибки равна: р доп р ош.км L т р ош.доп n ру (29.10) здесь, nру = Lт / Lру - число регенерационных участков. Пример. Рассчитать допустимую вероятность ошибки для ОЦТС внутризоновой первичной сети приняв длину оптического линейного тракта Lт = 552 км и длину регенерационного участка Lру = 24 км. Порядок решения: 10 Подставив в формулу (29.9) значение рош.доп = 1,67 10 (см . табл. 29.2) и Lру = 24 км, получим допустимую вероятность ошибки одиночного регенератора: р ош.доп. р ош.км L ру 1,67 10 10 24 40 10 10 0,4 10 8 Для линейного тракта длиной Lт = 552 км допустимая вероятность ошибки 10 определяется по формуле (29.10), если в нее подставить рош.доп = 40,1 10 и nру =552/24 = 23, т.е.: р доп. р ош.км L т 1,67 10 10 552 40,1 10 10 552 24 0,92 10 7 Для оценки соответствия вероятности ошибки нормам необходимо определить ожидаемую вероятность ошибки – рож и сравнить ее с допустимой. При правильно выбранных проектных решениях должно выполняться условие: р ож р доп (29.11) Расчет ожидаемой вероятности ошибки одиночного регенератора. Ожидаемая вероятность ошибки определяется ожидаемой защищенностью от шумов, которая равна: 150 А з.ож 10lg( I c I ш ) . 2 2 (29.12) 2 Здесь: Ic - среднеквадратическое значение тока на выходе ПОМ или ПРОМ, определяемый по формуле (29.3); 2 Iш - суммарное среднеквадратическое значение токов дробовых, темновых и собственных шумов, определяемые по формулам (29.7). Допустимая вероятность ошибки одиночного регенератора pдоп может быть получена из данных табл. 29.3 соответствующим интерполированием . Таблица 29.3. Допустимая вероятность ошибки одиночного регенератора Р ож 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Аз , дБ 18,8 19,7 20,5 21,1 21,7 22,2 22,6 23 Как следует из табл.29.3 величина допустимой защищенности одиночного регенератора для примера должна отвечать условию Аз.доп 20,8 дБ (определяется линейным интерполированием на интервале 20,5... 21,1). Пример. Определить ожидаемую вероятность ошибки одиночного регенератора для исходных данных примеров, рассматриваемых выше. Порядок решения: Подставив в формулу (29.12) значение: Ic 68,9 10 10 А 2 и I ш 2 2 6,62 10 14 A 2 получим: A з.ож 10lg( I c I ш ) 10lg( 68,9 10 -10 6,62 10 -14 ) 50,2дБ 2 2 Так как ожидаемая защищенность больше защищенности допустимой, т.е. Аз.ож ≥ Аз.доп, то ожидаемая вероятность ошибки будет меньше допустимой и, следовательно, энергетический потенциал ОЦТС распределен правильно. Для ожидаемой защищенности Аз.ож= 50,2 дБ, как следует из табл.29.3, ожидаемая вероятность ошибки менее 10- 1 2 и для числа peгенерационных участков nру =23 ожидаемая 7 вероятность ошибки будет менее р доп =0,92 10 , т.е. условие (26) выполняется. Следовательно, размещение регенерационных пунктов и использование энергетического потенциала ОЦТС выполнены верно. Выводы. 1. Диаграмма распределения энергетического потенциала служит основой для расчета основных параметров оптического линейного тракта: различного вида шумов и вероятности ошибки одиночного регенератора, расчет быстродействия и порога чувствительности ПРОМ линейного регенератора. 2. Правильность размещения пунктов регенерации определяется расчетом допустимых и ожидаемых шумов литейного тракта. Контрольные вопросы. 1. Как строится внешняя диаграмма уровней (распределение энергетического потенциала)? 2. Как определяется допустимая мощность шумов проектируемой ВОЛП? 151 3. Как определяется ожидаемая мощность шумов проектируемой ВОЛП? 4. Что такое защищенность сигнала от шумов? 152 Лекция 30 Тема 12. Аппаратура МТС (2 часа) Введение. Рассмотрим оборудование МТС различного уровня. Раздел 12.1. Аппаратура МТС Аппаратура МТС PDH 1. Оборудование первичного временного группообразования (E1). Параметр/Тип аппаратуры ТС-30-БСС Т-130 OGM-30E E1-XL ПолиКом -200С М аксимальное количество потоков Е1 1 1 1 1 1 Число каналов ТЧ или ОЦК 30 30 30 30 30 1.5 120 М аксимальная длина участка регенерации, км Скорость передачи цифрового сигнала в ЛТ, М бит/с Линейный код 2,048 2,048 CM I HDB3/AM I 2.048 M CM I или CM I NRZ Уровень передачи, Дб Тип источника излучения Длина волны излучения, нм Лазерный диод 1,3 1.31 или 1.55 Энергетический потенциал Гибкий мультиплексор ТС-30-БСС. » универсальное устройство доступа к каналам Е1; » гибкая модульная конструкция; 153 » широкий выбор канальных интерфейсов; » возможность работы со всеми типами отечественных АТС без дополнительного оборудования; » «горячая» замена модулей; » наличие интерфейса " УСО"; » встроенный оптический линейный интерфейс; » встроенная система контроля и управления; » простота монтажа и настройки. ТС-30-БСС предназначен для применения на телефонных сетях связи общего пользования, оперативно-диспетчерской связи и объектах специальной связи в качестве аппаратуры для уплотнения соединительных линий от всех типов механических АТС, абонентских линий и каналов передачи данных в цифровой поток 2048 кбит/с. Для современных схем связи ТС-30-БСС – это универсальное устройство доступа к каналам Е1. ТС-30-БСС используется для организации цифровых систем передачи по кабельным, оптоволоконным, и радиорелейным линиям. ТС-30-БСС состоит из модульного унифицированного каркаса МБ-19, модуля вторичного питания и сменных модулей, определяющих характеристики мультиплексора. Конструкцией ТС-30-БСС предусмотрена возможность смены модулей без выключения питания («горячий» режим). ТС- 30-БСС может работать в режимах: » оконечного мультиплексора; » мультиплексора ввода-вывода; » кроссировочного мультиплексора; » преобразователя сигнализации. Управление мультиплексором, контроль и отображение его состояния производится с помощью терминального компьютера (RS-232, Ethernet) или УСО. Терминальная программа поставляется в комплекте с мультиплексором на CD диске. Предусмотрено удаленное управление по потоку Е1 (Sa биты), по каналам RS-232 или Ethernet. Надежность мультиплексора ТС-30-БСС обеспечивается: » небольшим количеством видов плат, » возможностью «горячей» замены модулей, » большой степенью интеграции элементной базы, схемными решениями и программн ым обеспечением, осуществляющими защиту элементов, » выбором элементов с большим эксплуатационным ресурсом, современной технологией производства (поверхностный монтаж, термопрогон, тестирование) и поддерживается: » гарантийным и послегарантийным обслуживанием, » наличием оперативной сервисной службы, » созданием новых версий программного обеспечения. В ТС-30-БСС имеется встроенная эффективная система диагностики, которая позволяет: » организовывать местный и удаленный шлейфы для Е1; » формировать тестовые сигналы в Е1; » контролировать и учитывать количество кодовых, цикловых и битовых ошибок в Е1; » организовывать блокировку, цифровые и аналоговые шлейфы для канальных интерфейсов. Дополнительное оборудование для ТС-30-БСС. Для удобства монтажа подключения и обслуживания вместе с ТС-30-БСС предлагаются: Стойки приборные унифицированные СПУ высотой 1300, 1800, 2200 и 2600 мм Отсекатели для ТС-30-БСС, которые представляют собой металлические 154 перегородки, устанавливаемые горизонтально в 19" стойки сверху над каждым ТС-30-БСС, используемые для раскладки и крепления кабелей внешних подключений ТС -30-БСС и отвода теплого воздуха выделяемого ТС-30-БСС в заднюю часть стойки. Панель ввода питания на 6, 10 и 11 автоматов защиты - ПВП-6, ПВП-10, ПВП-11. Транспарант сигнализации ТСР- 01. Дистрибутор сигнализации предназначен для подключения ТС-30-БСС к шине УСО. Представляет собой панель высотой 2U для установки в 19" стойки с разъемами для подключения ТС-30-БСС и УСО. Кабель УС – кабель с разъемами для подключения ТС-30-БСС (модуль УС-01) к дистрибутору сигнализации. Кабель КС-3, КС-5, КС-8, КС-10 – кабель с разъемами для подключения ТС-30-БСС (модуль КС-011) к ТСР-01. Имеет исполнения в зависимости от количества блоков, установленных в одну стойку. Режимы применения ТС-30-БСС (схемы организации связи), технические характеристики, применение ТС-30-БСС для подключения аналоговых АТС, см. в приложении Б. Гибкий мультиплексор Т-130. Назначение и функциональные возможности: Гибкий мультиплексор Т-130 является основой для построения мультисервисных сетей доступа на базе оборудования РОТЕК. Оборудование позволяет передавать трафик с разнообразных аналоговых и цифровых линий по потокам Е1 (2048 кбит/с). Т-130 обеспечивает организацию соединительных линий между всеми типами АТС и АМТС, передачу данных по цифровым каналам Е1, предоставление услуг доступа к цифровым сетям, развертывания удаленных абонентских выносов и т.д. Основные варианты применения: - терминальный мультиплексор на один поток Е1, 30 каналов (с блоком ЦПМ.01) - мультиплексор ввода-вывода с кросс-коммутацией каналов на два порта Е1, 60 каналов (с блоком ЦПМ.03) Система Т-130 допускает установку таких линейных модулей РОТЕК, как модули различных конвертеров сигнализации, кросс-коннекторов электрического и линейного окончания по потокам Е1 и т.д. Оборудование оснащено встроенной системой контроля, 155 которая позволяет устанавливать необходимые режимы работы, определять аварийные ситуации и локализовать причину неисправности, применять различные системы вывода сигнализации (автономная индикация, интерфейс УСО, локальный мониторинг по интерфейсу RS-232, сетевой мониторинг по интерфейсу Ethernet). Основные особенности: - гибкая модульная структура; - широкий выбор канальных интерфейсов; - возможность работы со всеми типами отечественных АТС без дополнительного оборудования; - программная установка параметров; - автоматическая инициализация установленных модулей; - встроенная система контроля и управления; - поддержка интерфейса "УСО"; - встроенный SNMP-агент; - простой русскоязычный интерфейс пользователя; - возможность тестирования плат и локализации неисправности; - монтаж в 19-дюймовые телекоммуникационные стойки и стойки СКУ; - возможность мониторинга и управления в сетях различной архитектуры с помощью SNMP-управляющей программы RotekView.3.0. Преимущества системы Т-130: - удобство установки, настройки и эксплуатации; - сетевое программное обеспечение; - совместимость с сигнализацией УСО; - встроенный контроль диагностики неисправностей; - русскоязычный интерфейс пользователя; - широкая и постоянно пополняющаяся номенклатура канальных интерфейсов; - сервисный пульт для эксплуатации (ПКСУ); - возможность адаптации под нестандартные и редко встречающиеся протоколы сигнализаций. Аппаратура OGM-30Е. Назначение: Многофункциональный мультиплексор OGM-30E предназначен для формирования потоков Е1 путем мультиплексирования аналоговых речевых сигналов и цифровых сигналов данных с возможностью задания режимов работы программным путем. Аппаратура может применяться на сельских, городских, ведомственных, внутризоновых, магистральных сетях связи, а также в ведомственных сетях оперативно-технологической связи в качестве: - оконечного мультиплексора; - мультиплексора ввода/вывода; - мультиплексора ввода/вывода с групповыми каналами; - кроссировочного мультиплексора; 156 - преобразователя (конвертора) межстанционной сигнализации; - устройство абонентского доступа к сети ТфОП и сети ISDN. Особенности: - широкая номенклатура интерфейсных плат; - формирование до 7 потоков Е1 по рек. G.703, G.704 МСЭ-Т; - программная переконфигурация и установка параметров без перерыва связи; - преобразование различных видов линейной и регистровой сигнализации E&M, R2, R1.5 и частотной сигнализации; - сжатие речи методом A-CELP по рек. G.729; - организация до трех линейных интерфейсов HDSL для передачи потоков Е1; - организация до трех оптических линейных интерфейсов для передачи потоков Е1 по ВОЛС; - организация до трех оптических линейных интерфейсов для передачи потоков Е1 по ВОЛС с сервисными каналами; - управление и мониторинг с помощью персонального компьютера; - возможность организации сети управления и мониторинга через интерфейс Qx, по национальным битам, выделенному служебному каналу в потоке Е1, каналу Ethernet; - интерфейс U базового доступа к сети ISDN; - интерфейс S/T базового доступа к сети ISDN; - интерфейс первичного доступа к сети ISDN (E-DSS1, QSIG); - передача речи по сетям передачи данных с интерфейсом V.35 с использованием протокола Н.221; - возможность организации конференц-связи (группового канала); - установка в шкаф 19" по МЭК 297; - возможность установки в СКУ-01, СКУ-03. Мультиплексор E1-XL (настольное исполнение). Характерные особенности: Два интерфейса E1. Соответствие стандартам ITU G.703, G.704, G.706 и G.823. Расстояние до 1.5 км. Сверхциклы CAS и CRC4. Два цифровых интерфейса: Ethernet или V.35/RS-530/RS-449/RS-232. Режим мультиплексора с двумя каналами данных и подканалом E1. Цифровой, локальный и удаленный шлейфы. Встроенный измеритель уровня ошибок (BER-тестер). Управляющий порт RS-232. "Сухие контакты". Настольное и стоечное исполнение. Сетевое и батарейное питание. ПолиКом-200С. 157 Оптический модем ПолиКом®-200C предназначен для одновременной передачи: - 1-го или 2-х потоков Е1. По одному (WDM) или двум волокнам оптического кабеля (ВОЛС). Данное PDH решение является эффективным при создании распределенных сетей с малой емкостью отдельных сегментов и для организации отводов ("последней мили") от магистралей SDH. Особенностями данной аппаратуры являются: - невысокая цена; - привлекательные массогабаритные показатели; - журнал событий в энергонезависимой памяти, хранящей дату, время и характер события; - управление по стыку RS-232 с помощью стандартного ANSI-терминала; - загрузка новой версии программного обеспечения с персонального компьютера; - отображение текущего состояния единичными индикаторами, оповещение об аварии звуковым сигналом; - возможность управления локальной и удаленной аппаратурой; - малое энергопотребление (менее 3 Вт). Управление аппаратурой осуществляется по стыку F (RS-232) с использованием любого стандартного ANSI - терминала. Оптический модем ПолиКом®-200C предоставляет широкие возможности управления с помощью ПК: - мониторинг локальной и удаленной аппаратуры в режиме реального времени; - переконфигурация локальной и удаленной аппаратуры (в том числе установку шлейфов); - просмотр журнала произошедших событий на локальной и удаленной аппаратуре. Интерфейсы аппаратуры соответствуют стандартам МСЭ-Т G.823, G.747, G.704, G.703, G.651, G.652, G.654. Возможные варианты исполнения оптического интерфейса: - 1310 нм для одномодового оптоволокна; - 1550 нм для одномодового оптоволокна; Двунаправленный трансивер 1310/1550 нм (WDM) для организации работы в одноволоконном режиме. 2. Оборудование вторичного временного группообразования (E2). Параметр/Тип аппаратуры Аппаратура «Гвоздь» ТС-БСС 4Е1 Т-130 (4Е1) ПолиКом200Т FlexGain FOM4E Максимальное количество потоков Е1 4 4 4 4 4 Число каналов ТЧ или ОЦК 120 120 120 120 120 8,448 8,704 8,704 ????? NRZ NRZ Максимальная длина участка регенерации, км Скорость передачи цифрового сигнала в ЛТ, Мбит/с Линейный код 200 8,704 PCMI Уровень передачи, 158 Дб Тип источника излучения Лазерный диод Лазерный диод Длина волны излучения, нм 1.31 и 1.55 1.31 и 1.55 Лазерный диод 1.31 и 1.55 1.31 Энергетический потенциал 3. Оборудование третичного временного группообразования (E3). Параметр/Тип аппаратуры ТС-БСС 16Е1 Поликом300Т ТЛС-31 Е3 FMUX-16 Максимальное количество потоков Е1 16 16 16 16 Число каналов ТЧ или ОЦК 480 480 480 480 Максимальная длина участка регенерации, км Скорость передачи цифрового сигнала в ЛТ, Мбит/с Линейный код 110 34,368 РСМI 35,840 NRZ NRZ со скремблированием Уровень передачи, Дб Тип источника излучения Длина волны излучения, нм Лазерный диод 1.31 или 1.55 1.31 или 1.55 1.31 или 1.55 Энергетический потенциал 4. Нестандартное оборудование. Параметр/Тип аппаратуры «СуперГвоздь» «Акула» «Транспорт32х30» «Транспорт8х30» Максимальное количество потоков Е1 24 66 32 8 Число каналов ТЧ 720 1980 960 240 159 или ОЦК Максимальная длина участка регенерации, км 120 120 120 200 Скорость передачи цифрового сигнала в ЛТ, Мбит/с 155,520 135,168 69,632 18,432 Линейный код Уровень передачи, Дб Тип источника излучения Лазерный диод Лазерный диод Лазерный диод Лазерный диод Длина волны излучения, нм 1.31 или 1.55 1.31 или 1.55 1.31 или 1.55 1.31 или 1.55 Энергетический потенциал Выводы. 