Принципы многоканальной передачи данных

Тема 4. Принципы многоканальной передачи данных 4.1 Основы теории многоканальной передачи сообщений Создание нескольких каналов на одной линии связи обеспечивается с помощью разнесения их по частоте, времени, кодам, адресу, длине волны. • частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) – разделение каналов по частоте. Каждому каналу выделяется определённый диапазон частот. • временное разделение каналов (ВРК, TDM) – разделение каналов во времени. Каждому каналу выделяется квант времени (таймслот). • кодовое разделение каналов (КРК, CDMA) – разделение каналов по форме сигнала. Каждому каналу присвоен сигнал определённой формы; (для выделения нужного сигнала в каждом приёмнике используется коррелятор, который вычисляет скалярное произведение группового сигнала и опорного сигнала, присвоенного данному приёмнику). • спектральное разделение каналов (СРК, WDM) – разделение каналов по длине волны. Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные). В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал. Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом. Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300...3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала. Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют "вторичное уплотнение" каналов ТЧ телеграфными каналами и каналами передачи данных. На Рис. 4. 1 приведена структурная схема наиболее распространенных систем многоканальной связи. Рис. 4.1. Структурная схема систем многоканальной связи Реализация сообщений каждого источника а1(t), а2(t),...,аN(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М1, М2, ..., МN преобразуются в соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t),...,sN(t). Совокупность канальных сигналов на выходе суммирующего устройства Σ образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал sЛ(t) с помощью группового приемника П может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П1, П2, ..., ПN из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s1(t), s2(t), ...,sN(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а1(t), a2(t), ..., aN(t). Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи. Индивидуальные приемники системы многоканальной связи ПK наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов sK(t) в соответствующие сообщения аK(t) должны обеспечить выделение сигналов sK(t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения. В общем случае групповой сигнал может формироваться не только простейшим суммированием канальных сигналов, но также и определенной логической обработкой, в результате которой каждый элемент группового сигнала несет информацию о сообщениях источников. Это так называемые системы с комбинационным разделением. Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и др. Историческая справка • • • • • В СССР первый образец одноканальной аппаратуры уплотнения был установлен в 1926 году на линии Ленинград - Бологое, к 1930 году появилась уже 3-канальная аппаратура. В 1934 году начался крупносерийный выпуск 3-канальной "системы многократного телефонирования " СМТ-34. Эта аппаратура выпускалась в плоть до Великой Отечественной войны, ею были оборудованы все основные магистрали дальней связи СССР. В 1935 году для самой длинной в мире магистрали Москва - Хабаровск была выпущена 3-канальная аппаратура СМТ-35, находившееся на уровне лучших мировых образцов. В 1940 году была установлена на опытную эксплуатацию первая в СССР 12канальная аппаратура уплотнения цветных воздушных линий. После Великой Отечественной войны было налажено производство симметричного магистрального кабеля. В связи с этим, на междугородней телефонной сети бывшего СССР широкое распространение получили системы многократного телефонирования по симметричным кабелям. Первой из отечественных разработок была 12-канальная система К-12, • • в начале 50-х годов была разработана и освоена 24-канальная система К-24, работающая в диапазоне частот (12 - 60 кГц. )12 - 108 кГц. Аппаратура 24-канальной системы имела ряд узлов, аналогичных узлам аппаратуры типов В-12, К-12. В конце 50-х годов промышленностью была закончена разработка аппаратуры К-60 В 60-70-х годах были разработаны системы уплотнения каналов для магистральных линий К-3600 и К-1920П. • К-1920П – позволяет организовать 1920 каналов ТЧ или 300 каналов ТЧ и канал телевизионного (ТВ) и звукового вещания (ЗВ). В первом случае линейный спектр формируется из 6 ТГ и 2 ВГ в полосе частот 312...8524 кГц. Во втором случае преобразуются 5 ВГ, которые совместно с каналами ТВ и ЗВ занимают полосу частот 273...8491 кГц. Дальность действия 12500 км, максимальная длина переприемного участка по ТЧ 1500 км. В линейном тракте используются ОУП и НУП. Питание НУП осуществляется дистанционно. Между двумя ОУП может размещаться до 40 НУП. Длина усилительного участка 6± 0,15 км. • К-3600 – позволяет организовать 360 каналов ТЧ или 1800 каналов ТЧ, а также канал ТВ и ЗВ. Линейный спектр 812...17596 кГц. Дальность