Методы уплотнения в восп
В ВОСП применяют временное, пространственное, частотное и спектральное уплотнения.
Временное уплотнение. Данный метод предполагает объединение нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть осуществлено как на уровне электрических, так и на уровне оптических сигналов. Схема, реализующая первый вариант, показана на рисунке 1.7.
Рис. 1.7. Временное уплотнение на уровне электрических сигналов
При объединении электрических сигналов, поступающих на входы А и В (может быть N источников), с помощью устройства объединения (УО) эти сигналы суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал. Групповой сигнал в оптическом передатчике ОПер модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по оптическому волокну ОВ и в оптическом приемнике ОПр вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем он разделяется устройством разделения (УР) на два, подобных входным, которые поступают на выходы А и В.
Объединение на уровне оптических сигналов поясняется рисунком 1.8. Электрические цифровые потоки от N источников поступают на N оптических передатчиков, в которых электрические сигналы преобразуются в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на t; 2t; Зt (N 1)t. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование.
Рис. 1.8. Временное уплотнение на уровне оптических сигналов
При временном уплотнении требуется передача коротких (109 с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов приемопередающей аппаратуры ВОСП, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами ОВ.
Основными достоинствами временного уплотнения являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ и возможность создания полностью оптической сети связи.
Пространственное уплотнение. Этот метод использует такие преимущества ОВ, как гибкость и малые размеры, что позволяет создавать оптический кабель (ОК), содержащий несколько десятков ОВ. Схема, поясняющая принцип пространственного уплотнения, показана на рисунке 1.9.
При таком методе число ВОСП равно числу ОВ в ОК и, следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатками пространственного уплотнения являются большой расход 0В, значительные затраты на каблирование, а значит и высокая стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 каналокилометра определяется в основном стоимостью ОК, метод пространственного уплотнения не обеспечивает повышения технико-экономической эффективности.
Рис. 1.9. Пространственное уплотнение ОК
Частотное уплотнение (гетеродинное). В системах передачи с частотным уплотнением исходным сигналам различных источников информации в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность линии излучения полупроводниковых лазеров, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного с помощью сдвига оптической несущей. Схема, поясняющая принцип формирования группового оптического сигнала, показана на рисунке 1.10.
Оптическое излучение с выхода лазерного источника излучения (ИИ), содержащего ряд несущих f1, f2, ... , fN, поступает на анализатор A1, представляю-
Рис. 1.10. Схема формирования группового оптического сигнала
при частотном уплотнении
щий собой призму Глана-Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму, на фильтр первого канала Ф1. Этот фильтр пропускает оптическую несущую первого канала f1 к оптическому модулятору ОМ1, где она и модулируется. Оптическое излучение с частотами f2, f3, ... , fN (т. е. кроме f1) отражается фильтром и возвращается к анализатору A1. По пути оно вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор А2. Оптическая несущая первого канала, промодулированная в оптическом модуляторе ОМ1 информационным сигналом, отражаясь от зеркала, также возвращается к анализатору А1.
Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедшего четвертьволновую призму, поворачивается на /2 по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем световой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнал поступает на анализатор А2 и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой f2. Таким образом формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическую линию связи.
Рис. 1.11. Схема приема группового оптического сигнала
при частотном уплотнении
Принимаемый оптический групповой сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор A1 (рис. 1.11), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала на оптический смеситель (ОС). Фильтр Ф1 пропускает только оптический сигнал с частотой f1, сигнал с другими частотами отражается и поступает на А2. Оптическая промодулированная несущая с частотой f1 перемножается в ОС с частотой местного гетеродина, затем промежуточная частота fпр выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на фотодетектор (ФД), на выходе которого формируется электрический информационный сигнал. Таким образом, прием осуществляется гетеродинным способом. Аналогично происходит детектирование сигнала во всех остальных каналах.
Достоинства метода частотного (гетеродинного) уплотнения заключаются в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км и значительно повышается коэффициент использования пропускной способности ОВ. Недостатком данного метода является то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, оптических вентилей, контролеров поляризации, оптических усилителей, системы автоподстройки частоты и т. п., что значительно усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.
Спектральное уплотнение. В ВОСП со спектральным уплотнением по одному оптическому волокну одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется, как правило, многоканальным цифровым сигналом. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОК в пределах используемого спектрального диапазона от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Это позволяет обойти ограничения на скорость передачи по одному ОВ, связанные с дисперсионными искажениями, а также на быстродействие электронных устройств. Структурная схема системы передачи со спектральным уплотнением показана на рисунке 1.12.
