2. Основные принципы оптической связи
2.1. Особенности оптической связи по сравнению с электрической.
В системах электросвязи используют системы аналоговой связи (системы с частотным разделением каналов или частотным уплотнением, АСП) и цифровой связи (системы с временным разделением каналов или временным уплотнением, ЦСП). Общим для них является то, что с увеличением числа передаваемых каналов или увеличением скорости передачи цифровых сигналов расширяется необходимая для них полоса передаваемых частот.
(2.1)
где N – число передаваемых аналоговых каналов,
ΔF – требуемая общая полоса частот,
Δf – полоса частот 1 канала (4 кГц для АСП и 32 кГц для ЦСП).
ΔF = С/2,
где С – скорость передачи в бодах (не всегда совпадает с битовой скоростью)1.
Для передачи по кабелям с металлическими жилами характерно возрастание коэффициента затухания с увеличением частоты2 (как для симметричных, так и для коаксиальных кабелей). Поэтому с увеличением числа каналов или скорости передачи (это соответствует увеличению верхней частоты fв в спектре сигнала) по металлическим кабелям сигнал уменьшается. Это приводит к уменьшению отношения сигнала к шуму и, соответственно, к снижению качества связи: уменьшению помехозащищенности в АСП и увеличению коэффициента ошибок в ЦСП. Кроме того, с увеличением числа каналов или скорости передачи всегда расширяется необходимая полоса пропускаемых частот линейного усилителя в АСП и предусилителя – корректора регенератора в ЦСП. Это приводит к возрастанию уровня шума на выходе усилителей, а значит к дальнейшему уменьшению отношения сигнала к шуму. В симметричных кабелях с увеличением числа каналов или скорости передачи возрастают взаимные влияния, которые также увеличивают уровень шума. Причем именно взаимные влияния могут стать основным фактором, уменьшающим отношение сигнала к шуму. Для сохранения необходимой помехозащищенности в АСП приходится уменьшать длину усилительного участка, а в ЦСП для сохранения необходимого значения коэффициента ошибок приходится уменьшать длину регенерационного участка.
Передача сигналов в оптическом диапазоне частот отличается от уже рассмотренных систем тем, что передача происходит как в радиосвязи на несущей очень высокой оптической частоте F0 ≈ 1014 – 1015 Гц (рис. 2.13), которая модулируется передаваемым сигналом с полосой ΔF. Из радиотехники известно, что наиболее экономичные виды модуляции, например, амплитудная имеют ширину спектра частот амплитудно–модулированного сигнала равную 2ΔF. Для самого скоростного сигнала, используемого в настоящее время в системах SDH-64, скорость передачи составляет 10 Гбит/с. Это требует в первом приближении полосы частот 2ΔF = С = 10 ГГц или другими словами относительные отклонения частоты модулированного сигнала от несущей частоты не превышают 2ΔF / F0 = 10-4 (0.01 %) при F0 = 1014 Гц. Поэтому хотя затухание оптического излучения в оптических волокнах (ОВ), конечно, зависит от длины волны, но при уже выбранной длине волны затухание не зависит от частоты модулирующего сигнала или скорости передачи.
Рис. 2.1. Полосы пропускания различных оптических систем. Оптический диапазон
Абсолютные значения коэффициентов затухания в современных ОВ имеют величину порядка 0.2 – 0.3 дБ/км, в то время как средний коаксиальный кабель имеет коэффициент затухания 2.5 дБ/км на сравнительно низкой частоте 1 МГц и 250 дБ/км на частоте 10 ГГц.
Тем не менее, в оптических системах связи с увеличением скорости передачи также будет уменьшаться отношение сигнала к шуму. Основной причиной4 этого уменьшения является расширение полосы пропускания приемника, что приводит к возрастанию шумов.
Уменьшение отношения сигнала к шуму в оптических системах связи составляет примерно 5 дБ при увеличении модулирующей частоты (скорости передачи) на декаду (т.е. в 10 раз). А в электрических системах связи при тех условиях уменьшение отношения сигнала к шуму составит 10 дБ без учета взаимных влияний, которые дополнительно уменьшают отношение сигнала к шуму на 15-20 дБ на декаду изменения частоты. На рис. 2.2 показаны зависимости длины регенерационного участка от скорости передачи для средней коаксильной пары (2.6/9.5) и одномодового ОВ со смещенной дисперсией.
Рис.2.2. Зависимость длины регенерационного участка от скорости передачи для средней коаксиальной пары (2.6/9.5) и одномодового ОВ со смещенной дисперсией.