PRACTICE / ОПТИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕЛЕКОММУТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Максимальное по абсолютной величине значение сигнала может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Значению максимально возможной амплитуды отсчетов с отрицательным знаком присваивается значение 0 уровня, возрастающие номера уровней присваиваются следующим через шаг квантования значениям квантованных отсчетов (рис.3.2).

-Uогр 0

Рисунок 3.2. Характеристика натурального кодирования

Число уровней квантования может быть определено

Число импульсов в кодовой группе

m Ц log2 Lнат - ближайшее целое число в большую сторону.

Вид кодовой группы для любого отсчета, достигшего разрешенного уровня квантования (N) определяют из выражения:

m

N ai 2m i , i 1

где аi – кодовая группа (1 или 0) i-го разряда.

Симметричный код

Отсчет шагов квантования начинается от нулевого значения сигнала в сторону положительных и отрицательных значений его амплитуд.

Число уровней квантования (рис. 3.3):

Lнат Uогр

21

-Uогр -5

Рисунок 3.3. Характеристика симметричного кодирования

Для кодирования разнополярных импульсов старший разряд кодовой группы – знаковый (1- положительной полярности отсчетов, 0 –для отрицательной). Остальные разряды кодовой группы определяют номер уровня квантования, которого достиг сигнал в положительной или отрицательной области.

Выводы.

1. Аналоговый сигнал преобразуется в сигнал с ИКМ в 3 этапа: Дискретизация исходного сигнала по времени. Квантование непрерывных отсчетов по уровню. Кодирование квантованных отсчетов.

2.Дискретизация аналогового сигнала осуществляется по теореме Котельникова.

3.В качестве станционных кодов можно использовать симметричный и натуральный коды. В основном в ОЦТС применяется симметричный код.

4.При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на

отрезки, называемые шагами квантования.

5.Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни квантования.

6.При преобразовании сигнала АИМ – 11в ИКМ сигнал используется нелинейная шкала квантования.

Контрольные вопросы.

1.Сколько этапов используется при преобразовании аналогового сигнала в цифровой?

2.Сформулируйте теорему Котельникова.

3.Почему АИМ- 1 преобразуется в АИМ -11?

4.Поясните принцип кодирования симметричным и натуральным кодами?

5.Что такое шум квантования?

6.Почему используется нелинейная шкала квантования?

22

Лекция 4

Тема 3. Структура оптических цифровых телекоммуникационных систем (4 часа)

Введение.

В лекции рассматривается принцип построения ОЦТС. Любую систему

передачи можно представить в виде трех основных частей: - каналообразующего оборудования (КОО); -оборудования сопряжения (ОС); -оборудования линейного тракта (ОЛТ).

Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в тракте передачи и приема. В настоящей и последующих лекциях рассматриваются последовательно принципы построения каждой части ОЦТС.

Раздел 3.1 Обобщенная схема оптических цифровых телекоммуникационных систем (ОЦТС)

Промежуточная станция

Рисунок 4.1. Принцип организации волоконно-оптической связи

На передающей станции А (рис. 4.1 ) первичные сигналы в электрической форме поступают на каналообразующего оборудования (КОО), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. при распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые и необслуживаемые станции (оптические ретрансляторы – ОР), где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

Аппаратура КОО содержит индивидуальное и групповое оборудование. Индивидуальное оборудование служит для дискретизации передаваемых аналоговых

сигналов на передаче и выделения спектра этих сигналов из спектра их отсчетных значений на приемном конце.

23

Групповое оборудование предназначено для кодирования группового сигнала, передачи сигналов в цифровом виде и декодировании группового цифрового потока в тракте приема (рис.4.2).

На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический сигнал и обратным преобразованием на выходе. В настоящее время возможно построение чисто оптических ретрансляторов на основе оптических квантовых усилителей и регенераторов. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. При фикси рованных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде:

E(t)=Eм cos(ω0t+φ0),

где Eм – амплитуда поля; ω0 и φ0 – соответственно частота и фаза оптической

несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно:

Pм г= E2(t)=Eм 2cos2(ω0t+φ0),

а усреднение по периоду T0=2π/ω0 дает величину P=0,5Eм 2, которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р изменяется в соответствии с модулирующим сигналом с(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов (фотонов) с энергией hf0, где h—постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J=Р/hf0. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) ~ с(t).

Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средствами. Для управления интенсивностью излучения полупроводни кового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующи м сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной, ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.

Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относится к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энергетический прием). Другим методом приема является метод фотосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием),

Выводы.

1.Любую систему передачи можно представить в виде трех основных частей:

- каналообразующего оборудования (КОО); -оборудования сопряжения (ОС); -оборудования линейного тракта (ОЛТ).

24

2.Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в тракте передачи и приема.

3.В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения.

Контрольные вопросы.

1.Назначение КОО?

2.Назначение ОС?

3.Назначение ОЛТ?

4.Что такое модуляция по интенсивности оптического излучения?

25

Лекция 5

Раздел 3.1 Обобщенная схема оптических цифровых телекоммуникационной системы (ОЦТС) (продолжение)

Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимаемого оптического сигнала.

Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что частоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с необходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гетеродина.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателями и др. Аналоговые СП не применяются на волоконно-оптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой помехозащищенности. Тем не менее, исследования в области аналоговых ВОСП показывают их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи).

