1 - тарау. Талшықтық - оптикалық беру жүйелері

1. Талшықтық - оптикалық беру жүйлерін (восп) құру принциптері

Қ азіргі кезде дамыған елдерде байланыс тораптарының барлық участкаларында талыштық - оптикалық беру жүйлері кеңінен қолданылады. Бұған дейін қолданылып келген және қолданылып жүрген мыс сымдар негізіндегі кабельдерден тұратын байланыс жүйлерімен салыстырғанда ВОСП-ның мынадай артықшылықтары бар: бір талшықтық - оптикалық тракт бойынша қажетті сандағы каналдар ұйымдастыруға мүмкіндік беретіндей өткізу алабының (полоса пропускания) кең болуы, сондай-ақ абонентке телефон байланысымен қатар кез келген байланыс қызметін көрсету мүмкіндігінің болуы (телевидения, телефакс, кең алапты радиохабарын, телематикалық және сұраныс қызметі, жарнама, жергілікті байланыс, т.б. қызметтерді көрсету); электромагниттік тосқауылдардың жоғары дәрежеде қорғалушылығы; киломтрлік өшудің аздығы және регенерациялық участкалардың ұзындығын ұзақ етіп ұйымдастыруға мүмкін болуы; мыстың айтарлықтай үнемделуі және оптикалық кабель (ОК) құнының потенциальдық төмен болуы, т.б.

А беру станциясындағы (1.1. сурет) электрлік бірінші реттік сигнал беру жүйесінің (СП) аппаратураларына беріледі. Оның шығысынан топтық сигналдар түйіндестіру жабдықтарына (ОС) беріліп, онда электр сигналы талшықтық - оптикалық тракт бойынша беруге ыңғайлы болатын формаға өзгертіледі. Оптикалық передатчик (ОПер) оптикалық тасымалдаушыны модуляциялау арқылы электрлік сигналды оптикалық сигналға өзгертеді. Оптикалық сигнал оптикалық талшық (ОВ) бойынша таралғанда оның әлсізденуі және бұрмалануы орын алады. Беру қашықтығын арттыру үшін ретрансляциялау участкасы деп аталатын қашықтықтарда күтілетін немесе күтілмейтін аралық станциялар орналастырылады. Оларда сигналдың бұрмалануы коррекцияланады, өшуі толықтырылады.

А ОВ ОВ Б

СП

ОС

ОПер

ОР

ОПр

ОС

СП

1 1 1

2 2

.

N N

Промежу

точная

станция

1. сурет. Талшықтық - оптикалық байланысты ұйымдастыру принципі

Аралық станцияларда ең алдымен электрлік сигналды техникалық тұрғыдан өңдеген тиімді (күшейту, ВОСП аралық станциялары кірісінде оптикалық сигналды электрлік сигналға және оның шығысында керісінше электрлік сигналды оптикалық сигналға өзгертетін құралдардан тұрады. Сонымен қатар аралық станциялардың тек оптикалық кванттық күшейткіштер негізінде құрылуы да мүмкін. Соңғы Б қабылдау станциясында оптикалық сигналды қайтадан электрлік сигналға өзгерту жүзеге асырылады.

Оптикалық тасмалдаушы (несущий) сигналды ақпараттық сигналмен модуляциялау үшін жиліктік, фазалық, амплитудалық модуляциялар, жарықтың интенсивтілігі бойынша модуляциялау (МИ), поляризациялық модуляциялау (ПМ), т.б. қолданылуы мүмкін. Көбінесе оптикалық сәуле шығару интенсивтілігі бойынша модуляциялау әдісі қолданылады. Монохроматикалық оптикалық сәуле шығарудың электрлік өрісінің бекітілген кеңістіктік координаттардағы лездік мағынасын былайша жазуға болады:

Мұндағы Ем - өріс амплитудасы, және оптикалық тасмалдаушының жиілігі мен фазасы. Сонда интенсивтіліктің лездік мағынасы былай жазылады:

