ТПСС. 3.ТПСС Лекции -2021 г. Конспект лекций по учебной дисциплине транспортные проводные системы связи 3 курс по специальности (направлению подготовки)
 Скачать 2.21 Mb.
|
пер и БЦС пр – блоки цифрового сопряжения тракта передачи и приема. БЦС пер укорачивает и распределяет во времени импульсы каждой из объединяемых систем. КЦП (устройство объединения) и РЦП (устройство разделения) – коллектор и распределитель цифровых потоков, служащие соответственно для объединения потоков в тракте передачи и их разделения в тракте приема. Пер СС и Пр СС – передатчик и приемник синхросигнала. ВТЧ – выделитель тактовой частоты. При объединении цифровых потоков производится запись этих потоков в запоминающее устройство (БЦС пер ) и последующее их считывание с помощью импульсов от генераторного оборудования. Импульсы считывания должны иметь длительность, равную длительности импульсов цифрового потока объединенной системы и должны быть разнесены во времени относительно друг друга на тактовые интервалы этого потока. Генераторное оборудование систем передачи более низкого порядка может работать либо независимо от оборудования объединения и разделения цифровых потоков, либо может быть обеспечена их синхронизация общим задающим генератором. В зависимости от этого объединение цифровых потоков будет асинхронным или синхронным. При синхронном объединении цифровых потоков скорость записи в БЦС пер и скорость считывания этой информации из БЦС пер будут постоянными, т.к. вырабатываются одним и тем же генераторным оборудованием. При этом, между командами записи и считывания должен быть установлен требуемый временной сдвиг, чтобы считывание информации происходило после ее поступления в БЦС пер При асинхронном объединении ТПСС , когда генераторное оборудование устройств объединения цифровых потоков и генераторное оборудование устройств формирования цифровых потоков низшего порядка работают независимо, возможно некоторое расхождение между скоростями записи и считывания. Для согласования этих скоростей необходимо принять дополнительные меры. При объединении цифровых потоков производится запись информационных символов в запоминающее устройство БЦС с частотой f з и последующее их считывание с частотой f сч При синхронном объединении цифровых потоков частоты f з = f сч . При асинхронном объединении цифровых потоков f з и f сч могут изменяться в некоторых пределах. Могут быть два случая: 1. f з f сч – память запоминающего устройства будет переполнена и часть информационных символов может пропасть. 67 2. f з f сч – память пуста и в очередной момент считывать будет нечего, т.е. появятся дополнительные временные позиции, которые в исходном цифровом потоке отсутствуют. Следовательно, необходимо согласование скоростей. При f з f сч наступают моменты, когда ячейки памяти будут свободны от информационных импульсов и появятся нулевые символы, которые называются временными сдвигами. В таком случае производится положительное согласование скоростей: в считанную последовательность вводится дополнительный балластный тактовый интервал, который на приеме должен быть изъят из передаваемой последовательности. При f з f сч производится отрицательное согласование скоростей: из считываемой последовательности изымается один тактовый интервал, информация которого передается по специальному временному каналу и на приеме вводится в передаваемый поток на свое место. При асинхронном объединении цифровых потоков возможно одностороннее и двустороннее согласование скоростей. В системах с односторонним согласованием скоростей частота f сч выбирается заведомо больше или меньше, чем f з При положительном согласовании (f з f сч ) в считанную последовательность вводится дополнительный (неинформационный) балластный тактовый интервал, который на приеме исключается из нее по соответствующей команде согласования скоростей. При отрицательном согласовании скоростей (f з f сч ) на передаче из информационной последовательности изымается один тактовый интервал (дополнительное считывание), который передается по дополнительному каналу и на приеме по команде согласования скоростей снова вводится в информационную последовательность. В системах с двусторонним согласованием скоростей часто в зависимости от знака разности частот f з и f сч при возникновении неоднородности необходимо либо вводить в считанную последовательность дополнительный тактовый интервал, либо изымать его и передавать по дополнительному каналу. В реальной аппаратуре объединения потоков необходимо передавать еще