В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные однополосные однокабельные. При таком построении передача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны λ. Каждое 0В является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически отсутствуют тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.

Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП показан на рис. 5.1, где приняты обозначения: КОО - каналообразующее оборудование; ОС - оборудование сопряжения; ОПер - оптический передатчик; ОВ - оптическое волокно; Опр - оптический приемник. Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.

Рис. 5.1 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную

часть стоимости ВОСП, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования про - пускной способности 0В за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному 0В (однополосные одноволоконные однокабельные ВОСП) при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ)

26

(рис.1.3). Особенностью данной схемы является использование 0В для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны.

наличие переходных помех между информационными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рассеяния в 0В, ответвителях, из-за отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии, что ограничивает длину участка ретрансляции.

Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения 1 в одном окне прозрачности, а прием осуществляется в другом окне прозрачности на длине волны 2, показан на рис. 5.3 Разделение направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения.

Рис. 5.3. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП

Так же системы строятся как двухволоконные многополосные однокабельные. На передающей станции электрические сигналы от N .систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн λ1, λ2, λ3……… λn. С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на передаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному 0В организуется N спектрально разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна.

Выводы.

1. Любую систему передачи можно представить в виде трех составляющих: каналообразующее оборудование (КОО), оборудование сопряжения (ОС) и оборудования линейного тракта.

2.Каждая составляющая системы передачи выполнят свою функцию.

3.Каналообразующее оборудование формирует стандартные цифровые потоки Е1, Е2, Е3, Е4 и Е5.

4.Оборудование сопряжения преобразует электрический сигнал в оптический на передаче и осуществляет обратное преобразование на приеме.

27

5. Оборудование линейного тракта осуществляет передачу оптического сигнала по линейному тракту. В ОЛТ входят оптические передатчики, ВОК, ретрансляторы и оптические приемники.

Контрольные вопросы.

1.Назовите составляющие оптической цифровой системы передачи.

2.Поясните принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП.

3.Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП.

4.Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП.

5.Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП

28

Лекция 6

Тема 4. Структурная схема оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования (12 часов)

Введение.

Рассмотрим структурную схему оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования

Раздел 4.1 Структурная схема оконечной станции первичной ОЦТС и основные узлы оборудования

Структурная схема оконечной станции ОЦТС показана на рис. 6.1

Рис. 6.1. Схема оконечной станции ОЦТС

Тракт передачи. Речевой сигнал, пройдя через фильтр нижних частот, ограничивающий спектр сигнала частотой 3,4 кГц. Подается на амплитудно-импульсный модулятор, в качестве которого служит электронный ключ. Работой электронного ключа управляет импульсная несущая, поступающая от генераторного оборудования передачи и следующая с частотой дискретизации. Время замыкания ключа определяется длительностью этой несущей и, таким образом, электронные ключи выполняют функцию модулятора АИМ1.

Импульсные последовательности, управляющие работой электронных ключей каналов, смещены относительно друг друга на одинаковые временные интервалы, равные длительности канальных импульсов к.

Импульсы сигналов АИМ1 всех каналов объединяются в групповой АИМ сигнал и подаются к формирователю импульсов АИМ2, где импульсы АИМ1 расширяются и обеспечивается плоская их вершина. Групповой АИМ2 сигнал квантуется и кодируется в кодере. Таким образом, за период дискретизации происходит по одному разу отсчет дискретных значений речевых сигналов во всех каналах, их квантование и кодирование. Устройство временного уплотнения объединяет этот сигнал с импульсными сигналами управления и взаимодействия, а также с синхросигналом, поступающим от передатчика

29

синхросигнала. В кодере линейного тракта сигнал перекодируется в код удобный для передачи в линии и поступает через линейный трансформатор в линейный тракт.

Тракт приема. Из линейного тракта через линейный трансформатор цифровой сигнал поступает на станционный регенератор, где происходит восстановление импульсов по форме и временному положению. Декодер линейного тракта преобразует линейный код в станционный. Здесь же из цифрового сигнала выделяют колебания тактовой частоты, управляющие работой генераторного оборудования, обеспечивающие синфазность работы генераторного оборудования передающей и приемной частей СП. В декодере групповой сигнал преобразуется в АИМ сигнал. Затем он поступает в индивидуальное оборудование, где происходит его распределение с помощью временных селекторов по отдельным каналам. Работой временных селекторов управляют импульсные последовательности от генераторного оборудования приема. Затем из АИМ сигнала в каждом канале с помощью ФНЧ выделяется исходный речевой сигнал, который усиливается усилителем низких частот. Приемник синхросигнала выделяет синхроимпульсы, служащие для синхронизации генераторного оборудования приема. Здесь же выделяются СУВ, которые поступают на согласующие устройства, где импульсные последовательности преобразуются в импульсы постоянного тока. Последние управляют работой узлов АТС.

Выводы.

1.Оборудование формирования потока Е1 включает в себя узлы, которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой с ИКМ.

2.На приемном конце осуществляется обратное преобразование.

3.При формировании ИКМ сигнала используется нелинейное кодирование.

Контрольные вопросы

1.Нарисуйте схему АИМ тракта на передаче и поясните принцип работы.

2.Нарисуйте схему АИМ тракта на приеме и поясните принцип работы.

3.Что такое нелинейное кодирование? Достоинства, недостатки.

30