ал периоды бойынша орта мағынаға келтіру шамасын береді. Бұл шама орта интенсивтілік немесе орта қуат делінеді интенсивтілік бойынша модуляциялау процесінде C(t) модуляциялаушы сигналға сәйкес осы Р шамасы өзгеретін болады,

яғни P(t) ~ C(t). Оптикалық сәуле шығару толқындық табиғатқа ие бола тұра дискреттік кванттар - фотондар түрлерінде жұтылады және сәулеленеді. Һ - Планк тұрақтылығы. Сондықтан оптикалық сәуле шығару қуатын (Р) фотондар ағынының интенсивтілігі түрінде жазуға болады: Соған сәйкес J(t) ~ C(t)

МИ әдісін қолданудың басты себебі - ол әдіс передатчиктерге қолданылатын жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінде (жарық диодтарында, лазерлік диодтарда) кең диапозонда қарапайым техникалық құралдар көмегімен жүзеге асырыла алады. Жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінің интенсивтілігін өзгерту үшін модуляциялаушы сигналға сәйкес инсекция (накачка) тогын өзгерту жеткілікті. Токты өзгерту ток күшейткіші сияқты электрондық қоздыру схемасы көмегімен жүзеге асырылады. Оптикалық сәуле шығарудың интенсивтілігі бойынша модуляциялау әдісі қолданылғанда оны (оптикалық сигналды) кері электрлік сигналға өзгерту мәселесі де қарапайым әдіс арқылы шешіледі. Шындығында да фотоқабылдағыш құрамына кіретін фотодетектор квадраттық құрал болып табылады, яғни оның шығыс тогы оптикалық өріс амплитудасының квадратына, басқаша айтқанда фото сезгіш бетке түсетін оптикалық сигнал қуатына тура пропорционал болады.

Оптикалық сигналды қабылдаудың осы қарастырылған принциптері тікелей фотодетекторлау әдісіне қатысты (когеренттік емес, энергетикалық қабылдау). Қабылдаудың басқа әдісі - фотоығысу (фотосмещение) әдісі болып табылады (когеренттік, гетеродиндік және гомодиндік қабылдау).

Тікелей детекторлау әдісімен салыстырғанда гетеродиндік әдіс күрделі болады. Мұнда гетеродиндік сәуле шығару өрісінің толқындық фронтын сигнал өрісінің толқындық фронтымен беттестіруге тура келеді. Суммарлық өрісті фотодетекторлау қорытындысында аралық жиіліктегі сигнал ажыратылып алынады. Оның жиілігі, амплитудасы және фазасы қабылданатын оптикалық сигналдың көрсетілген параметрлеріне сәйкес келеді. Гомодиндік қабылдаудың гетеродиндік қабылдаудан айырмашылығы сол - мұнда гетеродин мен передатчиктің сәуле шығару жиіліктері бір - біріне дәл келеді. Бұл әдістің қолданылуы сигнал - шуыл қатынасын 3 дБ-ге дейін жақсартады. Бірақ лазерлік гетеродиннің жиілігін фазасы бойынша автоматты түрде бабына келтіріп отыру (автоподстройка) қажет болатындықтан гомодиндік әдісті практикада іске асыру өте күрделі.

Қазіргі уақытта ВОСП-ның соңғы аппаратуралары ретінде берудің цифрлық жүйесі пайдаланылады. Мұның басты себебі - цифрлық беру жүйесінің аналогтық жүйемен салыстырғанда бірқатар артықшылығы: тосқауылға төзімділігінің жоғарлығы; беру сапасының желілік тракт ұзындығына тәуелділігінің аздығы; техникалық экономикалық көрсеткіштерінің жоғарылығы, т.б. Оптикалық сәуле шығару көздерінің сызықтық еместігінің және тосқауылдан сақтануды қамтамасыз етудің техникалық күрделілігі себебінен әзірше талшықтық - оптикалық тракттарда аналогтық беру жүйесі пайдаланылмайды. Бірақ аналогтық ВОСП аймағындағы зерттеулер бірқатар салаларда (оптикалық кабельдік телевидениеде, телеметрияда, оперативтік және қызмет бабы байланыстарында) оның тиімді болатындығын көрсетеді.