1. Аппаратура МТС уровня PDH выпускается большой номенклатуры и в различном исполнении. 2. Заводы изготовители выпускают оборудование МТС «под заказ». Контрольные вопросы. 1. Перечислите основные параметры оборудования МТС. 2. В каких диапазонах длин волн работают МТС? 3. По каким линейным трактам работают МТС? 160 Лекция 31 Тема 13. Основы проектирования оптических цифровых линий передачи (2 часа) Введение. Реальные проекты выполняются в соответствии с инженерно – техническими решениями, техническими заданиями и техническими условиями. Все рабочие проекты должны соответствовать ГОСТ Р 21.1703-2000. Раздел 13.1. передачи Основы проектирования оптических цифровых линий Исходные данные • 1. Инженерно- технические решения – ИТР • 2. Техническое задание – ТЗ • 3. Технические условия – ТУ Состав проекта • Том 1 ОПЗ - Общая пояснительная записка • Том 2 СМ - Сметная документация. Сводный сметный расчет. Локальные сметы. 543786-20-СМ • Том 3 — Рабочие чертежи. Том 3.1 Станционные сооружения. 543786-60-ЛА Том 3.2 Линейные сооружения. 543786-60-ЛГ ГОСТ Р 21.1703-2000 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Система проектной документации для строительства ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОЧЕЙ ДОКУМЕНТАЦИИ ПРОВОДНЫХ СРЕДСТВ СВЯЗИ System of design documents for construction RULES OF EXECUTING OF WORKING DOCUMENTS FOR WIRE COMMUNICATION SYSTEMS Дата введения 01-11-2000 • 1 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ • Настоящий стандарт устанавливает состав и правила оформления рабочей документации проводных средств связи для объектов строительства различного назначения и распространяется на проектирование объектов проводной связи. • 2 НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ 161 • В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты: • ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы • ГОСТ 2.303-68 ЕСКД. Линии • ГОСТ 2.701-84 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению • ГОСТ 21.101-97 СПДС. Основные требования к проектной и рабочей документации • ГОСТ 21.110-95 СПДС. Правила выполнения спецификации оборудования, изделий и материалов • ГОСТ 21.114-95 СПДС. Правила выполнения эскизных чертежей общих видов нетиповых изделий • ГОСТ 21.302-96 СПДС. Условные графические обозначения в документации по инженерно-геологическим изысканиям • ГОСТ 21.406-88 СПДС. Проводные средства связи. Обозначения условные графические на схемах и планах Примечание. При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку. Марки основных комплектов рабочих чертежей проводных средств связи (ПСС) Наименование основного комплекта рабочих Марка чертежей 1. ПСС линейных сооружений: 䦋㌌㏒䦋좈䦋琰茞䦋䦋Ü - магистральной первичной сети - внутризоновой первичной сети - городской первичной сети - сельской первичной сети 2. ПСС коммутационных цехов телефонных станций: - междугородных - городских - сельских - учрежденческих 3. ПСС телеграфных станций и узлов 4. ПСС сетей передачи данных 5. ПСС линейно-аппаратных цехов станций и узлов 6. ПСС пунктов передачи и приема газет ЛМ ЛЗ ЛГ ЛС 䦋㌌㏒䦋좈䦋琰茞䦋䦋Ü МС СГ ССТ СУ СТ ПД ЛА ПГ 162 7. ПСС необслуживаемых регенерационных (усилительных) пунктов 8. ПСС внутренних сетей предприятий и организаций НП СС Состав рабочих чертежей проводных средств связи (см. презентация КП) Термины и определения В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 21.1001, ГОСТ Р 21.1002, а также следующие термины с соответствующими определениями: 3.1. Основная надпись: совокупность сведений о проектном документе, содержащихся в графах таблицы установленной формы, помещаемой на листах проектной и рабочей документации. 3.2. Марка: буквенный или буквенно-цифровой индекс, входящий в обозначение рабочей документации и определяющий ее отношение к определенному виду строительномонтажных работ, или обозначающий основные отличительные особенности строительных конструкций и их элементов. 4. Общие требования к составу и комплектованию проектной и рабочей документации 4.1. Проектная документация 4.1.1. Состав разделов проектной документации объектов капитального строительства и требования к их содержанию установлены [1], утвержденным Правительством Российской Федерации Положением [2] и другими нормативно-правовыми актами. Проектную документацию комплектуют в тома, как правило, по отдельным разделам, установленным [2]. Наименования и шифры разделов проектной документации приведены в таблицах А.1 и А.2. При большом объеме раздела допускается разделять его на части, а части, в случае необходимости, на книги. Каждую часть и книгу комплектуют отдельно. Всем частям и книгам дают наименования, отражающие содержание частей или книг, и присваивают порядковые номера в пределах, соответственно, раздела или части. Примечание. Отдельные разделы вместо частей делят на подразделы, установленные [2]. 4.1.2. Каждому разделу, части (подразделу) и книге, скомплектованным в том (далее - том), а также каждому текстовому и графическому документу, включенному в том, присваивают самостоятельное обозначение, которое указывают на обложке, титульном листе и/или в основной надписи. 4.1.3. В состав обозначения раздела включают базовое обозначение, устанавливаемое по действующей в проектной организации системе, и через дефис - шифр раздела проектной документации. В базовое обозначение включают, например, номер договора (контракта) или/и цифровой код объекта строительства. 163 Если раздел делят на части, то обозначение части составляют из обозначения раздела, к которому добавляют номер части. Если часть делят на книги, то обозначение книги составляют из обозначения части, к которому через точку добавляют номер книги. Примеры 1. 2345-ПЗ - Раздел 1 "Пояснительная записка" 2. 2345-ПЗУ1 - Раздел 2 "Схема планировочной организации земельного участка". Часть 1. Общие сведения 3. 2345-ПЗУ2 - Раздел 2 "Схема планировочной организации земельного участка". Часть 2. Решения по внутреннему железнодорожному транспорту 4. 2345-ИОС1 - Раздел 5 "Сведения об инженерном оборудовании, о сетях инженернотехнического обеспечения, перечень инженерно-технических мероприятий, содержание технологических решений". Подраздел 1. Система электроснабжения. Систему обозначения текстовых и графических документов, входящих в состав тома, проектная организация устанавливает самостоятельно. Примечание. Правила по 4.1.3, 4.2.4 могут быть изменены в соответствии со спецификой проектной организации. 4.1.4. Текстовые и графические материалы, включаемые в том, комплектуют, как правило, в следующем порядке: - обложка; - титульный лист; - содержание тома; - состав проектной документации; - текстовая часть; - графическая часть (основные чертежи и схемы). Правила оформления обложки, титульного листа, содержания тома и состава проектной документации приведены в разделе 8. 4.1.5. Количество листов, включаемых в том, определяют из необходимости обеспечения удобства работы, но не более 300 листов формата А4 по ГОСТ 2.301 или эквивалентного количества листов других форматов. 4.1.6. Общие требования к выполнению графической документации приведены в разделе 5. 4.1.7. Текстовые части разделов проектной документации и другие текстовые документы выполняют по ГОСТ 2.105 с учетом требований [2] и 5.1, 5.2 стандарта. 164 4.1.8. Разрешается выполнять текстовые части разделов проектной документации без основных надписей, дополнительных граф к ним и рамок. В этом случае в текстовой части: - на первом листе приводят список исполнителей, в котором в порядке, установленном для титульного листа, указывают должности, инициалы и фамилии лиц, принимавших участие в разработке, контроле и согласовании текстовой части, и предусматривают места для подписей и дат подписания. На втором и, при необходимости, на последующих листах помещают содержание (оглавление), включающее в себя номера (обозначения) и наименования разделов, подразделов и приложений, с указанием номеров листов (страниц); - в верхней части (верхнем колонтитуле) каждого листа указывают обозначение документа: в левом углу (при односторонней печати) или правом углу четных страниц и левом углу нечетных страниц (при двухсторонней печати); - в нижней части (нижнем колонтитуле) каждого листа указывают: логотип и наименование организации, подготовившей документ, наименование документа, наименование файла, номер листа (страницы) документа (в нижнем правом углу - при односторонней печати, или в левом углу четных страниц и правом углу нечетных страниц - при двухсторонней печати), а также, при необходимости, номер версии документа и другие сведения. Допускается логотип и наименование организации приводить в верхнем колонтитуле; - данные об изменениях указывают в соответствии с 7.2. 4.1.9. Расчеты конструктивных и технологических решений, являющиеся обязательным элементом подготовки проектной документации, в состав проектной документации не включают. Их оформляют в соответствии с требованиями к текстовым документам и хранят в архиве проектной организации. Расчеты представляют заказчику или органам государственной экспертизы по их требованию. 4.2. Рабочая документация 4.2.1. В состав рабочей документации, передаваемой заказчику, включают: - рабочие чертежи, предназначенные для производства строительных и монтажных работ, которые объединяют в комплекты (далее - основные комплекты рабочих чертежей) по маркам в соответствии с таблицей Б.1 (Приложение Б); - прилагаемые документы, разработанные в дополнение к рабочим чертежам основного комплекта. 4.2.2. В состав основных комплектов рабочих чертежей включают общие данные по рабочим чертежам, чертежи и схемы, предусмотренные соответствующими стандартами Системы проектной документации для строительства (далее - СПДС). 4.2.3. Основной комплект рабочих чертежей любой марки может быть разделен на несколько основных комплектов той же марки (с добавлением к ней порядкового номера) в соответствии с процессом организации строительных и монтажных работ. 4.2.4. Каждому основному комплекту рабочих чертежей присваивают обозначение, в состав которого включают базовое обозначение, устанавливаемое по действующей в организации системе, и через дефис - марку основного комплекта. 165 4.2.5. Допускается оформление основных комплектов рабочих чертежей электротехнических марок (ЭС, ЭМ, ЭО, ЭН и др.) и основного комплекта рабочих чертежей автоматизации отдельными документами с присвоением им обозначения, состоящего из базового обозначения, марки основного комплекта и добавлением через точку порядкового номера документа арабскими цифрами. 4.2.6. К прилагаемым документам относят: - рабочую документацию на строительные изделия; - эскизные чертежи общих видов нетиповых изделий, выполняемые в соотв етствии с ГОСТ 21.114; - спецификацию оборудования, изделий и материалов, выполняемую в соответствии с ГОСТ 21.110; - опросные листы и габаритные чертежи, выполняемые в соответствии с данными заводов изготовителей оборудования; - локальную смету по формам, установленным в Методике [3]; - другие документы, предусмотренные соответствующими стандартами СПДС. Конкретный состав прилагаемых документов и необходимость их выполнения устанавливаются соответствующими стандартами СПДС и заданием на проектирование. Прилагаемые документы проектная организация передает заказчику одновременно с основным комплектом рабочих чертежей в количестве, установленном для рабочих чертежей. 4.2.7. Каждому прилагаемому документу присваивают обозначение основного комплекта с добавлением через точку шифра прилагаемого документа в соответствии с таблицей В.1 (Приложение В). 4.2.8. В рабочих чертежах допускается применять типовые строительные конструкции, изделия и узлы путем ссылок на документы, содержащие рабочие чертежи этих конструкций и изделий. К ссылочным документам относят: - чертежи типовых конструкций, изделий и узлов; - стандарты, в состав которых включены чертежи, предназначенные для изготовления изделий. Ссылочные документы в состав рабочей документации, передаваемой заказчи ку, не входят. Проектная организация, при необходимости, передает их заказчику по отдельному договору. 4.3. Общие данные по рабочим чертежам 4.3.1. На первых листах каждого основного комплекта рабочих чертежей приводят общие данные по рабочим чертежам, в которые включают: - ведомость рабочих чертежей основного комплекта, выполняемую по форме 1; 166 - ведомость ссылочных и прилагаемых документов, выполняемую по форме 2; - ведомость основных комплектов рабочих чертежей, выполняемую по форме 2; - ведомость спецификаций (при наличии в основном комплекте нескольких схем расположения), выполняемую по форме 1; - условные обозначения, не установленные национальными стандартами и значения которых не указаны на других листах основного комплекта рабочих чертежей; - общие указания; - другие данные, предусмотренные соответствующими стандартами СПДС. Формы 1 и 2 с указаниями по их заполнению приведены в Приложении Г. 4.3.2. Ведомость рабочих чертежей основного комплекта содержит последовательный перечень листов основного комплекта. При оформлении основного комплекта рабочих чертежей отдельными документами (см. 4.2.5) вместо ведомости рабочих чертежей основного комплекта в состав общих данных включают ведомость документов основного комплекта по форме 2, а в каждом из последующих документов основного комплекта приводят ссылки на общие данные по рабочим чертежам. 4.3.3. Ведомость ссылочных и прилагаемых документов составляют по разделам: - ссылочные документы; - прилагаемые документы. В разделе "Ссылочные документы" указывают документы согласно 4.2.8. При этом в соответствующих графах ведомости указывают обозначение и наименование серии, и номер выпуска чертежей типовых конструкций, изделий и узлов или обозначение и наименование стандарта. В разделе "Прилагаемые документы" указывают документы согласно 4.2.6. 4.3.4. Ведомость основных комплектов рабочих чертежей приводят на листах общих данных одного из основных комплектов рабочих чертежей здания или сооружения (по усмотрению главного инженера проекта). Ведомость содержит последовательный перечень основных комплектов рабочих чертежей, входящих в состав полного комплекта рабочей документации по зданию или сооружению. При наличии нескольких основных комплектов рабочих чертежей одной марки (см. 4.2.3) составляют ведомость комплектов этой марки по форме 2 Приложения Г, которую приводят на листах общих данных для каждого из этих комплектов. 4.3.5. В общих указаниях приводят: 167 - реквизиты документов, на основании которых принято решение о разработке рабочей документации (например, задания на проектирование, утвержденной проектной документации); - запись о соответствии рабочей документации заданию на проектирование, выданным техническим условиям, требованиям действующих технических регламентов, стандартов, сводов правил, других документов, содержащих установленные требования; - перечень технических регламентов и нормативных документов (стандартов, сводов правил и т.