Волоконно-оптичні системи передачі

Вступ

В електрозв'язку в якості фізичних каналів передачі застосовуються різні види направляючих структур (мідні проводи та кабелі, оптичні кабелі), середовища передачі з вільним розповсюдженням сигналів (ефір). Для передачі сигналів використовують кабельні, радіорелейні, тропосферні, космічні (супутникові) і оптичні лінії зв'язку, а також системи радіодоступа.

Кабельні лінії зв'язку являють собою сукупність кінцевих і проміжних підсилюючих пунктів з'єднаних між собою кабелями зв'язку. В залежності від умов прокладки їх поділяють на підземні, проводні та повітряні кабелі зв'язку, а по конструкції на симетричні та коаксіальні.

Радіорелейні лінії являють собою ланцюг з прийомо-передаючих станцій, працюючих у сантиметровому, дециметровому чи метровому діапазонах довжин хвиль. Особливістю даних ліній зв'язку є умова прямої видимості між антенами станції.

Тропосферні лінії використовують явище розсіювання ультракоротких хвиль в тропосфері. В таких лініях застосовують вузьконаправлені антени, які орієнтують так, щоб їх діаграми направленості пересікались в тропосфері на висоті 10-12 км.

Космічні (супутникові) лінії використовують космічні (супутникові) ретранслятори розташовані на орбітах висотою до кількох десятків тисяч кілометрів. Вони знайшли широке застосування для телевізійного мовлення та радіонавігації.

Оптичні лінії зв'язку засновані на застосуванні в якості середовища передачі оптичних волоконних світловодів, вмонтованих в оптичний кабель, або (що значно рідше) це світлові хвилі, що розповсюджуються у вільному просторі. Оптичні кабелі зв'язку мають значні переваги перед мідними кабелями, а оптичний зв'язок перед усіма видами радіозв'язку. До них відносяться висока широкосмуговість, захищеність від зовнішніх електромагнітних полів, низькі втрати і, відповідно, велика довжина ділянки ретрансляції, малі габарити та маса, висока економічність та інше.

Проведемо порівняльний аналіз основних середовищ передачі. На сьогодні системи зв'язку з ВОЛЗ по основним показникам конкурентно здатні з супутниковими системами зв'язку, а по деяким, наприклад, широкосмуговість чи пропускна здатність, не мають собі рівних. Для порівняння різних середовищ передачі і систем зв'язку основні характеристики занесені до таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 Порівняльні характеристики різних середовищ передачі сигналу

Характе-ристика	Кабелі	Радіорелейні лінії	Супутникові системи
Симетричні	Коаксіальні	Оптичні
Частота, швидкість передачі	низька	середня	висока	середня	висока
Ємність	низька	середня	висока	середня	висока
Відстань	мала	середня	висока	середня/ви-сока	дуже висока
Якість передачі	середня/ви-сока	висока	дуже висока	залежно від кліматичних умов	висока
Захищеність	низька	середня	висока	висока	середня
Надійність	низька	середня	висока	низька	середня
Якість лінії	середня	висока	висока	середня/ви-сока	середня
Затрати на обладнання лінії	низькі/серед-ні	середні/ви-сокі	середні/ви-сокі	високі	дуже високі
Середні затрати на обладнання лінії	середні	високі	середні	низькі/серед-ні	середня
Затрати на будівництво	середні/ви-сокі	середні/ви-сокі	середні/ви-сокі	високі	дуже високі
Середні затрати на абонентську лінію (канал)	низькі/серед-ні	середні/ви-сокі	середні	середні	дуже високі

Застосування ВОСП доцільно, економічно і ефективно на всіх ділянках Єдиної Національної Мережі Зв'язку України. Це не тільки підвищує техніко-економічні показники галузі зв'язку, але й забезпечує можливість поетапного переходу до цифрових мереж інтегрального обслуговування Волоконно-оптичні системи мають великі можливості при використанні їх у військових мережах. Метою даної роботи є короткий огляд існуючих систем передачі та їх побудова.

1. Загальні відомості про волоконно-оптичні системи передачі

Волоконно-оптичною системою передачі називається сукупність активних та пасивних пристроїв, призначених для передачі інформації на відстань по оптичних волокнах. Таким чином, ВОСП – сукупність оптичних приладів та оптичних ліній передачі для створення, передачі і обробки оптичних сигналів. В цьому разі оптичним сигналом є модульоване оптичне випромінювання джерела (лазера або світлодіода), що передається по ОВ у вигляді сукупності різноманітних типів оптичних хвиль (мод). Середовищем передачі у ВОСП є оптичне волокно, а носієм інформації – електомагнітні коливання оптичного діапазону.