служебные сигналы, команды согласования скоростей, аварийные сигналы и другие виды сигналов, поэтому частота считывания выбирается больше частоты записи. f сч =f з +f сл Для передачи команд согласования скоростей организуются дополнительные временные каналы на определенных позициях цикла передачи, то есть согласование скоростей может производиться в строго определенный момент, обусловленный структурой цикла передачи. Передача команды согласования скоростей приводит к увеличению тактовой частоты или уменьшению объема передачи полезной информации. Число команд согласования скоростей и объем дополнительной информации будут зависеть от частоты возникновения неоднородностей, которые зависят от стабильности генераторного оборудования. Учитывая высокую стабильность генераторного оборудования, передаваемые команды согласования скоростей занимают 1-2 % объема передаваемой информации. Выводы. 1. Иерархия цифровых систем передачи заключатся в объединении стандартных цифровых потоков. 2. Необходимо обеспечить возможность совместного использования АСП и ЦСП. 68 3. Оборудование ТПСС должно обеспечить как синхронное, так и асинхронное объединение цифровых потоков. Контрольные вопросы. 1. Что такое цифровая иерархия? Каким условиям она должна удовлетворять? 2. Чему равна скорость передачи стандартных цифровых потоков? 3. Сколько ОЦК содержат стандартные цифровые потоки? 4. Способы объединения цифровых потоков? 5. Нарисуйте схему объединения синхронных цифровых потоков и поясните принцип ее работы. 69 Лекция 12 Плезиохронные и синхронные цифровые иерархии (продолжение) Введение. Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы используют в основном асинхронное объединение цифровых потоков. При этом обеспечивается как одностороннее, так и двухстороннее согласование скоростей. Рассмотрим подробно способ асинхронного объединения цифровых потоков. Раздел 6.1. Принципы временного группообразования (продолжение) Оборудование временного группообразования асинхронных цифровых потоков. Структурная схема оборудования временного группообразования в асинхронном сопряжении цифровых потоков с двусторонним согласованием скоростей. ЗУ ВТЧ Пер КСС ИЛИ 1 НЕТ ВД БАСпер 1 БАСпер2 БАСпер4 БАСпер3 Генераторное оборудование передачи ЗГ 1 2 N скоростей ия согласован канала у передатчик к + - - + От ГО С хе м а об ъ ед и не ни я Пер. СС И И И И СУ ВД ГУН НЕТ Пр КСС ИЛИ 3 ИЛИ 2 ЗУ Генераторное оборудование приема Схема распределения БАСпр 1 ФАПЧ БАСпр2 БАСпр3 БАСпр4 П р. С С В Т Ч скоростей ия согласован канала приемнику к 1 2 N От ГО + - Оборудование передающей станции содержит БАС пер для каждого из объединяемых цифровых потоков, а на приеме располагаются БАС пр На передаче цифровых потоков СП низшего порядка записывается и запоминается в запоминающем устройстве БАС пер Запись осуществляется импульсной последовательностью f з , выделяемой из входного потока выделителем тактовой частоты (ВТЧ). Считывание осуществляется импульсной последовательностью от генераторного оборудования передачи. Считанные цифровые последовательности от всех БАС пер объединяются в устройстве объединения в групповой цифровой поток. Временной детектор контролирует взаимное временное положение импульсов записи и считывания и управляет 70 работой передатчика команд согласования скоростей (Пер. КСС). При появлении неоднородности в зависимости от ее знака из временного детектора в Пер. КСС подается соответствующая команда на согласование скоростей. При положительном согласовании скоростей (f з f сч ) на одной из временных позиций цикла передачи информация из запоминающего устройства не считывается и на этой позиции передается балластный символ, таким образом, реальная скорость считывания информации из запоминающего устройства уменьшится. Такое согласование осуществляется, путем запрета одного импульса считывания с помощью ячейки НЕТ. При отрицательном согласовании скоростей (f з f сч ) производится дополнительное считывание информации из запоминающего устройства. Считывание происходит импульсом, который подается от Пер. КСС через ячейку ИЛИ1 в строго определенные временные позиции цикла, на которых формируется временной канал отрицательного согласования скоростей. Объединенный цифровой поток с выхода устройства объединения поступают в линейный тракт. В приемнике объединенный цифровой поток распределяется через схему распределения по соответствующим запоминающим устройствам БАС пр . Работой ячеек устройств разделения БАС пр управляют импульсные последовательности от