Қазіргі уақытта ВОСП екі талшықты, бір алапты, бір кабельді түрде құрылады. (1.2-сурет). Мұндай құрылымда беру және қабылдау екі талшық бойынша бөлек ұйымдастырылады және толқын ұзындықтары бір ұзындықта болады. Оптикалық талшық екі символдық физикалық тізбектің эквиваленті болып табылады. Оптикалық талшықтардың өзара ықпалы өте аз болатындықтан әртүрлі жүйенің беру және қабылдау тракттарын бір кабель бойынша ұйымдастырылады, яғни ВОСП бір кабельді болып табылады.

СП

ОС

ОПер

ОПр

ОС

СП



1 1

2 2

3 . 3

. .

ОС

ОПер

ОПер

ОС

. 1  .

N N

1.2 - сурет. Екі талшықты бір алыпты, бір кабельді ВОСП құру принципі.

Мұндай схеманың артықшылығы - беру және қабылдау, аралық және соңғы жабдықтарының бір типте болуы. Айтарлықтай кемшілігі - оптикалық талшықтың өткізу қабілетін пайдалану коэффициентінің төмендігі.

Кабельдік жабдықтарға жұмсалатын шығындар ВОСП құнының үлкен бөлігін құрайтындықтан, ал оптикалық кабельдің бағасы қазіргі кезде айтарлықтай жоғары екендігін ескеріп, оптикалық талшық арқылы бір мезгілде берілетін аппараттар көлемін арттыру арқылы оның пайдалану тиімділігін арттыру мәселесі алға қойылады. Оны шешу үшін бір оптикалық талшық арқылы бір-біріне қарсы бағытта (екі бағытта) ақпараттар беруді ұйымдастыруға болады. Мұндай жағдайда соңғы (ақырғы) станцияларда оптикалық ажыратушы (развязывающие) құрылғылар (ОРУ) және желілерде аралық коррекциялаушы күшейткіштер (ПКУ) пайдаланылады (1.3 - сурет). Мұндай схеманың басты ерекшелігі - оптикалық талшықты бір ұзындықтағы толқындар арқылы екі бағытта сигналдар беру үшін пайдалану.

СП

ОС

ОПер

ОС

ОПр

СП

1 1

2   2

ОРУ

ПКУ

ОРУ

3 3

ОС

ОПр

ОПер

ОС

 

N N

1.3-сурет. Бір талшықты екі алапты бір кабельді ВОСП құру принциптері.

Екі жақты (дублекстік) жүйенің принципиальдық ерекшелігі - бір-біріне қарсы бағытта (переходных) тосқауылдардың болуы, өтуші тосқауылдар оптикалық талшықта рэлеевтік кері шашыраулар есебінен пісіріп қосылған орындардан, желілер аяғында разъемдік қосылыстардан шағылысудан пайда болады. Кері шашырау тосқауылдарын тұрақты және жиілікке тәуелді болатын айнымалы түрлерге бөлуге болады. Олардың фотоқабылдағыш құрылғысының сезімділігіне тигізетін әсері әртүрлі. 1.1 - таблицада өтуші өшудің А₀ тұрақты құраушысы есептеудің қорытындысы келтірілген.

1.1 таблица

		Ас, дБ талшық үшін
		көпмодалық	бірмодалық
0,85 1,3 1,55	2,3 1,0 0,3	29 33 31	35 39 37

Таблицадан А0 = 39 дБ максимальдық мағынасы бірмодалық талшықта (ОВВ)  = 1,3 мкм толқынға сәйкес келетінін көреміз.

А, дБ 80 60 40 20 103 104 105 106 107 108 В, бит/с а)

А, дБ 80 60 40 20 103 104 105 106 107 108 В, бит/с б)

1.4 - сурет. Айнымалы құраушының өтуші өшулерінің ақпаратты беру жылдамдығына тәуелділігі: а- көпмодалық; б- бірмодалық талшықтар үшін.

