Построение оптических систем связи. Основные определения и классификация

Целью преподавания дисциплины «Оптоэлектронные технологии инфокоммуникаций и особенности проектирования волоконно-оптических линейных трактов» является: овладение методами расчета физических процессов передачи, распространения и приема аналоговых и цифровых информационных сигналов по направляющим системам оптической связи; изучение методик и стадий проектирования волоконно-оптических линейных трактов, изучение методов и приборов для измерения параметров волоконно-оптических линейных трактов технологий их строительства и эксплуатации. Лекция 1.Тема: Построение оптических систем связи. Основные определения и классификация. Оптические телекоммуникационные системы относятся к системам электросвязи. Под системой электросвязи или системой передачи понимают комплекс технических средств, включающий оборудование для передачи и приема сигналов и среду распространения и обеспечивающий электросвязь определенного вида. В оптической связи для передачи информационных сообщений используются оптические (световые) сигналы, которые представляют собой электромагнитные волны оптического диапазона частот. Для оптической связи преимущественно используется сравнительно узкий диапазон на шкале электромагнитных волн, расположенный в инфракрасном спектре.  В качестве среды для организации оптической связи может использоваться как естественная среда (окружающее пространство), так и искусственная. Искусственной средой передачи, предназначенной для направленного распространения электромагнитных волн, являются направляющие среды электросвязи на основе металлических или диэлектрических конструкций.    Беспроводные оптические системы передачи (ОСП), использующие естественную среду – атмосферу, называют атмосферными (АОСП). Такая система передачи состоит всего из двух приемо-передающих оптических устройств, которые располагаются на расстоянии прямой видимости.        Однако наилучшими характеристиками обладают волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), которые используют в качестве среды передачи диэлектрические волноводы – оптические волокна (ОВ). Для производства современных ОВ применяется высокочистое кварцевое стекло, обеспечивающее минимальные потери излучения при его распространении. ОВ имеет двухслойную структуру. Его внутренний слой, называется сердцевиной и является световедущим, а внешний слой называется оболочкой и нужен, чтобы создать условия для удержания света в сердцевине ОВ. Диаметр сердцевины может составлять до 0.1 мм. Диаметр оболочки волокна составляет 0.125 мм. Оптические системы передачи (ОСП) классифицируются: - По назначению – на системы для транспортных сетей и сетей доступа;- - По методу передачи информации – на цифровые и аналоговые, - По способу мультиплексирования – на системы с временным (TDM -Time Domain Multiplexing) и частотным или волновым (WDM – Wave Division Multiplexing) способом объединения (разделения) отдельных каналов; - По используемой модуляции – на системы с амплитудной, частотной, фазовой и поляризационной модуляцией, а также с модуляцией по интенсивности - По способу кодирования – на системы с двоичными (бинарными) и многоуровневыми кодами. После короткого вступления рассмотрим возможные топологии построения оптических сетей связи.       Оптическая сеть связи, как и любая другая сеть связи, состоит из узлов и соединительных линий. Возможны несколько вариантов топологии построения сети (рис.1.). Рис.1. Топологии сетей связи: а – полносвязанная, б – ячеистая, в – кольцевая,г – звездообразная, д – шинная, е – древовидная, д – радиально-узловая,  На рис. 1.а показана полносвязанная топология или топология «каждый с каждым», в которой любой узел имеет прямые связи со всеми остальными узлами. Число дуплексных физических соединительных линий M, необходимых для соединения между собой N узлов в сети этой топологии составляет:    Данная топология имеет высокую степень избыточности. С одной стороны, избыточность является достоинством, так как обеспечивает высокую надежность сети. С другой стороны, такая избыточность является недостатком, так как приводит к экономической неэффективности сети. Поэтому чаще применяются избыточные, но неполносвязанные варианты топологий. На рис. 1.б показана ячеистая топология или топология «сетка», которая получена из полносвязанной путем удаления некоторых связей. В этой топологии также имеется избыточность, но в меньшей степени: каждый узел связан отдельными соединительными линиями не со всеми остальными узлами, а только с ближайшими узлами или узлами, имеющими к нему наибольшее тяготение. При этом сохраняются обходные, резервные пути между узлами и обеспечивается два-три независимых выхода к любому узлу связи. Эта топология обладает меньшей, но достаточной надежностью по сравнению с полносвязанной и экономически более эффективна.       В сетях с кольцевой топологией (рис.1.в) данные передаются по кольцу от одного узла до другого в двух направлениях по часовой и против часовой стрелки. Число дуплексных физических соединительных линий M, необходимых для соединения между собой N узлов в сети этой топологии составляет: M = N                                     Главным достоинством кольцевой топологии является малая избыточность. Кольцевая топология часто используется для создания транспортной сети, узлы которой являются центральными для сетей доступа.  На рис. 1.