На передающей станции имеется n систем передачи, сигналы с которых Передаются на п оптических передатчиков ОПер, получающих оптические несущие с длинами волн 1, 2,…, п..
Рис. 1.12. Схема ВОСП со спектральным уплотнением
С помощью устройств спектрального объединения (УСО) осуществляется ввод различных оптических несущих в одно ОВ. На приемной стороне в устройстве спектрального разделения (УСР) оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники ОПр. Таким образом, по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т. е. коэффициент использования пропускной способности увеличивается в п раз по сравнению с традиционным построением линейных трактов оптических систем.
Одним из важных преимуществ данного метода является наиболее полное использование сверхширокой спектральной полосы пропускания ОВ. В настоящее время осваивается диапазон 0,8...1,8 мкм. Если принять, что ширина спектрального канала составляет 10 нм, что уже достигнуто, то в указанном диапазоне можно разместить до 100 спектральных каналов. Например, в диапазоне волн 1,55 мкм при десяти спектральных каналах удалось создать ВОСП с информационной емкостью 1,37 Тбит/кмс1, что. эквивалентно организации по одному волокну 300 000 телефонных каналов.
Контрольные вопросы
1. Первая оптическая линия связи была построена:
а) А. Беллом;
б) К. Шаппом;
в) Ж. Шато;
г) Дж. Тиндаллом;
д) Н. Капани.
2. Идея передачи света по направляющей системе принадлежит:
а) Као-Хокэму;
б) У. Уиллеру;
в) Ж. Алферову;
г) Дж. Тиндаллу;
д) Н. Капани.
3. Затухание сигнала в обычном стекле составляет:
а) 20 дБ/км;
б) 0,2 дБ/км;
в) 0,5 дБ/км;
г) 10 дБ/км;
д) 1000 дБ/км.
4. Для использования световода в системах связи необходимо, чтобы затухание сигнала в нем было не более:
а) 100 дБ/км;
б) 0,15 дБ/км;
в) 20 дБ/км;
г) 10 дБ/км;
д) 0,5 дБ/км.
5. Затухание оптического сигнала в современных световодах составляет величину:
а) 5…15 дБ/км;
б) 0,15…3 дБ/км;
в) 10…20 дБ/км;
г) 15…25 дБ/км.
6. Для работы ВОСП используются следующие диапазоны электромагнитного спектра:
а) ультрафиолетовый ( = 0,1…0,39 мкм );
б) инфракрасный средний ( = 15…60 мкм );
в) весь видимый ( = 0,39…0,77 мкм );
г) видимый красный и инфракрасный ближний ( = 0,6…1,7 мкм );
д) микроволны ( = 103…105 мкм ).
Полоса частот передаваемого сигнала в ВОСП составляет:
а) 30 МГц;
б) 155 МГц;
в) 3 ТГц;
г) 10 ГГц ;
д) 1 ТГц.
Основными элементами ВОСП являются:
а) ПОМ и ПРОМ;
б) ОВ;
в) ПОМ, ПРОМ и ОВ;
г) ПК пер и ПК пр;
д) ПК пер, ПК пр и СУ.
Наиболее полно полоса рабочих частот ОВ в ВОСП используется:
а) при временном уплотнении на уровне электрических сигналов;
б) при пространственном уплотнении;
в) при временном уплотнении на уровне оптических сигналов;
г) при частотном уплотнении;
д) при спектральном уплотнении .
Лекция 2. ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
При построении ВОСП наряду с пассивными оптическими компонентами (оптическими кабелями, оптическими соединителями, разветвителями, изоляторами и т. д), используются активные компоненты: передатчики и приемники оптического излучения, которые, как правило, выполняются в виде оптоэлектронных модулей. Поэтому в данной и в следующей лекциях будут рассмотрены вопросы, касающиеся формирования и обработки оптических сигналов, принципов построения устройств, обеспечивающих эти процессы в ВОСП.
Сформулируем определения основных понятий, используемых в данной лекции:
Лазер это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного излучения.
Пучок лазерного излучения это лазерное излучение, заключенное в ограниченном телесном угле.
Накачка лазера это процесс возбуждения лазерного вещества, приводящий к возникновению лазерной активности среды, обладающей способностью усиления электромагнитного излучения на частоте лазерного перехода.