Введение в специальность. Физика и техника оптической связи

41

раметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс,

его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc.

• Длительность сигнала (Т) — определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует, а так как любой сигнал рассматривается как временной процесс, то он имеет начало и конец. Длительность сигнала измеряется в секундах, мил-

лисекундах (1 мс = 10–3 с), микросекундах (1 мкс = 10–6 с), наносекундах (1 нс = 10–9 с) и пикосекундах (1 пс = 10–12 с).

• Ширина спектра сигнала (F) — это диапазон частот, в

пределах которого сосредоточена его основная энергия. Она определяет скорость изменения сигнала внутри интервала его существования. В технике связи спектр передаваемого сигнала часто сознательно сокращают для экономии средств на аппаратуру линии связи. Возможную величину сокращения спектра сигнала при этом определяют исходя из допустимого искажения сигнала в данной системе связи. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была настолько разборчива, чтобы абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для этого достаточно передать речевой сигнал в полосе частот 300–3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как ведёт к техническим усложнениям и увеличению затрат на канал связи. Спектр модулированного сигнала обычно шире спектра передаваемого сообщения и зависит от вида модуляции.

• Динамический диапазон (D) — это отношение наиболь-

шей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи.

D =10lg(PMAX

Динамический диапазон сигналов передачи программ звукового вещания: речь диктора — 25…35 дБ; музыкальные инструменты — 45…55 дБ; симфонический оркестр — до 65 дБ. Звук двигателей реактивного самолета на взлете — более 100 дБ.

С помощью приведённых выше параметров можно ввести общую и наглядную характеристику передаваемых по каналам связи сигналов — объём сигнала:

Vc = Tc·Fc·Dc.

42

Объём сигнала (Vc) даёт общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объём сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объём и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.

Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом Vc, очевидно, должно быть Vc< Vк. При соблюдении этого условия объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций — кодирования и модуляции.

Кодирование — это процесс записи информации на языке несущей среды. Колебания, не являясь информационным сигналом, на определенной частоте могут переноситься из одной точки пространства в другую, но не передавать никаких данных до тех пор, пока информация не будет каким-либо способом в них закодирована. Перенесение информации на несущую среду предполагает модифицирование несущей среды и называется модуляцией.

Модуляция — это процесс изменения параметров носителя информации.

Для передачи информации используют специальные элек-

трические сигналы (электромагнитные колебания), которыми являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся как в свободном пространстве, так и в направляющих системах высокочастотные гармонические электромагнитные колебания (несущие колебания). Сами несущие колебания не содержат информа-

ции (можно сказать, что передают с нулевой скоростью), а толь-

ко ее переносят. Передаваемая по каналам связи информация закладывается в один или ряд параметров несущего колебания.

Общий принцип модуляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания (электромагнитного колебания) f(t,α,β,...) в соответствии с передаваемым сообщением. Так, если в качестве переносчика выбрано гармоническое колебание f(t) – U cos(ω0 t + φ), то можно образовать три вида моду-

ляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Применение радиоимпульсов позволяет получить ещё два вида модуляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.

43

При дискретной (цифровой) модуляции закодированное сообщение а, представляющее собой последовательность кодовых символов {bl}, преобразуется в последовательность элементов (посылок) сигнала {u(t)} путём воздействия кодовых символов на электромагнитное колебание f(t).

Рис. 2.2 — Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции

1. Амплитудная модуляция (AM). Амплитуда несущей волны варьируетсявсоответствиисамплитудойинформационногосигнала.

Рис. 2.3 — Амплитудно-модулированный сигнал:

а — звуковой сигнал передатчика; б — высокочастотный сигнал передатчика; в — закон колебаний передаваемого сигнала; г — спектрограмма

44

2. Частотная модуляция (ЧМ). В данном случае модулируется частота несущей волны в зависимости от изменения амплитуды передаваемого сигнала. Таким образом, сигнал модулирует частоту несущей, а не ее амплитуду. В коротковолновом радиодиапазоне применяется именно этот способ модуляции.

б

а

в

Рис. 2.4 — Частотная модуляция:

а— немодулированный высокочастотный несущий сигнал;

б— передаваемый звуковой сигнал; в — радиосигнал

3.Импульсная модуляция (ИМ). Технология импульсной модуляции основана на переводе аналогового сигнала (такого, например, как голос) в цифровые импульсы. Голос может быть представлен серией чисел. При этом величина каждого числа находится в строгом соответствии с амплитудой голоса. Ниже ИМ будет рассмотрена более подробно.