п.), в соответствии с требованиями которых разработана рабочая документация; - абсолютную отметку, принятую в рабочих чертежах здания или сооружения условно за нулевую (как правило, приводят на архитектурно-строительных чертежах); - запись о результатах проверки на патентоспособность и патентную чистоту впервые применяемых в проектной документации технологических процессов, оборудования, конструкций, изделий и материалов, а также номера патентов и заявок, по которым приняты решения о выдаче патентов на используемые в рабочей документации изобретения; - перечень видов работ, которые оказывают влияние на безопасность здания или сооружения и для которых необходимо составлять акты освидетельствования скрытых работ, ответственных конструкций и участков сетей инженерно-технического обеспечения; - сведения о том, кому принадлежит данная интеллектуальная собственность (при необходимости); - эксплуатационные требования, предъявляемые к проектируемому зданию или сооружению (при необходимости); - другие необходимые указания. В общих указаниях не следует повторять технические требования, помещенные на других листах основного комплекта рабочих чертежей, и давать описание принятых в рабочих чертежах технических решений. 5. Общие правила выполнения документации 5.1. Общие положения 5.1.1. При выполнении проектной, рабочей документации, а также отчетной технической документации по инженерным изысканиям для строительства следует руководствоваться положениями соответствующих стандартов СПДС, а также стандартов Единой системы конструкторской документации (далее - ЕСКД). Перечень стандартов ЕСКД, подлежащих учету при выполнении графической и текстовой документации для строительства, приведен в таблице Д.1 (Приложение Д). 5.1.2. Документацию, как правило, выполняют автоматизированным способом на бумажном носителе и/или в виде электронного документа. При выполнении документации в виде электронных документов (ДЭ) и передаче документации на электронных носителях должны соблюдаться требования ГОСТ 2.051. 168 Взаимное соответствие между документами в электронной и бумажной формах обеспечивает разработчик. 5.1.3. При выполнении документации применяют шрифты, используемые средствами вычислительной техники, при обеспечении условий доступности этих шрифтов пользователям документов. При оформлении текстовых частей разделов проектной документации и других документов, содержащих в основном сплошной текст, рекомендуется использовать гарнитуру шрифта Arial или Times New Roman. 5.1.4. При подготовке документации должна быть обеспечена возможность изготовления копий документации надлежащего качества способами репрографии. 5.1.5. Чертежи выполняют в оптимальных масштабах по ГОСТ 2.302 с учетом их сложности и насыщенности информацией. Масштабы на чертежах не указывают, за исключением чертежей изделий и других случаев, предусмотренных в соответствующих стандартах СПДС. 5.1.6. Содержательная и реквизитная части ДЭ должны соответствовать требованиям стандартов СПДС и ЕСКД. 5.1.7. Структура и состав реквизитов ДЭ должны обеспечивать его обращение в рамках программных средств (отображение, внесение изменений, печать, учет и хранение в базах данных, а также передачу в другие автоматизированные системы) с соблюдением при этом нормативных требований по оформлению документов. 5.1.8. Перечень сокращений слов, допускаемых в основных надписях, технических требованиях, таблицах, чертежах и спецификациях, составлен в дополнение к ГОСТ 2.316 и приведен в таблице Е.1 (Приложение Е). 5.2. Основные надписи 5.2.1. Каждый лист графического и текстового документа, как правило, оформляют основной надписью и дополнительными графами к ней. Формы основных надписей и указания по их заполнению приведены в Приложении Ж. Основную надпись располагают в правом нижнем углу листа. На листах формата А4 по ГОСТ 2.301 основную надпись располагают вдоль короткой стороны листа. 5.2.2. Содержание, расположение и размеры граф основной надписи, дополнительных граф к ней, а также размеры рамок должны соответствовать: - на листах основных комплектов рабочих чертежей и листах графической части проектной документации - форме 3; - на первом листе чертежей строительных изделий - форме 4; - на первых листах текстовых документов и эскизных чертежей общих видов нетиповых изделий, оформляемых в виде выпуска, - форме 5; 169 - на последующих листах чертежей строительных изделий, текстовых документов и эскизных чертежей общих видов - форме 6. Допускается на первом листе чертежа строительного изделия применять основную надпись по форме 5. Если некоторые документы (спецификацию оборудования, изделий и материалов, эскизные чертежи общих видов нетиповых изделий) выпускают без титульного листа, то в этом случае первый лист документа оформляют основной надписью по форме 3, последующие - по форме 6. 5.2.3. В отчетной технической документации по результатам инженерных изысканий применяют основную надпись: - на листах графических документов, используемых в проектировании в качестве подосновы, - по форме 3; - на первых листах других графических и текстовых документов - по форме 5, на последующих листах - по форме 6. 5.2.4. Основную надпись, дополнительные графы к ней и рамки выполняют сплошными толстыми основными и сплошными тонкими линиями по ГОСТ 2.303. 5.2.5. Таблицу изменений в основной надписи (графы 14 - 19) при необходимости допускается продолжать вверх или влево от основной надписи. При расположении таблицы изменений слева от основной надписи наименования граф 14 - 19 повторяют. 5.2.6. Расположение основной надписи и дополнительных граф к ней, а также размерных рамок на листах приведены на рисунке И.1 (Приложение И). 5.2.7. Расположение и размеры дополнительных граф для идентификации ДЭ проектная организация устанавливает самостоятельно. 5.3. Координационные оси 5.3.1. На изображении каждого здания или сооружения указывают координационные оси, которым присваивают самостоятельную систему обозначений. Координационные оси наносят на изображения здания, сооружения тонкими штрихпунктирными линиями с длинными штрихами, обозначают арабскими цифрами и прописными буквами русского алфавита (за исключением букв: Ё, З, Й, О, Х, Ц, Ч, Щ, Ъ, Ы, Ь) в кружках диаметром 6 - 12 мм. Пропуски в цифровых и буквенных (кроме указанных) обозначениях координационных осей не допускаются. 5.3.2. Цифрами обозначают координационные оси по стороне здания и сооружения с большим количеством осей. Если для обозначения координационных осей не хватает букв алфавита, последующие оси обозначают двумя буквами. 170 5.3.3. Последовательность цифровых и буквенных обозначений координационных осей принимают по плану слева направо и снизу вверх в соответствии с рисунком 1 а или как показано на рисунках 1 б и 1 в. 5.3.4. Обозначение координационных осей, как правило, наносят по левой и нижней сторонам плана здания и сооружения. При несовпадении координационных осей противоположных сторон плана в местах расхождения дополнительно наносят обозначения указанных осей по верхней и/или правой сторонам. 5.3.5. Для отдельных элементов, расположенных между координационными осями основных несущих конструкций, наносят дополнительные оси, которым присваивают обозначение в виде дроби, в числителе которой указывают обозначение предшествующей координационной оси, а в знаменателе - дополнительный порядковый номер в пределах участка между смежными координационными осями в соответствии с рисунком 1 г. 5.4. Нанесение размеров, уклонов, отметок и надписей 5.4.1. Линейные размеры на чертежах указывают без обозначения единиц длины: - в метрах с точностью до двух знаков после запятой - на чертежах наружных сетей и коммуникаций, генерального плана и транспорта, за исключением случаев, оговоренных в соответствующих стандартах СПДС; - в миллиметрах - на всех остальных видах чертежей. 5.4.2. Размерную линию на ее пересечении с выносными линиями, линиями контура или осевыми линиями ограничивают засечками длиной 2 - 4 мм, наносимыми с наклоном вправо под углом 45° к размерной линии, при этом размерные линии должны выступать за крайние выносные линии на 2 - 5 мм. 5.4.3. Отметки уровней (высоты, глубины) элементов конструкций, оборудования, трубопроводов, воздуховодов и др. от уровня отсчета (условной "нулевой" отметки) указывают в метрах без обозначения единицы длины с тремя десятичными знаками, отделенными от целого числа запятой, за исключением случаев, оговоренных в соответствующих стандартах СПДС. Отметки уровней на фасадах, разрезах и сечениях помещают на выносных линиях (или на линиях контура) и обозначают знаком " ", выполненным сплошными тонкими линиями с длиной штрихов 2 - 4 мм под углом 45° к выносной линии или линии контура, в соответствии с рисунком 4; на планах - в прямоугольнике, за исключением случаев, оговоренных в соответствующих стандартах СПДС. Выводы. 1. Рабочие проекты должны выполнятся в соответствии с нормативными документами. 171 Контрольные вопросы. 1. Назовите состав рабочих проектов. 2. Перечислите исходные документы, необходимые для выполнения рабочих проектов. 3. Порядок оформления проектной документации. 172 Лекция 32 Тема 14. Спектральное уплотнение (8 часов) Введение. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. Раздел 14.1. Спектральное уплотнение Классификация WDM. История разработки и использования окон прозрачности. Первоначально, в 70-х годах, системы волоконно-оптической связи использовали первое окно прозрачности, поскольку выпускаемые в то время GaAs-лазеры работали на длине волны 850 нм. В настоящее время этот диапазон из-за большого затухания используется только в локальных сетях. В 80-х годах были разработаны лазеры на тройных и четверных гетероструктурах, способные работать на длине волны 1310 нм и второе окно прозрачности стало использоваться для дальней связи. Преимуществом данного диапазона явилась нулевая дисперсия на данной длине волны, что существенно уменьшало искажение оптических импульсов. Третье окно прозрачности было освоено в начале 90-х годов. Преимуществом третьего окна является не только минимум потерь, но и тот факт, что на длину волны 1550 нм приходится рабочий диапазон волоконно-оптических эрбиевых усилителей (EDFA). Данный тип усилителей, имея способность усиливать все частоты рабочей области, предопределил использование третьего окна прозрачности для систем со спектральным уплотнением (WDM). Четвёртое окно прозрачности простирается до длины волны 1620 нм, увеличивая рабочий диапазон систем WDM. Пятое окно прозрачности появилось в результате тщательной очистки оптического волокна от посторонних примесей. Таким образом, было получено оптическое волокно AllWave, имеющее малые потери во всей области от 1280 до 1650 нм. Исторически первыми возникли двухволновые WDM системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь. На начальном этапе развития технологии WDM, были рекомендованы к освоению три окна прозрачности – 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. В зависимости от расположения каналов в этих окнах ОЦСП-WDM подразделялись на: - простыеWDM – системы (номинальное частотное разнесение каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число каналов не более 8); - плотные WDM – системы DWDM (частотное разнесение каналов не менее 100 ГГц, число каналов не более 40); 173 - сверхплотные WDM – системы HDWDM (частотное разнесение каналов порядка 50, 25 и 12.5 ГГц , число каналов порядка 80, 160 и 320). При этом на этапе внедрения технологии WDM предполагалось, их использование в третьем и четвертом окнах прозрачности спектра ОВ (рис. 32.1). Весь спектр разбит на два диапазона С и L (С - Band, L - Band). С-диапазон разбит на два поддиапазона S(R) и L(R). Границами этого диапазона являются длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм (соответственно частоты 191,0 ТГЦ и 196,2 ТГц). L-диапазон характеризуется граничными длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм (соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9 ТГц). Таким образом, ширина спектра С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L - диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц). C(B) S(R) L(R) L(B) 40,82 1528,77 196,2 1545,32 194 5,2 43 1569.59 1612,65 185,9 191,0 , нм f, ТГц 5,1 Рис. 32.1. Спектр ОЦСП-WDM Современные WDM системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec, G.692) можно подразделить на три группы: грубые WDM (Coarse WDM — CWDM) — системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов. (Используемые в настоящее время CWDM работают в полосе от 1260 до 1620 нм, промежуток между каналами 20нм (200 Ghz), можно мультиплексировать 18 спектральных каналов.) плотные WDM (Dense WDM — DWDM) — системы с разносом каналов не менее 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов. высокоплотные WDM (High Dense WDM — HDWDM) — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов. Следует отметить, что в последнее время в литературе к плотным WDM относят, также и высокоплотные – HDWDM. В связи с расширением рабочего диапазона оптических волокон Международным союзом электросвязи были утверждены новые спектральные диапазоны в интервале 1260…1675 нм (табл. 32.1). Таблица 32.1. Окна прозрачности оптического волокна 174 Обозначение O E S C L U Диапазо Английское Русское название н, нм название 1260…13 Основной Original 60 1360…14 Расширенный Extended 60 1460…15 Коротковолновый Short wavelength 30 1530…15 Стандартный Conventional 65 1565…16 Длинноволновый Long wavelength 25 1625…16 Сверхдлинноволн Ultra-long 75 овый wavelengh Технология DWDM (плотные WDM) Функциональная схема, поясняющая технологию DWDM, показана на рис. 32.2. По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Теоретически это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км). ITE-T передатчик GE ОЕО ATM ОЕО Оптический мультиплексор ОМ ввода/вывода ОМ ОА ОАDM ОА DCU ОD ОЕО GE ОЕО ATM Принимающие транспондеры Транспондеры SDH ОЕО Оптический усилитель ОЕО SDH Компенсатор хроматической дисперсии Рис. 32.2. Общая архитектура DWDM системы 175 Преимущества DWDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконнооптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем DWDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы. Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1. Область применения — магистральные сети. Этот вид WDM систем предъявляет более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника и т. д.). Толчок к бурному развитию DWDM сетей дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна). Частотный план систем DWDM. Как уже отмечалось выше, попытки использовать спектральное уплотнение каналов для увеличения суммарной скорости передачи в волокне делались достаточно давно, более 18 лет назад. Вначале объединяли диапазоны 850 нм и 1310 нм, потом — 1310 и 1550 нм. Совместное использование этих диапазонов и сейчас предлагают многие стандартные системы SDH. Однако в дальнейшем, с развитием технологии производства лазеров, усилителей и мультиплексоров, открылись возможности формировать несколько десятков каналов в одном волокне, в диапазоне 1550 нм. Чтобы обеспечить взаимную совместимость оборудования различных производителей , было предложено стандартизировать номинальный ряд оптических несущих, т.