Способы мультиплексирования потоков в волоконно-оптических системах передачи информации (воспи)

В ВОСПИ применяются, в основном, те же принципы многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическим кабелям, а именно частотного и временного разделения каналов. В первом случае сигналы различаются по частоте и имеют аналоговую форму передаваемого сообщения. Во втором случае каналы различаются по времени, а импульсы имеют дискретный вид, что соответствует цифровой передаче с ИКМ.

В ВОСПИ электрический сигнал после прохождения электронной части аппаратуры модулирует оптический сигнал для обеспечения возможности передачи его по ВС. Оптический сигнал создается в оптическом передатчике на основе полупроводникового лазера или светодиода.

Исходный электрический сигнал может непосредственно подаваться на излучатель, осуществляя внутреннюю (прямую) модуляцию интенсивности (мощности) оптического излучения. Электрический сигнал может управлять работой внешнего модулятора, на вход которого от источника поступает непрерывное или импульсное излучение с постоянными параметрами. При этом реализуется внешняя модуляция светового излучения. В ВОСПИ на полупроводниковых лазерах реализуется, как правило, внутренняя модуляция.

Наиболее часто применяется модуляция по интенсивности (МИ) оптического сигнала, при которой от амплитуды электрического сигнала зависит интенсивность излучения, подаваемого в ВС. При этом закон изменения интенсивности оптического излучения повторяет закон изменения модулирующего сигнала. Выбор модуляции по интенсивности для ВОСПИ обусловлен также простотой реализации на передаче и приеме сигнала. На передаче используется лазер, обеспечивающий непосредственное преобразование электрического сигнала в оптическое излучение. Прием осуществляется фотодетектором, выходной ток которого пропорционален входной интенсивности оптического излучения. Следовательно, на выходе фотодетектора формируется электрический сигнал (напряжение, ток), отображающий исходную информацию.

Современные ВОСПИ, как правило, цифровые. Это обусловлено тем, что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в ВОСПИ. Таким образом, наиболее распространенной является цифровая ВОСПИ с временным разделением каналов и ИКМ интенсивности (ИКМ-МИ) излучения источника.

Особенность цифровых ВОСПИ состоит в том, что передача ведется только однополярными импульсами электрического сигнала, модулирующего параметры оптического несущего колебания. Последнее объясняется тем, что модулируется не амплитуда, а интенсивность оптического излучения. Вместо двуполярных импульсов квазитроичного сигнала в электрических системах передачи в оптических системах применяется двухуровневый сигнал, в который вносится избыточность для устранения длинных последовательностей нулей (единиц), затрудняющих тактовую синхронизацию.

Двусторонняя связь осуществляется по двум ВС. По одному ВС передаются сигналы в одном направлении, по другому — в другом. В обоих направлениях сигналы передаются на одной и той же оптической несущей частоте.

Структурная схема симплексного канала ВОСПИ с ИКМ-МИ без спектрального уплотнения приведена на рис.3.9. Основу составляет ВС, а также передающий и приемный оптические модули ПОМ и ПРОМ в начале и конце системы соответственно. ПОМ выполняет роль преобразователя электрического сигнала в оптическое излучение, а ПРОМ обеспечивает обратное преобразование оптического излучения в электрический сигнал.

Рис. 3.9. Обобщенная структурная схема симплексной ВОСПИ без спектрального уплотнения

Исходный аналоговый сигнал в i-м канале () преобразуется в последовательность импульсов , длительность и частота следования которых определяются методом кодирования. При этом амплитуда прямоугольных импульсов остается постоянной. В результате преобразования в i-м канале аналогового сигнала формируется поток двоичных символов со скоростью передачи .

В существующих сетях связи передается одновременно большое количество (группа) таких каналов. Следовательно, по ВОЛС, за исключением абонентского участка, должен передаваться групповой цифровой сигнал . Он формируется методом временного объединения каналов. Для этого импульсы цифрового потока в каждом канале квантуются по времени на более короткие импульсы и с соответствующими временными сдвигами располагаются в один ряд, образуя новый цифровой поток (частота, с которой происходит временное квантование, называется тактовой). Для последующего выделения (разделения) каналов на приеме в этот цифровой поток на границах импульсов, соответствующих каждому каналу, добавляются идентификационные синхроимпульсы. Таким образом, в групповом канале скорость передачи информации возрастает в зависимости от количества основных каналов. Операция образования группового цифрового потока информации осуществляется электронным мультиплексором (MX).

Формирование групповых цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, осуществляется методом линейного кодирования. В электрических системах для аппаратуры ИКМ принят двухполярный квазитроичный код. Отличительной чертой этого кода является то, что единицы (или нули) двоичной последовательности передаются импульсами, полярность которых изменяется на противоположную при передаче каждой следующей единицы (или нуля). Эти коды не содержат постоянную составляющую в своем спектре, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым при выборе кода для электрических линий передачи.