генераторного оборудования приема, синхронная работа которого с генераторным оборудованием передачи обеспечивается ВТЧ. После считывания с частотой, равной средней частоте записи восстанавливается первоначальная скорость каждого из асинхронных цифровых потоков. Средняя частота считывания устанавливается устройством ФАПЧ. При получении приемником команд согласования скоростей (Пр. КСС) сигнала о положительном согласовании скоростей, через логический элемент НЕТ осуществляется запрет записи информации в запоминающее устройство. Взаимное положение сигнала записи соответствует моменту осуществления положительного согласования скоростей в передающем устройстве. Сигнал запрета записи должен убрать из информационного потока балластный символ, вводимы при положительном согласовании скоростей. Отсутствие сигнала записи на выходе схемы НЕТ фиксируется во временном детекторе, после чего частота считывания плавно уменьшиться. По сигналу об отрицательном согласовании скоростей с помощью логического элемента ИЛИ2 открывается элемент И схемы распределения и в передаваемый поток вводится дополнительный символ, изъятый при отрицательном согласовании скоростей на передаче. Через схему ИЛИ3 вводится дополнительный импульс управления записью, который поступает на временной детектор и частота считывания плавно увеличивается. Таким образом, плавное изменение в допустимых пределах частоты считывания позволяет согласовать скорости записи и считывания. Распределение на приеме группового сигнала по потокам, контроль и поиск режима синхронизма обеспечивается приемником синхросигнала. К параметрам этого приемника предъявляются жесткие требования. Время установления режима синхронизма при его нарушении должно быть меньше времени восстановления синхронизма оборудования низших объединяемых потоков, чтобы не произошло, сбоя синхронизма. Цикл передачи вторичного цифрового потока. Для примера можно рассмотреть построение цикла вторичного цифрового потока в системе передачи ИКМ-120. Скорость передачи вторичного цифрового потока 8448 кбит/с. Он формируется их четырех первичных цифровых потоков, имеющих скорость передачи 2048 кбит/с. Объединение первичных цифровых потоков посимвольное в ассиметричном режиме с двусторонним согласованием скоростей. Частота записи первичного цифрового потока в БАС пер – 2048 кГц, а частота считывания 8448/4=2112 кГц. Соотношение частот f з /f сч =32/33. Следовательно, на 32 71 информационных символа приходится 1 служебный, то есть временно сдвиг будет происходить через 32 такта. Изобразим временные диаграммы цикла ИКМ-120. Первая группа Четвертая группа Третья группа Вторая группа 1056 импульсных позиций Тц=125 мкс 1 II I IV III II I 0 1 1 0 0 1 1 IV III II I 1 264 Синхросигнал Информационные символы Первая группа II I IV III II I 1 264 Информационные символы Четвертая группа II I IV III II I IV III II I 1 264 Информационные символы Третья группа II I IV III II I IV III II I 1 264 Информационные символы Вторая группа 1- я КСС Служебная связь 2- я КСС Дискретная информация 3- я КСС Отрицательное согласование скоростей Положительное согласование скоростей Цикл содержит 1056 импульсных позиций, из которых 1024 – информационные, а 32 - служебные. Служебные позиции служат для передачи синхросигнала, канала согласования скоростей, аварийных сигналов, каналов служебной связи, дискретной информации. Цикл разбит на четыре группа по 264 импульсных позиции. В каждой группе позиции с 1 по 8 – служебные символы, а с9 по 264 (256) – информационные. В первой группе на позициях с 1 по 8 передается синхросигнал вида 11100110. Во второй группе на позициях с 1 по 4 – первые символы канала согласования скоростей; на позициях с 5 по 8 – импульсы служебной связи. В третьей группе на позициях 1…4 – вторые символы канала согласования скоростей; на позициях 5…8 – символы дискретной информации. В четвертой группе – позиции 1…4 занимают третьи символы канала согласования скоростей; на позициях с 5 по 8 передаются информационные символы изъятого временного интервала при отрицательном согласовании скоростей. При положительном согласовании скоростей позиции 9…12 занимают балластные символы первого, второго, третьего и четвертого объединяемых потоков, которые в запоминающее устройство БАС пр не поступают. Системы асинхронного объединения цифровых потоков с односторонним согласованием скоростей – частный случай систем с двусторонним согласованием скоростей. В этом случае передается только одна команда согласования скоростей. 72 Выводы. 