е. создать канальный или частотный план. Эту задачу решил сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ), разработав стандарт ITU — Rec. G.692. Первоначально в основу проекта стандарта был положен канальный план с равномерным расположением несущих частот каналов, с их разносом на 0,1 ТГц (100 ГГц). Выбранному спектральному диапазону длин волн, от 1528,77 нм до 1569,59 нм, соответствует область частот шириной 5,1 ТГц. При выборе постоянного шага равного 100 ГГц, в этом диапазоне можно максимально разместить 51 канал. При этом шаг по длине волны получается разным — от 0,78 нм до 0,821 нм (или в среднем 0,8 нм). Однако в дальнейшем выяснилось, что целый ряд производителей разработал оборудование, способное формировать и выделять оптические несущие, отстоящие друг от друга на 50 ГГц (0,4 нм). В то же время, для многих приложений не требуется такого плотного заполнения рабочего диапазона и расстояние между каналами можно увеличить до 200 и даже 400 ГГц. Таким образом, окончательная версия стандарта ITU G.692 разрешает расстановку каналов с шагом 50, 100, 200 и 400 ГГц (соответственно 0,4; 0,8; 1,6 и 3,2 нм по длине волны). При шаге в 0,4 нм в диапазоне 1529 — 1565 нм удается разместить до 102 каналов. В настоящее время ITU рекомендовал для использования диапазон между каналами 25 и 12,5 ГГц (0.2 и 0.1 нм). Во всех случаях частотное разнесение каналов определяется следующими факторами: линейными переходами между каналами, возникающими в мультиплексорах, демультиплексорах и между оптическими фильтрами, расположенными в блоке OA/OD; нелинейными переходами между каналами, возникающими в ОВ. Наиболее опасными являются переходы из-за четырехволнового смешивания (FWM). Так как для ОВ различных типов мощности помех от этих переходов разные, то частотные планы разрабатываются отдельно для каждого типа волокон. В рекомендации МСЭ-Т G.692 разработаны частотные планы только для третьего окна прозрачности и волокон, соответствующих рекомендациям G.652, G.655, G.653. 176 Один из частотных планов, предложенных для волокон G.652/G.655 приведен в табл. 32.2. В ней даны значения оптических несущих для DWDM с числом каналов п = 40 (этот же план можно применить при любом числе каналов п > 8, и НЧР = 1000 ГГц), а также значения оптических несущих при НЧР = 200 ГГц (4 < п < 20), для п = 8 (НЧР = 500 ГГц), п = 4 (НЧР = 600 ГГц и НЧР = 1000 ГГц). Аналогичные частотные планы разработаны и для OB G.653. Для уменьшения влияния четырехволнового смешивания при организации ВОСП-WDM на волокнах G.653 предлагается использовать неодинаковое НЧР между каналами. Заметим, что максимальная скорость передачи Вмах ВОСП - WDM во многом определяется приятым частотным планом. Bmax Bch n, где Вch - максимальная скорость передачи в канале; п - число каналов. Поэтому увеличить скорость передачи системы WDM можно, увеличивая скорость передачи в канале. Например, если п = 4, В= 2,5 Гбит/сек (STM-16), то Smax= 10 Гбит/с, что соответствует 64-му уровню STM-N. Строгая регламентация оптических частот для систем HDWDM, DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих(λ1…λN). В рекомендации ITU-T G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому, в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений спектральных каналов и частотного интервала между ними можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (Δ), а также допустимую величину нестабильности оптической частоты. При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 100 ГГц спектральная ширина линии излучения Δ не должна превышать величину Δ = ± 0,08 нм, нестабильность оптической несущей не более 10 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены. Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δ = 0,5 нм (для STM-16), для STM-64 - Δ = 0,1 нм , а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства - трансивера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход трансивера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется N оптических сигналов, то на выходе трансивера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для первого канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ1 , для второго λ2 и т.д. до λN. С выходов трансивера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического мультиплексора, соответствующие указанным длинам волн λ1 …λN. Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери ОМ 177 на канал составляют ~ 7... 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величина составит 14...18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния. Для того чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений , возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления проявляются, начиная с указанной мощности в виде дополнительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS (или ВРМБ - вынужденное рассеяние Мандельштамм - Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (или ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Величина суммарной оптической мощности в системах WDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне +17дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами — допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм. Наибольшее распространение технология DWDM получила в США, где хорошо развит рынок волоконно – оптических систем. Используется она и на сетях связи других регионов мира, особенно в Европе, Азии и Латинской Америке. Более того, DWDM рассматривается уже не только как средство повышения пропускной способности оптического волокна, а как наиболее надежная технология для опорной инфраструктуры мультисервисных и мобильных сетей, обеспечивающая резкое повышение пропускной способности сети и реализующая широкий набор принципиально новых услуг связи. Для построения гибких сетей DWDM используются оптические Add - Drop мультиплексоры (OADM), обеспечивающие непосредственный ввод/вывод каналов в магистраль DWDM на оптическом уровне (без преобразований оптического сигнала в электрический) и позволяющие строить разветвлённые транспортные оптические сети. У большинства ведущих производителей имеется DWDM-оборудование, которое позволяет мультиплексировать в С-диапазоне (1530-1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная емкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570-1605 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц. При использовании DWDM-оборудования на 160 каналов одновременно в диапазонах C и L (C + L) возникают определенные требования к оптическим кабелям, а именно: затухание в C- и L-диапазонах должно быть примерно одинаковым. Значит, необходимо использовать оптический кабель с симметричными в этих диапазонах характеристиками по затуханию. Такие кабели разработаны сравнительно недавно. В подавляющем же большинстве случаев операторы используют кабели с несимметричными характеристиками в C- и L-диапазонах. Так, для кабелей, соответствующих требованиям рекомендации G.652, разница затухания в 178 указанных диапазонах может достигать 0,02 дБ/км, что в пересчете на один усилительный участок дает разницу до 2 дБ. В этом случае для расчетов расположения оборудования необходимо брать наибольшее затухание, что приводит к необходимости чаще устанавливать передающее оборудование и в конечном счете увеличит его цену. Как DWDM, так и SDH–технологии рассчитаны, прежде всего, на использование в телефонных сетях с коммутацией каналов. Однако, согласно мировым тенденциям, развитие телекоммуникаций будущего связано с пакетными и IP–сетями, в связи, с чем уже разрабатывается IP–совместимые оптические методы передачи сигналов. Поэтому в перспективе сети, базирующиеся полностью на SDH–технологии, постепенно потеряют свое значение, однако SDH–функциональность. скорее всего, будет продолжать играть важную роль в IP–инфраструктуре. Особенно это касается действующих IP–сетей, поскольку функциональные возможности оборудования SDH только предполагается реализовать в будущих оптических IP–сетях. Совместное применение оборудования SDH и DWDM и широко распространенного на существующих сетях оборудования стандарта PDH обеспечит гибкий и безболезненный переход к полностью IP–совместимым сетям. Такой сценарий развития удовлетворяет требованиям, как к функциональности, так и к пропускной способности сетей. В настоящее время на рынке появились принципиально новые, солитоновые DWDMсистемы, которые позволяют существенно увеличить пропускную способность каналов и дальность передачи. Основное свойство оптического солитона - возможность распространения оптического импульса без дисперсионного расплывания. Солитон - это модулированный по интенсивности оптический импульс, который за счет нелинейного взаимодействия между спектральными составляющими поддерживает неизменной форму оптического сигнала по мере его распространения в волокне. В линейных средах спектральные составляющие оптического импульса не взаимодействуют между собой, что приводит к дисперсионному расплыванию сигнала. При учете нелинейного эффекта перераспределения энергии между спектральными составляющими можно избежать дисперсионного расплывания сигнала, распространяющегося вдоль волокна. Данная технология представляется наиболее перспективной для передачи сигнала STM-256 (40 Гбит/с) на большие расстояния. Однако солитоновые технологии накладывают определенные требования на оптические кабели, что может повлечь необходимость их полной замены на существующих сетях. Использование технологии DWDM оправданно для передачи больших объемов трафика. С увеличением числа оптических каналов, предаваемых по одному волокну, стоимость передачи единицы информации уменьшается. Так, стоимость передачи одного бита информации по полностью загруженной 160-канальной системе меньше соответствующего показателя для 40/32-канальной системы. Однако при неполной загрузке важно учитывать тот факт, что цена оборудования для 40/32-канальной системы заметно ниже цены 160канальной системы. В настоящее время многие операторы переходят на оборудование уровня STM-64 и рассматривают возможность использовать DWDM-технологии для построения магистральных и городских сетей. Современные городские транспортные сети должны поддерживать работу с неоднородным трафиком, в том числе с узкополосным трафиком на базе SDH-систем и широкополосным ATM- и Ethernet-трафиком. Технология DWDM позволяет объединить передачу разнородного трафика. Для этого каждому типу трафика выделяются свой оптический канал или своя длина волны. Можно утверждать, что технология DWDM становится экономически привлекательной при объеме трафика 40 Гбит/с и выше. Однако экономически эффективной она может быть и при объеме 10 Гбит/с. Возможность уменьшения стоимости DWDM-оборудования - использование "цветных" интерфейсов. Как мы уже говорили, к трансиверу с одной стороны подключается SDHоборудование, с другой оборудование DWDM (оптический мультиплексор/демультиплексор или пассивное оптическое устройство ввода-вывода на базе 179 брегговских решеток). Но если в оборудовании SDH использовать STM-интерфейсы с фиксированной длиной волны и узким спектром излучения, то необходимость в транспондерах отпадает. Такие STM-интерфейсы и называются "цветными". Их использование, означающее не что иное, как отказ от трансиверов, позволяет сократить количество преобразований O-E-O и уменьшить число соединительных оптических кабелей, что повышает надежность оборудования. Кроме того, уменьшаются размеры оборудования и энергопотребление. В технологии DWDM минимальная дискретность сигнала - это оптический канал, или длина волны. Использование целых длин волн с емкостью канала 2,5 или 10 Гбит/с для обмена трафиком между подсетями оправдано для построения больших транспортных сетей. Но транспондеры-мультиплексоры позволяют организовать обмен трафиком между подсетями на уровне сигналов STM-4/STM-1/GE. Уровень распределения можно строить и на базе SDH-технологии. Но DWDM имеет большое преимущество, связанное с прозрачностью каналов управления и служебных каналов (например, служебной связи). При упаковке SDH/ATM/IP-сигналов в оптический канал структура и содержимое пакетов не изменяются. Системы DWDM проводят только мониторинг отдельных байтов для контроля правильности прохождения сигналов. Поэтому соединение подсетей по инфраструктуре DWDM на отдельно взятой длине волны можно рассматривать как соединение парой оптических кабелей. Основными преимуществами сетей DWDM являются: - высокие скорости передачи; - высокая утилизация оптических волокон; - возможность обеспечить 100% защиту на основе кольцевой топологии; - позволяет использование любых технологий канального уровня благодаря прозрачности каналов оптических волокон; - возможность простого наращивания каналов в оптической магистрали. В настоящее время наиболее распространены следующие применения сетей DWDM: - построение высокоскоростных транспортных сетей операторов национального масштаба, на основе топологий «точка-точка» или «кольцо» - построение мощных городских транспортных магистралей, которые могут использоваться большим количеством пользователей с потребностями в высоких скоростях передачи и использующих самые различные протоколы. В сфере сетевой инфраструктуры формируются две основные тенденции — это IP и оптические сети. Если достоинства полностью IP – совместимых сред передачи (как наиболее простых в обслуживании, гибких и «бесшовных» служб на всем тракте от абонента до абонента) уже хорошо разрекламированы, то преимущества параллельной, полностью оптической инфраструктуры недостаточно хорошо известны. Сегодняшние соединительные сетевые структуры неизбежно требуют преобразований и переключений между оптической и электронной частями сети. Если сейчас это проблема решается на уровне системы управления и обслуживания, то в полностью IP–совместимых сетях будущего появятся новые требования к физическому уровню (такие, как маршрутизация, IP–сигнализация и т.д.). Когда и как эти требования будут реализовываться — пока продолжаются дискуссии. Тем временем на рынке специалисты разделились во мнениях при решении вопроса о том, как же, в конце концов, должны взаимодействовать IP– маршрутизаторы с оптическими сетями при завершении соединения между абонентами сети. При рассмотрении сценария развития широкополосных сетей было отмечено, что технология DWDM (совместно с SDH) может сыграть свою важную роль в постепенной миграции сетей к полностью IP–совместимости. Другим многообещающим техническим новшеством в сетях будущего должна стать так называемая «мультипротокольная лямбда– коммутация», которая является дальнейшим развитием технологии, известной под аббревиатурой MPLS (Multi protocol label switching). Лямбда–коммутация, фактически уже доступная для внедрения, заменяет обычный заголовок в IP–формате на короткую метку, тем 180 самым увеличивая скорость обработки информационных данных. Мультипротокольная лямбда–коммутация вносит элемент интеллектуальности в сферу оптических телекоммуникаций, в частности, передающий транспондер теперь может выбирать наиболее короткий и высокоскоростной путь между двумя маршрутизаторами, что позволяет оптимизировать работу сети в целом. Более того, поскольку эта технология разработана на основе MPLS, вопросы о том, каким образом IP–маршрутизатор будет взаимодействовать с оптической средой передачи, как развивать дальнейшую стратегию перехода к полностью оптическим IP–совместимым сетям, решаются сами собой. Несмотря на то, что будущее за IP–совместимыми сетями, DWDM будет продолжать развиваться и совершенствоваться как самостоятельная технология передачи в отношении увеличения количества длин волн, используемых при мультиплексировании. А поскольку пропускная способность была и остается важнейшей проблемой многих операторов связи, роль DWDM как технологии, обеспечивающей поступательное развитие широкополосных мультисервисных сетей, сохранится, возможно, еще в течение длительного времени. Выводы. 1. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. 2. Современные системы со спектральным уплотнением подразделяются на технологии DWDM и CWDM. Вопросы для самоконтроля. 1. Какие системы WDM относятся к грубым WDM? 2. Какие системы WDM относятся к плотным WDM? 3. Какие системы WDM относятся к сверхплотным WDM? 4. Сколько окон прозрачности рекомендованы МСЭ для освоения? 