действия 12500 км. В линейном тракте используются ОУП и НУП. Питание НУП осуществляется дистанционно. Между двумя ОУП может размещаться до 61 НУП. Длина усилительного участка 3± 0,15 км. 4.2 Фильтры для разделения каналов Электрическим фильтром называется устройство, пропускающее сигналы (в виде напряжения или тока) определенного диапазона частот с малым затуханием и обеспечивающее на всех остальных частотах большое затухание. Основная характеристика фильтра – частотная избирательность, описывается обычно зависимостью коэффициента передачи от частоты: U& (ω ) k&(ω ) = вых = k (ω )eiϕ (ω ) . U&вх (ω ) В общем случае коэффициент передачи является комплексной величиной, поскольку при прохождении фильтра меняется не только амплитуда сигнала, но и фаза. Где φ – сдвиг фазы выходного сигнала относительно входного. Однако когда значение фазы не актуально, под коэффициентом передачи понимают его модуль: k (ω ) = U вых / U вх . По частотным характеристикам фильтры делятся на низкочастотные, высокочастотные, полосовые и заграждающие. Низкочастотные фильтры – беспрепятственно пропускают частоты от нуля до некоторой частоты среза ωср. Частотой среза называется частота, при которой коэффициент передачи по напряжению уменьшается в 1 / 2 раз от максимального значения. k L L 1 Uвх С С а) Uвых 0,71 б) ωср ω Рис. 4.2. Схема фильтра низких частот (а) и частотная характеристика (б) Один из вариантов схемы фильтра низких частот приведен на рис.4.2. Так как индуктивное сопротивление определяется как XL = ωL, а емкостное XС = 1/ωС, то при ω → 0 XL → 0, а XС → ∞, и сигналы низкой частоты проходят с малым затуханием через катушки индуктивности на выход, а высокочастотный сигнал замыкается через конденсаторы, так как при ω → ∞ XL → ∞, а XС → 0. Высокочастотные фильтры – пропускают сигналы с частотой от частоты среза (ωср) до бесконечности. Для того, чтобы из низкочастотного фильтра получить фильтр высоких частот достаточно конденсаторы и индуктивности поменять местами (рис.4.3). k 1 0,71 а) б) ω ωср Рис.4.3. Схема фильтра высоких частот (а) и его частотная характеристика (б) Полосовые фильтры – пропускают частоты от частоты ω1 до ω2, а остальные частоты не пропускают. Один из вариантов схемы такого фильтра приведен на рис. 4.4. k 1 0,71 а) б) ω1 ω ω2 Рис. 4.4. Схема полосового фильтра (а) и его частотная характеристика (б) Принцип действия такого фильтра основан на том, что на резонансной частоте последовательные колебательные контура имеют минимальное сопротивление, а параллельные максимальное. Z пос 1   = R 2 +  ωL −  ωC   Z пар = 2 1 1  1  + − ωС  R 2  ωL  2 где R – сопротивление проводов, которое, как правило мало. Поэтому сигналы, частота которых близка к резонансной, будут проходить с минимальным затуханием. Крутизна спадов частотной характеристики будет зависеть от числа колебательных контуров и их добротности. Заградительные фильтры – противоположные полосовым, т.е. частоты от частоты ω1 до ω2 не пропускают, а все остальные пропускают. Для получения такого фильтра достаточно последовательные и параллельные колебательные контуры поменять местами (рис.4.5). C к L L C L C 1 L 0,71 C а) б) ω1 ω2 ω Рис. 4.5. Схема заградительного фильтра (а) и его частотная характеристика (б) 4.3 Частотное разделение каналов В системах передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) исходным сигналам разных каналов в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. Требуемая ширина полосы частот линейного тракта определяется способом передачи канального сигнала и числом каналов. Для более эффективного использования дорогостоящих линейных сооружений желательно в определенной полосе частот организовать как можно больше каналов, т.е. спектр канального сигнала должен быть как можно уже. Известно, что самый узкий спектр канального сигнала имеет место при использовании амплитудной модуляции и передаче в линию одной боковой полосы частот (ОБП). Поэтому в системах передачи с ЧРК используется этот метод передачи. Для преобразования спектров исходных сигналов в отводимые для них полосы частот линейного тракта на передающей станции применяются модуляторы. На приемной станции канальные сигналы разделяются полосовыми фильтрами. Для восстановления исходных сигналов используются демодуляторы, включенные на выходе полосовых фильтров. При модуляции и демодуляции кроме полезных частотных составляющих возникают побочные продукты преобразования, большая часть которых подавляется фильтрами, включенными на выходах модуляторов и демодуляторов. Таким образом, основой построения систем передачи с ЧРК является преобразование сигналов в частотной области, осуществляемое с помощью нелинейных и параметрических устройств, с применением электрических фильтров. Если при построении систем передачи с ЧРК эти устройства для каждого сигнала являются отдельными и повторяются в составе оконечной и промежуточной аппаратуры столько раз, на сколько каналов рассчитана система передачи, то такой метод построения систем передачи называетсяиндивидуальным. Если отдельной для каждого канала является только часть устройств оконечной аппаратуры, а остальные ее устройства и устройства промежуточной аппаратуры являются общими для всех каналов, то такой метод построения системы передачи называется групповым. Идея группового метода построения систем передачи позволила резко уменьшить в составе оконечного оборудования число фильтров, т.