11.2. Достоинства и применение оптических линий связи

Быстрое и широкое внедрение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) обусловлено рядом причин. Среди них:

• возможность получения оптических волокон с низкими значениями затухания и дисперсии, что позволяет увеличивать расстояние между ретрансляторами;

• пренебрежимо малые перекрестные помехи;

• высокая скрытность связи (ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну);

• невосприимчивость к электромагнитным помехам;

• малые диаметр и масса при высокой информационной пропускной способности.

Область возможных применений волоконно-оптических линий связи весьма широка. Прежде всего, это телефонная связь. В настоящее время оптические системы широко используются в городских линиях связи, работающих на длине волны 0,85 и 1,3 мкм. Построены зоновые оптические линии внутриобластной связи. В них используются длины волн 1,3 и 1,55 мкм. Междугородняя (магистральная) связь осуществляется на длине волны 1,55 мкм по одномодовым кабелям. Существуют сверхдальние волоконно-оптические линии, проложенные по дну океанов.

Весьма перспективно применение ВОСП в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. Развитие получит также и видиотелефонная связь.

Оптические кабели применяют также на высоковольтных линиях передачи для организации каналов технологической связи и телемеханики.

В последние годы получили широкое развитие внутриобъектовые структурированные оптические кабельные системы.

Перспективная область применения оптических линий - высокоскоростная связь внутри мощных ЭВМ, между ЭВМ и терминалами, между отдельными ЭВМ, Интернет.

Представляет интерес использование оптических кабелей в системах управления производственными процессами в условиях повышенной опасности для человека, в условиях сильных электромагнитных помех.

Высокая помехозащищенность, высокая скорость, малая масса и габаритные размеры особенно важны в бортовой радиоэлектронной аппаратуре.

11.3. Построение волоконно-оптических систем передачи

Волоконно-оптические системы состоят из трех основных модулей: передающего, приемного и тракта передачи.

Передающий модуль включает в себя высокоскоростной модулятор оптического излучения и непосредственно источник света - полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД), либо полупроводниковый лазер (ЛД).

Приемный модуль состоит из полупроводникового фотоприемника (р-i-п- фотодиод или лавинный фотодиод), подключенного к электрической схеме обработки сигнала.

Тракт передачи содержит оптические элементы ввода излучения в волокно, само волокно и элементы связи волокна с фотоприемником. По сути дела, волокно представляет собой кабельную линию связи, передающую информацию на очень высокой частоте. Основное отличие от традиционных металлических кабелей связи состоит в том, что волоконно-оптический кабель выполнен из дешевых диэлектрических материалов, получаемых из широко распространенных в природе элементов, в то время как применяемые в настоящее время кабель и провода содержат остродефицитную медь.

Рассмотрим структуру оптической линии связи и принципы передачи информации с использованием светового луча.

В блоке передатчика (рис. 11.1) должен быть источник света 1 и модулятор 2. Полезная информация, поданная в виде низкочастотных электрических сигналов от микрофона 7 к блоку управления 6 и далее на модулятор, модулирует излучение источника света. Световые импульсы с выхода передатчика принимаются блоком приемника 3. После их преобразования в электрические сигналы, усиления и демодуляции детектором 5 на выходе приемника получаются низкочастотные сигналы, содержащие полезную информацию. Эти сигналы поступают на телефон 4.

Объем информации, передаваемый по оптической линии связи, в сильной степени зависит от того, как передаваемое сообщение преобразуется в оптический сигнал. Простейший способ преобразования заключается в аналоговой модуляции излучения источника передаваемым сигналом. При таком способе интенсивность (амплитуда), фаза, частота или поляризация излучения изменяется непрерывно, в полном соответствии с изменением параметров передаваемого сообщения. Системы с модуляцией интенсивности просты в исполнении, но в них не эффективно используется мощность лазерного передатчика и велики искажения при распространении излучения по линии связи. Модуляция фазы и частоты лазерного излучения связана со значительными техническими трудностями.

В оптическом диапазоне для модуляции интенсивности и частоты излучения используют электро-, акустооптический или пьезоэлектрический эффект, а для модуляции фазы и поляризации - магнито- или электрооптический эффект. Частотную модуляцию можно также осуществить на основе эффекта Зеемана или Штарка, либо изменением длины резонатора.

Д ля того чтобы повысить отношение сигнал/шум, уменьшить влияние нелинейности модуляционных характеристик модулятора и нелинейных искажений, вносимых передатчиком и приемником, а также обеспечить скрытность передачи информации, применяют импульсную модуляцию.

При фазоимпульсной модуляции аналоговый электрический сигнал предварительно преобразуется в последовательность импульсов (рис. 11.2). Положение отдельных импульсов в этой последовательности меняется в зависимости от значения входного сигнала в соответствующие моменты времени. При наличии сообщения (сигнала) импульс, проходящий в момент времени t₁, смещается на время Δ t₁, пропорциональное значению передаваемого сигнала в момент времени t₁, импульс, проходящий в момент времени t₂, смещается на время Δ t₂ и т.д. Эти импульсы управляют интенсивностью излучения источника, и на выходе передатчика создается соответствующая последовательность световых импульсов.