1.4 - суреттен айнымалы құраушының өтуші өшулерінің ақпаратты беру В жылдамдығына тәуелділіктерінің графиктері келтірілген. Ақпаратты беру жылдамдығының артуына қарай А мағынасы да артады. Ол максимальдық мағынасына  = 1,55 мкм диапазонында ие болады. Тосқауылдың айнымалы құраушы деңгейі В артқан сайын кемиді, оның тактігі шамамен 10 дБ /окт. Екі жақты ВОСП-да өтуші тосқауыл деңгейі минимальды шамада болатын тиімді (оптимальный) режим  = 1,55 мкм және ОВВ-да ақпарат беру жылдамдығы 35 мбит/с-дан жоғары болғанда қалыптасады.

СП

ОС

ОПер

ОС

СП

ОПр

₁  ₁

 ₂ _1, ₂

СП

ОС

ОПер

ОС

СП

ОПр

…_n

МП

ДМ

₂

ОПр

ОС

СП

СП

ОС

ОПер

 _n  _n

1.5 - сурет. ВОСП - СР құрылым схемасы.

ВОСП-ның спектральдық бөлінетін түрі ерекшелеу болып табылады (ВОСП-СР). Мұндай жүйелер бір талшықты көп алапты бір кабельді түрде құрылады (1.5 - сурет). Жүйенің беруші жағына берудің п жүйесінен электрлік сигналдар толқын ұзындықтары 1, 2 … _П болатын оптикалық тасымалдаушылар дайындайтын сәуле шығарғыштарға беріледі. МП - мультиплексорлар және ДМ - демультиплексорлар көмегімен тасымалдаушы оптикалық сәулелер беру жағында бір оптикалық талшыққа беріліп, қабылдау жағында одан бөлініп алынады. Осылайша бір оптикалық талшық арқылы спектральдық бөлінген п оптикалық канал ұйымдастырылып, талшықтың өткізу қабілетін пайдалану коэффициенті айтарлықтай арттырылады. Мұндай жүйенің құрылу мүмкіндігі оптикалық кабельдің өшу коэффицентінің пайдаланылатын спектральдық диапазон шегінде, оптикалық тасмалдаушының жиілігіне (немесе толқын ұзындығына) аз дәрежеде тәуелді болатындығына негізделеді.

Мультиплексор мен демультиплексорлардың жұмыс істеу принциптері - дисперция, дифракция және интерфракция сияқты белгілі физикалық оптика құрылыстарына негізделген.

₁,₂ ₁

₂ ₁ ₂

₁,₂

1.6 - сурет көп қабатты 1.7-сурет. Дифракциялық

диэлектрикке негізделген торға негізделген

мультиплексор. мульти плексор

Көп қабатты құрылымдарда (1.6-сурет) толқынның мөлдірлік зонасын және оның кеңдігін таңдап алуға болады. Мультиплексор дегеніміз екі жағынан стержиндік линзалармен қысылған көп қабатты диэлектрлік құрылым. Линзалардың шеткі ұштарының (торцевые) беттері сәуле жұтатын диэлектрлік қабаттармен жабылған. Линзаның және талшықтың оптикалық өрістері бір - бірінен ығысқан Көп жағдайда бұл құрылғы мынандай сипаттамаларға ие болады: толқындар саны - 2-6,тура шығындары -2 5 дБ, өтуші өшуі - 20 40 дБ, толқын ұзындықтары арасындығы интервалдар 30 100 нм.