Оптичний діапазон на шкалі електромагнітних хвиль охоплює проміжок від 0,4 до 4 мкм (рис 1.1.), що відповідає частотам близько 1014 Гц.

Рентгенівське випромінювання

Ультрафіолетове випромінювання

Видиме випромінювання

Ближній інфрачервоний діапазон

0,01

0,4

0,75

4

λ, мк

Рис 1.1. Шкала електромагнітних хвиль

Для передачі та обробки інформації використовується не тільки видима частина спектра електромагнітних хвиль, але й частина інфрачервоного діапазону. У нинішній час використовуються довжини хвиль з інтервалом від 0,85 до 1,55 мкм.

У сучасній техніці зв'язку затвердилися цифрові засоби передачі – висока завадозахищеність, нечутливість до нелінійних спотворень, незалежність якості передачі від довжини лінії зв'язку, стабільність параметрів каналу зв'язку та інше.

У нинішній час для організації зв'язку по волоконно-оптичних лініях перевага віддається ЦСП з імпульсно-коловою модуляцією. Це зумовлено не тільки загальними перевагами ЦСП у порівнянні з АСП, але й особливістю роботи й побудови ВОСП.

Джерела оптичного випромінювання мають нелінійні модуляційні характеристики. Це ускладнює виконання вимог щодо припустимих нелінійних спотворень, при невиконанні цих вимог довжина підсилювальної ділянки ВОСП стає майже такою, як і в системах з металевими кабелями (3-6 км). Для одержання необхідної якості передачі інформації при відношенні сигнал/шум на 30-40 дБ менше, ніж АСП. Тому реалізація ВОСП з використанням ЦСП значно простіша у порівнянні з АСП.

2. Реалізація волоконно-оптичних систем передачі

Як і системи, що використовують традиційні кабелі з мідними провідниками, ВОСП є проводовими, бо сигнали оптичного діапазону передаються по направляючій системі волоконним світловодом. Тільки середовище передачі та форма сигналів в лінії відрізняють ВОСП від традиційних проводових ліній передачі. Тому побудова ВОСП аналогічна побудові будь-якої проводової багатоканальної системи передачі, в складі якої є прикінцева та проміжні станції, з'єднані безперервною направляючою системою. На рис 2.1. наведена узагальнена структурна схема ВОСП.

Обладнання лінійного тракту

Прикінцева

станція А

Прикінцева

станція Б

Проміжна

станція

1

2

1

2

3

3

4

4

5

5

6

6

1

1

п

п

Рис 2.1. Узагальнена структурна схема ВОСП

Ця схема вміщує в собі типову прикінцеву апаратуру багатоканальної системи передачі 1, апаратуру спряження2, передавальний оптоелектронний модуль 3, оптичний кабель 4, приймальний оптоелектронний модуль 5, електронний регенератор 6.

На передавальній прикінцевій станції А первинні сигнали тональної частоти надходять на прикінцеву типову апаратуру, де об'єднуються в груповий сигнал, що подається на апаратуру спряження. В ній електронний сигнал перетворюється у форму, необхідну для передачі по волоконно-оптичному лінійному тракту, тобто формується лінійний сигнал. Після цього в ПОМ здійснюється модуляція потужності оптичної несучої лінійним електричним сигналом і оптичний сигнал надходить в ОК.

При проходженні сигналу по ОК він послаблюється, а тому для збільшення дальності зв'язку встановлюються проміжні станції (регенератори). Роль регенератора підсилення, корекція та регенерація сигналу. На проміжній станції оптичний сигнал перетворюється в електричний, зворотнє перетворення відбувається на виході. Ці перетворення здійснюються у ПОМ та ПрОМ відповідно.

3. Передавальні пристрої

Оптичний передавальний пристрій – один з головних функціональних вузлів будь-якої волоконно-оптичної системи передачі. Призначення ОперП перетворення вхідного електричного сигналу в ідентичний йому оптичний сигнал з високою точністю.