5. Назовите диапазоны длин волн, используемых для технологии WDM. 181 Лекция 33 Тема 14. Спектральное уплотнение (8 часов) Введение. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. Раздел 14.1. Спектральное уплотнение (продолжение) Расчет помехоустойчивости участка ВОЛС с оптическими усилителями. Для увеличения пропускной способности в современных ВОЛС применяется метод спектрального уплотнения каналов — технология DWDМ. Поскольку в оптическом волокне происходит ослабление сигнала, через определенное расстояние требуется его восстановление. Для этой цели в системах с DWDМ используются оптические усилители (ОУ). Наибольшее распространение получили эрбиевые волоконно-оптические усилители (ЕDFA). Оптические усилители являются аналоговыми устройствами и, обеспечивая усиление мощности передаваемого оптического сигнала, накапливают искажения (шумы усилителя, хроматические и поляризационные дисперсионные искажения оптического кабеля и т.д.), возникающие на различных участках многопролетной ВОЛС содержащей несколько ОУ, что приводит к снижению отношения сигнал/шум на фотоприемнике в конце магистрали. Накопление шумов — это фундаментальное свойство аналоговых усилителей. Поэтому, необходимо предусмотреть такой исходный запас помехоустойчивости для каждого спектрального канала, который позволил бы обеспечить требуемую помехозащищенность переданного информационного сигнала в конце ВОЛС. Определение требуемого значения отношения сигнал-шум Функционирование цифровых систем передачи оценивается коэффициентом битовых ошибок ВЕК, определяемым числом ошибок на заданное количество переданных битов информация, т.е. вероятностью появления ошибок. Для расчета ВЕR, достаточно знание одного параметра — (Q-фактора, который определяется следующим выражением): 1 , 1 где 0, 1 — уровни сигналов, соответствующие 0 и 1; 0, 1 — их среднеквадратичные отклонения. Если задано требуемое значение ВЕR, то, пользуясь выражением (2), можно найти требуемое значение Q -фактора. Q= (1) 1 Q erfc( ). (2) 2 2 Рассчитаем Q -фактор, исходя из типичного для современных ВОЛС коэффициента ошибки ВЕR = 10-10 , подставляя его в выражение (2), получаем требуемое значение Q =6,36. Помимо вышеизложенных параметров качество оптического сигнала характеризуют величиной, которую принято называть оптическим отношением сигнал/шум (OSNR). OSNR равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале ВЕR(Q) = 182 оптического канала. По мере распространения сигнала между регенераторами значение Q-фактора может только убывать. Допустимый уровень OSNR, который обеспечивает заданное значение Q - фактора, определяется выражением (З). OSNR =4* Q2 . (З) Подставляя рассчитанное значение‚ в выражение (З), определяем минимальный допустимый уровень оптического отношения сигнал-шум на выходе ВОЛС OSNR = 161,87 (или 22,09 дБ - в логарифмических единицах). Рассчитаем коэффициента усиления ОУ. Коэффициент усиления ОУ должен обеспечить компенсацию оптических потерь на участке усиления: (4) g ОВ ОС , где ОВ - потери в оптическом волокне, дБ; ОС — потери в соединениях, дБ. Потери в оптическом волокне определяются как: * Li , ОВ = где i - средняя строительная длина ОК, км; а - значение коэффициента затухания оптического волокна, дБ/км; Потери в соединениях складываются из потерь на разъемных и неразъемных соединениях. (5) ос нс * Nнс рс * Nрс , где нс - потери на неразъемных соединениях, нс = 0,05 дБ; N нc - количество неразъемных соединений; рс - потери на разъемных соединениях, рс =0,25 дБ; N рс количество разъемных соединений. Количество неразъемных соединений зависит от строительной длины оптического кабеля и от общей протяженности линии: L Nрс = 1, Li где N нс - количество неразъемных соединений; L - общая протяженность линии. Рассчитаем коэффициент усиления ОУ, считая заданными следующие параметры: длина усилительного участка Lу = 100 км; волокно G.655 = 0,21 дБ; средняя строительная длина ОК Li =5 км; количество разъемных соединений Nрс=2 (на входе и выходе участка усиления). Потери в кабеле: * L у = 0,21*100=21 дБ. ов = Количество неразъемных соединений: Ly 100 N нс 1 1 19. Li 5 0,05 *19 0,25 * 2 1,45 дБ. В итоге Тогда по формуле (5) ос нс * Nнс рс * Nрс коэффициент усиления ОУ в рассматриваемой ВОЛС = 22,45 дБ. Рассчитаем отношения сигнал-шум на выходе РУ. Шумовые свойства оптического усилителя оцениваются с помощью коэффициента шума показывающего, насколько ухудшилось отношение сигнал/шум на выходе усилителя по сравнению с величиной отношения сигнал/шум на входе. Коэффициент шума (или шум-фактор) одиночного оптического усилителя NF равен: NF = (Рс.вх /Рш.вх )/(Рс.вых /Рш.вых ) = (Рс.вх *Рш.вых)/(Рш.вх *Рс.вых ), (6) где Рс.вх - мощность сигнала на входе ОУ; Р ш.вх - мощность шума на входе ОУ; Р с.вых мощность сигнала на выходе ОУ; Р ш.вых - мощность шума на выходе ОУ. 183 Так как = Рс.вх /Рс.вых =1/G, где G - коэффициент усиления ОУ, то выражение (6) можно представить в виде: NF = Рш.вых / G*Рш.вх . (7) Рассмотрим, как изменяется коэффициент шума для многопролетной линии связи, содержащей ОУ. Примем для упрощения, что: - все пролеты (усилительные участки) ВОЛС имеют одинаковые потери оптического 10lg А ); сигнала А ( - каждый ОУ имеет коэффициент усиления G, причем G = А, т.е. усиление ОУ полностью компенсирует потери передаваемого сигнала в каждом пролете; - система регулирования оптических усилителей обеспечивает режим стабилизации выходной мощности в каждом спектральном канале, величина которой одинакова для всех ОУ. На рис. 33.1 показан фрагмент многопролетной ВОЛС с оптическими усилителями и диаграммы уровней для сигнала и шума. а – фрагмент линии с оптическими усилителями; б – диаграмма уровней сигнала и шумов для фрагмента ВОЛС Рис. 33.1. Накопление шумов в многопролетной ВОЛС с оптическими усилителями Минимальная мощность шума, действующего на входе оптического усилителя в полосе передаваемого оптического сигнала, определяется квантовым шумом: Рш.вх =hv v0 =N 0 , (8) где h = 6,6252*10-34 Дж*с — постоянная Планка; v - оптическая частота; v0 — спектральная полоса канала. Шумы на выходе оптического усилителя складываются из усиленных квантовых шумов и шумов усиленного спонтанного усиления АSЕ (Аmр1ifie ITU d Sроntаnео us Еmission). 184 Мощность шумов усиленного спонтанного излучения АSЕ, действующих на выходе ОУ в полосе передаваемого информационного сигнала, обозначим АSЕ F . Тогда полная мощность шумов на выходе первого оптического усилителя ОУ-1 равна: Рш.вых = АSЕ 1 F +G*N0 . Коэффициент шума усилителя ОУ-1 определяется как: NF1 =Рш.вых /G*Р ITU ш. ITU вх =(АSЕ 1 F + G*N0 )/ G*N0 =1+ АSЕ1 F / G*N0 . (9) Мощность шумов, действующих на входе следующего оптического усилителя (ОУ-2), равна: Рш.вх2 = АSЕ 1 F /А+ G*N 0 /А= АSЕ 1 F /А+N0 . На выходе ОУ-2 мощность шумов составит: Рш.вх2 = АSЕ 1 F * G/А+ G*N0 + АSЕ 2 F . Так как уровень передачи одинаков для всех оптических усилителей в ВОЛС, то принимаем, что мощность шумов АSЕ, вносимых каждым ОУ, также одинакова, т.е. АSЕ1 F = АSЕ 2 F = АSЕ F , тогда: Рш.вsх2 =2* АSЕ F + G*N0 . На выходе линии, содержащей k последовательно включенных оптических усилителей, мощность шума будет равна: Рш.вых.k =k* АSЕ F + G*N0 . Тогда коэффициент шума для такой ВОЛС NFволс определятся как: NFволс= Рш.вых.k / G*N0 =1+ k* АSЕ F / G*N0 . Учитывая соотношение (9), можно выразить величину коэффициента шума для ВОЛС через коэффициент шума одного оптического усилителя NF1 . NFволс =(1+ k* АSЕ F / G*N 0 )+(k-1)* АSЕ F / G*N0 =NF1 +(k-1)* (NF1 -1)= = NF1 + k* NF1 + NF1 - k+1= k* NF1 -( k-1). Ухудшение отношения сигнал/шум на выходе ВОЛС (в децибелах) по отношению ко входному OSNR составит: OSNRдБ =10lg(k* NF1 - k+1). (10) Мощность шумов ASE практически не зависит от мощности шумов, действующих на входе оптического усилителя, и каждый ОУ просто добавляет «квант» шумов ASE, который проходит на выход ВОЛС практически без изменений (усиление этих шумов в каждом ОУ только компенсирует затухание предшествующего участка линии). В итоге на выходе ВОЛС отношение сигнал/шум будет равно: OSNR вых дБ = рпер - -N 0 -10lg(k* NF1 - k+1). (11) Произведем расчет участка ВОЛС протяженностью L = 1000 км, содержащего 9 последовательно включенных ОУ через каждые Lу =100 км, для одного оптического канала 185 со скоростью передачи В=2,5 Гбит/с (STM-16). При этом OSNR в конце линии уменьшится на: OSNR=10lg(k* NF1 - k+1)= 10lg(9*3,16-9+1)=13,12 дБ, где k=9 – число усилителей; NF1 =3,16 раза (5 дБ) – типичное значение коэффициента шума одного ОУ типа EDFA. При этом входное О1Ж должно быть не менее, чем: OSNRвх = OSNR+ OSNR=22,09+13,12=35,21 дБ. Мощность шума, действующего на входе первого оптического усилителя в полосе передаваемого оптического сигнала, определяется квантовым шумом N0 . Тогда для обеспечения полученной помехозащищенности уровень принимаемой оптической мощности определяется: Рпр = OSNRвх - N0 = OSNRвх -10lg(hv v0 *103 )= -29,74 дБм, где v=1,934*1014 Гц оптическая частота несущей канала ( =1550 нм); v0 =2,5*109 Гц – спектральная полоса канала. Таким образом, для одного канала Рпр =-29,74 дБм Уровень передачи будет равен р пер = рпр +g = -29,74+22,45 = -7,29 дБм. На основании полученных результатов, построим диаграмму уровней участка ВОЛС протяженностью 1000 км, содержащего 9 оптических усилителей для одного оптического канала (рис. 33.2.). Число усилительных участков — уровень шума; ------ уровень сигнала; OSNR Рис. 33.2. Диаграмма уровней участка ВОЛС протяженностью 1000 км содержащего 9 ОУ Также на основании вышеизложенных расчетов при такой же мощности передачи оптических сигналов (рпер = - 7.29 дБм) определены предельные длины усилительных участков рассматриваемой ВОЛС, при различных значениях скоростей передачи синхронной цифровой иерархии и коэффициентов ошибок. Результаты представлены в табл. 33.2. 186 Таблица 33.2. Предельные длины усилительных участков ВОЛС, содержащей 9 ОУ, при различных скоростях передачи, В и коэффициентах ошибок, ВЕR. Стоит отметить, что в современных ОУ уровень выходной оптической мощности может достигать до плюс (20 - 27) дБ; это позволяет повысить оптическую мощность на входе усилителя, чтобы устранить воздействие других источников шумов и помех в ОУ, в оптическом кабеле и фотоприемном устройстве. Результаты расчета показывают, что использование оптических усилителей в ВОЛС ведет к снижению отношения сигнал-шум передаваемых информационных сигналов. Основным источником шумов ОУ является усиленное спонтанное излучение (АSЕ), которое влияет на ограничение минимальной мощности в канале. Проведенные оценки снижения помехоустойчивости системы связи при различных параметрах позволяют выбрать соответствующее приемное и передающее оборудование, обеспечивающее требуемую помехозащищенность передаваемых сигналов. Выводы. 1. При использовании технологии DWDM для увеличения дальности связи используют оптические усилители. 2. Применение оптических усилителей приводит к снижению помехозащищенности сигнала, поэтому необходимо определить максимальное число оптических усилителей на участке регенерации. Вопросы для самоконтроля. 1. Что такое технология DWDM? 2. Какие требования предъявляются к источника оптического излучения? 3. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 4. Какие окна прозрачности предназначены для технологии DWDM? 5. Сколько спектральных каналов можно организовать в диапазонах C и L? 6. В чем смысл эталонных цепей для технологии DWDM? 7. Какие факторы ограничивают длину участка ретрансляции? 8. Какое излучение является источником шумов в оптических усилителях? 187 Лекция 34 Тема 14. Спектральное уплотнение (8 часов) Введение. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. Раздел 14.1. Спектральное уплотнение (продолжение) Технология CWDM. Развитие систем WDM (Wavelength Division Multiplexing), цель которых - увеличение ширины полосы канала связи для пользователя, шло сначала по интенсивному пути за счет сокращения шага оптических несущих. Причина была в том, что рабочая полоса систем WDM ограничивалась полосой активного усиления оптических усилителей (ОУ) EDFA, составляющей 30 нм (1530-1560 нм). Системы развивались в направлении WDM - DWDM (Dense WDM) - HDWDM (High-Dense WDM), что вело не только к увеличению числа несущих (то есть к уменьшению их шага), но и к существенному удорожанию плотных (шаг 0,8-0,4 нм) и сверхплотных (шаг 0,2-0,1 нм) систем WDM. Последний фактор стал тормозить процесс их внедрения. Экстенсивный путь развития систем WDM стал возможен только в последние несколько лет благодаря улучшению технологии оптического волокна (OВ), позволившей на порядок расширить рабочую полосу пропускания OВ: с 30 до 340 нм. Затухание в полосе пропускания плавно менялось в относительно небольших пределах: ±3 дБ, что в свою очередь позволило значительно (в 10-50 раз) увеличить шаг несущих и тем самым существенно упростить фильтрацию несущих на приемной стороне, исключив дорогостоящие элементы систем WDM. В результате появился новый класс решений WDM - разреженные системы WDM, или CWDM (Coarse WDM), в которых используется очень большой стандартный шаг между несущими (20 нм) и дешевые средства их выделения - многослойные тонкопленочные оптические фильтры. Системы CWDM быстро завоевали признание специалистов и стали широко применяться в городских сетях (MAN), получив название систем WDM класса Metro. Решения CWDM рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях, когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM. Применение систем WDM такого класса стало возможным после того, как удалось ликвидировать "водяной" пик поглощения на кривой затухания ОВ в районе длины волны 1383 нм. В соответствии с рекомендацией МСЭ G.694.2 следует использовать не более 18 несущих с фиксированным шагом 20 нм: 1270, 1290, 1310 ... 