Прием этих импульсов может происходить по-разному. При непосредственном приеме импульсы попадают на фотоприемник, и на выходе приемного устройства получаются электрические сигналы низкой частоты.

Возможен и супергетеродинный прием оптических сигналов, при котором вместе с сигнальным световым излучением частотой f_с на фотоприемник поступает дополнительный световой пучок частотой f_г от специального лазерного источника - гетеродина (рис. 11.3).

Ф ототок приемника пропорционален интенсивности падающего на него света, т. е. квадрату амплитуды световой волны. Благодаря такой квадратичной зависимости при сложении колебаний с частотами f_с и f_г возникают биения с разностной (промежуточной) частотой f_б = f_с - f_г. На эту частоту настроен усилитель, который усиливает и фильтрует сигнал. Далее либо используется демодулятор, выделяющий сигнал частотой f_с, либо сигнал обрабатывается иным способом.

Гетеродинный прием обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с методом прямого усиления и сохраняет информацию о частоте и фазе принимаемого излучения, но требует когерентности излучения лазерного передатчика и лазерного гетеродина. Возможен и гомодинный прием, при котором также производится оптическое смещение, однако частота излучения дополнительного лазера совпадает с несущей частотой информационного сигнала. Выходной сигнал гомодинного фотоприемника является непосредственно информационным сигналом, и дополнительной демодуляции не требуется.

Для того чтобы исключить потери информации при фазоимпульсной модуляции, частота следования импульсов должна не менее чем в два раза превышать верхнюю частоту спектра передаваемого аналогового сигнала. Допустим, например, что для передачи сообщения необходима полоса частот 300...4000 Гц. Тогда частота следования импульсов должна быть не менее 8000 Гц. Следовательно, необходимы импульсы длительностью τ=1/8000 =0,125∙10^-3 с =125 мкс.

В современных системах оптической связи используют цифровые методы передачи информации, обеспечивающие более высокую помехозащищенность канала связи и меньшую чувствительность к нелинейным искажениям. Кроме того, цифровые методы позволяют широко использовать ЭВМ для обработки сигналов и отображения информации, а также для контроля каналов передачи данных и управления каналами.

П роцесс преобразования аналогового сигнала в цифровой включает в себя две основные стадии - дискретизацию и квантование (рис. 11.4).

На стадии дискретизации область значений сигнала (сообщения), изображенного на рис. 11.4, а, делится на большое число ступеней, каждой из которых соответствует дискретный сигнал. Достигается это за счет формирования последовательности импульсов малой длительности, пиковые значения которых соответствуют значению непрерывного сигнала в моменты отсчета (11.4, 6).

На второй стадии - квантовании (рис. 11.4, б) двоичное кодирующее устройство преобразует импульсы в последовательность п импульсов вида ноль и единица («да» и «нет»), причем характер следования нулей и единиц зависит от амплитуды передаваемого импульса.

В оптических системах передачи используют частотный и временной методы разделения каналов (мультиплексирование).

Наибольшее распространение получило мультиплексирование с временным разделением N каналов после операции дискретизации. В интервале между двумя последовательными импульсами одного канала передаются импульсы дискретизации других независимых каналов. В результате образуется последовательность N импульсов. При цифровой передаче сигналов требуется восстанавливать в приемнике не только двоичные элементы, идентичные переданным, но и информацию о синхронизации по частоте и фазе, необходимую для четкой работы приемника и задания точного времени выполнения операций по принятию решения, цифро-аналоговому преобразованию и разделению информационных каналов. Обычно синхросигнал передается в цифровой форме по специальному каналу, уплотняемому вместе с информационными. Иногда необходимо добавлять и другие сервисные каналы.

Еще один способ мультиплексирования - частотный, или оптический. При таком способе в блоке передатчика должно быть два источника излучения с длиной волны λ₁ и λ₂. Электрические сигналы А₁, А₂ и В₁, В₂ подаются в этом случае на разные входы 1 и 2 передатчика 3 и преобразуются в нем в последовательности оптических импульсов (рис. 11.5). Далее сигналы А₁ и А₂ передаются по световоду 4 излучением с длиной волны λ₁, а сигналы В₁ и В₂ — излучением с длиной волны λ₂. В блоке приемника 5 демультиплексор разделяет прошедшее по линии связи излучение на пучки с длиной волны λ₁ и λ₂, которые регистрируются двумя различными детекторами и подаются соответственно на в ыходы 1' и 2'.

Во всех случаях оптической передачи электрический сигнал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую, и в модулированном виде сигналы передаются по оптическому кабелю. В основном используют способ модуляции интенсивности оптической несущей, при котором от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.

Применяется, как правило, цифровая (импульсная) передача, т.к. аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей.

Т аким образом, наиболее распространенной волоконно-оптической системой связи является цифровая система с временным разделением каналов с импульсно-кодовой модуляцией, использующая модуляцию интенсивности излучения источника.

Оптическую линию связи можно использовать и для передачи сообщений во встречных направлениях. Такая система носит название дуплексной (рис. 11.6). При дуплексной передаче используют излучение с разной длиной волны.