Это требование остается в силе и для ВОСПИ. Однако в отличие от электрического кабеля, где можно передавать импульсы тока как положительной, так и отрицательной полярности, по ВС передаются оптические импульсы, не имеющие отрицательных значений. Поэтому при передаче двуполярных кодов HDB3 или AMI по ВС с помощью импульсов оптического излучения на одной длине волны, эти коды должны быть превращены в однополярные с постоянной составляющей .

По этой причине применение кода HDB3 в ВОСПИ становится нецелесообразным. Во-первых, мощность соседних символов (например, двух единиц) оказывается в два раза меньше максимальной мощности, излучаемой оптическим передатчиком. Это эквивалентно потере мощности в два раза или потери энергетического потенциала на 3 дБ. Во-вторых, наличие постоянной составляющей требует стабилизации рабочей точки на ваттамперной характеристике лазера, что усложняет схему ПОМ. Зависимость величины от статистики кодовых комбинаций приводит к возникновению паразитной переменной составляющей, которая в результате также снижает энергетический потенциал линии. Наконец, наличие постоянной составляющей в оптическом сигнале эквивалентно присутствию фоновой засветки. Поэтому в процессе принятия решения при переходе от одного символа к другому необходимо учитывать дробовый шум, возникающий из-за наличия фона и уменьшающий отношение сигнал-шум. Это также снижает потенциал системы.

Для преодоления указанных трудностей в цифровых ВОСПИ вводится преобразователь кода, осуществляющий преобразование кода аппаратуры ИКМ в другие коды, подходящие для передачи по ВОЛС. Чаще всего это линейные коды типа CMI или MCMI, которые не содержат постоянной составляющей, а по остальным параметрам оптимизированы для передачи по ВОЛС.

От электронного мультиплексора поступают сигналы высокого уровня, а для ПОМ (например, на светодиоде) необходимы сигналы малого уровня. Поэтому перед ПОМ включается устройство согласования уровней мощности между элементами схемы.

Сигнал, поступающий на электрический вход ПОМ, модулирует оптическую несущую, создаваемую лазером или светодиодом.

В состав ПОМ, кроме излучателя, входит устройство передачи информационного сигнала от электрического СВЧ разъема к излучателю с узлом развязки по постоянной и переменной составляющим тока накачки. Помимо этого, для стабилизации оптических и электрических параметров излучателя в состав ПОМ входят фотодиод обратной связи, термоэлектрический холодильник и терморезистор. Наличие фотодиода позволяет организовать отрицательную обратную связь с помощью блока стабилизации выходной оптической мощности излучения ПОМ. Цепь обратной связи стабилизирует выходную оптическую мощность путем автоматической регулировки тока накачки. Однако регулировка тока ЛД не обеспечивает стабилизацию длины волны излучения. Для ее стабилизации служат элемент Пельтье (микрохолодильник) и терморезистор. Блок стабилизации температуры совместно с терморезистором в ПОМ образуют цепь обратной связи для регулировки тока микрохолодильника.

Оптическое излучение , модулированное по интенсивности групповым цифровым потоком, посредством оптического разъема (коннектора) Х1 вводится в ВС.

Через определенные расстояния (10...70 км), ограниченные дисперсией или затуханием ВС, вдоль ВОЛС располагаются линейные регенераторы (на рис.3.9 показан один регенератор), в которых восстанавливается исходная форма передаваемого сигнала и производится усиление до требуемой мощности. Для этого оптическое излучение преобразуется в электрический сигнал, регенерируется, усиливается и затем обратно преобразуется в оптическое излучение, которое передается далее по ВС. В принципе возможно применение чисто оптических регенераторов на основе ВОУ.

На приеме оптическое излучение с коннектора X4 преобразуется в электрический сигнал фотодетектором, входящим в состав ПРОМ. После усиления в широкополосном электронном усилителе групповой цифровой поток поступает в преобразователь линейного кода в код приемной аппаратуры ИКМ , а затем в электронный демультиплексор (DMX) группового цифрового потока. Наконец, приемная аппаратура ИКМ i-го канала формирует искомые цифровые коды, которые в случае необходимости преобразовываются в ЦАП в аналоговую форму . В обозначениях и штрих означает возможное неполное соответствие принятых цифрового потока и аналогового сигнала искомому.

Таким образом, на передающей стороне до ПОМ и на приемной стороне от ПРОМ действует электрический сигнал, а от ПОМ до ПРОМ по ВС передается оптическое излучение. Тракт между преобразователями кодов на передаче и приеме называется линейным трактом ВОСПИ.

До преобразователя кода аппаратуры ИКМ в линейный код располагается тракт формирования группового цифрового потока информации. После преобразователя линейного кода в код аппаратуры ИКМ располагается тракт восстановления цифровых потоков информации в каналах.

