МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Алматинский институт энергетики и связи

Кафедра телекоммуникационных систем

 

ОПТИЧЕСКИЕ И РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

 

Конспект лекций

 

Алматы 2007

 

СОСТАВИТЕЛИ: Елизарова Е.Ю. Оптические и радиорелейные системы передачи. Конспект лекций для студентов всех форм обучения  специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АИЭС, 2006. –  41 с.

 Конспект лекций предназначен для самостоятельного изучения курса «Оптические и радиорелейные системы передачи». В конспекте приведен  обзор основных элементов ВОСП и решения технических задач, встававших при  развитии оптических  устройств.  Необходимость самого конспекта лекций обусловлена потребностью  более глубокого понимания процессов, происходящих в ВОСП. Развитие ВОСП  не стоит на месте, появляются новые   способы реализации тех или иных технических решений создания оптических сетей, новые стандарты передачи информации, поэтому в конспекте лекций, помимо описания основных принципов построения схем ВОСП, представлены ссылки на литературу, которая может быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в ВОСП.

Конспект лекций предназначен (для студентов всех форм обучения) специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил. 19, табл. 10,    библиогр. – 8  назв.

Рецензент: канд.техн.наук, проф. Казиева Г.С.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2006 г.

 

НАО «Алматинский институт энергетики и связи», 2007 г.

Введение

Оптический диапазон. Электромагнитные колебания оптического диапазона обладают малой длиной волны в сравнении с радиоволнами, поэтому для их измерения используются следующие единицы: микрометры (1 мкм = 10-6 м), нанометры (1 нм = 10-9 м). В настоящей момент используются, в основном, микрометры, при этом частота колебаний в герцах определяется формулой ν = 3·1014 / λ, где λ измеряется в микрометрах.

Оптическим диапазоном называется участок спектра электромагнитного излучения, соответствующий длинам волн 0,01…100 мкм и частотам 3·1012…3·1016 Гц. Со стороны более коротких волн он примыкает к рентгеновскому диапазону, а со стороны боле длинных – к радиодиапазону. Часто оптический диапазон делят на три поддиапазона: ультрафиолетовые волны 0,01…0,38 мкм, видимые волны 0,38…0,74 мкм и инфракрасные волны 0,74…100 мкм.

Считается, что для целей связи перспективны волны длиной 0,3…30 мкм. Однако в настоящее время используется ничтожная доля оптического диапазона, соответствующая узким полосам, в основном, вблизи следующих длин волн: 0,53 мкм, 0,63 мкм, 0,8…0,9 мкм,1,06 мкм, 1,3…1,5 мкм и 10,6 мкм. Объясняется это, во-первых, высокими техническими параметрами (мощностью излучения, КПД, полосой частот модуляции, сроком службы и др.) источников света (лазеров, светодиодов), а во-вторых, – наличием соответствующих полос пропускания («окон прозрачности») у используемых сред, в которых распространяется оптическое излучение (атмосфера, кварцевое стекло и др.). Этот вопрос далее будет освещен более подробно.

Достоинства и недостатки оптического диапазона с точки зрения связи. В оптическом диапазоне принципиально возможно создание  оптических систем связи (ОСС) с громадной пропускной способностью, что обусловлено чрезвычайно высокой частотой оптической несущей. Так, на волне 1 мкм относительной полосе частот всего в 1% соответствует полоса передаваемых частот 3·1012 Гц, равная полосе частот всего радиодиапазона, начинающегося с длины волны 0,1 мм. Практическая реализация этой возможности связана с созданием соответствующих устройств модуляции и демодуляции света

Другим важным достоинством является возможность создания малогабаритных оптических антенн с огромным коэффициентом усиления. Это объясняется тем, что в случае когерентного излучения коэффициент усиления обратно пропорционален квадрату длины волны. Поэтому оптическая антенна с апертурой диаметром всего 10 см на волне 1 мкм позволяет достичь коэффициента усиления около 107 дБ. Для получения такого усиления в радиодиапазоне на волне 3 см потребовалась бы антенна диаметром около 3 км. Это достоинство оптического диапазона играет первостепенную роль при связи в космическом пространстве на большие расстояния.

В оптическом диапазоне принципиально возможно осуществить передачу сигналов в полосе частот до нескольких гигагерц по волоконным световодам без промежуточной ретрансляции на расстояние до нескольких сотен километров.

 В оптическом диапазоне гораздо проще, чем в радиодиапазоне, решается проблема электромагнитной совместимости средств передачи информации ввиду острой направленности оптических антенн, слабой «заселенности» диапазона и большей его ширины.