1. Основной способ объединения цифровых потоков – асинхронное объединение. 2. Асинхронное сопряжение цифровых потоков, как правило с двусторонним согласованием скоростей. Системы асинхронного объединения цифровых потоков с односторонним согласованием скоростей – частный случай систем с двусторонним согласованием скоростей. В этом случае передается только одна команда согласования скоростей. 3. Передача команд согласования скоростей осуществляется по специальному каналу (КСС - канал согласования скоростей). Контрольные вопросы. 1. Что такое асинхронное согласование скоростей? 2. Как осуществляется положительное и отрицательное согласование скоростей? 3. Нарисуйте схему асинхронного объединения цифровых потоков и поясните принцип ее работы. 4. Нарисуйте цикл передачи вторичного цифрового потока и укажите, где передаются синхросигналы и сигналы команд согласования скоростей. 73 Лекция 13 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) (6 часов) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ. Раздел 7.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) В настоящее время в развитых странах ТПСС широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях, ТПСС обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также предоставлять абоненту наряду с телефонной связью любые виды услуг связи (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, телематическое и справочное обслуживание, рекламу, местную связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и возможность организации регенерационных участков большой протяженности; значительная экономия меди и потенциально низкая стоимость оптического кабеля (ОК) и др. На передающей станции А (рис. 13.1) 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. ОЛТ включает в себя оптический передатчик (ОПер), оптическое волокно (ОВ), ретранслятор и ОПр. 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 и восстановление. В ОПр. Осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический. КОО ОС ОПер ОР КОО ОС ОПр 1 2 N 1 2 N ОВ ОВ А Б Промежуточная станция ОЛТ Рисунок 13.1. Принцип организации волоконно-оптической связи На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ЦМТС строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический сигнал и обратным 74 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 фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде: E(t)=E м cos(ω 0 t+φ 0 ), где E м – амплитуда поля; ω 0 и φ 0 – соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно: P мг = E 2 (t)=E м 2 cos 2 (ω 0 t+φ 0 ), а усреднение по периоду T 0 =2π/ω 0 дает величину P=0,5E м 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 hf 0 , где h—постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J=Р/hf 0 . 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 полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующим 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), 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 не- обходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гетеродина. В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ЦМТС используются цифровые системы передачи, т. е. ЦМТС 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 75 их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи). В настоящее время ЦМТС 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 однополоснойЦМТС показан на рис. 17.2, 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. КОО КОО ОС ОС ОС ОПр ОС ОПер ОПр ОПер 1 2 N 2 1 N ОВ ОВ Рис. 13.2 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ЦМТС С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости ТПСС, 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 ТПСС) при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ) (рис.13.3). Особенностью, данной схемы является использование 0В для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны. КОО КОО ОС ОС ОС ОПр ОС ОПер ОПр ОПер 1 2 N 2 1 N ОВ ОРУ ОРУ Рис. 13.3. Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ЦМТС Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информационными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рас- сеяния 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 однокабепьной 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. 13.4 Разделение направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. 