Для всіх ОперП незалежно від галузі їх застосування та типу оптичного випромінювача характерні такі властивості:

використання напівпровідникових випромінювачів (світлодіодів, лазерів);

використання внутрішньої (прямої) модуляції оптичного випромінювання по інтенсивності;

типовий ОперП містить електронні схеми для узгодження параметрів випромінювання з параметрами вихідних каскадів прикінцевих електронних пристроїв;

ОперП містить схеми підсилення та перетворення вхідних сигналів, а також схеми стабілізації режимів роботи;

ОперП має оптичний узгоджуючий пристрій або пристрій введення випромінювання у волоконний світловод.

На рис 3.1. наведені типові структурні схеми ОперП.

УП

П

ЕП

ГСН

ДОВ

ОУП

а)

hν

УП

П

ЕП

ГСМ

ДОВ

ОУП

hν

б)

Рис 3.1. Структурні схеми оптичних передавальних пристроїв:

а) з підсиленням вхідного сигналу

б) з підсиленим струму накачування

УП – узгоджуючий пристрій;

П – підсилювач;

ЕП – емітерний повторювач;

ГСН – генератор струму накачування;

ДОВ – джерело оптичного випромінювання;

ОУП – оптичний узгоджуючий пристрій.

Узгоджуючий пристрій виконує роль узгодження рівнів вхідного сигналу з рівнями базових мікросхем, які використовуються у цифрових ОперП, підсилювач при необхідності підсилює сигнал, емітерний повторювач є буферним каскадом, який узгоджує електричні опори джерела електричного сигналу з вхідним опором ГСН. Генератор струму накачування формує необхідний для роботи оптичного випромінювача струм накачування. По суті ГСН є перетворювачем типу "напруга-струм". Оптичний узгоджуючий пристрій потрібний дня введення оптичної потужності у волоконний світловод, він узгоджує кут ролкриву діаграми спрямованості випромінювача та апертурного кута світловода.

Для підвищення надійності та зниження вимог до умов експлуатації та монтажу ОпорП виконують у вигляді передавальних оптичних модулів. ПОМ вміщують лазерний випромінювач, узгоджуючі пристрої, що забезпечують ефективне введеним оптичного випромінювання в волокно. Кожний ПОМ комплектується кабельною частиною оптичного з'єднувача, що розрахований на використання багатомодового волоконного світловода. ПОМ має схеми стабілізації оптичної потужності випромінювача. Схема блокування попереджує виникнення небажаних режимів роботи лазерного випромінювача, а також блокує його роботу при відсутності вхідного сигналу. Модулі виконані на єдиній технологічній базі у вигляді герметичних мікрозбірок. Весь пристрій вміщується в металевий корпус, обладнаний стандартним електричним кабельним роз’ємом з одного боку, та оптичним кабельним роз'ємом з іншого. До найбільш важливих параметрів, які характеризують цифрові ПОМ відносяться:

діапазон робочих температур від -20 до +60 С;

напруга живлення +5 та -5 В при струмі споживання 300 мА;

робоча довжина хвилі випромінювання дорівнює (830±10)нм;

пристрій оптичного узгодження повинен мати числову апертуру 0,2±0,02;

ресурс роботи джерела випромінювання в ПОМ не менше ніж 100000 годин.

4. Оптичні приймальні пристрої

Функцією оптичного приймального пристрою є оптична демодуляція, або перетворення оптичних імпульсів в електричні сигнали з їх подальшим підсиленням та обробкою (регенерацією, фільтрацією та інше). Основною характеристикою ОПрП є чутливість – мінімальна потужність оптичного сигналу на вході фотодетектора, що забезпечує необхідну якість прийому, яка оцінюється відношенням сигналу до шуму в аналогових системах та ймовірністю помилки у цифрових системах.

Рис 4.1. Структурна схема безпосереднього оптичного приймача детектування

На рис. 4.1 зображена схема безпосереднього приймання. Світлова хвиля падає безпосередньо на світлочутливу площадку фотодетектора, де перетворюється в електричний сигнал, який підсилюється високочутливим підсилювачем, далі вирівнюється та фільтрується. Слід відзначити особливості підсилювача. Перший його каскад повинен мати високу чутливість та виконувати функції узгоджуючого пристрою, тобто це перетворювач типу "струм-напруга", він узгоджує опір генератора струму, яким є фотодетектор з вхідним опором наступного каскаду. Приймальним пристроям властиві такі важливі особливості: простота виготовлення, налагодження та експлуатації, висока надійність та стабільність параметрів і характеристик, малі габарити та маса, низька енергоємність.