Существенным достоинством является также возможность миниатюризации всех элементов оптических систем связи (ОСС), включая антенны.

Наряду с этим ОСС свойственны серьезные недостатки. Так, отмеченная выше возможность реализации большого усиления антенн приводит к серьезной проблеме их наведения на корреспондента и сопровождения в процессе связи, что обусловлено чрезвычайно малой шириной диаграммы направленности (при диаметре апертуры 10 см и длине волны 1 мкм она может иметь значение около 3'', при этом точность наведения и сопровождения должна быть не хуже 1''). В случае движущихся объектов, как, например, при связи в космическом пространстве, обеспечение требуемой точности вызывает значительные трудности. В настоящее время достигнуты точности порядка 3 … 5''.

Другая проблема, с которой сталкиваются при связи в оптическом диапазоне, – обеспечение высокой надежности на линиях, трассы которых частично или полностью проходят в атмосфере Земли ввиду сильного роста потерь света за счет осадков и загрязнений атмосферы. Так, например, в густом тумане погонное затухание может достичь 100 дБ/ км. Фактически этот фактор существенно ограничивает использование ОСС для связи в атмосфере.

Серьезным недостатком является трудность практической реализации гетеродинного приема в оптике, обусловленная сильной чувствительностью к флуктуациям направления прихода сигнальной световой волны и нарушениям её пространственной когерентности за счет случайных неоднородностей среды. По этим причинам указанный вид приема в настоящее время почти не применяется. В радиодиапазоне положение обратное: применяется почти исключительно гетеродинный прием.

Наконец, необходимо отметить, что серьезные трудности вызывает реализация в оптике фазовых методов передачи ввиду недостаточной узкополосности и частотной стабильности используемого оптического излучения.

Классификация ОСС. Оптическая связь, как, впрочем, и радиосвязь, может быть разделена на наземную, космическую и наземно-космическую. Под наземной понимается связь между пунктами, расположенными на поверхности Земли. Наземно-космическая связь – это связь между пунктами, расположенными на Земле и в космическом пространстве, т.е. между земной станцией и космическим летательным аппаратом (спутником, кораблем, станцией). Космическая оптическая связь осуществляется между пунктами, расположенными в космическом пространстве. Она может осуществляться между ИСЗ, космическими кораблями, станциями и т.п.

Наземная связь может осуществляться с помощью ОСС следующих типов: атмосферные ОСС (рисунок 1,а), световодные ОСС (рисунок 1, б) и спутниковые ОСС (рисунок 1, в). Первый тип ОСС характерен тем, что средой распространения света является атмосфера. Эти системы не получили широкого распространения ввиду сильной подверженности связи действию атмосферных осадков и загрязнений. Они используются обычно для подвижной служебной одноканальной телефонной связи на небольшие расстояния (0,1…1 км) на крупных стройках, горных выработках и т.п.

 

 

а – атмосферная, б – световодная, в – спутниковая, г – наземно-космическая, д – космическая; ОП – оконечный пункт, ПП – промежуточный пункт, ЗС – земная станция, КЛА – космический летательный аппарат.

Рисунок 1 - Типы оптических систем связи

В световодных ОСС средой распространения света является «закрытая среда» направляющей системы – световода, не подверженная действию атмосферных осадков. В лучеводных ОСС направляющей системой является обычно металлическая труба диаметром 50 … 70 мм, содержащая линзовые корректоры, расположенные друг от друга на расстоянии 50 … 100 м, равном удвоенному фокусному расстоянию линз. С помощью линз расходящийся световой пучок периодически фокусируется, не успевая достичь стенки несущей трубы и претерпевая благодаря этому достаточно малое ослабление. Несмотря на ряд важных достоинств (малые погонные потери, отсутствие дисперсионных искажений передаваемых сигналов, защищенность от влияния осадков и др.) лучевидные ОСС не получили распространения ввиду трудностей прокладки лучевода и поддержания нормальных условий передачи света. С течением времени за счет смещений грунта лучевод деформируется, что вызывает необходимость использования сложных устройств автоматической юстировки всей оптической системы. В связи с этим в настоящее время основным типом световодных ОСС являются волоконно-оптические, в которых в качестве направляющей системы используется волоконно-оптический свтовод, представляющий собой обычно тонкую нить кварцевого стекла диаметром около 0,1 мм. (При передаче на очень небольшие расстояния до 100 … 200 м могут применяться и полимерные волокна, но такие системы специального назначения в дальнейшем рассматривать не будем.) Таким образом, в волоконных ОСС средой распространения света является кварцевое стекло.