76 КОО КОО ОС ОС ОС ОПр ОС ОПер ОПр ОПер 1 2 N 2 1 N ОВ 1 ОФ 2 ОФ 2 ОФ 1 ОФ 1 2 Рис. 13.4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ТПСС Так же системы строятся как двухволоконные многополосные однокабельные (рис. 13.5). На передающей станции электрические сигналы от N. систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн λ 1 , λ 2 , λ 3……… λ n . С помощью мультиплексоров (МП) и демульти - плексоров (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. Рис. 13.5. Структурная схема двухволоконной многополосной однокабельной ТПСС Принцип работы мультиплексора и демультиплексора основан на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе их структуры может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др. Выводы. 1. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. 2. 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. 3. В настоящее время ТПСС строятся как двухволоконные однополосные однокабельные. Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схему цифрового оптического тракта и объясните назначение узлов, входящих в нее. МП ДМ П 1 ОС ОПер N коо ОС ОПр коо N 1 1 ОС ОПер N коо 1 ОС ОПер N коо ОС ОПр коо N 1 ОС ОПр коо N 1 λ 1 , λ 2, …….. λ n λ 1 λ 2 λ n λ n λ 1 λ 2 77 2. Что такое модуляция по интенсивности (МИ). 3. Какие виды модуляции можно применять для передачи оптических сигналов по ОЛТ? 4. Способы построения оптических линейных трактов. 78 Лекция 14 Цифровые волоконно – оптические линейные тракты (ОЛТ) (продолжение) Введение. Как отмечалось ранее, ОЛТ является составной частью любой системы передач. В его состав входят оптические передатчики, оптические приемники, волоконно – оптический кабель и ретрансляторы. ОЛТ могут уплотнятся различными методами. Ниже рассматриваются перечисленные выше узлы ОЛТ, методы уплотнения и д.р. Раздел 7.1. Оптический линейный тракт (ОЛТ) (продолжение) Методы уплотнения ВОЛС. Временное уплотнение (Times Division ultiplexing, TDM). Данный метод предполагает объединение нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов (рис. 14.1) две серии импульсов (может быть N источников), поступающие с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал. Последний в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую, Оптическое излучение распространяется по 0В и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А' и В'. В настоящее время данный способ уплотнения ВОЛС является основным. УО ОПер ОПр УР ОВ А В А’ В’ Рис. 14.1. Принцип временного уплотнения на уровне объединения электрических сигналов Схема объединения оптических цифровых потоков показана на рис. 14.2. Электрические цифровые потоки от N источников поступают на N оптических передатчиков, в которых осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на Δt; 2Δt; 3Δt;……..(N-1)Δt. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование. При временном уплотнении на уровне оптических сигналов требуется передача коротких (10 -9 с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонент приемопередающего оборудования ТПСС, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами оптического волокна. 79 ОПер 1 ОПер 2 ОПер N ОС t t N ) 1 ( 1 2 N ОВ Рис. 14.2. Принцип временного уплотнения на уровне объединения оптических сигналов К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение коэффициента использования пропускной способности оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8...16 Гбит/с и более); возможность создания полностью оптической сети связи. Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это позволяет создавать оптический кабель, содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле, а, следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком пространственного уплотнения являются большой расход оптического волокна, значительные затраты на каблирование, а, следовательно, и высокая относительно стоимость линейного тракта. Для магистральных ЦМТС, где стоимость 1 кан/км определяется в основном стоимостью кабеля, метод пространственного уплотнения не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности. Спектральное уплотнение. Одним из наиболее перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ – является спектральное уплотнение или мультиплексирование по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В настоящее время WDM играет в оптических синхронных системах ту же роль, что и мультиплексирование с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи, данных. Структурная схема ВОСП-WDM, соответствующая рекомендации G.692 МСЭ-Т, приведена на рис. 14.3. Здесь ТХ i , RX i ; (i = 1, 2,..., n) - передающие и приемные транспондеры (приемопередатчики) каждого канала