г показана звездообразная топология. Каждый периферийный узел в такой топологии подключается к центральному узлу. На рис.1.д показана топология «шина» или «линейная цепь».      Число дуплексных физических соединительных линий M, необходимых для соединения между собой N узлов в сетях топологий «звезда» и «шина» составляет:  M  = N - 1                              Топологии «звезда» и «линейная цепь» являются безызбыточными. Это достоинство влечет за собой и главный недостаток этой топологии – низкую надежность. Тем не менее топология «линейная цепь» широко используется в оптических сетях. Для повышения надежности применяется резервирование соединительных линий.     Небольшие сети обычно имеют одну из типовых топологий. Крупные сети чаще имеют смешанную топологию (рис.1.е, ж). Среди смешанных топологий также принято выделять два наиболее распространенных вида: • Древовидная топология, при которой центральные узлы различных звезд иерархически соединяются между собой (рис.1.е). Такая топология наиболее часто используется в локальных сетях, но находит применение и в глобальных сетях. •  Радиально-узловая топология (рис. 1.ж), при которой центральные узлы различных звезд соединяются по принципу «каждый с каждым» (как вариант, некоторые связи могут отсутствовать для уменьшения избыточности) или в кольцо. Обобщенная схема оптической системы передачи Рис. 2. Обобщенная схема оптической системы передачи На рис.2 представлена обобщенная схема оптической системы передачи (ОСП). Она включает следующие устройства:      1)  Мультиплексор – устройство, обеспечивающее объединение (мультиплексирование) нескольких независимых каналов (электрических) на передаче и их разделение (демультиплексирование) на приеме. Существуют мультиплексоры для объединения аналоговых каналов и для объединения цифровых каналов. Основным аналоговым каналом является канал тональной частоты (ТЧ), занимающий полосу частот шириной 4 кГц. Основной цифровой канал (ОЦК) занимает полосу частот шириной 64 кГц (имеет скорость 64 кбит/с) и формируется из канала ТЧ на основе импульсно-кодовой модуляции ИКМ.       В ОСП используются в основном цифровые мультиплексоры. Цифровой мультиплексор работает в соответствии с одной из информационных технологий. Наибольшее распространение получили технологии плезиохронной цифровой иерархии (PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy), синхронной цифровой иерархии (SDH - Synchronous Digital Hierarchy), оптической транспортной иерархии (ОТН – Optical Transport Hierarchy) и Ethernet.      2) Оптический конвертор, также называемый в литературе оптическим трансивером или медиаконвертором, выполняет функции по преобразованию электрических сигналов в оптические на передаче и оптических в электрические с их регенерацией на приеме (рис.3).      Преобразователь кода 1 на передающей стороне преобразует код мультиплексора в линейный код. Линейный код должен обладать повышенной помехоустойчивостью при передаче и обеспечивать возможность выделения тактовой частоты на приеме. Преобразователь кода 2 на приемной стороне осуществляет обратное преобразование кодов. Рис. 3. Схема оптического конвертера    Передающий оптический модуль (ПОМ) обеспечивает генерацию оптического излучения несущей частоты (длины волны), его модуляцию информационным сигналом и стык с оптической средой. Функцию генерации оптического излучения выполняет источник излучения, в качестве которых применяют полупроводниковые светодиодные или лазерные источники с длинами волн λ = 850; 1300; 1550 нм.     Функцию модуляции оптического излучения обычно выполняет оптический модулятор. Для эффективного ввода излучения в ОВ используют согласующие устройства, например, линзы. Их назначение – согласование диаграмм направленности и размеров излучателя и ОВ. Приемный оптический модуль (ПрОМ) преобразует оптическое излучение в электрический сигнал, производит коррекцию искажений, усиление и регенерацию цифрового сигнала, а также выделение тактовой частоты, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора с целью правильного демультиплексирования каналов. Основным элементом ПрОМ является фотоприемник, выполняющий преобразование оптического излучения в электрический сигнал. В качестве фотоприемников используют полупроводниковые фотодиоды: Si ФД (PIN и ЛФД) для λ = 850 нм и Gе и InАrGа (РIN и ЛФД) для λ = 1300 и 1550 нм.  3) Оптический мультиплексор. Для оптических каналов в ВОСП может быть реализовано оптическое мультиплексирование. Обычно используется аналоговое оптическое мультиплексирование в соответствии с технологией WDM (Wavelength Division Multiplexing – мультиплексирование в волновой области или спектральное мультиплексирование). Оптические мультиплексоры позволяют объединять и разделять каналы, образованные на различных оптических несущих частотах (длинах волн).   4) Промежуточные станции могут быть представлены различными устройствами, например, электронными мультиплексорами ввода/вывода некоторого числа электрических каналов, линейными регенераторами, оптическими усилителями, оптическими мультиплексорами ввода/вывода некоторого числа оптических каналов. 5) Физическая среда. В настоящее время наилучшей средой для передачи оптических сигналов являются ОВ, изготовленные из кварцевого стекла. На этом лекция заканчивается. Далее на следующем занятии рассмотрим основные информационные технологии для цифровых оптических транспортных сетей связи и сетей доступа. Доц.каф.ФиЛС Иванов В.С.