Свет распространяется в центральной части волоконного световода – сердечнике, практически не достигая его стенки, с малым погонным затуханием (0,2 … 10 дБ/ км).

В спутниковых ОСС, обеспечивающих наземную связь (рисунок 1, в), и в наземно-космических ОСС (рисунок 1, г) распространение света происходит частично в атмосфере Земли, что существенно снижает надежность связи между ЗС и космическим летательным аппаратом (КЛА). Поэтому системы этого типа не получили пока распространения. Для уменьшения влияния атмосферы предполагается в дальнейшем размещать земные станции высоко в горах, выше уровня облачности, что сопряжено с трудностями эксплуатации таких станций.

В космических ОСС (рисунок 1, д) свет распространяется как в свободном пространстве, что позволяет достичь чрезвычайно высокого качества передачи. ОСС этого типа интенсивно развиваются и весьма перспективны благодаря громадному энергетическому выигрышу оптических антенн и компактности оборудования. Главная трудность на пути развития этих систем – обеспечение чрезвычайно высокой точности ориентирования оптических антенн (единицы угловых секунд).

 

Лекция 1. Типовая схема системы волоконно-оптической связи

Цель лекции: ознакомление с типовой схемой ВОСП и назначением основных элементов.

Содержание: назначение ВОСП, основные компоненты ВОСП, составляющие элементы ПОМ.

Типовая схема системы связи представлена на рисунке 2. Аналоговый сигнал, генерируемый оконечным оборудованием данных (ООД), например, телефоном, терминалом, видеокамерой и т.д., приходит на узел коммутации, где аналого-цифровой преобразователь (кодер) оцифровывает его в битовый поток. Битовый поток используется для модуляции оптического передатчика, который передает серию оптических импульсов в оптическое волокно. На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приемника. Декодерная часть коммуникационной системы преобразует бинарный электрический поток обратно в аналоговый сигнал ООД. Обычно кодеры и декодеры, а также оптические приемники и передатчики совмещаются в одном устройстве так, что образуется двунаправленный канал связи.

Рисунок  2 - Типовая схема системы связи с использованием

Основные компоненты ВОЛС

Оптический передатчик (передающий оптоэлектронный модуль ПОМ) обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового) сигнала в выходной световой (цифровой или аналоговый) сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика "включается" и "выключается" в соответствии с поступающим на него битовым потоком электрического сигнала. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды ILD. Эти устройства способны поддерживать модуляцию излучаемого света" с мегагерцевыми и даже гигагерцовыми частотами. При построении сетей кабельного телевидения оптический передатчик осуществляет преобразование широкополосного аналогового электрического сигнала в аналоговый оптический. В последнем случае оптический передатчик должен иметь высокую линейность.

 Для организации передачи оптических сигналов недостаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет закрепить и защитить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном. Иногда требуются дополнительные внутренние элементы для оптимального подсоединения волокна. Важными элементами лазерных диодов являются цепь тока накачки и система контроля температуры. Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показана на рисунке 3.

Оптический приемник (Принимающий оптический модуль ПрОМ)осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются p-i-n и лавинные фотодиоды.

 

Рисунок 3 - Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ)

 

Фотоприемник- Основной элемент ПРОМ. В основе работы фотоприемника лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором в результате поглощения фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, происходит переход электронов из валентной зоны в зону проводи­мости (генерация электронно-дырочных пар). При наличии электрического потенциала с появлением электронно-дырочных пар от воздействия оптического сигнала появляется электрический ток, обусловленный движением электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Эффективная регистрация генерируемых в полупроводнике электронно-дырочных пар обеспечивается путем разделения носителей заряда.

Для этого используется конструкция с р-n переходом, которая называется фотодиодом. Из фотоприемников, применяемых ВОЛС, получили распространение p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды, фототранзисторы.

Рассмотрим принципы работы фотоприемника на примере p-i-n фотодиода, для которого характерно наличие i-слоя (слаболегированного полупроводника n-типа) между слоями р+-и n+-типа (+ означает сильное легирование), рисунке 4 а. Также i-слой называют обедненным слоем, поскольку в нем нет свободных носителей. На p-i-n структуру подается напряжение с обратным смещением Uo.. Сильное легирование крайних слоев делает их проводящими, и максимальное значение электрического поля (гра­диент потенциала) создается в i-слое. Но поскольку в i-слое нет свободных носителей, нет и электрического тока, так что i-слой испытывает только поляризацию. При наличии падающего излучения на i-слой, в нем образуются свободные электронно-дырочные пары. Они под действием электрического поля быстро разделяются и двигаются в противоположных направле­ниях к своим электродам, образуя электрический ток. Эффективным является взаимодействие излучения только с i-слоем, так как при попадании фотонов в р+- и n+-слои возникает диффузионный ток, который имеет большую инерционность. По­этому при изготовлении фотодиодов р+- и n+-слои стремятся делать как можно тоньше, а обедненную область достаточно большой протяженности, чтобы она полностью поглощала весь падающий свет.  