е. облегчила возможность создания фильтров каналов с однородными характеристиками и возможность построения систем передачи с ЧРК практически с любым числом каналов. Использование на промежуточных станциях одного усилителя для усиления сигналов во всех каналах не требует применения канальных фильтров - основных источников амплитудно-частотных искажений в каналах. Поэтому возможно включение очень большого числа промежуточных усилителей, т.е. осуществление связи практически на любые расстояния. Как следует из сказанного, промежуточная аппаратура систем передачи, построенная таким образом, проще, а следовательно, и дешевле. Кроме того, групповой принцип построения систем передачи позволяет стандартизировать значительную часть оборудования оконечной аппаратуры разной канальностн. Существенным недостатком систем передачи, построенных по групповому методу, является необходимость установки всего оборудования вне зависимости от потребного количества связей на данный момент времени, а также необходимость применения специальной аппаратуры выделения в промежуточных пунктах для установления связи этого пункта с другими пунктами магистрали. При построении систем передачи с ЧРК по групповому методу используется многократное преобразование частоты. Первичные сигналы несколько раз преобразуются по частоте, прежде чем передаются в линию. На приемной оконечной станции осуществляются аналогичные преобразования, но в обратном порядке. Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на Рис. 4.6. Рис. 4.6. Функциональная схема системы многоканальной связи с частотным разделением каналов В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA). Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G1(ω), G2(ω), ..., GN(ω) модулируют поднесущие частоты ωK каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы М1, М2, ..., МN канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров Ф1, Ф2, ..., ФN спектры gK(ω) канальных сигналов занимают соответственно полосы частот ∆ω1, ∆ω2, ..., ∆ωN, которые в общем случае могут отличаться по ширине от спектров сообщений Ω1, Ω2, ..., ΩN. При широкополосных видах модуляции, например, ЧМ ширина спектра ∆ω K≈ 2(β +1) Ω K, т.е. в общем случае ∆ω≥ Ω K. Для упрощения будем считать, что используется АМ-ОБП (как это принято в аналоговых СП с ЧРК), т.е. ∆ωК =Ω и ∆ω =NΩ. Проследим основные этапы образования сигналов, а также изменение этих сигналов в процессе передачи (Рис. 4.7). Будем полагать, что спектры индивидуальных сигналов конечны. Тогда можно подобрать поднесущие частоты ωK так, что полосы ∆ω1, ..., ∆ω K попарно не перекрываются. При этом условии сигналы sК(t) (k=1,...,N) взаимноортогональны. Затем спектры g1(ω), g2(ω),..., gN(ω) суммируются (Σ ) и их совокупность g(ω) поступает на групповой модулятор (М). Здесь спектр g(ω) с помощью колебания несущей частоты 0 переносится в область частот, отведенную для передачи данной группы каналов, т.е. групповой сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал sЛ(t). При этом может использоваться любой вид модуляции. На приемном конце линейный сигнал поступает на групповой демодулятор (приемник П), который преобразует спектр линейного сигнала в спектр группового сигнала g′ (ω). Спектр группового сигнала затем с помощью частотных фильтров Ф1, Ф2,...,ФN вновь разделяется на отдельные полосы ∆ωK, соответствующие отдельным каналам. Наконец, канальные демодуляторы Д преобразуют спектры сигналов gK(ω) в спектры сообщений G′ K(ω), предназначенные получателям. Рис. 4.7. Преобразование спектров в системе с частотным разделением каналов Из приведенных пояснений легко понять смысл частотного способа разделения каналов. Поскольку всякая реальная линия связи обладает ограниченной полосой пропускания, то при многоканальной передаче каждому отдельному каналу отводится определенная часть общей полосы пропускания. На приемной стороне одновременно действуют сигналы всех каналов, различающиеся положением их частотных спектров на шкале частот. Чтобы без взаимных помех разделить такие сигналы, приемные устройства должны содержать частотные фильтры. Каждый из фильтров ФK должен пропустить без ослабления лишь те частоты ω∈∆ωK, которые принадлежат сигналу данного канала; частоты сигналов всех других каналов ω∉ ∆ωK фильтр должен подавить. На практике это невыполнимо. Результатом являются взаимные помехи между каналами. Они возникают как за счет неполного сосредоточения энергии сигнала k-го канала в пределах заданной полосы частот ∆ωK, так и за счет неидеальности реальных полосовых фильтров. В реальных условиях приходится учитывать также взаимные помехи нелинейного происхождения, например за счет нелинейности характеристик группового канала. Для снижения переходных помех до допустимого уровня приходится вводить защитные частотные интервалы ∆ωЗАЩ (Рис. 4.8). Рис. 4.8. Спектр группового сигнала с защитными интервалами Так, например, в современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала. 4.4 Временное разделение каналов Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы (Рис. 4.9). 