1570, 1590, 1610, если требуемый диапазон длин волн не превышает 340 нм. Естественно, что затухание на краях такого диапазона достаточно велико, особенно на его левом крае в области коротких волн. Поэтому при передаче сигнала по стандартному одномодовому волокну (SSF) число несущих следует ограничить 8 длинами волн, лежащими в диапазоне 1470-1610 нм шириной в 140 нм. Если требуется использовать больше несущих, то, оставаясь в рамках стандарта CWDM, мы имеем, еще 200 нм полосы, или 10 дополнительных каналов с шагом 20 нм. 188 В 2002 г. МСЭ принял стандарт, определяющий несущие частоты для систем CWDM – рекомендация ITU-T G.694.2. Кроме известных диапазонов C, S и L, в системах CWDM появляются два новых диапазона длин волн – диапазон O (1260-1360нм) и диапазон E (13601460 нм). На рис. 34.1 приведено распределение длин волн по диапазонам: В 2003 г. МСЭ утвердил рекомендацию ITU-T G.695, определяющую допустимые значения затухания сигнала, уровня мощности и перекрываемого расстояния. Рис.34.1. Распределение длин волн по диапазонам Наряду с ранее выбранной скорость 2.5 Гбит/с была регламентирована новая скорость передачи – 1.25 Гбит/с, что позволило упростить и унифицировать применение преобразователей Gigabit Ethernet в мультиплексорах CWDM. Технология CWDM применяется для волнового (спектрального) уплотнения нескольких каналов Gigabit Ethernet в одну пару физического оптоволокна, что экономит ресурс волокна и дает возможность получить новые топологические решения с использованием оптических мультиплексоров. Технология CWDM может применяться везде, где используется передача Ethernet-трафика по оптической линии, и при этом она не предъявляет новых требований к оптоволокну. Таким образом, один и тот же ресурс используется для нескольких Gigabit потоков (на одно волокно – до 9 потоков). CWDM системы используют лазеры, которые не нуждаются в охлаждении. Эти системы обычно используются при температуре от 0 0 до 700 С с отклонением длины волны лазера от этого диапазона примерно на 6 нм. Это смещение длины волны складывается со смещением, вносимым самим лазером (±3 нм), в результате суммарное отклонение длин волн составляет ±12 нм. Полоса пропускания оптических фильтров и разделение каналов лазера должны быть достаточны широкими, чтобы обеспечить (поддержать) колебание длин волн неохлажденного лазера в системах CWDM (рис.34.2). Разделение каналов в таких системах обычно составляет 20 нм с полосой пропускания канала 13 нм. 189 Рису. 34.2. Колебания длин волн неохлаждаемого лазера с распределенной обратной связью (длина волны – 1.55 нм) Проблемы реализации систем WDM связаны, главным образом, с преодолением воздействия трех факторов: влияния эффекта ЧВС (четырехволнового смешения); воздействия помех от соседних каналов; ограничения суммарной мощности светового сигнала, вводимого в волокно. Влияние первого фактора достаточно успешно снижается за счет использования волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), неравномерного распределения частот несущих, а также за счет использования схем интерливинга. Волокно G.653 оказалось непригодным для новой стремительно развивающейся технологии спектрального мультиплексирования WDM из-за нулевой дисперсии на 1550 нм, приводившей к резкому возрастанию искажений сигнала от четырехволнов ого смешения в этих системах. Наиболее приспособленным для плотного и высокоплотного WDM (DWDM и HDWDM) оказалось оптическое волокно G.655, а для разреженного WDM (CWDM) – недавно стандартизованное оптическое волокно G.656 (табл. 34.1). Таблица 34.1. Применение различных типов волокон Тип волокна G.652.C/D Системы SDH/CWDM/DWDM Основн Магистральная, зоновая, ое городская сеть, кабельное применение телевидение, PON, сети FTTH Замена волокна G.652.A/B с окном прозрачности на 1400 нм G.655 Системы SDH/DWDM От 2.5 до 10 Gbit/s на один оптический канал Магистральная, зоновая, городская сеть G.655, G.656 Системы SDH/CWDM/DWDM От 10 до 100 Gbit/s на один оптический канал Магистральная, зоновая, городская сеть 190 Создание волокон без «водяного пика», позволило использовать в системах связи все волны в диапазоне от 1260 до 1625 нм, – т.е. там, где кварцевое оптическое волокно обладает наибольшей прозрачностью. Влияние второго фактора (который имеет разную природу на передающем и приемном концах) может быть снижено разными способами: увеличением шага несущих (действует на обоих концах), использованием внешнего модулятора (уменьшающего уширение несущей), применением солитонной технологии или техники модуляции с подавлением одной боковой полосы (ОБП). Все три метода действуют на передающем конце. Кроме того, можно применить процедуру интерливинга, при которой плотный набор из n несущих длин волн (с шагом s) разделяется на приемном конце на два или четыре (каскадно 2x2) набора по n/2 (с шагом 2s) или n/4 (с шагом 4s) несущих. Влияние третьего фактора обусловлено тем, что максимальная мощность каждой оптической несущей P C max (в дБм) зависит от полной оптической мощности, подаваемой с выхода транспондера на вход волокна Ptotal (оптическая мощность в дБм на выходе агрегатного канала WDM) и числа мультиплексированных длин волн п. Согласно стандарту, P c max = Pном - 10lgn. Мощность Pном ограничена безопасным уровнем излучения лазера (или допустимым уровнем суммарных нелинейных искажений в сердцевине волокна) и составляет для разных производителей оборудования WDM величину от 17 до 30 дБм. По табл. 4.2 можно оценить, как меняется эта мощность в расчете на 1 несущую для разного числа несущих в системе WDM при равномерном распределении. Таблица 34.2. Максимальная мощность на одну несущую WDM, дБм Число несущих, n 2 4 8 16 32 64 128 256 Pном=17 дБм 14 11 8 5 2 -1 -4 -7 Pном=30 дБм 27 24 21 18 15 12 9 6 Из табл.34.2 видно, что при большом числе несущих падение мощности может составить (против исходного уровня для двух несущих) 21 дБ. В результате не использования WDM исключается возникновение проблемы обеспечения нужного уровня BER в оптическом канале. Единственный способ борьбы с этим - увеличение эффективной площади сечения волокна, то есть использование специально разработанных волокон, например LEAF, Siecor, брэгговских волокон или волокон на основе фотонных кристаллов. Область применения CWDM. Многие сети крупных городов не модернизировались уже десять лет. Постоянное увеличение трафика привело некоторые зоны к тому, что у них уже почти не осталось ресурсов для роста. Недостаточная пропускная способность сети, известная также под названием «истощение волокон», является той проблемой, которую операторы связи хотели бы разрешить незамедлительно. Добавление CWDM в оптическую транспортную систему является простым и экономически выгодным решением проблемы истощения (нехватки) волокон. По уже существующему оптическому волокну может производиться дополнительное обслуживание без прерывания обслуживания уже имеющихся абонентов. Условия, в которых целесообразно применение CWDM систем: - городские и региональные оптические сети; 191 - строительство сети в условиях дефицита ОВ (или высокой стоимости аренды ОВ); - необходимость увеличения пропускной способности существующих сетей на базе ВОЛС; - предоставление множества услуг по оптоволоконной паре; - построение оптических сетей для предоставления в аренду «виртуального» волокна - CWDM решения независимы к различным протоколам передачи информации. Это позволяет создавать различные телекоммуникационные услуги в одной транспортной среде. Выводы. 1. Технология CWDM является пассивной, то есть не содержит в линейном тракте активных узлов. 2. Максимальная дальность связи не превышает 80 – 100 км. 3. Максимальное число спектральных каналов не превышает 18 (9 дупл.) Контрольные вопросы 1. В чем состоит сущность технологии CWDM? 2. В чем состоят принципиальные отличия технологий CWDM и DWDM? 3. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 4. Какие окна прозрачности предназначены для технологии СWDM? 192 Лекция 35 Тема 14. Спектральное уплотнение (8 часов) Введение. В настоящее время на сетях связи активно внедряются системы передачи со спектральным уплотнением, которые позволяют значительно увеличить коэффициент использования пропускной способности оптических волокон. Раздел 14.1. Спектральное уплотнение (продолжение) Оборудование CWDM. CWDM системы являются частью сети оператора связи и устанавливаются между двумя или более узлами связи. Для того, что бы обеспечить работу CWDM системы на узле связи необходимо наличие активных сетевых устройств с достаточным суммарным количеством портов для установки CWDM SFP трансиверов. Такими сетевыми устройствами обычно являются коммутаторы и маршрутизаторы. В случае недостаточного количества активных сетевых устройств с необходимым суммарным количеством SFP портов возможно использование медиаконверторов со слотами под CWDM SFP трансиверы. Такое решение в ряде случаев так же является экономически выгодным. Например, основными элементами CWDM систем, предлагаемых "Контур-М" являются: - CWDM мультиплексоры/демультиплексоры (MUX/DEMUX); позволяют суммировать и разделять оптические сигналы. - OADM модули - CWDM мультиплексоры ввода/вывода; позволяют выделить и добавить в волокно сигнал по определенным несущим. - SFP CWDM модули (SFP трансиверы), формируют и принимают оптические сигналы (длины волн) в CWDM системе; переводят сигнал из электрического (активное оборудование) в оптический и обратно. На рис. 35.1 показан пример системы передачи с использованием комплекса оборудования CWDM. Стоит обратить внимание на то, что мультиплексоры/демультиплексоры и CWDM SFP трансиверы работают в парах. Соответственно это оборудование Type I и Type II. Такая необходимость обусловлена тем, что каждый канал на разных концах имеет зеркальные значения по приему (RX) и передаче (Tx) т.к. сформирован из двух несущих (длин волн). CWDM SFP трансиверы SFP - Small Form Factor Pluggable является общепризнанным индустриальным форматом производства сменных трансиверов. Трансиверы SFP широко используются в активном сетевом оборудовании: маршрутизаторах, коммутаторах, медиаконверторах. Лазеры с распределенной обратной связью (DFB, Distributed Feedback), в случае использования в CWDM-системах, не требуют термической стабилизации, громоздких и сложных схем управления, являются малогабаритными, экономичными и имеют малую стоимость. Типичный DFB-лазер имеет температурную стабильность, что дает изменение генерируемой длины волны в пределах 6–8 нм в диапазоне температур 0–70°С CWDM SFP трансиверы предназначены для формирования оптических CWDM сигналов «основной несущей» с 1270 по 1610нм (шаг 20нм). Каждый SFP CWDM трансивер работает по двум волокнам и, в отличие от стандартных двухволоконных трансиверов 1000Base LX на двух разных длинах волн – приемник по одной длине волны и передатчик по другой. Для 193 образования канала данных в системе CWDM SFP трансиверы комплектуются «попарно» Type I и Type II (табл. 35.1). В силу того, что CWDM системы являются пассивными, осуществление мониторинга состояния CWDM оборудования и всей трассы в целом в режиме реального времени представляется затруднительным. Для мониторинга в режиме реального времени (on-line мониторинга) используются CWDM SFP трансиверы с функцией DDM (Digital Diagnostic Monitoring). Функция DDM позволяет в режиме реального времени контролировать параметры, которые имеет SFP трансивер: мощность входящего сигнала (RX), мощность исходящего сигнала (TX), температурные параметры работы трансивера. Изменения данных параметров позволяют судить об износе CWDM системы и состоянии трассы в целом. Функция DDM также используется при оценке оптического бюджета CWDM решения. Сравнение данных SFP трансиверов позволяет определить реальные потери по несущим в волокне. SFP трансивер так же отличается по дальности своей работы (мощности сигнала). CWDM SFP трансивер имеет стандартный километраж 10 км, 20 км, 40 км или 80 км. Стандартный тип разъема для коннектора на SFP трансивере – LC. Таблица 35.1. Комплектация трансиверов 194 Рис. 35.1. Система передачи с использованием комплекса оборудования CWDM. Оптические мультиплексоры. Оптический мультиплексор/демультиплексор (рис. 35.2) предназначен для суммирования и разделения оптических сигналов, передаваемых на CWDM длинах волн по одномодовому (Single Mode) оптическому кабелю. Прибор предназначен для совместной работы с трансиверами SFP CWDM сигналов, образуя 4 или 8 каналов на 8-и или 16-ти длинах волн в одном волокне или до 32 каналов на двух волокнах. 195 Рис. 35.2. Оптический мультиплексор/демультиплексор Устройства отличаются низким отражением сигнала, высокой изоляцией каналов и малыми потерями. WDM мультиплексоры являются устройствами двунаправленного действия, т.е. могут, как разделять, так и смешивать оптические сигналы. Устройства доступны в различных исполнениях, что позволяет использовать их в различных системах передачи. В зависимости от поставленной задачи конфигурация CWDM мультиплексора/демультиплексора (Mux/Demux) определяется по следующим характеристикам: - двухволоконный мультиплексор (2 fiber); - одноволоконный мультиплексор (1 fiber (single fiber) или bidirectional) ;. - 4-х или 8-ми канальный мультиплексор (8 или16 длин волн), работающий на одном волокне; - 8-ми или 16-ти канальный, работающий на двух волокнах; - мультиплексор с двумя «общими» (COMMON) выводами для реализации «кольцевой» топологии; - для топологий «Точка-Точка» или «Кольцо» необходима «попарная» (порты Tx–Rx) комплектация мультиплексоров – Mux/Demux Type I , Mux/Demux Type II; - коннекторы – FC,SC,LC,ST,FA,SA. OADM модули. Модули Ввода/Вывода (Add/Drop (OADM) CWDM выделяют определенные длинны волн из CWDM потока (оптической линии). Основные свойства: - ввод/вывод одного CWDM канала (две несущие, частотная сетка совпадает с частотной сеткой SFP CWDM модулей); - пассивная оптика; - низкие вносимые потери для транзитных CWDM каналов; - выделенная длина волны конечному пользователю. Принципиально выделяются OADM модули одноканальные и двухканальные. Их отличие заключается в способности принимать и получать оптический сигнал от одного или двух мультиплексоров и физически обусловлено наличием одного или двух приемопередающих блоков. Соответственно одноканальный OADM модуль имеет один приемопередающий блок и способен работать только с одним мультиплексором (см. далее топология «Точка с ответвлениями») в «одну сторону». Двухканальный OADM модуль имеет два приемо-передающих блока и способен работать «в две стороны» с двумя мультиплексорами / демультиплесорами. Варианты топологии показаны на рис. 35.3. 196 Рис. 35.3. Топология модулей ввода/вывода (Add/Drop (OADM) CWDM) Приемо-передающий блок одноканального OADM модуля имеет четыре интерфейса: Com порт – получает сигнал со стороны мультиплексора Express порт – пропускает сигнал на другие элементы CWDM системы Add порт – добавляет в линию канал на определенной длине волны CWDM, Drop порт – извлекает из линии канал на определенной длине волны CWDM. Ограничений по протоколам или ширине полосы такие устройства не имеют. Соответственно двухканальный OADM модуль обладает двумя дополнительными портами Add и Drop. В случае использования двухволоконной системы так же добавляются порты Com2 и Express2. Одноканальный OADM модуль работает в паре с 1 CWDM SFP трансивером, двухканальный OADM – с двумя (Type I и Type II). Выводы. 1. Основным оборудованием технологии CWDM являются трансиверы, мультиплексоры, демультиплексоры, модули ввода/вывода (Add/Drop (OADM) CWDM). Вопросы для самоконтроля. 1. В чем состоит сущность технологии CWDM? 2. В чем состоят принципиальные отличия технологий CWDM и DWDM? 3. Какие требования предъявляются к оптическим мультиплексорам (демультиплексорам)? 4. Какие окна прозрачности предназначены для технологии СWDM? 5. Сколько спектральных каналов можно организовать при использовании технологии CWDM? 6.Какие диапазоны длин волн используются при использовании технологии СWDM? 7. Какие факторы ограничивают длину участка ретрансляции? 8. Что входит в состав оборудования СWDM? 197 Лекция 36 Тема 14. Перспективные оптические телекоммуникационные системы (2 часов) Введение. Перспективными МТС являются системы с использованием солитонов. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения своей формы и сохраняется при столкновении друг с другом, восстанавливая направление движения, скорость и амплитуду, т.е. демонстрируя свойства, характерные для частиц. Раздел 14.1. системы Перспективные оптические телекоммуникационные Оптические солитоны. Термин «солитон» появился в 1964 году при исследовании учеными Принстонского университета движения волны, возникающей при нелинейном колебании одномерной решетки (описываемой так называемым уравнением KdV) и не разрушающейся при столкновениями с другими волнами. Исторически открытие солитона как физического явления относится к 1834 году, когда случайно инженер-судостроитель наблюдал в Шотландии одиночную носовую волну, возникшую в канале от внезапно остановившейся баржи. Эта волна оторвавшись от носа баржи продолжала распространяться, не меняя скорости, высоты и формы на протяжении нескольких километров. Она была названа волной переноса/трансляции. В 1895 году датские ученые объяснили этот феномен, получив решение нелинейного уравнения, названн ого их именем (D. Korteweg и H.de Vries). Прошло еще несколько десятилетий, прежде чем волновое решение этого уравнения было названо солитонной (одиночной) волной. Однако, эти исследования не были связаны с оптическими волнами в дисперсных средах, т.