 |
|
Обобщенная структурная схема цифровой волоконно-оптической системы передачи
В состав любой ВОСП входят следующие технические средства:
1) каналообразующее оборудование (КООпер) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи;
2) оборудование сопряжения (ОСпер) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика;
3) оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) - оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОСпер, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ);
4) оптический кабель, волокна которого (ОВ) служат средой распространения оптического излучения;
5) оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала и коррекцию различного вида искажений; ОР могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР производится обработка (усиление, коррекция, регенерация и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей;
6) оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптического излучения и преобразование его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляют приемный оптический модуль (ПРОМ);
7) оборудование сопряжения (ОСпр) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО;
8) каналообразующее оборудование (КООпр) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.
Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис. 7.1.
Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции и модуляцию по интенсивности (МИ) и др. Чаще всего при построении цифровых волоконно-оптических систем передачи (ЦВОСП) применяется МИ. Это связано с тем, что использование МИ приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический, т.е. демодуляции.
Рис. 7.1. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а - структурная схема тракта передачи ВОСП; б - структурная схема тракта приема ВОСП
При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде
(7.1)
где 
- амплитуда поля; 
и 
- соответственно частота и фаза оптической несущей.
Тогда значение интенсивности оптического излучения, усредненное по периоду 
, называемое средней интенсивностью или мощностью оптического излучения, будет равно
(7.2)
При МИ именно величина 
изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.
Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов - фотонов с энергией hf0, где h - постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью потока фотонов (числом фотонов в единицу времени) J=P/hf0, которая и модулируется многоканальным сигналом.
Волоконно-оптические системы передачи можно классифицировать по ряду параметров и характеристик, основными из которых являются следующие.
1. В зависимости от применяемого каналообразующего оборудования ВОСП делятся на:
- аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);
- цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей. Самое широкое применение находят ЦВОСП.
2. В зависимости от способа модуляции оптического излучения ВОСП подразделяются на:
- волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемые в большинстве ЦВОСП;
- волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.
3. В зависимости от способа приема или демодуляции оптического сигнала ВОСП классифицируются:
- на волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;
- когерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемого на промежуточной частоте.
При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты fc на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой fг, на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота fпром=fc - fг, на которой и осуществляются дальнейшие пребразования оптического сигнала в электрический.
4. По способу организации двусторонней связи ВОСП подразделяются на:
а). Двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведется по двум ОВ на одной длине волны λ. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. такие ВОСП являются однокабельными однополосными. Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП показан на рис. 7.2, где использованы следующие обозначения: КОО - каналообразующее оборудование; ОС - оборудование сопряжения; ОПер - оптический передатчик; ОВ - оптическое волокно; ОПр - оптический приемник.
Рис. 7.2. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП
Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.
б). Одноволоконную однополосную однокабельную (рис. 7.3), особенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны.
Рис. 7.3. Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП
На рис. 7.3 к ранее принятым обозначениям добавилось следующее: ОРУ - оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направляемой волны оптического излучения.
в). Одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения λ1, а в другом – λ2; разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. Обобщенная схема такого способа организации двусторонней связи приведена на рис. 7.4, где ОФλ1,2 - направляющие оптические фильтры.
Рис. 7.4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП
5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на:
а). Магистральные ВОСП, предназначенные для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющие между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.
б). Зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600 км.
в). ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях.
г). ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.
6. По методам уплотнения оптического волокна, в основе которых лежит процесс мультиплексирования, т.е. одновременной передачи нескольких потоков светового излучения по одному волокну, ВОСП подразделяются на ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн (wavelength - division multiplexing, WDW), при котором по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием.
Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соответствующего окна прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей.
Обобщенная структурная схема оконечного оборудования системы передачи ЦВОСП представлена на рис. 7.5. В данной схеме представлены основные устройства, общие для цифровых ВОСП различного назначения, обеспечивающие формирование, передачу и прием передаваемого по линейному тракту сигнала. Оборудование управления и контроля в блок-схему не включено.
Рис. 7.5. Обобщенная структурная схема ВОСП
В состав схемы входят следующие блоки: 1 - блок преобразования входного сигнала в ИКМ-последовательность (каналообразующий блок), выполняющий все необходимые преобразования: дискретизацию, квантование, линейную (или нелинейную, если нужно) кодификацию и помехоустойчивое кодирование; 2 - блок временного группообразования компонентных сигналов (фреймов/трибов) PDH требуемого уровня иерархии; 3 - интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, поступающих на временное мультиплексирование SDH, осуществляющий все необходимые функции, в том числе ввода/вывода, локальной кросс-коммутации и т.д.; 4 - блок мультиплексирования SDH, осуществляющий логическое формирование модуля STM-N требуемого уровня в данной иерархии; 5 - оптический интерфейсный блок, преобразующий логическую импульсную последовательность в физическую последовательность STM-N (выполняет все необходимые преобразования по формированию заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового), а также интерфейсное кодирование); 6 - передающий блок, осуществляющий все необходимые преобразования, в том числе модуляцию источника несущего излучения (лазера) и линейное кодирование; 7 - блок волнового мультиплексирования WDM (необязательный блок), формирующий многоканальную волновую последовательность, если в этом есть необходимость; 8 - мощный оптический усилитель (бустер) МУ (необязательный блок), осуществляющий усиление оптической цифровой последовательности до уровня, требуемого для создания необходимой мощности; 9 - оптический линейный усилитель ЛУ (необязательный блок), осуществляющий оптическое усиление сигнала на участке регенерации; 10 - оптический предусилитель (необязательный блок), осуществляющий усиление входного сигнала на приемном конце и используемый при необходимости дополнительного усиления; 11 - демультиплексор WDM, если в схеме ВОСП используется волновое мультиплексирование; 12 - оптический приемник -блок, осуществляющий прием сигнала, т.е. реализующий функции, обратные передатчику, плюс дополнительные функции, например фильтрацию оптических несущих, если используется технология WDM; 13 - оптический интерфейсный блок, преобразующий физическую последовательность, эквивалентную модулю STM-N, в логическую импульсную последовательность (выполняет все необходимые обратные по отношению к блоку 5 преобразования по декодированию интерфейсного кода и интерпретации заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового)); 14 - блок демультиплексирования SDH, осуществляющий логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH (т. е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 4); 15 -интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, осуществляющий все необходимые функции и преобразования, обратные осуществляемым в блоке 3; 16 - блок разборки группового сигнала (фрейма/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например Е1, и выделение нужного тайм-слота (т.е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 2); 17 - блок преобразования ИКМ-последовательности в выходной сигнал, выполняющий все необходимые обратные преобразования: помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала (т. е. преобразования, обратные осуществляемым в блоке 1).
При дуплексной передаче необходимо иметь двойной комплект оборудования для осуществления операций приема-передачи на обоих концах.