Дифракциялық торға негізделген мультиплексорларда (1.7-сурет) шағылыстырушы типтегі дифракциялық тор арқылы өтетін сәуле дифракциясы бұрышының толқын ұзындығына тәуелділігі пайдаланылады. Осыдан барып, оптикалық талшық ұшын әртүрлі ұзындықтардағы толқындарға сәйкес жарық таңбасы пайда болатын орындарға орналастыру арқылы жарық толқындарын ұзындықтарына қарай ажыратып алуға болады. Конструктивтік тұрғыдан мұндай МП былай орындалады. Стержендік линзаның бір мүсініне (торец) шағылыстырушы дифракциялық тор жапсырылады. Фильтирдің ажыратушы қасиеті дифракциялық тордың толқын ұзындығы және кіріс - шығыс оптикалық талшықтардың диаметрлері бойынша таңдап алу қасиетімен анықталады. Өткізу алабының кеңдігі өзекше диаметріне тура пропорционал болады. Сондықтан оны кеңейту үшін кіріс және шығыс оптикалық талшықтардың диаметрлерін үлкен етіп алады. Дифракциялық торларға негізделген мультиплексорлардың мынандай сипаттамалары бар: мөлдірлік алабы - 20 нм. Тура шығындары 4 дБ-ден көп емес, өтуші өшуі -40 дБ.

Оптикалық талшық ішіндегі оптикалық энергияның жоғары тығыздығы сызықтық емес эффектісінің айтарлықтай дәрежеде байқалуына апарып соғады. ВОСП-СР-да олардың арасынан анығырақ байқалатыны - комбинациялық шашыру салдарынан туындайтын күшейту эффекті (УВКР). Ол оптикалық тасымалдаушының талшық заттарының оптикалық фотондары арасындағы резонанстық өзара әрекеттер себебінен пайда болады. УВКР эффектісі қорытындысында әртүрлі оптикалық каналдардың сигналдары арасында өзара әрекеттер пайда болады. Соның себебінен толқын ұзындықтары кіші оптикалық тасмалдаушылардың қуаты кеміп, толқын ұзындықтары үлкен оптикалық тасымалдаушылардың қуаты артады. ВОСП-СР-дағы УВКР эффектінен пайда болатын айқасушы (перекрестные) тосқауылдар сигнал - шуыл шартты қатынасымен сипатталады. С/Ш = 10 lg P₁ / P_i - P₁ мұндағы талшық ішіндегі бір оптикалық тасмалдаушының оптикалық сигналдарының қуаты; P₁ - УВКР тосқауылы бар кездегі сондай қуат. 8.8 - суретте әртүрлі үшін P₁ - P₂ , = 1,55 мкм, ұзындығы 50 км екі каналды ВОСП-СР үшін сигнал - шуыл қатынасының енгізілетін сәуленің қуатына тәуелділігі және енгізілетін сәуленің P_i қуатының әртүрлі деңгейлеріндегі оптикалық тасмалдаушының алшақтықтарына (разное) тәуелділігі көрсетілген.

С/Ш, дБ 32 мм 24 50 мм 16 110 мм 8 10 20 30 40 50 Рі (0), мВт а)

С/Ш, дБ Рі (0) =1 мВт 32 0,5 мВТ 24 20 мВт 16 8 20 40 60 80 100  нм б)

1.8-сурет. С/Ш қатынасының енгізілетін сәуленің қуатына (а) және оптикалық тасмалдаушының алшақтығына тәуелділігі.

Тәуелділіктерге талдау жасай отырып ВОСП-СР-да сәуле шығару қуатының шамалы деңгейінде-ақ (бірнеше МВЖ) УВКР тосқауылын айтарлықтай дәрежеде төмендетуге болатынын көреміз. Бірақ спектральдық тасамлдаушылардың алшақтығы 10 нм-нен аспауы тиіс. Мұның өзі ВОСП-СР-да мультиплексорлар мен демодуляторларды, сондай-ақ толқын ұзындықтары бойынша жоғары шешуші қабілеті бар сәуле шығарғыштарды пайдаланудың тиімділігін көрсетеді. Бұл айтылған шарт тасымалдаушыларының алшақтығы минимальды болатын энергетикалық потенциалға және жүйенің кең алаптылығына негізделген ВОСП-СР құрудың нұсқауымен үйлеседі.

УВКР-ге негізделген сигнал - шуыл қатынасының өзгеруі оптикалық талшықтық бастапқы участкасында көбірек байқалады және іс жүзінде берілетін сигнал қуатының деңгейіне тәуелді болмайды. Талшық ұзындығы 15 км-ден асқасын УВКР эффектісінің ықпалы тұрақтанады.