ВОКС_2013 / Лекция 2

Лекция 2. Общие сведения о волоконно-оптических линиях связи.

Простейшая волоконно-оптическая линия связи состоит из источника излучения, устройства ввода излучения в световод, волоконного световода, фотоприемного устройства и электронных устройств усиления и преобразования сигналов. Источник излучения преобразует электрические сигналы в оптические, а фотоприемное устройство выполняет обратное преобразование. В качестве источника излучения обычно используется полупроводниковый лазер или светодиод.

Рис. 2.1. Структурная схема простейшей системы передачи данных по волоконному световоду: 1 – источники излучения, 2 – блок управления источником излучения, 3 – оптическое устройство ввода, 4 – волоконный световод, 5 – фотоприемное устройство, 6 – блок электронной обработки сигнала

Режимы передачи данных.

1. Направление потока сигналов. Симплексная передача (симплекс) – передача сигнала только в одном направлении, полудуплекс – симплексная передача с возможностью переключения направления передачи сигнала, полный дуплекс (или просто «дуплекс») – одновременная передача данных в обоих направлениях.

2. Синхронизация сигналов цифровых данных. Асинхронная передача. Синхронная передача.

Рис. 2.2. Функциональная схема симплексной передачи данных

Рис. 2.3. Функциональная схема полудуплексной передачи данных

Рис. 2.4. Функциональная схема дуплексной передачи данных

Рис. 2.5. Последовательность пакетов импульсов при асинхронной передаче данных

Рис. 2.6. Асинхронный кадр данных

Рис. 2.7. Блок синхронной передачи данных

Существуют аналоговый и цифровой способы передачи сигнала.

1. Аналоговая модуляция. Сущность аналоговой модуляции заключается в том, что мощность оптического сигнала в ВС создают пропорциональной величине электрического сигнала или пропорциональной измеряемой физической величине. Возможно, также изменение длины волны излучения пропорционально заданному сигналу. Т.е. аналогично радиоволновым системам возможна амплитудная и частотная (спектральная) модуляция излучения в световоде. В настоящее время аналоговая модуляция используется редко, в основном в волоконно-оптических датчиках и системах автоматического регулирования. Более того, в большинстве случаев, волоконный световод выполняет одновременно две функции – чувствительного элемента, т.е. непосредственно датчика, влияющего на амплитуду или длину волны излучения и системой передачи данных от датчика к регистрирующему устройству. Примером датчика, использующим спектральную модуляцию, является лазерный гироскоп, в котором изменение длины волны излучения, обусловленное эффектом Саньяка, пропорционально скорости вращения гироскопа. Примером датчика, использующим аналоговую модуляцию, являются датчики уровня жидкости, датчики перемещения и т.п. с локальным чувствительным элементом. (Привести примеры). Для учебных целей целесообразно рассмотреть принцип работы аналоговой линии связи в общем случае более подробно. Наиболее распространенный тип модуляции – модуляция оптической мощности. (Рассказать о ватт-амперных характеристиках светодиодов и полупроводниковых лазеров, о вольт-амперных характеристиках фотодиодов). Возможна модуляция мощности оптического излучения без обратной связи и с обратной связью по мощности вводимого в ВС излучения. Недостатки аналогового способа передачи сигналов: сравнительно высокие нелинейные искажения сигналов, низкое отношение сигнал-шум, снижение качества сигнала при многократной ретрансляции.

2. Цифровой способ передачи данных. Если исходный сигнал является аналоговым – то он преобразуется в цифровой вид с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Далее – кодируется определенным образом и передается по линии связи. После фотоприемного устройства сигнал декодируется и, если необходимо, снова преобразуется в аналоговый вид с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Спектральное уплотнение каналов. Для увеличения пропускной способности линии связи можно использовать одновременно несколько длин вол излучения, модулируемых независимо (рис. 2.8). Такой способ уплотнения называют также методом мультиплексирования с разделением по длине волны, волновым мультиплексированием или спектральным разделением. В англоязычной литературе используется аббревиатура “WDM”, что означает «Wavelength Division Multiplexing». Принято выделять четыре типа мультиплексоров WDM:

1. CWDM – грубые, с разносом каналов по частоте более 200 ГГц

2. WDM – обычные, с разносом по частоте 200 ГГц

3. DWDM – плотные, с разносом по частоте 100 ГГц

4. HDWDM – высокоплотными, с разносом каналов по частоте менее 50 ГГц.

Рис. 2.8. Структурная схема системы передачи данных со спектральным уплотнением каналов: 1 – передатчики, 2 – мультиплексор, 3 – оптические усилители, 4 – демультиплексор, 5 – фотоприемные устройства

Основные элементы волоконно-оптических линий связи.

1. Источник излучения

2. Приемник излучения

3. Волоконно-оптический кабель

4. Устройство ввода излучения в ВС

5. Оптические соединители («коннекторы» или «разъемы»)

6. радиоэлектронные устройства преобразования сигналов

Могут использоваться следующие пассивные элементы ВОЛС:

1. мультиплексоры и демультиплексоры, включая WDM устройства

2. разветвители, ответвители, разделители (сплиттеры)

3. аттенюаторы

4. изоляторы

5. фильтры

6. переключатели и коммутаторы

7. пассивные компенсаторы дисперсии

8. оконцеватели для подавления отражений (терминаторы)

9. адаптеры

10. волоконно-оптические циркуляторы

11. соединительные муфты

12. ремонтные вставки

Примером мультиплексора и демультиплексора, объединяющего и разъединяющего излучение с различными длинами волн, является дифракционная решетка. Ответвителем или разветвителем называют неселективный пассивный элемент, обладающий тремя и более портами и распределяющий мощность между ними в определенном соотношении. Аттенюатор – пассивный элемент, осуществляющий заданное ослабление сигнала в световоде. Изолятор – оптическое устройство, не обладающее свойством взаимности, предназначенное для подавления обратно отраженного излучения. Фильтр – оптический элемент, преобразующий проходящее через него излучение, обычно - за счет спектрально зависимого пропускания. Переключатель (коммутатор) – пассивный элемент, перенаправляющий или блокирующий оптическое излучение в один из световодов. Компенсаторы дисперсии будут рассмотрены позже. Коннекторы или соединители (неофициальное название - «разъемы») – элементы, позволяющие создавать разъемные оптические соединения волоконных световодов. Терминаторы (оконечные элементы) – элементы, используемые для подавления обратного отражения. Под термином «адаптеры» обычно понимают приспособления, позволяющие соединять оптические волокна без коннекторов. Циркулятор – элемент, являющийся одновременно разветвителем и изолятором. Соединительная муфта – элемент, позволяющий соединять оптические кабели. Ремонтные вставки – элементы, предназначенные для быстрого восстановления аварийного участка ВОЛС.

Активные элементы ВОЛС, кроме источника излучения и фотоприемного устройства

1. полупроводниковые усилители

2. оптические усилители на волокне, легированном эрбием (EDFA)

3. волоконные усилители на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) – рамановские усилители.

7