1 1 2 2 3 3 Канал (линия связи) 4 4 n n Коммутатор 1 Коммутатор 2 Рис. 4.9. Принцип временного разделения каналов В зарубежных источниках для обозначения принципа временного разделения каналов используется термин Time Division Multiply Access (TDMA). При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция). Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется периодически. На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик. Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации. На Рис. 6.16 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На Рис. 4.10, а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u1(t), u2(t) и u3(t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов. Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала TK называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи ТЦ. От соотношения ТЦ и TK зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов. При временном разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами. Рис. 4.10. Преобразование сигналов при ВРК Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция. Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах. В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже. В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f0=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации) ∆tK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю. Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники. 4.5 Разделение сигналов по форме Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Наиболее общим признаком является форма сигналов. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры, и тем не менее такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. Пусть в качестве переносчиков выбраны импульсы, последовательность которых образует, например, степенной ряд. В предположении, что информация содержится в коэффициентах с1,с2, ..., для группового сигнала запишем s(t)=c11+c2t+...+cNtN-1. Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных сигналов cKtK-1 не может быть образован линейной суммой всех других сигналов. Это легко понять, обратив внимание на то, что многочлен от t может быть тождественно равен нулю только в том случае, когда все его коэффициенты равны нулю. В последние годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности, в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций Уолша, Радемахера и другие. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением "почти ортогональных" сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам "ограниченного" белого шума. Такие сигналы называют шумоподобными (ШПС). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т. База ШПС характеризует расширение его спектра по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширение спектра частот может осуществляться умножением исходного сигнала (например, двухчастотной ЧМ) на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Т (равным длительности интервала модуляции исходного ЧМ-сигнала), включающую N бит ПСП длительностью τ 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП В=Т/τ 0=N. Поскольку параметры сигнала ШПС (значения бит ПСП - два набора значений в случае двухчастотной ЧМ) известны, то прием ШПС может производится приемниками, рассчитанными на прием сигналов с известными параметрами. В результате отношение сигнал/шум на выходе приемника улучшается в В раз по отношению ко входу. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA). 4.6 Спектральное уплотнение каналов Спектральное уплотнение каналов (Wavelength division multiplexing, WDM, буквально мультиплексирование с разделением по длине волны) – технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах. Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи. Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения WDM была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps. Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2009 году достигнута скорость 15,5 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон – для передачи в прямом и обратном направлениях). Принцип работы систем со спектральным уплотнением В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно объединяются мультиплексором (MUX). На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором (DEMUX). Здесь, так же как и в SDH сетях, мультиплексор является ключевым элементом. Передаваемый по технологии WDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ). Рис.4.11 – Принцип передачи сигналов в WDM То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТрансТелеКом, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн. Принципиальная схема WDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция - «окрашенные» сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю. Рис.4.12 – Мультиплексирование – демультиплексирование сигналов в WDM Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология WDM обеспечена оборудованием особой точности. Так, погрешность длины волны, которую обеспечивает стандартный лазер, применяемый в телекоммуникациях, примерно в сто раз больше, чем требуется в системе WDM. По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. 