N-канальной ВОСП - WDM; ОМ - оптический мультиплексор; ОА - оптический усилитель; OD - оптический демультиплексор; R Ti - контрольная точка (интерфейс) на входе i-го передающего транспондера; S Ti - контрольная точка на выходе i-го приемного транспондера; S i ÷S n - контрольные точки на выходах оптических соединителей (ОС) передающих транспондеров для каналов 1 ... n; R Mi ÷R Mn - контрольные точки на входе ОС перед блоком ОМ/ОА для каналов 1 ... n; MPI-S - контрольная точка (интерфейс) на выходе ОС после блока ОМ/ОА; S' - контрольная точка на выходе ОС после линейного усилителя LA; R' - контрольная точка на входе ОС перед линейным оптическим усилителем; MPI-R - контрольная точка (интерфейс) на входе ОС перед оптическим усилителем ОА на входе оптического демодулятора (OD); S D1 ÷S Dn - контрольные точки на выходе ОС после блока OA/OD; OSC - точки подключения оптического служебного канала; OADM - мультиплексор ввода-вывода оптических каналов; S, R - интерфейсы на выходе передатчиков и входе приемников аппаратуры STM-N (обычно N= 16, либо 64) или ATM. 80 ОМ/ ОА OA/ OD S T M - 1 6 T X 1 A T M R X 1 R X 2 R X N S T M - 1 6 0 0 0 S S S R Tn R T2 T X 2 T X n 1 2 n S 1 S 2 S n R M1 R M2 R Mn MPI-S R’ R’ LA S’ S’ MPI-R OSC STM-16 STM-16 1 2 n 0 0 0 S D1 S D2 S Dn R 1 R 2 R n S T1 S T2 S Tn R R R S T M - 1 6 S T M - 1 6 A T M OSC OSC R T1 - оптический соединитель TX OP RX Рис. 14.3. Структурная схема ВОСП - WDM Как следует из рис. 18.3, структурная схема ВОСП-WDM содержит оптический передатчик (ТХ), оптический приемник (RX) и главный оптический тракт (ОР). Оптический передатчик содержит канальные приемопередатчики (транспондеры) TX i ÷TX n , которые, в частности, преобразуют длину волны STM-N (или ATM) λ 0 в длины волн спектра каналов λ 1 ÷λ n ,. Как правило, операцию преобразования выполняют конверторы, входящие в состав транспондеров. На выходе ТХ i образуется канальный сигнал, спектр которого соответствует скорости передачи STM-N. Канальные сигналы, а, следовательно, и их спектры объединяются с помощью оптического мультиплексора (ОМ); на его выходе образуется групповой сигнал, спектр которого содержит суммарный спектр канальных сигналов: , ) 1 ( нчр кс гс f n f f где Δf ГС - спектр группового сигнала; Δf КС - спектр канального сигнала; Δf НЧР - номинальное частотное разнесение (НЧР) каналов. Групповой сигнал усиливается оконечным оптическим усилителем ОА (бустером), с помощью которого в интерфейсе MPI-S устанавливается необходимая общая средняя мощность линейного сигнала P ЛС Главный оптический тракт (ОР) содержит линейные оптические усилители (LOA), компенсирующие затухание, вносимое участками оптических волокон длиной l 1 …l i …l k Вместо любого из усилителей может быть включен мультиплексор ввода/вывода каналов OADM с такими же интерфейсами R' и S', как и у оптического усилителя. Приемник (RX) содержит предварительный оптический усилитель (ОА), усиливающий линейный сигнал, оптический демультиплексор (OD), разделяющий групповой сигнал на канальные сигналы, приемные транспондеры RX i , в состав которых, в частности, входят конверторы, преобразующие длины волн λ 1 ÷λ n , в длину волны λ 0 , соответствующую STM-N или ATM. Оптический служебный канал (OSC) организуется на длине волны, лежащей либо вне диапазона спектра WDM, либо внутри его. OSC вводится и выводится как в оптических передатчике и приемнике, так и в линейных усилителях и мультиплексорах ввода/вывода (OADM) оптического тракта. 81 Таким образом, при построении ВОСП-WDM используются три вида усилителя: линейный, предварительный и усилитель мощности. Современные ЦМТС -WDM рассчитаны для работы в третьем и четвертом окнах прозрачности спектра ОВ (рис. 18.4). Весь спектр разбит на два диапазона С и L (С - Band, L - Band). С-диапазон разбит на два поддиапазона S(R) и L(R). Границами этого диапазона являются длины волн 1528,77 нм и 1569,59 нм (соответственно частоты 191,0 ТГЦ и 196,2 ТГц). L-диапазон характеризуется граничными длинами волн 1569,59 нм и 1612,55 нм (соответственно 191,0 ТГЦ и 185,9 ТГц). Таким образом, ширина спектра С - диапазона - 40,8 нм (5,2 ТГц), L - диапазона - 43,1 нм (5,1 ТГц). В зависимости от расположения каналов в этих спектрах ВОСП-WDM подразделяются на: - простыеWDM – системы (номинальное частотное разнесение каналов, НЧР, не менее 200 ГГц, число каналов не более 8); - плотные WDM – системы DWDM (частотное разнесение каналов не менее 100 ГГц, число каналов не более 40); - сверхплотные WDM – системы HDWDM (частотное разнесение