е. в средах, где фазовая скорость волны зависит от ее частоты. В 1971 году существование солитонов в нелинейных дисперсных средах было доказано теоретически В.Захаровым и А. Шабатом, в результате решения нелинейного уравнения Шредингера (НУШ), описывающего распространения электромагнитной волны в такой среде. В 1973 году А.Насегава и Ф.Тапперт заявили о возможности использования солитонов в оптоволокне, а в 1980 году коллективом исследователей Bell Laboratories было экспериментально доказано, что решение НУШ физически осуществимо в одномодовом волокне, что дало возможность сформировать оптические солитоны и продемонстрировать их уникальные для систем передачи свойства. Оптические солитоны – это волны (или волновые пакеты) специальной формы, возбуждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и нелинейных эффектов в области аномальной (отрицательной)дисперсии. Солитоны могут распространяться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически без искажения своей формы и сохраняется при столкновении друг с другом, восстанавливая направление движения, скорость и амплитуду, т.е. демонстрируя свойства, характерные для частиц. Физика солитонов. В обычных ВОЛС основным фактором, ограничивающим скорость передачи, является уширение импульса благодаря дисперсии групповых скоростей ДГС и рассмотренных выше нелинейных эффектов. Их влияние снижают выбором значения несущей частоты вблизи точки нулевой дисперсии. Однако желание увеличить длину участка регенерации против 198 обычной – 120 км приводит к необходимости использовать более мощные лазерные источники или же использовать оптические усилители с более мощными источниками накачки, что позволяет достигать длин участка регенерации до 250 км. В обоих случаях ограничением является остаточная дисперсия и резкое увеличение нелинейных искажений, вызванное возрастанием интенсивности светового потока через малую и ограниченную площадь поперечного сечения ОМ волокна. Частично эта проблема снимается разработкой специальных волокон, например, типа LEAF, однако это не может кардинально решить проблему. Увеличения дальности неискаженного распространения светового импульса можно также достичь, если использовать длину волны в области отрицательной дисперсии, например 1550 нм, и сбалансировать для нее влияние ДГС и нелинейных эффектов, например, ФСМ, как было указано выше. Однако, чтобы понятие «сбалансировать» из качественного перешло в количественное необходимо иметь аналитическое или численное решение волнового уравнения (НУШ), которое отражало бы при определенных начальных условиях это состояние баланса. Речь идет о получении общего решения НУШ, определяющего условия возникновения и распространения солитонов. Такое общее решение, полученное Захаровым и Шабатом, показало, что при всем возможном многообразии комбинаций существует фундаментальный солитон (солитон первого порядка) и солитоны N-го порядка. Решение для фундаментального солитона дает начальную форму импульса солитона в виде гиперболического секанса. Итак, солитон может быть сформирован в среде с отрицательной дисперсией и только в том случае, если пиковая мощность начального импульса будет больше некоторого порогового значения. Причем мощности, необходимые для генерации солитонов N-порядка растут в квадратической последовательности. Основные эффекты и ограничения, связанные с солитонами: - потери мощности солитона в световоде; - наличие частотной модуляции в начальном импульсе; - взаимодействие соседних солитонных импульсов. Возможности применения солитонов: - в области создания солитонных лазеров; - в области сжатия оптических импульсов; - в области создания солитонных линий связи. Рассмотрим различные структурные схемы построения ВОСП с использованием солитонов. В качестве передающей среды используются волокна с низкими потерями инфракрасного диапазона. Благодаря очень малым потерям солитоны могут передаваться на большие расстояния без применения специальных способов, компенсирующие эти потери. На выходе солитонного лазера (СЛ) генерируется непрерывная последовательность солитонов с заданной скважностью. Последовательность солитонов проходит через оптический изолятор И и модулятор М, в котором импульсная последовательность модулируется. На выходе ООВ эти сигналы регистрируются фотоприемным устройством ФП. На рис.10.1б представленная схема ВОСП с периодической компенсацией потерь путем рамановского усиления в ООВ по всему участку передачи на длине волны накачки н, отличающейся от длины волны информационного сигнала на стоксовую компоненту. Как следует из схемы, накачка осуществляется на каждом участке с обеих сторон в противоположных направлениях с помощью лазеров накачки ЛН через оптический ответвитель. В схеме используется оптический фильтр Ф, не пропускающий излучение в фотоприемное устройство. Возможен и другой вариант построения ВОСП с компенсацией потерь в ООВ (рис. 10.1в) и использованием фоновых оптических усилителей. Усиление осуществляется не по всей длине линейного тракта, а на некоторых локальных участках (порядка 100 м). 199 Существенные преимущества такого принципа – возможность применить один источник накачки для каждого из ОУ, а также относительно малые величины мощности накачки (5,2 мВт). Структурная схема рис. 36.1г, соответствует случаю построения ВОСП без устройства компенсации потерь. Солитонный режим достигается благодаря использованию в линейном тракте некоторой последовательности ООВ с постоянной дисперсией Di в пределах каждого i-го участка, но убывающей по линейному закону от участка к участку. Возможно схемное решение построения ВОСП на основе солитонов с компенсацией потерь в ООВ при совместном использовании волоконных усилителей на основе Er3+ и рамановского усиления. Один из функциональных узлов – солитонный лазер. К нему предъявляются высокие требования в отношении формы огибающей генерируемых импульсов. Их малой длительности, отсутствия «чирпинг-эффекта» (паразитной фазовой модуляции) и соответствующих пиковых значений мощностей. Этот узел может быть оптимально построен на основе лазеров с относительно узким спектром излучения, оптическими усилителями с высоким порогом насыщения и устройствами оптический компрессии. Использование компрессора, осуществляющего сжатие оптического импульса, обусловлено следующими соображениями. Для исключения взаимного влияния соседних солитонов в кодовой комбинации надо, чтобы соотношение между периодом повторения Т и длительностью солитона 2 0 было: Т/(2 0 )>10 При скорости передачи порядка нескольких гегабит в секунду скважность импульсов на выходе лазера, как правило, небольшая. Это обусловлено ограничениями его амплитудн очастотной характеристики. Известны два основных способа компрессии (сжатия) оптических сигналов с целью реализации солитоновой передачи. Первый способ основан на использовании фазовой модуляции передаваемого оптического сигнала. 200 СЛ И М ФП а) СЛ И М Ф ФП н ЛН ЛН ЛН ЛН б) СЛ И М ОУ Ф Ф ОУ н н ЛН ЛН ЛН ФП Ф н ОУ Ф Ф в) ОВ2 ОВ1 СЛ И ОВN М ФП D1 D2 DN г) Рис.36.1 Структурные схемы построения ВОСП с использованием солитонов. ЛГ И ФМ М ОУ z Uсм Г+S Свип ГСС Рис. 36.2 Структурная схема устройства СЛ на основе линейной компрессии 201 На рис. 36.2 представлена структурная схема устройства СЛ на основе линейной компрессии. На вход ЛГ подается напряжение от генератора синусоидальных сигналов ГСС с частотой, соответствующей скорости информационных сигналов, а также напряжение смещения Uсм для выбора рабочей точки на ваат-амперной характеристике лазера. Рабочая точка выбирается таким образом, чтобы на выходе ЛГ была последовательность длительностью 2 лг . Для исключения обратной связи в схеме используется оптический изолятор И. Фазовая модуляция осуществляется с помощью модулятора ФМ, на вход которого подается напряжение от свип генератора через интегрирующую цепочку. В основу другого способа компрессии положено свойство N солитонного решения НУШ. Такое решение соответствует связанному состоянию N солитонов и представляет собой на входе ООВ обычный солитон с амплитудой поля, увеличенной в N раз по сравнению с критическим занчением. Важная особенность такого импульса - то что на начальном этапе его распространения происходит самосжатие. Это обстоятельство указывает на возможность его эффективной компрессии. Выводы. 1. Использование солитонов для передачи цифровой информации позволит создать очень скоростные, экономичные, надежные МТС. Контрольные вопросы. 1. История солитонов. 2. Перечислите основные свойства солитонов. 3. Нарисуете структурную схему МТС с использованием солитонов и поясните принцип работы. 202 Список использованных источников 1. Оптические системы передачи: Учебник для ВУЗов / Б.В.Скворцов, В.И.Иванов, В.В.Крухмалев и др.; Под ред. В.И.Иванова. – М.: Радио и связь, 1994. - 224 с. 2. Гауэр Дж. Оптические системы связи. - М: Радио и связь, 1989. - 502 с. 3. Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи РФ.-М.: ЦНИИС, 1994. - 50 с. 4. Проектирование волоконно – оптических линий связи: Уч. пособие по дипломному и курсовому проектированию для специальностей 2305 и 2306 / В.А. Бурдин и др.Самара: ПИИРС, 1992. - 148 с. 5. Волоконно-оптические системы передачи. Учебное пособие для вузов /В.И. Иванов, Л.В. Адамович/- Самара: ИУНЛ, ПГУТИ.- 2010.- 119 с.: ил. 6. Спектральное уплотнение ВОЛС. Учебное пособие для вузов /В.И. Иванов/- Самара: ИУНЛ, ПГУТИ.- 2010.- 228 с.: ил. 1. Спектральное уплотнение ВОЛС. Учебное пособие для вузов /В.И. Иванов/- Самара: ИУНЛ, ПГУТИ.- 2010.- 228 с.: ил. 7. Цифровые и аналоговые всистемы передачи: Учебник для вузов /Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н., и др. Под редакцией В.И. Иванова.- М.: Горячая линия – Телеком, 2003, - 232 с.: ил. 8. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учеб. пособие для вузов / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, В.И. Иванов и др.; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. - М.: Радио и связь. - 1996. - 344 с.: ил. 9. Корнилов И.И. Цифровая линия передачи: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию по курсу МСП.- Самара: ПГАТИ, 2000. - 125 с. 10. Волоконно – оптические системы передачи и кабели: Справочник / И.И.Гроднев, А.Г. Мурадян, Р.М. Шарафутдинов и др. – М.: Радио и связь, 1993.-265 с. 11. Оптические кабели связи российского производства. Справочник./ Воронцов А.С., Гурин О.И., Мифтяхетдинов С.Х., Никольский К.К., Питерских С.Э. -М.: Эко-Трендз, 2003. -228 с.: ил. 12. ITU-T G.694.2. Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid (6.02). 13. Hinderthur H., Friedric L. WDM hybrid transmission based on CWDM plus DWDM // Lightwave Europe. July 2003. P. 9-12. 14. ITU-T G.692. Optical interfaces for multi-channel systems with optical amplifiers (10.98, Corr. 1,2-6.02). 203 Глоссарий. Информация – совокупность сведений о состоянии какого-либо материального объекта. Сообщение – форма представления информации для ее передачи, хранения, обработки или непосредственного использования. Сигнал – электрическое колебание, отображающее сообщение. Каналом связи - совокупность средств, обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю. Электросвязь – передача сообщений посредством электрических сигналов. Система электросвязи - комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи. Система передачи – совокупность технических средств, обеспечивающих формирование каналов связи. Канал тональной частоты (ктч) – комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов в спектре 0.3 – 3.4 кГц. Волоконно-оптическая система передачи. ВОСП - система передачи, в которой все виды сигналов передают по оптическому кабелю. Волоконно-оптическая линия передачи. ВОЛП - с овокупность линейных трактов волоконно-оптических систем передачи, имеющих общий оптический кабель, линейные сооружения и устройства их обслуживания в пределах действия устройств обслуживания. Волоконно-оптическая система передачи со спектральным разделением. ВОСП со спектральным разделением - волоконно-оптическая система передачи, в которой при передаче в одном или двух противоположных направлениях нескольких сигналов по одному волокну оптического кабеля используются источники излучения с различными длинами волн для передачи каждого сигнала. Волоконно-оптическая система передачи с временным разделением. ВОСП с временным разделением - волоконно-оптическая система передачи, в которой для передачи в одном направлении нескольких сигналов по одному волокну оптического кабеля каждому сигналу отводят определенные интервалы времени. Линейный тракт волоконно-оптической системы передачи. Линейный тракт ВОСП - комплекс технических средств волоконно-оптической системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи. Многомодовая волоконно-оптическая система передачи. Многомодовая ВОСП волоконно-оптическая система передачи, в которой используется оптический кабель с многомодовым волокном. Одномодовая волоконно-оптическая система передачи. Одномодовая ВОСП волоконно-оптическая система передачи, в которой используется оптический кабель с одномодовым волокном. Компонент волоконно-оптической системы передачи. Компонент ВОСП - изделие оптики, оптоэлектроники или оптико-механическое изделие, являющееся частью волоконно-оптической системы передачи, которое может быть выделено как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации, и предназначенное для выполнения одной или нескольких функций по формированию, передаче, распределению, преобразованию и обработке оптического сигнала. Оптический волновод ВОСП - направляющая среда, структура которой обеспечивает распространение оптического излучения вдоль нее. Оптическая цепь ВОСП - совокупность компонентов ВОСП, соединенных таким образом, чтобы обеспечить передачу оптического сигнала между ними. 204 Оптическая коммутация ВОСП - замыкание или размыкание оптической цепи под влиянием внешнего управляющего воздействия. Оптический плюс. Полюс - место ввода или вывода оптического излучения в компонент ВОСП. Оптическое соединение - сочленение оптических полюсов компонентов ВОСП, обеспечивающее передачу оптического излучения между ними. Оптические вносимые потери. Вносимые потери - отношение суммарной мощности оптического излучения на входных оптических полюсах компонента ВОСП к суммарной мощности оптического излучения на выходных полюсах компонента ВОСП, выраженное в децибелах. Коэффициент передачи между оптическими полюсами. Коэффициент передачи между полюсами - отношение мощности оптического излучения на одном из оптических полюсов компонента ВОСП к мощности оптического излучения на другом из его оптических полюсов, выраженное в децибелах. Деградация компонента ВОСП. Деградация - ухудшение одного или нескольких параметров компонента ВОСП в период его эксплуатации. Нестабильность параметра компонента ВОСП. Нестабильность - относительное изменение значения какого-либо параметра компонента ВОСП в процессе воздействия неконтролируемых внешних факторов. Передатчик ВОСП - совокупность передающего оптоэлектронного модуля с дополнительными устройствами преобразования электрического сигнала. Приемник ВОСП - совокупность приемного оптоэлектронного модуля с дополнительными устройствами преобразования электрического сигнала. Аналоговый ретранслятор ВОСП - устройство волоконно-оптической системы передачи, предназначенное для преобразования аналогового оптического сигнала в электрический сигнал, его усиления и последующего преобразования в оптический сигнал. Регенерационный ретранслятор ВОСП - устройство волоконно-оптической системы передачи, предназначенное для преобразования цифрового оптического сигнала в электрический, его регенерации и последующего преобразования в оптический сигнал. Оптический усилитель ВОСП - устройство волоконно-оптической системы передачи, предназначенное для усиления оптического сигнала без преобразования его в электрический. Оптическое волокно. Волокно - оптический волновод ВОСП, выполненный в виде нити из диэлектрических материалов с покрытием. Оболочка оптического волокна. Оболочка - внешняя поверхность оптического волокна, имеющая постоянное значение показателя преломления по поперечному сечению и определяющая совместно с сердцевиной структуру поля распространяющегося оптического излучения. Сердцевина оптического волокна. Сердцевина - центральная поверхность оптического волокна, имеющая больший показатель преломления, чем окружающая оболочка оптического волокна, и определяющая совместно с нею структуру поля распространяющегося оптического излучения. Примечание. Область сердцевины определяется заданной частью разности между максимальным значением показателя преломления и значением показателя преломления оболочки оптического волокна. Защитное покрытие оптического волокна. Защитное покрытие - покрытие, наносимое на оболочку оптического волокна с целью его защиты от внешних воздействий. 