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). Рис. 4.13 – Система предеачи WDM Преимущества WDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем WDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы. В общем случае схема применения технологий WDM может быть представлена так, как указано на рис. 4.14 Рис. 4.14. Схема применения технологий WDM Типовой состав оборудования представляет собой необходимое количество оптических транспондеров, осуществляющих преобразование длин волн и оптический мультиплексор, смешивающий их все в один мультиспектральный сигнал. Оптический транспондер – устройство, обеспечивающее интерфейс между оборудованием оконечного доступа и линией WDM. Согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических интерфейсах имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δλ≈±0.5 нм (для STM 16), а центральная длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. На входы же оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, спектральные параметры которых, должны строго соответствовать стандартам, определённым рекомендацией ITU-T G.692. Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков SDH, то мультиплексирование осуществлено не будет. Необходимое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре WDM специального преобразователя длин волн - транспондера. Это устройство может иметь различное количество оптических входов и выходов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рекомендации G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рекомендации G.692. При этом, если уплотняется m оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частотного плана ITU. Оптический (де)мультиплексор CWDM. Основой мультиплексора/демультиплексора является дисперсионный элемент, способный разделить сигналы различных длин волн. В современных CWDM-системах для разделения оптических несущих применяются, как правило, относительно недорогие устройства на основе тонкопленочных фильтров (TFF, Thin Film Filter). Потери, вносимые такими устройствами, составляют около 1 дБ на канал (в реальных системах были получены величины менее 2,5 дБ для 8-канального устройства). Тонкопленочная технология характеризуется высокой развязкой (изоляцией) соседних каналов – порядка 30 дБ, высокой температурной стабильностью – 0,002 нм/°С, что эквивалентно изменению рабочей длины волны на ±0,07 нм при изменении температуры на ±35°С. Для выделения длин волн с разносом 20 нм требуются фильтры с существенно меньшим числом диэлектрических слоев, чем в случае DWDM-фильтров (примерно 50 и 150 слоев соответственно), что положительно сказывается на стоимости. Мультиплексоры/демультиплексоры, основанные на применении многослойных тонкопленочных фильтров, являются (де)мультиплексорами последовательного типа, то есть один фильтр выделяет один канал. Использование таких устройств в системах со большим числом каналов (на практике больше 4-х) может привести к значительному росту вносимых потерь, и в этом случае иногда используют решеточные (де)мультиплексоры параллельного или гибридного параллельно-последовательного типа. Принцип их работы заключается в том, что приходящий сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, фактически представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). При этом в каждом волноводе по-прежнему присутствуют все длины волн, т.е. сигнал остается мультиплексным, только распараллеленным. Так как длины волноводов отличаются друг от друга на фиксированную величину, потоки проходят разный по длине путь. В итоге световые потоки собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка, и создаются пространственно разнесенные максимумы, под которые и рассчитываются выходные полюса. Физика процесса такая же, как в обычной дифракционной решетке, что и дало название технологии. Мультиплексирование происходит обратным путем. В настоящее время получили распространение следующие технологии спектрального мультиплексирования: • 2-канальный WDM; • грубое спектральное мультиплексирование (CWDM); • плотное спектральное уплотнение (DWDM). • сверхплотное спектральное уплотнение (HDWDM). Рис.4.15 - Зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне от длины волны передаваемого оптического сигнала На рис. 4.15 схематически изображена зависимость потерь в типовом одномодовом оптоволокне в диапазоне, соответствующем его «окну прозрачности», от длины волны передаваемого оптического сигнала. Там же для наглядности