каналов порядка 50 и 25 ГГц, число каналов порядка 80 и 160). Во всех случаях частотное разнесение каналов определяется следующими факторами: линейными переходами между каналами, возникающими в мультиплексорах, демультиплексорах и между оптическими фильтрами, расположенными в блоке OA/OD; нелинейными переходами между каналами, возникающими в ОВ. Наиболее опасными являются переходы из-за четырехволнового смешивания (FWM). Так как для ОВ различных типов мощности помех от этих переходов разные, то частотные планы разрабатываются отдельно для каждого типа волокон. В рекомендации МСЭ-Т G.692 разработаны частотные планы только для третьего окна прозрачности и волокон, соответствующих рекомендациям G.652, G.655, G.653. Один из частотных планов, предложенных для волокон G.652/G.655 приведен в табл. 14.1. В ней даны значения оптических несущих для DWDM с числом каналов п = 40 (этот же план можно применить при любом числе каналов п > 8, и НЧР = 1000 ГГц), а также значения оптических несущих при НЧР = 200 ГГц (4 < п < 20), для п = 8 (НЧР = 500 ГГц), п = 4 (НЧР = 600 ГГц и НЧР = 1000 ГГц). C(B) S(R) L(R) 40,82 1528,77 1545,32 1569.59 196,2 194 191,0 L(B) 43 1612,65 185,9 нм , f, ТГц 5,2 5,1 Рис. 14.4. Спектр ВОСП-WDM Аналогичные частотные планы разработаны и для OB G.653. Для уменьшения влияния четырехволнового смешивания при организации ВОСП- WDM на волокнах G.653 предлагается использовать неодинаковое НЧР между каналами. Заметим, что максимальная скорость передачи В мах ВОСП-WDM во многом определяется приятым частотным планом. , max n B B ch где В ch - максимальная скорость передачи в канале; п - число каналов. 82 Поэтому увеличить скорость передачи системы WDM можно, увеличивая скорость передачи в канале. Например, если п = 4, В= 2,5Гбит/сек (STM-16), то S max = 10 Гбит/с, что соответствует 64-му уровню STM-N. Строгая регламентация оптических частот для систем HDWDM, DWDM делает весьма актуальной постановку вопроса о стабильности и точности установления частот оптических несущих (λ 1… λ N ). В рекомендации ITU-T G.692 отмечается, что эта проблема находится в стадии изучения и поэтому, в документах пока нет числовых значений этих параметров. Тем не менее, исходя из установленных значений спектральных каналов и частотного интервала между ними можно с достаточной точностью оценить допустимую ширину спектральной линии излучения лазера (Δ), а также допустимую величину нестабильности оптической частоты. При передаче потоков STM-64 методом DWDM при спектральных интервалах 100 ГГц спектральная ширина линии излучения Δ не должна превышать величину Δ = ± 0,08 нм, нестабильность оптической несущей не более 10 ГГц. В случае передачи методом DWDM цифровых потоков STM-16 допустимые значения ширины спектральной линии могут быть увеличены. Выше отмечалось, что оптические интерфейсы аппаратуры WDM и DWDM должны быть совместимыми с аппаратурой. Однако, согласно рекомендациям МСЭ G.957 для систем СЦИ (SDH) допустимые значения спектральных параметров на выходных оптических стыках (интерфейсах) имеют следующие значения: ширина спектральной линии Δ = 0,5 нм (для STM-16), для STM-64 - Δ = 0,1 нм, а центральная оптическая длина волны может иметь любое значение в пределах диапазона 1530... 1565 нм. Таблица 14.1 Значения центральных частот каналов при использовании ОВ G.652/G.655 Частота ТГц Интервал 100 ГГц (8 каналов и более) Интервал 200 ГГц (4 канала и более) Интервал 400 ГГц (только 4 канала) Интервал 500/400 ГГц (только 8 каналов) Интервал 600 ГГц (только 4 канала) Интервал 1000 ГГц (только 4 канала) Длина волны, нм 196,1 * * 1528.77 196,0 * 1529,55 195,9 * * 1530,33 195,8 * 1531,12 195,7 * * 1531,90 195,6 * 1532,68 195,5 * * * * 1533,47 195,4 * 1534,25 195,3 * * * 1535,04 195,2 * 1535,82 195,1 * * 1536,61 195,0 * 1537,40 194.9 * * * 1538,19 194,8 * * 1538,98 194,7 * * 1539,77 194,6 * 1540,56 194,5 * * * 1541,35 194,4 * 1542,14 194,3 * * * * 1542,94 194,2 * 1543,73 194,1 * * 1544,53 194,0 * 1545,32 193,9 * * * * 1546,12 83 193,8 * 1546,92 193,7 * * * * 1547,72 193,6 * 1548,51 193,5 * * * * 1549,32 193,4 * * 1550,12 193,3 * * * 1550,92 193,2 * 1551,72 193,1 * * * * 1552,52 193,0 * * 1553,33 192,9 * * * 1554,13 192,8 * 1554,94 192,7 * * * 1555,75 192,6 * 1556,55 192,5 * * * * * * 1557,36 194,4 * 1558,17 192,3 * * * 1558,98 192,2 * 1559,79 192,1 * * * 1560.61 Очевидно, что если на оптические входы мультиплексоров подать сигналы с выходов оптических передатчиков мультиплексируемых каналов SDH, то такая система работать не