tsure053

Показатель преломления n(r) для ступенчатого волокна

n (r < a) n(r) = c

n (a ≤ r ≤ b)

0

показатель преломления градиентного волокна

Коэффициент α для различных волокон с различными добавками равен

α≈2

Одномодовое волокно обычно имеет радиус сердцевины а порядка одной длины волны λ=1,2÷1,6 мкм.

Многомодовое волокно – это волокно, радиус сердцевины а которого значительно превышает одну длину волны λ и обычно составляет 25÷50 мкм.

В многомодовом волокне могут распространяться сотни и тысячи мод. При этом каждая мода обладает своей собственной групповой скоростью, что в итоге может приводить к расширению короткого светового импульса передаваемого по оптическому волокну и, следовательно снижает количество передаваемой информации, т.е. снижает пропускную способность. Это явление называют дисперсией мод. Для снижения дисперсии мод вводят волокно с градиентным показателем преломления (градиентное волокно), в котором разница в групповых скоростях компенсируется и все моды имеют приблизительно одинаковую групповую скорость.

Повысить пропускную способность ВОСС можно также используя одномодовое ступенчатое волокно, но их, из-за малых размеров сердцевины 0≈λ≈1,2 мкм, трудно сращивать.

Распространение света по оптическому волокну можно схематично представить как показано на рисунке 2.32.

101

Пусть θM- максимальный угол ввода световых лучей в оптическое волокно. Тогда θ′M- это критический угол, выходя за который лучи света не будут собираться в пучок. На основе законов преломления световых лучей на границах воздух-волокно и сердцевина-оболчка получим

sin θM = nc sinθM′

n0 = nc cos θM′

решая совместно эти уравнения имеем

sin θM = nc 2 −n02 = NA

где NA –числовая апертура волокна. Поскольку разница между показателем преломления сердцевины nс и оболочки n0 обычно очень мала, можно записать

NA ≈ 2

где = ne −n0 n0

Если допустить, что sin θM ≈θM , то видно, что величина (числовая

апертура) NA представляет собой максимально допустимый угол, в пределах которого все лучи будут введены в волокно. Например, для NA=0,2 максимально допустимый угол равен 11° градусов. Все лучи, образующие с центральной осью углы больше максимально допустимого, соответствуют модам высших порядков и распространяются по более длинным путям, чем те лучи, которые распространяются вдоль центральной оси. В градиентном волокне, за счет введения специальных добавок к стеклу, скорость лучей, распространяющихся не вдоль центральной оси, увеличивается и в результате разница во времени прохождения лучей будет незначительна т.е. проходит выравнивание скоростей

102

различных мод и снижение дисперсии мод.

В процессе прохождения световых лучей по оптическому волокну могут возникать различные эффекты, влияющие на пропускную способность на волокна:

1.Расширение светового импульса за счет дисперсии мод в многомодовом оптическом волокне. Это межмодовое расширение импульса. Об этом мы с вами уже говорили.

2.В многомодальном оптическом волокне из-за его нерегулярности имеет место случайная связь различных мод, что оказывает существенное влияние на форму светового импульса, проходящего по этому волокну, поскольку в случае связей между модами происходит частичная передача энергии между ними и общая энергия импульса снижается. При этом за счет снижения мощности происходит сужение светового импульса.

3.Расширение светового импульса за счет дисперсии материала (стекла), из которого сделано оптическое волокно или за счет неоднородности его структуры. Это внутримодовое расширение импульса.

4.Рассеяние и поглощение энергии в оптическом волокне. Это явление присуще всем видам стекол, т.е. все оптические материалы имеют дефекты, которые рассеивают или поглощают свет по мере его распространения на большие расстояния.

Методы модуляции светового потока

В волоконно-оптических системах связи для модуляции оптической несущей частоты используются как цифровые так и аналоговые методы модуляции. В качестве цифровых методов модуляции используются различные варианты импульсно-кодовой модуляции.

При прохождении модулированного сигнала U(t) (двоичной последовательности) по оптическому волокну, вследствие шумов передатчика и приемника, дисперсионных явлений в волокне (дисперсия мод, дисперсия стекла и т.д.), могут возникать искажения этих сигналов, как показано на рисунке 2.33.