a) p-i-n фотодиода; б) лавинного фотодиода

Рисунок 4 - Структура, включение и распределение потенциала

 

Фотодиоды могут изготавливаться из разных материалов. Рабочие диапазоны длин волн, в которых достигается максимальная эффективность фотодиодов для разных полупроводниковых материалов, приведены в таблице 1.1. [1,С.78-84].

 

 Т а б л и ц а 1.1 - Элементы и композиционные материалы, используемые для создания фотоприемников различных длин волн

 

Материал

Диапазон принимаемых длин волн l, нм
Кремний
Германий
GaAs    
InGaAs
 InGaAs

400-1000

600-1600

800-1000

1000-1700

1100-1600

 

 Лекция 2. Технические характеристики фотоприемников

          Цель лекции: изучение технических характеристик фотоприемников.

Содержание: основные понятия технических характеристик фотоприемника: токовая чувствительность, квантовая эффективность, темновой ток, время нарастания. Факторы влияющие на технические характеристики.

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников, сложны и сильно взаимосвязаны между собой. На первый взгляд, может показаться, что достаточно выбрать только три параметра - чувствительность, быстродействие и  цену. На практике эти факторы часто оказываются зависящими от других факторов, включая рабочую длину волны, выбор волокна и передатчика, темновой ток, шумовые характеристики, тип кодировки передаваемого сигнала и др.

Ниже рассмотрены главные из них: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; соотношение сигнал/шум и чувствительность аналоговых систем; частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжение; рабочий диапазон температур; наработка на отказ.

Токовая чувствительность (монохроматическая) Sph (А/Вт) определяется как

Sph = Iph/P(A,)

где Iph – фототок;

 Р(А,) - полная оптическая мощность излучения на длине волны l, падающего на фоточувствительную площадку.

 Токовая чувствительность характери­зует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность h определяется как

h= Ne/Nph

где Nph - количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник;

Ne - количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Квантовая эффективность для p-i-n фотодиодов не может быть больше 1 (100%). Кривые квантовой эффективности в зависимости от длины волны для разных материалов приведены на рисунке 5.

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь

где е - заряд электрона (1,60*10-19 К);

l - длина волны; 

 h- постоянная Планка (6,63*10-34 Дж*сек);

 с - скорость света (3,00*108 м*сек-1).

С подстановкой значений констант получаем .

На основании зависимостей легко оценить значения токовой чувствительности для разных материалов и разных длин волн. Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов представлена на рисунке 5. Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в их рабочих диапазонах составляет 0,5-0,8 А/Вт, а для лавинных фотодиодов 20-60 А/Вт .

Характеристики h и Sph используют при создании ПРОМ, когда необходимо согласовывать последующий каскад электронных усилителей.

 

 

Рисунок 5 - Зависимость квантовой эффективности от длины волны для различных материалов

 

Темновой ток Id (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения.

Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальные значения этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампера . Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Для изучения шумовых характеристик приемника используются также еще два шумовых тока:

дробовой ток Isn - для p-i-n фотодиода

Isn =(2eIdB)1/2

где е - заряд электрона;

 I d-темновой ток;

 В - полоса пропускания (частота модуляции);

 тепловой Джонсоновский ток Ijn,

Ijn =(4KTB/R)1/2

где К - постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж-К-1);

Т - абсолютная температура (К);

В - полоса пропускания;

R - сопротивление (Ом).

 Полный шумовой ток In определяется как среднее квадратичное дробового и теплового токов In = (Isn 2 + Ijn2)1|2   .

Время нарастания t.rise  (спада tfall) - это самая важная динамическая характеристика фотоприемника. Она определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы воз­расти от уровня 0,1 до 0,9 (упасть от 0,9 до 0,1) от установившегося максимального значения, при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длитель­ности. Эти времена зависят от геометрии фотодиода, материала, напряженности электриче­ского поля в слаболегированной области, температуры. Максимальная из двух величин (обычно trise) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника. С увеличением частоты модуляции входных оптических импульсов максимальное значение фототока уменьшается. Предельная частота определяется как частота модуляции, при которой токовая чувствительность составляет 0,707 от значения токовой чувствительности при низких частотах модуляции.