будет. Поэтому на входы оптического мультиплексора должны поступать оптические сигналы, параметры которых, в особенности спектральные, должны строго соответствовать стандартам, определенным рек. G.692. Такое соответствие достигается благодаря применению в аппаратуре DWDM специального устройства - транспондера. Это устройство имеет количество оптических входов и выходов, равное числу уплотняемых оптических сигналов. Но если на любой вход транспондера может быть подан оптический сигнал, параметры которого определены рек. G.957, то выходные его сигналы должны по параметрам соответствовать рек. G.692. При этом, если уплотняется N оптических сигналов, то на выходе транспондера длина волны каждого канала должна соответствовать только одному из них в соответствии с сеткой частот, т.е. допустим для первого канала оптический сигнал должен иметь длину волны λ 1 , для второго λ 2 и т.д. до λ N . Свыходов транспондера эти оптические сигналы поступают на строго определенные входы оптического муль- типлексора, соответствующие указанным длинам волн λ 1 …λ N Следует отметить, что при оптическом уплотнении по длинам волн в оптическом мультиплексоре (ОМ) происходят значительные потери. Так, например, в системе передачи DWDM 32-x спектральных каналов OptiX BWS 320G фирмы Huawei Technologies потери ОМ на канал составляют 7... 9 дБ (на одной стороне). С учетом потерь на обеих сторона (на передаче и на приеме) их общая величинасоставит14...18 дБ. Такие потери значительно сокращают энергетический потенциал системы, поэтому без оптических усилителей возможна передача на весьма небольшие расстояния. Для того чтобы скомпенсировать энергетические потери в ОМ, на передаче применяется волоконно-оптический усилитель мощности (BOOSTER). Если же этой мощности оказывается недостаточно, то оптический усилитель применяется и на приемной стороне. После мультиплексирования, как уже отмечалось, групповой оптический информационный поток чаще всего также подвергается усилению в оптическом усилителе. При этом суммарная оптическая мощность группового потока, вводимого в линейное ОВ, может существенно превысить величину 10 мВт. Известно, что при такой мощности становится заметным влияние оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ в процессе распространения оптического излучения. Это следующие явления: самомодуляция фазы (SPM) оптической несущей, перекрестная модуляция фазы (СРМ), четырехволновое смешивание (FWM). Эти явления проявляются, начиная с указанной мощности в виде допол- 84 нительных шумов и перекрестных помех при многоканальной передаче. Начиная с величин оптической мощности несколько десятков мВт становится заметным также эффект вынужденного рассеяния Бриллюэна SBS (или ВРМБ - вынужденное рассеяние Манделынтамм - Бриллюэна), а при мощностях порядка 200 мВт преобладающим становится влияние вынужденного рассеяния Рамана SRS (или ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние). Величина суммарной оптической мощности в системах WDM, вводимой в оптическое линейное волокно, регламентируется рекомендациями МСЭ (ITU-T) G.692 и ограничивается на уровне +17дБм (50 мВт). Такой уровень обосновывается двумя факторами — допустимым влиянием нелинейных явлений и требованиями безопасности обслуживающего персонала. В этом же документе предложен алгоритм определения величины мощности каждого компонентного оптического сигнала. Следует сказать, что величина +17 дБм установлена не окончательно и в последующих вкладах в рекомендации ITU-T увеличена до +23 дБм. Особо следует отметить, что с внедрением технологии WDM появилась возможность создавать многофункциональные системы передачи. Пример одной из таких схем организации связи приведен на рис. 14.5. Рис. 14.5. Схема организации связи. Выводы. 1. При уплотнении ВОЛС можно применять следующие методы: временное уплотнение (Times Division ultiplexing, TDM), пространственное уплотнение и спектральное. 2. Основным способом уплотнения является временное уплотнение (Times Division ultiplexing, TDM). 3. С целью повышения эффективности использования пропускной способности оптических волокон в настоящее время внедряются системы со спектральным уплотнением. 85 Контрольные вопросы. 1. Нарисуйте схему временного уплотнения (Times Division ultiplexing, TDM) и поясните принцип ее работы. 2. Нарисуйте схему пространственного уплотнения и поясните принцип ее работы. 3. Нарисуйте схему спектрального уплотнения и поясните принцип ее работы. 4. Требования к источникам излучения при спектральном уплотнении. |