С помощью кодирования и модуляции источник сообщений согласуется с каналом.

В современных системах передачи дискретных сообщений принято различать две группы относительно самостоятельных устройств: кодеки и модемы. Кодеком называются устройства, преобразующие сообщение в код (кодер) и код в сообщение (декодер), а модемом — устройства, преобразующие код в сигнал (модулятор) и сигнал в код (демодулятор).

45

Рис. 2.5 — Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и сигнала в дискретное сообщение

Канальные устройства (полосовые усилители передатчика и приёмника, корректоры и т.п.) вместе с линией связи образуют непрерывный канал, а последний вместе с модемом — дискретный канал.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче.

Рис. 2.6 — Структурная схема простейшей одноканальной системы связи

46

Линии связи. Информативность телекоммуникационной системы определяется типом используемой в ней линии связи (ЛС).

Линией связи называется физическая среда и совокупность аппаратных средств, используемых для передачи сигналов от передатчика к приёмнику.

Различают два типа ЛС: линии связи в свободном простран-

стве — радиолинии (РЛ), радиорелейные, сотовые, спутниковые, лазерные; и линии связи по направляющим системам. Достоинст-

ва РЛ — большие расстояния установления связи, в том числе с подвижными объектами, а также возможность передачи информации неограниченному числу слушателей и зрителей. Недостаток радиолиний — зависимость качества связи от состояния среды передачи, воздействие электромагнитных помех (ЭМП), сложность обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств. И главный — невысокая информативность, обусловленная малой скоростью передачи в силу узкополосности систем передачи.

Достоинством направляющих линий связи является, в первую очередь, их высокая скорость передачи больших объемов информации в сочетании с высоким качеством передачи сигналов, защищенность от влияния ЭМП, простота приемо-передающих устройств. Однако направляющие системы — кабельные линии связи — являются наиболее дорогостоящим элементом телекоммуникационных систем.

Различают два основных типа направляющих систем — кабельных линий связи — электрические и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В литературе встречается также термин оптоволоконные ЛС.

В кабельных ЛС направляющие системы образуются системными проводниками и диэлектриками, а в ВОЛС они представляют собой диэлектрические волноводы.

2.1.1 Основные единицы измерения в телекоммуникации

Диапазон измеряемых величин. В телекоммуникациях ис-

пользуется большое число различных физических величин, характеризующих, например, сигнал. Это частота, длина волны, напряжение, мощность и др.

Особенность этих физических величин состоит в их большом диапазоне значений; так, длина электромагнитной волны может меняться от сотен километров до сотен нанометров (оптический диапазон), мощность — от мегаватт до нановатт, а частота — от единиц герц до терагерц. В таблице даны значения приставок единиц измерения, которые надо хорошо усвоить. Это поможет вам в сравнении физических величин, умении оценивать физическую реализуемость результатов расчетов и экспериментов.

Понятие децибел. Очень важной величиной, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в ее компонентах, является децибел (дБ). Эту величину ввел Александр Грэхем Белл. Единица стала называться «бел». Одна десятичная бела называется децибел (дБ). Он ввел ее для измерения силы звука.

Человеческое ухо воспринимает силу звука логарифмически. Так, уровень в 100 ватт по сравнению с уровнем в 10 ватт для человеческого уха слышится громче в два раза (но не в 10 раз). Возрастание силы звука на один децибел является примерно наименьшим приростом, которое способно различить человеческое ухо.

Эта единица измерения используется в настоящее время в качестве основы для измерений относительных уровней мощностей, напряжений и других физических величин. Транзистор, например, может усиливать сигнал, увеличивая амплитуду его напряжения, тока или мощности. Это увеличение называется усилением. Аналогично, затухание — это уменьшение напряжения, то-

48

ка или мощности при распространении сигнала по линии связи.

Основные уравнения, определяющие децибел, следующие:

где U — напряжение, I — ток и P — мощность. Децибел, таким образом, характеризует отношение двух напряжений, токов или мощностей. Необходимо отметить, что в случае напряжения и тока отношение логарифмов умножается на 20, а в случае мощности — на 10.