Если внутренние задержки прямо не влияют на полосу пропускания или скорость передачи, то время нарастания и спада,  определяет полосу пропускания. Раз­личные фотоприемники могут очень сильно отличаться по быстродействию.

 Наиболее быстрыми являются p-i-n фотодиоды. У лавинных фотодиодов увеличение коэффициента умножения сопровождается уменьшением быстродействия по сравнению с p-i-n фотодиодами. Наиболее медленными являются фототранзисторы.

 

Т а б л и ц а 2.1 - Типовые характеристики фотоприемников

Фотоприемник

Токовая  чувствительность, А/Вт

Темновой ток, нА

Время нарастания, нс

p-i-n фотодиод (InGaAs)

0,8

0,1-3

0,01-5

p-i-n фотодиод (Si)

0,5

10

0,1-5

Лавинный фотодиод (InGaAs)

20-60

30

0,3

Лавинный фотодиод (Ge)

20-60

400

0,3-1

Фототранзистор (Si)

18

25

2500

 

Эквивалентная мощность шума Рп (Вт) - это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице и вычисляется по формуле

Pn = In/Sph

где IП - полный шумовой ток.

По определению, эквивалентная мощность шума пропорциональна квадратному корню из полосы пропускания. Рп   можно пронормировать, поделив на ÖB . Такая нормированная эквивалентная мощность шума имеет размерность Вт/Гц1/2 и не зависит от полосы пропускания.

Например, если фотодиод имеет темновой ток 2 нА, дробовое сопротивление R= 5-108 Ом, токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт и полную полосу пропускания В =1 Гц, то дробовой ток Isn= 2,5*10-14А, тепловой ток Ijn - 5,6*10 -15А, полный шумовой ток IП= 2,6*10 -14А и эквивалентная мощность шума Рп= 5,1-10-14 Вт.

В фотоприемниках, применяющихся в ВОЛС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприемник подается обратно смещенное напряжение, приводящее к темновому току, который, в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Главная функция фотоприемника - это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из волокна.    Соотношение сигнал/шум и чувствительность аналоговых систем. Для аналоговых систем отношение сигнал/шум измеряется количественно. На практике приемлемое соотношение сигнал/шум зависит от приложения - для одних хорошим соотношением может быть ве­личина 50-60 дБ, для -  других - 30 дБ. Зная Pn ,  и требования к отношению сигнал/шум, можно определить минимальный входной сигнал Pn min  - чувствительность аналогового ПРОМ, при котором вносимые искажения и шумы будут в пределах нормы. Принятой единицей измерения чувствительности фотоприемников является дБм.

Частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем. В цифровых системах, когда информация передается битами, мерой качества принятого сигнала является вероятность некорректной передачи 0 или 1, которая называется частотой появления ошибок BER. Она определяется как отношение неправильно принятых битов к полному числу принятых битов. Частота появления ошибок резко зависит от мощности входного сигнала. В определенном диапазоне уменьшение на 5 дБ амплитуды входного сигнала приводит к увеличению BER с 10-12 до 10-3. В цифровых системах, применяемых для нужд телекоммуникаций, BER должна быть не больше 10-9. BER зависит от скорости передачи: чем меньше скорость передачи, тем меньше BER.

Чувствительностью цифрового ПРОМ называется минимальная мощность входного сигнала, при которой BER не выходит за рамки мак­симального допустимого значения, установленного для данного приложения. Для нормальной работы приложения мощность входного оптического сигнала должна быть не меньше чувствительности ПРОМ.

Насыщение ПРОМ. В аналоговых ПРОМ каскад электронных усилителей имеет участок линейного усиления, что означает линейную зависимость амплитуды выходного электрического сигнала от входной оптической мощности. Это справедливо до тех пор, пока входной сигнал не превышает определенного значения, которое называется насыщением ПРОМ. В цифровых ПРОМ работа каскада усилителей в нелинейной области не столь опасна, однако при больших входных оптических сигналах могут проявляться "хвосты" фототока, остающиеся даже тогда, когда на фотоприемник уже не подается сигнал. В такой ситуации нулевой сигнал на входе, следующий непосредственно за единицей, может неправильно интерпретироваться, что приводит к росту частоты появления ошибок. Насыщением цифрового ПРОМ называется максимальная входная мощность, выше которого BER начинает превосходить максимально допустимую величину для данного приложения.

Диапазон значений мощности от чувствительности до насыщения ПРОМ называется динамическим диапазоном ПРОМ. [1, с.78-84]

Лекция 3. Основные элементы передающего оптического модуля

Цель лекции: ознакомление с лазерными диодами и светоизлучающими диодами.