103

U(t)

Сигнал с колебаниями 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 длительности и

импульсов

Рис. 2.33.

Для борьбы например с блужданием при ИКМ может быть использован биполярный двоичный код. Здесь входные импульсы попеременно преобразуются в положительные и отрицательные.

Основным требованием для систем с ИКМ является необходимость строгой синхронизации передаваемых сигналов. Это обычно делается путем передачи синхронизирующей информации среди передаваемых информационных сигналов. Однако такую информацию можно легко потерять если передаваемый сигнал содержит длинную серию нулей. В этом случае можно применить в ИКМ троичный линейный код вместо двоичного. Наиболее простым кодам, из которого легко выделить синхроимпульс является код «с инверсией переменных символов». В этом коде уровень мощности Р представляют нулем, в то время как 2Р и 0 представляют соответственно +1 и –1, как показано на рисунке 2.34.

Рис. 2.34.

Для такого способа кодирования требуется высокая стабильность передаваемой мощности. Более эффективным является код, в котором каждый бит представляется двумя битами. Примерами таких кодов являются код «с инверсией групп символов» и код с «биполярной фазой». С этими кодами можно подробно ознакомиться в книге Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы Пер. с англ. – М.: Электроатомиздат, 1988. – 280 с.

104

Наиболее простой формой аналоговой модуляции является метод прямой модуляции интенсивности. В этом случае аналоговый входной сигнал m(t) модулирует источник света с выходной мощностью.

Pm (t) = P0 [1+γm(t)]

Р0 – средняя выходная мощность источника γ - глубина модуляции.

Наиболее простой способ реализации этого метода заключается в прямой коммутации источника света. Более дорогой, но и более точный способ реализации метода прямой модуляции это использование внешнего модулятора.

Скорость прямого модулирования зависит от инерционности источника света. При использовании лазерных источников частота модуляции достигает

1000 МГц ÷ 1 ГГц.

Лазеры и оптическое волокно

Основными элементами источников светового излучения в оптических системах связи являются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые инжекционные лазеры. Эти устройства излучают свет в диапазоне от 0,75 до 1,6 мкм. Для осуществления дальней связи с высокой скоростью передачи данных применяют лазерные диоды (ЛД) – разновидность полупроводниковых лазеров. В настоящее время получили практическое применение следующие типы полупроводниковых лазеров:

1.лазер полосковой геометрии

2.лазер с распределенной обратной связью.

Одной из последних разработок является С3-лазер, представляющий собой электронно-перестраиваемый одночастотный источник. Этот тип лазера позволяет значительно увеличить скорость и длину передачи данных благодаря спектральной чистоте и сверхширокополосному перестраиваемому выходу. При использовании такого лазера нормальная рабочая частота может достигать 2 Гбит/сек с вероятностью ошибки менее 10-10. Более подробное описание этих типов лазеров можно найти в указанной выше книге П.К. Чео.

Структура ВОСС

В общем виде структуру ВОСС можно представить как показано на рисунке 2.36.

105

Рис. 2.35.

УВДустройство ввода данных, ЗУ – запоминающее устройство.

Основная функция передатчика это преобразование входного электрического сигнала в высокочастотный световой сигнал с высокой точностью. Для этой цели используются рассмотренные выше методы аналоговой или цифровой модуляции оптической несущей частоты генерируемой СИД и ЛД.

Основным назначением приемника является преобразование оптического сигнала в электрический. При этом этот электрический сигнал должен с максимальной точностью воспроизводить исходно переданный электрический сигнал. В качестве преобразователя оптического сигнала в электрический обычно используется фотодиод. Поскольку выходная мощность фотодиода обычно невелика, поэтому на выходе фотодиода ставится усилитель.

2.7. Сети интегрального обслуживания: принципы построения и проблемы создания. Современные виды информационного обслуживания: телекс, электронная почта, видеотекс, телетекс, телетекст

Сети интегрального обслуживания. Принципы построения и проблемы создания

За последние несколько десятков лет наблюдается стремительный рост развития электронной вычислительной техники. В процессе этого развития не только созданы уникальные образцы современных компьютеров, но также создана мощная технология и прежде всего интегральная технология производства цифровых электронных устройств. В этих условиях возникла идея унификации в максимальной степени компонентов техники ЭВМ и электросвязи. Основные процессы, протекающие в ЭВМ, осуществляются на уровне двоичных сигналов, а элементарная база ЭВМ осуществляет обработку и хранение цифровых сигналов. При этом, технология производства средств вычислительной техники значительно опережает технологию средств электросвязи. Поэтому унификацию наиболее целесообразно осуществлять на базе существующей мощной техноло-

106

гии производства цифровых средств обработки информации, на базе которых создается вычислительная техника. Преимущества такой унификации очевидны:

1. Единообразие проектирования и производства аппаратуры передачи, коммутации и обработки информации.