Разобраться в децибелах поможет одно общее правило. При измерении мощности потери в 3 дБ означают уменьшение мощности на 50 %, т.е. если была мощность 1 мВт, то будет 0,5 мВт. Аналогично увеличение на 3 дБ означает удвоение мощности: 1 мВт превращается в 2 мВт. Для напряжения или тока удвоение или уменьшение вдвое будет происходить при изменении на 6 дБ, поскольку, как видно из приведенных выше уравнений, для тока и напряжения коэффициент равен не 10, а 20. При прокладке кабелей практически всегда приходится иметь дело с мощностью.

В случае мощности правило децибел выглядит так: Увеличение:

20 дБ = 100-кратное возрастание мощности;

10 дБ = 10-кратное возрастание мощности;

3 дБ = двукратное возрастание мощности. Уменьшение:

–3 дБ = двукратная потеря мощности; –6 дБ = 75 %-ная потеря мощности (остается 25 %);

–10 дБ = 90 %-ная потеря мощности (остается 10 %); –20 дБ = 99 %-ная потеря мощности (остается 1 %); –30 дБ = 99,9 %-ная потеря мощности (остается 0,1 %); –40 дБ = 99,99 %-ная потеря мощности (остается 0,01 %).

При всего лишь –20 дБ теряется 99 % мощности. Если исходный сигнал имеет мощность 1 мВт, то при –20 дБ остается только 0,01 мВт (10 микроватт). Мощность падает на два порядка —

в100 раз.

Вволоконной оптике, как правило, имеют дело с затуханием оптической мощности. По мере перемещения по волокну свет те-

49

ряет свою мощность. Эти потери выражаются в децибелах. Затухание, выраженное в децибелах, имеет отрицательную величину.

Иногда в соотношении, используемом для определения затухания или усиления, используется постоянное значение Pin. В волоконной оптике обычно используется величина в 1 милливатт

(мВт).

дБм (dBm) означает «децибел, соотнесенный к милливатту». Единицы дБм часто используются инженерами и техниками.

Рис. 2.6 — Соотношение мощности и единиц дБм

Объем и скорость передачи информации. Объем инфор-

мации измеряется в битах.

Бит — это минимальное количество информации, составляющее выбор одного из двух возможных вариантов. Когда создается возможность дать ответ на любой вопрос «да» или «нет», то это и есть один бит информации, т.е. в этом случае меньше бита информации не бывает.

Бит — это абстрактное понятие, которое обеспечивает количественное измерение информации, доступное компьютерным системам.

Математически нам проще всего «битовую информацию» описывать числовыми методами, а именно двоичными числами, которые составляются из цифр «0» и «1».

Сколько передается «ноликов» или «единичек» — столько передается битов информации.

Для кодирования разнообразных вариаций в какой-либо области знаний (например, даже обычного текста, не говоря уже о

50

звуковой или цветовой информации) одного бита информации мало. Для кодирования разнообразных вариаций требуется увеличение разрядности двоичного числа (его удлинении). Двоичные числа формируются с фиксированной разрядностью, такая совокупность разрядов получила название «байт».

Байт — последовательность из восьми бит, рассматриваемая как одно целое.

Современные объемы характеризуются объемами в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах.

Рассмотрим книгу объемом 100 000 слов, содержащую, например, 250 страниц, причем допустим, что каждое слово состоит в среднем из пяти букв. При использовании для преобразования текста в цифровую форму каждая буква кодируется восемью двоичными цифрами. Таким образом, один байт может принимать 28 = 256 различных значений, причем, учитываются все строчные и прописные буквы, цифры, промежутки между словами и знаки препинания. Тогда общий объем содержащейся в книге информации составит 4 Мбит.

Производимые в настоящее время оптические носители информации позволяют хранить 210, 650, 700 Мбайт.

Производимые современной промышленностью устройства хранения данных (жесткий диск) могут достигать объема 500Гбайт и их объемы с каждым годом возрастают.

Пропускная способность канала

Под пропускной способностью канала понимают максимально достижимую скорость передачи полезной информации в бит/с. В качестве ограничений обычно выступают протяженность канала, тип среды, мощность передатчика, чувствительность приемника, занимаемая полоса частот, характеристики помех и шумов, допустимая доля ошибок.

Если раньше сети работали обычно со скоростью 10 Мбит/с, то сейчас сети поддерживают 100 и 1000 Мбит/с. Причем Internet трафик, в настоящие время, в телекоммуникационных сетях общего пользования превышает голосовой трафик.