Содержание: источники излучения – лазерные диоды (ЛД) и светоизлучающие диоды (СИД). Сравнение основных характеристик СИД, ЛД

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ).

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

 - излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

- источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, чтобы большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам, могло повредить волокно или оптический приемник.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр (рисунок 6).

Рисунок 6 -  Спектры излучения светодиодов и лазерных диодов

 Светоизлучающие диоды

Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока, рисунок 7 а. Носители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из приле­гающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-п структуру и затем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Длина волны излучения l (мкм) связана с шириной запрещенной зоны активного слоя Eg (эВ) законом сохранения энергии l — 1,24/Е, рисунок 7 б.

 Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

 

а) гетероструктура;

б) энергетическая диаграмма при прямом смещении

Рисунок 7 - Двойная гетероструктура

Гетерогенные структуры могут создаваться на основе разных полупроводниковых материалов. Обычно в качестве подложки используются GaAs и InP. Соответствующий композиционный состав активного материала выбирается в зависимости от длины волны излучения и создается посредством напыления на подложку, таблица 3.1.

Длину волны излучения Хо определяют как значение, соответствующее максимуму спектрального распределения мощности, а ширину спектра излучения Dl05 - как интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности составляет половину максимальной.

 

Т а б л и ц а 3.1 - Композиционные материалы, используемые для создания источников излучения различных длин волн

Активный материал

Подлож-ка

Диапазон возможных значений Eg  , эВ

Диапазон излучаемых длин волн l, нм

Ga(1-x)AlxAs

GaAs

2,02...1,42

610...870

ln(i-X)GaxAsy P(1-y)

InP

0,95

1100...1700

Ln0,73Ga0,27AS00,58 Po,42

InP

0,95

1310

Ln0,58Gao,42AsO,9 Po,1

InP

0,80

1550

Лазерные диоды

У лазерного диода по сравнению со светодиодом есть два главных конструктивных отличия. Первое, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор. Второе, лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, чем светодиод, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды  имеют значительно  меньшую ширину спектра  излучения  (1-2  нм)  против (30-50 нм) светодиодов.

Зависимость мощности излучения от тока накачки определяется ватт-амперной характеристикой лазерного диода. При малых токах накачки лазер испытывает слабое спонтанное излучение, работая как малоэффективный светодиод. При превышении некоторого порогово­го значения тока накачки Ithres, излучение становится индуцированным, что приводит к резкому росту мощности излучения и его когерентности, рисунок 8.

1     - лазерный диод;  2          - светодиод.

Рисунок 8-  Ватт-амперные характеристики

Мощность выходного излучения Pout или выходная мощность излучения светодиода (output power) отражает мощность вводимого в волокно излучения. Наряду с традиционной единицей  измерения  Вт, она может измеряться  в дБм.  Мощности Pout,  измеренной  в мВт (10-3Вт), будет соответствовать мощность pout = 101gPout (дБм). Использование единицы измерения дБм упрощает энергетический расчет бюджета линий. Мощность излучения, приво­дящаяся в характеристиках оптического передатчика, может варьироваться в некотором диапазоне. В таких случаях указывают диапазон мощности излучения (output power range). Например, -19/-14 дБм означает, что poutmin= -19 дБм, a           poutmax= -14 дБм.

В магистральных ВОЛС используются два окна 1,3 и 1,55 мкм. Поскольку наименьшее затухание в волокне достигается в окне 1,55 мкм, на сверхпротяженных безретрансляционных участках (L = 100 км) эффективней использовать оптические передатчики именно с этой дли­ной волны. В то же время на многих магистральных ВОЛС в состав ВОК входят только ступенчатые одномодовые волокна, имеющие минимум хроматической дисперсии в окрестности 1,3 мкм (волокон со смещенной дисперсией нет). На длине волны 1,55 мкм удельная хроматиче­ская дисперсия у SMF составляет 17 пс/нм.км. А поскольку полоса пропускания обратно про­порциональна ширине спектра излучения, то увеличить полосу пропускания можно, только уменьшая ширину спектра излучения лазера. При ширине спектра Dl =4 нм полоса пропускания на 100 км составляет 63 МГц, а при Dl= 0,2 нм соответственно 1260 МГц. Итак, для того, чтобы оптические передатчики на длине волны 1,55 мкм могли в равной степени использоваться на протяженной линии не только с одномодовым волокном со смещенной дисперсией (DSF), но и со ступенчатым волокном (SMF), необходимо делать ширину спектра изл15:20 18.10.2007учения передатчиков как можно меньше. [1, С.9-15]

Лекция 4.  Повторители и оптические усилители

 Цель лекции: ознакомление с принципами работы усилителей и повторителей их разновидности.