2.. Носителем информации при ее передаче, распределении и обработке является унифицированный импульсный цифровой сигнал, что обеспечивает интеграцию методов передачи и распределения информации на основе использования унифицированных цифровых сигналов, таких же какие используются в вычислительной технике.

Таким образом, унификация систем передачи и распределения (коммутации) на базе современных технологий производства цифровых средств обработки информации и создание цифровых систем передачи и коммутации ведет к интеграции процессов передачи, распределения и обработки информации, и является в настоящее время основным принципом создания интегральных цифровых сетей связи. Одной из первых таких сетей была создана цифровая сеть телефонной связи. Опыт ее эксплуатации показывает, что такая сеть может быть использована для передачи не только речевых сообщения, но и цифровых данных, факсимильных сообщений или видео. Это показало, что идея интеграции может быть реализована не только на уровне средств передачи, распределения и обработки информации, но и на уровне служб. Последнее обстоятельство привело к идее создания не просто интегральных цифровых сетей связи, а цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО), которые реализуются на унифицированных цифровых элементах и объединяют в себе сети электросвязи различного назначения (телевизионные, телеграфные, телефонные, передача данных и т.д.). В середине 80-х годов сформировались основные принципы построения таких ЦСИО. Эти принципы нашли отражение в Рекомендациях МККТТ серии I, принятых в 1984 г.

Интеграция сетей различного назначения в одну универсальную ЦСИО наряду с очевидными преимуществами имеет и ряд недостатков. Это связано с тем, что требования, предъявляемые различными службами связи к оборудованию универсальной сети довольно сильно отличаются друг от друга. Так, например, для передачи данных необходимы разные скорости, обычно в диапазоне от 50 до 9000 бит/сек; телефонные каналы требуют скорость 64 Кбит/сек, а телевизионные 8 Мбит/сек. Количество вызовов в единицу времени, наблюдаемое у абонентов передачи данных, существенно выше, чем у телефонных абонентов, а длительность сеансов связи напротив, существенно короче. Абоненты передачи данных требуют более короткого времени на сеанс связи, предъявляют более высокие требования к доступности абонентов и для них желательна более высокая скорость передачи и меньший коэффициент ошибок по битам. Наряду с этим следует иметь в виду многочисленные услуги, которые предоставляются абонентам современных локальных и глобальных сетей передачи данных (Internet и др.). Нет сомнения, что технически вполне возможно создать

107

универсальную ЦСИО, которая будет удовлетворять всем разнообразным требованиям различных служб связи. Однако в этом случае придется примириться с тем, что отдельные системы связи будут реализованы не так экономично, как в специализированных сетях связи.

Подходы к интеграции

При создании сетей интегрального обслуживания используются три основных метода коммутации:

1.коммутация каналов,

2.коммутация пакетов,

3.гибридная коммутация каналов и пакетов.

Коммутация каналов

Полностью цифровая система коммутации каналов используемая в сетях интегрального обслуживания обеспечивает высококачественную передачу как телефонных сообщений, так и цифровых данных и при более низких затратах, чем аналогичные аналоговые системы. Вместе с тем такая система не обеспечивает эффективное обслуживание многих видов трафика данных. Такие сети проектируются в расчете на быстрое установление каналов связи и тем самым исключают неэффективность, связанную с задержками времени на установление соединения. Однако быстрая коммутация каналов не устраняет неэффективное использование закрепленного канала при обмене данными в диалоговом режиме. Кроме того, передача однопакетных сообщений (дейтаграмм) обслуживается более эффективно в режиме пакетной коммутации. Таким образом если обслуживается большое число дейтаграмм или идет передача данных в диалоговом режиме коммутация каналов оказывается неэффективным режимом работы.