205 Примечание. Защитное покрытие называется первичным, если оно наносится на оболочку оптического волокна, и вторичным, если оно наносится на первичное покрытие. Одномодовое оптическое волокно. Одномодовое волокно - оптическое волокно, по которому может распространяться только одна мода. Многомодовое оптическое волокно. Многомодовое волокно - оптическое волокно, по которому может распространяться более одной моды. Градиентное оптическое волокно. Градиентное волокно - оптическое волокно, профиль показателя преломления которого является монотонной убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины. Ступенчатое оптическое волокно. Ступенчатое волокно - оптическое волокно, значение показателя преломления которого постоянно в пределах сердцевины . Дисперсия оптического волокна. Дисперсия - различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения. Межмодовая дисперсия оптического волокна. Межмодовая дисперсия - дисперсия оптического волокна, обусловленная различием групповых скоростей его мод. Внутримодовая дисперсия оптического волокна. Внутримодовая дисперсия составляющая дисперсии, обусловленная нелинейной зависимостью постоянной распространения данной моды оптического волокна от длины волны оптического излучения. Дисперсия материала оптического волокна. Дисперсия материала - дисперсия оптического волокна, обусловленная зависимостью показателя преломления материала сердцевины и оболочки от длины волны оптического излучения. Оптический кабель - кабельное изделие, содержащее один или несколько оптических волокон, объединенных в единую конструкцию, обеспечивающую их работоспособность в заданных условиях эксплуатации. Примечание. При необходимости оптический кабель может содержать также токопроводящие жилы. Диаметр сердцевины (оболочки, защитного покрытия) оптического волокна. Диаметр сердцевины (оболочки, защитного покрытия) - диаметр окружности, определяющий центр сердцевины (оболочки, защитного покрытия) на поперечном сечении оптического волокна. Профиль показателя преломления оптического волокна. Профиль - распределение показателя преломления оптического волокна вдоль диаметра его поперечного сечения. Коэффициент затухания оптического волокна. Коэффициент затухания - величина, характеризующая уменьшение мощности оптического излучения при его прохождении по оптическому волокну, выраженное в децибелах, отнесенное к длине оптического волокна. Примечание. Коэффициент затухания следует измерять в режиме равновесия мод. Спектральная кривая затухания оптического волокна. Спектральная кривая затухания - зависимость коэффициента затухания оптического волокна от длины волны оптического излучения. Полоса пропускания оптического волокна. Полоса пропускания - интервал частот, в котором значение амплитудно-частотной модуляционной характеристики оптического волокна больше или равно половине ее максимального значения. Коэффициент широкополосности оптического волокна. Широкополосность полоса пропускания оптического волокна длиной 1 км, выраженная в мегагерцах, умноженных на километр. Передающий оптоэлектронный модуль. ПОМ - изделие оптоэлектроники, предназначенное для преобразования электрических сигналов в оптические. 206 Примечание. Типичный передающий оптоэлектронный модуль включает источник излучения ВОСП (излучатели полупроводниковых лазеров и излучающие диоды), электронные схемы (или их элементы) для преобразования входных электрических сигналов и стабилизации режимов работы, оптический соединитель или отрезок оптического кабеля, выполненные в едином конструктивном исполнении . Аналоговый (цифровой) передающий оптоэлектронный модуль. Аналоговый (цифровой) ПОМ - передающий оптоэлектронный модуль, предназначенный для преобразования аналоговых (цифровых) сигналов электросвязи. Входное напряжение передающего оптоэлектронного модуля. Входное напряжение ПОМ - значение напряжения электрического сигнала на входе передающего оптоэлектронного модуля, работающего в заданном режиме эксплуатации. Средняя мощность излучения передающего оптоэлектронного модуля. Средняя мощность ПОМ - среднее значение мощности оптического излучения на выходном оптическом полюсе передающего оптоэлектронного модуля за заданный интервал времени, в заданном телесном угле и при заданном входном напряжении . Спектральная характеристика передающего оптоэлектронного модуля. Спектральная характеристика ПОМ - зависимость спектральной плотности средней мощности излучения передающего оптоэлектронного модуля от длины волны оптического излучения. Рабочая длина волны передающего оптоэлектронного модуля. Рабочая длина волны ПОМ - длина волны оптического излучения на выходном оптическом полюсе передающего оптоэлектронного модуля, на которой нормированы его параметры. Ширина спектра передающего оптоэлектронного модуля. Ширина спектра ПОМ максимальное расстояние между абсциссами точек спектральной характеристики передающего оптоэлектронного модуля, соответствующих заданному уровню спектральной мощности оптического излучения. Полоса пропускания передающего оптоэлектронного модуля. Полоса пропускания ПОМ - интервал частот, в котором значение амплитудно-частотной характеристики аналогового передающего оптоэлектронного модуля больше или равно половине ее максимального значения. Скорость передачи передающего оптоэлектронного модуля. Скорость передачи ПОМ - скорость передачи символов цифрового сигнала электросвязи на входе передающего оптоэлектронного модуля, при которой его параметры сохраняют заданные значения. Примечание. В зависимости от области применения может быть задана максимальная скорость передачи передающего оптоэлектронного модуля или допустимый диапазон ее значений. Приемный оптоэлектронный модуль. ПРОМ - изделие оптоэлектроники, предназначенное для преобразования оптических сигналов, передаваемых в волоконно-оптической системе передачи в электрические сигналы. Примечание. Типичный приемный оптоэлектронный модуль включает приемник излучения ВОСП, электронные схемы обработки электрического сигнала и стабилизации режимов работы, оптический соединитель или отрезок оптического кабеля, выполненные в едином конструктивном исполнении. Аналоговый (цифровой) приемный оптоэлектронный модуль. Аналоговый (цифровой) ПРОМ - приемный оптоэлектронный модуль, предназначенный для преобразования аналоговых (цифровых) оптических сигналов электросвязи. Приемно-передающий оптоэлектронный модуль - изделие оптоэлектроники, выполняющее функции приемного и передающего оптоэлектронных модулей и выполненное в едином конструктивном исполнении с одной или несколькими блочными частями оптических соединителей или отрезками оптического кабеля. 207 Аналоговый (цифровой) приемно-передающий оптоэлектронный модуль приемно-передающий оптоэлектронный модуль, выполняющий функции аналоговых (цифровых) приемного и передающего оптоэлектронных модулей. Аналого-цифровой приемно-передающий оптоэлектронный модуль - приемнопередающий оптоэлектронный модуль, выполняющий функции аналогового и цифрового приемно-передающих оптоэлектронных модулей. Спектральная характеристика приемного оптоэлектронного модуля. Спектральная характеристика ПРОМ - зависимость вольтовой чувствительности приемного оптоэлектронного модуля от длины волны принимаемого оптического излучения. Рабочая длина волны приемного оптоэлектронного модуля. Рабочая длина волны ПРОМ - длина волны принимаемого оптического излучения, для которой нормированы параметры приемного оптоэлектронного модуля. Полоса пропускания приемного оптоэлектронного модуля. Полоса пропускания ПРОМ - интервал частот, в котором значение амплитудно-частотной характеристики аналогового приемного оптоэлектронного модуля больше или равно половине ее максимального значения. Скорость передачи приемного оптоэлектронного модуля. Скорость передачи ПРОМ - скорость передачи символов цифрового сигнала электросвязи на входном оптическом полюсе цифрового приемного оптоэлектронного модуля, при которой его параметры сохраняют заданные значения. Примечание. В зависимости от области применения может быть задана максимальная или минимальная скорость передачи цифрового приемного оптоэлектронного модуля, или допустимый диапазон ее значений. Напряжение шума приемного оптоэлектронного модуля. Напряжение шума ПРОМ - среднее квадратическое значение флуктуации выходного напряжения приемного оптоэлектронного модуля в заданной полосе частот в отсутствии оптического сигнала на его входном оптическом полюсе. Отношение сигнал-шум приемного оптоэлектронного модуля - отношение амплитуды переменной составляющей выходного напряжения приемного оптоэлектронного модуля при заданных характеристиках принимаемого оптического сигнала к среднему квадратическому значению флуктуации выходного напряжения при приеме немодулированного оптического излучения той же средней мощности. Коэффициент ошибок приемного оптоэлектронного модуля. Коэффициент ошибок ПРОМ - Отношение числа ошибок в цифровом сигнале электросвязи на выходе цифрового приемного оптоэлектронного модуля за заданный интервал времени к числу символов в этом интервале. Порог чувствительности приемного оптоэлектронного модуля. Порог чувствительности ПРОМ - минимальная средняя мощность оптического сигнала на входном полюсе приемного оптоэлектронного модуля при заданных характеристиках этого сигнала, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал-шум или заданный коэффициент ошибок. Оптический соединитель. Соединитель - устройство, предназначенное для оптического соединения компонентов ВОСП. Разъемный оптический соединитель - оптический соединитель, допускающий многократное оптическое соединение. Неразъемный оптический соединитель - оптический соединитель, допускающий только однократное оптическое соединение. Однополюсный оптический соединитель оптический соединитель, предназначенный для оптического соединения одного выходного полюса с одним входным полюсом компонентов ВОСП. 208 Многополюсный оптический соединитель - оптический соединитель, предназначенный для соединения нескольких выходных оптических полюсов с таким же числом входных оптических полюсов компонентов ВОСП. Комбинированный оптический соединитель - оптический соединитель, предназначенный для одновременного создания оптического и электрического соединения. Вносимые потери оптического соединителя - потери, определяемые отношением мощности оптического излучения во входном оптическом полюсе к мощности на сочленяемом с ним выходном оптическом полюсе, выраженной в децибелах. Оптический разветвитель. Разветвитель - пассивный оптический многополюсник, в котором оптическое излучение, подаваемое на часть входных оптических полюсов, распределяется между остальными его полюсами. Оптический ответвитель. Ответвитель - оптический разветвитель с одним входным и двумя выходными оптическими полюсами, предназначенный для ответвления заданной части мощности оптического излучения. Спектрально-селективный разветвитель оптический разветвитель, коэффициенты передачи между оптическими полюсами которого зависят от длины волны в заданном диапазоне длин волн оптического излучения. Общегосударственная система автоматизированной телефонной связи. National automatic telephone communication system - комплекс технических средств и совокупность определенных принципов построения, систем нумерации, сигнализации, учета стоимости, тарификации, эксплуатации, обслуживания и управления общегосударственной автоматически коммутируемой телефонной сети. Общегосударственная автоматически коммутируемая телефонная сеть. ОАКТС Общегосударственная телефонная сеть, представляющая собой совокупность автоматических телефонных станций, коммутационных узлов, линий, каналов телефонной сети, оконечных абонентских устройств для обеспечения потребности населения, учреждений, организаций и предприятий в автоматизированной телефонной связи. Телефонная связь. Telephony - вид электросвязи, обеспечивающий передачу сигналов, отображающих речь, на расстояние с заданной полосой частот между абонентами и (или) операторами. Средства телефонной связи. Telephone communication resources - технические устройства, в основу функционирования которых положены принципы телефонной связи. Временной канал вторичной сети. Timedividing Channel - канал вторичной сети ЕАСС, образованный на базе первичной сети, по которому передача сигналов, относящихся к одному сообщению, осуществляется в специально отведенные дискретные интервалы времени. Коммутация в сетях связи. Switching at the network - процесс образования соединительного пути для передачи информации при помощи технических средств . Коммутационная станция. Switching exchange - совокупность технических средств связи, обеспечивающая коммутацию абонентских, соединительных линий, каналов вторичной сети ЕАСС при осуществлении оконечных и транзитных телефонных соединений. Примечание. В зависимости от вида передаваемой информации коммутационной станции присваивается название: телефонная, телеграфная и др. станции. Коммутационная система. Switching system - совокупность управляющих устройств, коммутационного поля и станционных и линейных комплектов для построения коммутационных станций и узлов вторичных сетей ЕАСС. 209 Примечание. В зависимости от типа коммутационных приборов и управляющих устройств различают: декадно-шаговые, координатные, квазиэлектронные, электронные и другие коммутационные системы. Телефонная сеть. Telephone Network - вторичная сеть ЕАСС, предназначенная для передачи сигналов электросвязи, отображающих речь на расстояние с заданной полосой частот. Цифровая телефонная сеть. Digital telephone Network - телефонная сеть, обеспечивающая передачу цифровых сигналов электросвязи, отображающих речь. Аналоговая телефонная сеть. Analog telephone Network. Аналого-цифровая телефонная сеть. Analog to digital telephone network. Междугородная телефонная сеть. Междугородная сеть. Trunk telephone Network - часть ОАКТС, представляющая собой совокупность междугородных телефонных станций, телефонных узлов автоматической коммутации и каналов телефонной сети, соединяющих их между собой, и обеспечивающая телефонной связью абонентов различных зон нумерации . Зоновая телефонная сеть. ЗТС. Zone telephone Network - часть ОАКТС, представляющая собой совокупность внутризоновой и местных телефонных сетей, расположенных в зоне нумерации 210