обозначены названия диапазонов согласно рекомендации международного телекоммуникационного союза (ITU) ITU-T G.692. Ниже приведены расшифровки названий оптических диапазонов: • O – первичный диапазон (Original, 1260-1360 нм); • E – расширенный диапазон (Extended, 1360-1460 нм); • S – коротковолновый диапазон (short wavelength, 1460-1530 нм); • C – стандартный диапазон (Conventional, 1530-1570); • L – длинноволновый диапазон (Long wavelength, 1570-1625 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. Двухканальный WDM (иногда двунаправленный, bi-di WDM) является в настоящее время наиболее распространенным решением из мира технологий WDM. Принцип работы двухканального WDM можно понять из рисунка 4.16. Рис.4.16 - Принцип работы двухканального WDM Грубое спектральное мультиплексирование – CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) – является технологией спектрального уплотнения с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, базирующейся на использовании оптических каналов, лежащих в диапазоне от 1270 до 1610 нм и отстоящих друг от друга на расстоянии 20 нм, как специфицировано рекомендацией ITU с идентификатором ITU-T G-694.2. Поначалу использовался только диапазон волн 1470 – 1610 нм (8 длин волн), а область 1260 – 1360 не использовалась из-за увеличения затухания на длинах менее 1310 нм (увеличивается коэффициент рассеяния Рэлея). Для компенсации эффекта поглощения на длине волны 1383 нм стали применять специальные волокна с нулевым «водяным пиком» (ZWPF, LWPF). Если система использует весь диапазон волн 1270 – 1610 нм, то ее называют FS-CWDM-системой (Full-spectrum CWDM). Область применения технологии CWDM – городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам. Решения CWDM рассматриваются как дешевая замена более дорогих систем DWDM в тех случаях, когда пользователям требуется не более 8-16 каналов WDM. Отличаясь невысокой стоимостью, простотой монтажа и невысокими требованиями к качеству существующей оптической инфраструктуры, данная технология позволяет передавать по одному волокну до 16 (18) потоков данных. При этом решение абсолютно невосприимчиво к типам и скоростям передаваемого трафика, так как мультиплексирование происходит на физическом уровне. Так, в одном волокне легко могут "сосуществовать" несколько потоков Gigabit Ethernet и 10 Gigabit Ethernet, потоки SDH STM и даже Fibre Channel. Таким образом, CWDM позволяет радикальным образом увеличить пропускную способность оптической сети без прокладки нового оптического кабеля. Бурному развитию CWDM, помимо удешевления мультиплексирующего оборудования, также способствовало и развитие технологий производства оптического волокна. Дело в том, что CWDM использует для работы широкий диапазон длин волн: от 1310 до 1610 нм, что требует наличия оптического кабеля на основе волокна без так называемого водного пика (Low Water Peak Fiber). Такое волокно (например, популярное сегодня Corning SMF-28e+) обладает расширенным до порядка 300 нм спектром пропускания. В полную ширину спектра 340 нм с занимаемой областью 1270-1610 нм входят 18 стандартных каналов с шагом 20 нм. Будучи наложенной на характеристику затухания стандартного ОВ, эта область содержит сглаженный максимум затухания на 1383 нм. Хотя вероятность увеличения максимального затухания в районе 1383 нм мала, нужно иметь в виду, что три стандартных канала CWDM: 1370, 1390 и 1410 нм - расположены около этого пика. Они могут быть причиной определенных трудностей (вызванных необходимостью индивидуальной подстройки коэффициентов усиления каналов в тракте ВОСП) при реализации полного (18 каналов) варианта использования полосы CWDM. Если исключить эти три канала, то возможности расширения ограничиваются семью каналами и максимальное общее число рабочих каналов составит 15, что вполне может удовлетворить многих пользователей. Плотное спектральное мультиплексирование – DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – технология для объединения еще гораздо большего числа длин волн, нежели это предусмотрено предыдущей технологией. Большинство ведущих производителей предлагают DWDM-оборудование, позволяющее 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. В этой же полосе работают легированные эрбием усилители оптического сигнала (EDFA). 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). Сверхплотное спектральное уплотнение – HDWDM (High Dense Wavelength Division Multiplexing) – перспективная технология спектрального уплотнения, позволяющая поднять количество уплотняемых каналов еще в 2-4 раза, по отношению к DWDM. В настоящий момент еще не получила распространения. В таблице 4.1 показаны сводные данные по технологиям спектрального уплотнения. Таб. 4.1 Сравнительные характеристики технологий WDM. CWDM DWDM HDWDM (грубое СУ) (плотное СУ) (сверхплотное СУ) Шаг каналов 20 нм 1,6 нм 0,4 нм 200, 100, 50 ГГц 25, 12,5 ГГц Используемые диаO, E, S, C, L S, C, L C, L пазоны Число каналов до 18 десятки/сотни десятки Относительная стонизкая высокая высокая имость