Оптоволоконные системы в телекоммуникациях

Конструкция волоконно-оптического кабеля. Распространение различных мод по оптоволокну. Лучевой подход распределения света по оптическому волокну. Затухание световых сигналов. Мультиплексирование с разделением по длине волны. Подводные кабельные системы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Лекция 1. Введение. Передача сигнала по оптическому волокну

Требования к полосе пропускания

Оптическое волокно -- среда передачи, используемая в современных наземных сетях связи. Оно позволяет передавать огромное количество информации. Если сопоставить его полосу пропускания и емкость канала связи, считая что 1 бит/с соответствует 1 герцу полосы, то можно прийти к выводу, емкость такого канала близка к бесконечности. Фактически, весь используемый радиочастотный спектр (считаем, что он укладывается в полосу 3 кГц - 200 ГГц) может быть передан по одному волокну.

Оптическое волокно хорошо вписывается в схему цифровой передачи. Например, передача по коаксиальному кабелю и паре проводов требует значительно больше повторителей (регенераторов) на условную единицу длины, чем если бы она велась по оптическому волокну. Это соотношение колеблется от 20:1 до 100:1. В результате, накопленный джиттер (дрожание фазы фронтов импульсов) при передаче по оптоволокну значительно меньше, чем при передаче по медным проводам. Это происходит потому, что накопленный систематический джиттер является функцией числа последовательно включенных повторителей.

При современной технологии емкость волокна (эквивалентная битовой скорости) может достигать 10 Гбит/с в расчете на один битовый поток. Используя при этом технологию волнового мультиплексирования можно пропить по одному волокну не менее 80 таких потоков. Простое умножение дает нам цифру эквивалентной емкости 800 Гбит/с. Значит то же умножение 80, но на 40, дает нам цифру эквивалентной емкости 3,2 Тбит/с на одно волокно. Предположим, что волоконно-оптический кабель (ВОК) имеет 24 волокна, из которых 4 резервных. Тогда оставшиеся 20, позволяют организовать 10 симметричных полнодуплексных (двунаправленных) канала. Таким образом, при емкости 3,2 Тбит/с на волокно, получаем общую емкость ВОК в 32 Тбит/с. Эта емкость могла бы удовлетворить на некоторое время предъявляемые в настоящее время требования по емкости канала связи.

При самой сложной технике кодирования (упаковки) и использовании 18 ГГц несущей в полосе 40 МГц можно передать в настоящее время поток в 655 Мбит/с. Если допустить передачу по 10 таких несущих в одну и в другую стороны, то общая транспортная емкость такой системы будет равна 6 Гбит/ с, что составит всего 1/500 емкости, передаваемой по одному ВОК. При этом, конечно, волоконно-оптическая система передачи (ВОСП), использующая современные методы, не использует аналогичную технику упаковки бит.

В таблице 1 приведено сравнение аналогичных рисунку 2 блоков. В ней приведены блоки, последовательно формирующие указанную выше модель. Это сравнение показывает, что во многих отношениях ВОСП не так уж существенно отличается от проводной (медно-жильной) системы или радиосистемы передачи.

Операции в блоках могут быть аналоговыми или цифровыми. Многие кабельные телевизионные системы используют аналоговый формат, со временем, однако, он все больше меняется на цифровой. Другая форму аналоговых приложений - передача радиосигналов в их естественной форме без использования частотной модуляции.

Возвращаясь к рисунку 2, опишем кратко функцию каждого блока на блок-схеме, двигаясь слева направо. Электрооптический преобразователь (ЭОП) преобразует цифровой электрический сигнал в оптический NRZ- или RZ-сигнал или сигнал, использующий манчестерский код. Он также устанавливает требуемый уровень постоянного смещения входных импульсов.

Таблица 1 - Сравнение по методу аналогий

Волоконно-оптическая линия связи	Радио/беспроводная/ проводная линия связи	Комментарий
Электрооптический преобразователь Источник оптического сигнала Волоконно-оптическая среда передачи Детектор оптического сигнала Схема формирования выходного сигнала	Модулятор или формирователь сигнала Источник сигнала (передатчик или модем) Передача радиосигнала через атмосферу или радио/аудио сигнала по медным проводам Приемник или демодулятор модема Выход приемника или модема и формирователь сигнала	Все три случая требуют како-го-то преобразования формы сигнала, напр., AMI b NRZ Выход источника сигнала, как правило низкого уровня Порог срабатывания приемника во всех 3 случаях определяет показатели ошибок

В некоторых местах по ходу изложения этот источник назван передатчиком. Существуют два различных источника света, широко используемых сегодня на практике: светоизлучающий диод -- СИД (LED) и лазерный диод -- ЛД (LD). Оба источника относятся к устройствам со сравнительно низким уровнем выхода, лежащим в диапазоне от -10 дБм до +6 дБм. Они используют модуляцию по интенсивности, которую мы, при первом знакомстве, будем называть модуляцией типа включено-выключено.

Этот источник соединяется с детектором светового сигнала на удаленном конце через одно из оптических волокон в ВОК (другие волокна используются для других целей, в том числе и для резервирования). Оптические волокна внутри кабеля могут быть как одномодовыми, так и многомодовыми. Физические размеры волокна (диаметр его сердцевины) определяют какого оно типа. Существуют как экономические, так и эксплуатационные соображения, которые могут определять, какой тип волокна нужно использовать для конкретного проекта.

Литература

Осн. 1. [стр. 90-95]

Доп.24. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1) Что такое оптическое волокно?

2) До скольки может достич эквивалентная битовая скорость волокна?

3) Перспективность волоконно-оптических линии передачи.

Лекция 2. Структурная схема ВОСП

Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.

Перспективность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенностью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10--150 км вместо 2--6 км); небольшими размерами кабеля.

Структурная схема ВОЛП показана на рисунке 1. Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (ОВ): по одному передаются сигналы в направлении от А к Б, по другому -- в обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназначен для преобразования оптических сигналов в электрические.

Рисунок 1 - Структурная схема ВОЛП

Основными элементами приемопередающих модулей являются источник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные промежутки включены линейные регенераторы, а в случае использования волнового уплотнения оптических волокон -- оптические усилители.

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник оптического излучения. Основным элементом передающего оптоэлектронного модуля является источник оптического излучения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой.

При переходе атома с более высокого энергетического уровня (Е2) на более низкий (Е1) происходит излучение на частоте щ = (Е2 - E1)·h, где h = 1,05 10-34 Дж·с -- постоянная Планка. Переходы с верхнего уровня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что характерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а также спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).

Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонаправленным, ширина спектра излучения составляет (20--40) нм. Суперлюминесцентные светодиоды имеют более высоку...