Аналогічно передавальним оптичним модулям приймальні пристрої для різноманітних волоконно-оптичних систем передачі виконуються у вигляді функційно завершеного виробу оптоелектроніки – приймального оптичного модуля. Типовий ПрОМ вміщує: оптичний з'єднувач або армований відрізок оптичного кабелю для підключення до волоконно-оптичного кабелю, приймач випромінювання (фотодіод або лавинний фотодіод), електронні схеми підсилення та обробки електричного сигналу, а також пристрої для стабілізації режимів роботи. На рис.4.2 наведена структурна схема типового ПрОМ.

1

2

3

4

5

6

7

U

Рис 5.2. Структурна схема ПрОМ

ПрОМ вміщує в собі фотодіод (або лавинний фотодіод) 1, попередній підсилювач 2, основний підсилювач з автоматичним регулюванням підсилення (АРП) 3, фільтр нижніх частот 4, піковий детектор 5, підсилювач АРП 6, джерело оберненого зміщення фотодіода 7. ПрОМ для аналогових систем після фільтра 4 має демодулятор, а для цифрових – пристрій прийняття рішення.

Для ПрОМ нормуються такі параметри та характеристики:

Чутливість – мінімальна середня потужність на виході фотодетектора, що забезпечує необхідне відношення сигнал/шум або необхідний коефіцієнт помилок.

Рівень власних шумів – середньоквадратичне значення флуктуацій вихідної напруги ПрОМ в заданій смузі частот у відсутності вхідного оптичного сигналу.

Спектральна характеристика – залежність вольтової чутливості ПрОМ S_>u>(В/Вт) від довжини хвилі оптичного випромінювання, що приймається.

Робоча довжина хвилі – довжина хвилі оптичного випромінювання, що приймається, для якої нормуються параметри ПрОМ.

Смуга пропускання – інтервал частот, в якому значення амплітудно-частотної характеристики ПрОМ не менше половини її максимального значення.

Швидкість передачі – швидкість передачі символів цифрового сигналу на оптичному виході ПрОМ, при котрій його параметри зберігають задані значення.

Відношення сигналу до шуму – відношення амплітуди змінної складової вихідної напруги ПрОМ для заданих характеристик оптичного сигналу, що приймається, до середньоквадратичного значення флуктуацій вихідної напруги, коли приймається немодульване оптичне випромінювання тієї ж потужності.

Коефіцієнт помилок – відношення кількості помилок в цифровому сигналі на виході цифрового ПрОМ в заданому інтервалі часу до кількості символів на цьому інтервалі часу.

Висновок

Останнє десятиріччя XX століття характеризується надшвидким розвитком різних, в особливості кабельних, систем і комп'ютерних технологій, синтез яких дав початок створенню глобальної широкополосної інфраструктури ХХІ-го століття. Прогрес в області електроніки, оптичних, квантових і оптоволоконних технологій дозволив різко підвищити смугу пропускання і швидкодію кінцевих пристроїв системи передачі (відповідно 100 ГТц і 40...80 Гбіт/с), а смуга пропускання середовища передачі сучасних оптичних волокон і оптичних кабелів на їх основі складає десятки терагерц (ТГц). Виходячи з цього об'єм передаваємої інформації по одному волокну в сучасних волоконно-оптичних лініях зв'язку зростає до еквівалентної швидкості в кілька Тбіт/с. При цьому дальність передачі без проміжних пунктів регенерації сигналів збільшилась до кількох сот метрів і в перспективі досягне тисячі кілометрів.

Тому щоб задовольнити сучасні потреби споживачів я вважаю, що найбільш вигідним є впровадження саме волоконно-оптичних систем передачі. Затрати на будівництво таких систем компенсуються тими зручностями та перевагами ВОСП над іншими системами.

Література

О.К.Скляров «Современные волоконно-оптические системи передачи, аппаратура и элементы». – М.: Солон-Р, 2001, 238с.

В.К.Ковальчук «Волоконно-оптичні системи передачі». – Х.: ХІРЕ_>, >2000, 212с.

А.В.Шмалько «Цифровые сети связи: основы планирования и построения». – М.: Солон-Р, 2001, 282с.

В.Б.Каток, Б.В.Короп, Ю.Б.Нікітченко, І.Е.Руденко "Волоконно-оптические системы передачи". – К.: Ірис, 1994, 120с.

Д.В.Иогарчов, О.В.Бондаренко "Волоконно-оптические кабели и линии связи" – М.: ЕКО-ТРЕНДЗ, 2002, 282с.