Задача дальнейшего роста пропускной способности ВОСПИ успешно решается с помощью волнового (спектрального) уплотнения оптических несущих (WDM ¾ Wavelength Division Multiplexing). Суть метода иллюстрирует обобщенная структурная схема оптического линейного тракта ВОСПИ на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Обобщенная структурная схема оптического линейного тракта ВОСПИ со спектральным уплотнением

Пусть по ВОЛС необходимо передать n высокоскоростных цифровых потоков . Для этого закодированный аппаратурой ИКМ на передающей стороне i-й цифровой поток преобразуется в соответствующем канале в линейный код для передачи по ВОЛС. Электрический сигнал с выхода преобразователя i-го канала модулирует излучение ПОМ, длина волны которого отличается от длин волн излучений ПОМ других каналов. Таким образом, на выходе i-го канала будет действовать оптическое излучение с длиной волны .

Излучения объединяются в один оптический поток с помощью волнового мультиплексора и передаются по ВОЛС.

На приемной стороне над принятым излучением производится обратная операция волнового демультиплексирования, в результате которой в i-м канале принимается только оптическое излучение с длиной волны . После преобразования в электрический сигнал в ПРОМ соответствующего канала и усиления цифровой поток поступает на преобразователь, где преобразуется в код аппаратуры ИКМ . Таким образом, на приемной стороне восстановлены цифровые потоки в каналах.

В связи с тем, что в волновом мультиплексоре при объединении потоков возникают значительные потери, на его выходе устанавливается ВОУ (ВОУ-T). На приемном конце ослабленный оптический сигнал перед поступлением на волновой демультиплексор также усиливается во входном ВОУ (ВОУ-R).

Первые разработанные ВОСПИ с WDM позволяли одновременно передавать информацию посредством оптического излучения на длинах волн 850 и 1300 нм, 1310 и 1550 нм или на всех трех длинах волн. Однако такие системы не получили широкого распространения в первую очередь из-за того, что на таких разных длинах волн сильно отличается затухание в ВС, а значит, и длины регенерационных участков.

Более современными являются устройства спектрального уплотнения с высокой плотностью (DWDM ¾ Dense Wavelength Division Multiplexing), т.е. с малыми (не более 2 нм) интервалами между длинами волн оптических излучений соседних каналов. Наибольший интерес представляют излучения с длинами волн в районе 1550 нм, где ВС имеет наименьшее затухание. Кроме того, в диапазоне 1528…1560 нм работает лучший на сегодняшний день ВОУ на основе ВС, легированного ионами эрбия.

Самым важным параметром в технологии DWDM бесспорно является расстояние между соседними каналами. Пространственное расположение каналов стандартизуется. Сектор по стандартизации телекоммуникаций ITU-T утвердил частотный план DWDM (табл. 3.7) с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует »0,8 нм. В таблице показаны сетки этого частотного плана с различной степенью разреженности каналов. Все сетки, кроме одной 500/400, имеют равноудаленные каналы. Равномерное распределение каналов позволяет оптимизировать работу волновых конвертеров, перестраиваемых лазеров и других устройств полностью оптической сети, а также позволяет легче наращивать сеть. Из таблицы видно, что в диапазоне 1528-1560 нм можно разместить до 40 отдельных каналов, каждый со скоростью 10 Гбит/с, позволяя передавать по одному ВС данные со скоростью 400 Гбит/с, а по ОК, содержащему 32 ВС, ¾ со скоростью 8,4 Тбит/с, что превосходит любые требования к системам связи сегодняшнего дня.

Таблица 3.7

Частотный план спектрального уплотнения с высокой плотностью

Длина  волны, нм	Частота, ТГц	Интервал частот, ГГц (количество каналов)
		100 (более 7)	200 (более 3)	400 (4)	500/400 (8)	600 (4)	1000 (4)
1528,77	196,1	*	*
1529,55	196,0	*
1530,33	195,9	*	*
1531,12	195,8	*
1531,90	195,7	*	*
1532,68	195,6	*
1533,47	195,5	*	*			*	*
1534,25	195,4	*
1535,04	195,3	*	*		*
1535,82	195,2	*
1536,61	195,1	*	*
1537,40	195,0	*
1538,19	194,9	*	*			*
1538,98	194,8	*			*
1539,77	194,7	*	*
1540,56	194,6	*
1541,35	194,5	*	*				*
1542,14	194,4	*
1542,94	194,3	*	*		*	*
1543,73	194,2	*
1544,53	194,1	*	*
1545,32	194,0	*
1546,12	193,9	*	*	*	*
1546,92	193,8	*
1547,72	193,7	*	*	*		*
1548,51	193,6	*
1549,32	193,5	*	*	*			*
1550,12	193,4	*			*
1550,92	193,3	*	*	*
1551,72	193,2	*
1552,52	193,1	*	*	*		*
1553,33	193,0	*			*
1554,13	192,9	*	*	*
1554,94	192,8	*
1555,75	192,7	*	*	*
1556,55	192,6	*
1557,36	192,5	*	*	*	*	*	*
1558,17	192,4	*
1558,98	192,3	*	*	*
1559,79	192,2	*
1560,61	192,1	*	*		*