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов является эффективным средством обслуживания большей части видов трафика данных. Исключение составляют длительные непрерывные пересылки файлов или факсимильных сообщений с высокой разрешающей способностью, которые более эффективно обслуживаются в режиме коммутации каналов. Наряду с этим метод коммутации пакетов оказался достаточно эффективным и для передачи телефонных сообщений, что экспериментально подтверждено на сети ARPANET. Основная привлекательная сторона передачи речи пакетами определяется тем, что речевой канал в каждый момент времени используется только в одном направлении и таким образом дуплексный речевой канал фактически используется только на 50 % длительности существования соединения. Тогда, используя способ статистического уплотнения

108

речевого канала (DSI), при котором только активные абоненты подключаются к каналу связи, можно добиться того, чтобы число активных переговоров превышало число каналов передачи, и тем самым увеличило эффективность передачи речевых сигналов. Не менее важным обстоятельством, обеспечивающим возможность эффективной передачи речи в системе с коммутацией пакетов, является то, что защита от ошибок при передаче речи необязательна и даже нежелательна, т.к. абонентами являются люди, способные сами контролировать и исправлять ошибки.

В целом ни коммутация каналов, ни коммутация пакетов не являются оптимальными при построении универсальной сети интегрального обслуживания, предназначенной для большого числа разнообразных услуг связи. Поэтому рекомендуется применять гибридные методы коммутации.

Гибридная коммутация каналов и пакетов

Этот метод коммутации по сути дела предполагает построение двух подсетей: одну для коммутации каналов, другую для коммутации пакетов. Примером такой сети с гибридной коммутацией является известная сеть с сегментированной упаковкой SENET. В этой сети используется синхронный формат основного цикла, в который упаковываются данные, передаваемые с использованием как коммутации каналов так и коммутации пакетов. Каждому соединению, устанавливаемому в режиме коммутации каналов, выделяется некоторое фиксированное число бит в каждом цикле (упаковке) т.е. фиксированная пропускная способность в формате синхронной передачи с временным разделением. Данные в режиме коммутации пакетов передаются во второй половине каждого цикла, как показано на рисунке 2.37.

Рис. 2.36.

С целью обеспечения динамического распределения пропускной способности тракта передачи всякий раз, когда происходит установление или разъединение соединения, производится распределение цикла между синхронными данными с ВРК в коммутируемых каналах и данными в режиме пакетной коммутации. Если на каком-то узле создается большая очередь пакетов, то узел может задержать установление новых соединений до тех пор, пока очередь не рассосется. При этом одно лишь увеличение пропускной способности при передаче от перегруженного узла не может увеличить скорость передачи пакетов в такой

109

же степени. Если очереди пакетов в соседних узлах велики, то пакетам некуда двигаться, несмотря на повышенную пропускную способность каналов. Поэтому вопросы управления потоками в таких сетях оказываются еще более сложными и взаимосвязанными.

Описанный выше подход к построению сети SENET для совмещения коммутации каналов и пакетов определяет режим работы по единственной линии связи и предполагает, что такие сети строятся в виде взаимосвязанных узлов с аналогично работающими линиями связи. Наряду с этим существует другой подход, обеспечивающий более высокую гибкость в управлении различными подсетями (коммутируемых каналов и коммутируемых пакетов). При таком подходе эти подсети работают независимо друг от друга и каждую подсеть в чистом виде можно реализовать как частный случай работы сети в целом. Такие гибридные сети интегрального обслуживания строятся по иерархическому принципу и включают подсеть коммутации каналов и подсеть коммутации пакетов. Первый уровень иерархии это первичная цифровая сеть с коммутацией каналов. Коммутация пакетов реализуется на втором уровне иерархии и функционально не зависит от сети коммутации каналов. Такой принцип построения сетей интегрального обслуживания получил название адаптивное формирование пучков каналов. Структура такой сети показана на рисунке 2.37.

Рис. 2.37.

Первичная сеть образована цифровыми оконечными станциями (ОС) и цифровыми транзитными узлами (ТУ), соединенными цифровыми линиями передачи с ВРК (временное разделение каналов). Терминалы сети соединяются между собой способом коммутации каналов. На основе первичной сети строится вторичная сеть с узлами специального обслуживания (УСО). Эти узлы со-

110