Содержание: назначение и принцип действия повторителей и усилителей. Типы ретрансляторов. Сравнительные характеристики.

По мере распространения оптического сигнала происходит его ослабление, а также уширение импульсов из-за дисперсии. Любой из этих факторов может оказаться причиной ограничения максимальной длины безретрансляционного участка волоконно-оптического сегмента. Если же максимальная допустимая длина между приемником и передатчиком превышена, то необходимо в промежуточных точках линии связи добавлять один или несколько ретрансляторов. В общем случае  ретранслятор выполняет функцию усиления оптического сигнала и дополнительно (при цифровой передаче) может восстанавливать форму импульсов, уменьшать уровень шумов и устранять ошибки - такой ретранслятор называется  регенератором.

По методу усиления оптического сигнала ретрансляторы подразделяются на две категории: повторители и оптические усилители.

В волоконно-оптических системах локальных сетей повторители значительно больше распространены, чем оптические усилители, в то время как при построении оптических маги­стралей оптические усилители играют незаменимую роль.

Повторитель (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал (рисунок 9а). 

а) электронно-оптический повторитель;

б) оптический усилитель.

Рисунок 9 - Типы ретрансляторов

Можно представить повторитель как последовательно соеди­ненные приемный и передающий оптические модули. Аналоговый повторитель, в основном, выполняет функцию усиления сигнала. При этом вместе с полезным сигналом усиливается также входной шум. Однако при цифровой передаче повторитель наряду с функцией усиления может выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику (рисунок 9 б). Обычно блок регенерации охватывает цепь принятия решения и таймер. Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты. Повторитель может и не содержать таймера и восстанавливать прямоугольную форму импульсов по определенному порогу независимо от того, на какой скорости ведется передача. Такие "средонезависимые" повторители применяются в локальных сетях, где имеет место асинхронный режим передачи.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектрон-ного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (рисунок 9 б). Оптиче­ские усилители не способны в принципе производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме этого, вносится собствен ный шум в выходной оптический канал.

Сравнительные характеристики повторителя и оптического усилителя приведены в таблице 4.1.

Т а б л и ц а 4.1 - Сравнительные характеристики повторителей и оптических усилителей

Характеристика

Повторитель

Оптический усилитель

Конструкция

Сложная

Простая

Цена

Низкая

Высокая, но падает

Надежность

Высокая

Очень высокая

Регенерация сигнала

Допустима

Исключена

Привязка к скорости передачи

Требуется

Не требуется

Возможность одновременной передачи нескольких сигналов

Не допускается

Допускается

Рабочая длина волны, нм

850, 1300, 1550

Область 1530-1560

Отношение сигнал шум

Высокое

Низкое

Область применения

Локальные сети, региональные сети, межрегиональные сети

Сейчас и в перспективе региональ­ные сети, межрегиональные сети

 

Простота - один из притягивающих факторов ОУ. Простота конструкции, в которой преобладают пассивные компоненты, в конечном счете, обещает низкую цену, так как число компонентов ОУ значительно меньше, чем у повторителя. ОУ имеет более высокую надежность, чем повторитель. Это  преимущество используется при прокладке подводного ВОК. ОУ не привязан к скорости передачи, в то время как повторитель обычно исполняется для работы на определенной скорости. Повторитель работает с одним сигналом. ОУ может одновременно усиливать несколько оптических сигналов, представленных несколькими длинами волн (WDM сигнал) в пределах определенного интервала, который называется зоной усиления. Это позволяет наращивать пропускную возможность линии связи, на которой установлены ОУ, без добавления новых волокон.

Существует пять типов оптических усилителей (таблица 4.2.).

Т а б л и ц а 4.2 - Типы и области применения оптических усилителей

Типы усилителей

Область применения
Усилитель с полостью Фабри-Перо

Усиление одного канала (одной длины волны)

Усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние

Усиление одного канала

Усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние

Усиление нескольких каналов одновременно

Полупроводниковые лазерные усилители

Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

Усилители на примесном волокне

Усиление большого числа каналов в широкой области длин волн одновременно

a)                  усилители Фабри-Перо. Усилители оснащаются плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенками. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25
дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме этого,  эти устройства не чувствительны к поляризации  сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц). В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они могут всегда быть перестроены для усиления только одной определенной длины волны одного канала из входного многоканального WDM сигнала;

b)                 усилители на волокне, использующие бриллюэновское рассеяние. Стимулированное бриллюэновское рассеяние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте, скажем, f, переходит в энергию но­вой волны на смещенной частоте f2. Если мощная накачка производится на частоте  f, стимулированное бриллюэновское рассеяние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f9. Выходной сигнал со­средоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц;

c)                           усилители на волокне, использующие рамановское рассеяние. Стимулированное рамановское рассеяние - также нелинейный эффект, который, подобно бриллюэновскому рассеянию, может использоваться для преобразования части энергии из мощной волны накачки в слабую сигнальную волну. Однако при рамановском рассеянии частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки  (f2 —fx) больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов в WDM сигнале. Большие переходные помехи между усиливаемыми каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей;

d) полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ). Основу ППЛУ составляет актив­ная среда, аналогичная той, которая используется в полупроводниковых лазерах. В ППЛУ отсутствуют зеркальные резонаторы, характерные для полупроводниковых лазеров. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специаль­ное покрытие толщиной l/4 с согласованным показателем преломления, рисунок 10.

Рисунок 10 -  Полупроводниковый лазерный усилитель

На рисунке 11 показана еще одна реализация источника мультиплексного многоволнового излучения, в котором ППЛУ используются в качестве широкополосного усилителя. Несколько узкополосных полупроводниковых лазеров на разных длинах волн генерируют световые сигналы, которые мультиплексируются и размножаются посредством оптического разветвителя. ППЛУ устанавливаются на конечном участке, чтобы усилить ослабленные после разветвления оптические мультиплексные сигналы  [1,С.88-90].

Рисунок 11 -  Источник мультиплексного излучения

Лекция 5. Усилители на примесном волокне

Цель лекции: ознакомление с работой усилителей для технологий полностью оптических сетей.

Содержание: изучение принципа работы усилителя на примесном волокне. Усилители EDFA. Основные технические характеристики.

Этот тип оптического усилителя наиболее широко распространен и является ключевым элементом в технологии полностью оптических сетей, поскольку он позволяет усиливать сигнал в широком спектральном диапазоне . На рисунке 11 приведена схема усилителя на примесном волокне. Слабый входной оптический сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала. Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна со­ставляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера (5), установленного с противоположенной стороны, с более короткой длиной волны накачки. Свет от лазера накачки - волна накачки (6) - возбуждает атомы примесей. Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит инду­цированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и повлекший это сигнал.

Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

 

Рисунок 11 -  Оптический усилитель на примесном волокне

 

Активной средой усилителя является одномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы (рисунок 12).

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С.

 

 

 


Рисунок 12 -  Энергетическая диаграмма уровней атомной системы усилителя на примесном волокне

Когда заселенность уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. Если же входной сигнал не нулевой, то происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму. Особенности работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители  получили название  EDFA.

  Межатомное  взаимодействие является   причиной   очень  важного  положительного фактора - уширения уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкую зону усиления сигнала. В EDFA наиболее широкая зона усиления от 1530 до 1560 нм, соответствующая переходу hvCA, достигается при оптимальной длине волны лазера накачки 980 нм.

Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала линейно растет с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом своего максимального значения. Например, если входной сигнал 1 мкВт (-30 дБм), то выходной сигнал может быть на уровне 1 мВт (О дБм), что соответствует усилению в 30 дБ. Но при большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления.

На рисунке 12  показано, как ведет себя коэффициент усиления К для EDFA в зависимости от длины волны и при различных значениях мощности входного сигнала. Уменьшение К при Pin =1 мВт связано с насыщением усилителя. На кривой зависимости К от длины волны при малых значениях мощности входного сигнала заметны минимумы и максимумы. Отсутствие плато в широком диапазоне длин волн (от 1530 до 1560 нм) заставляет дополнительно на ли­нии из каскада оптических усилителей устанавливать эквалайзеры с целью выравнивания ам­плитуд мультиплексных сигналов разных длин волн. В то же время ведутся интенсивные исследования по выравниванию кривой усиления. Следует подчеркнуть, что построение усилителей с такими характеристиками не является непреодолимой задачей, но скорее требует тщательно отработанной технологии производства всех элементов.

Рисунок 13 -  Коэффициент усиления кремниевого EDFA усилителя при различных значениях мощности входного оптического сигнала

Характерным для оптических усилителей является широкополосный собственный шум (рисунок  14). Этот шум, которого избежать невозможно, он связан главным образом со спонтанным излучением инверсно-заселенных уровней на примесных атомах [ 1, С. 88-94].

 

Рисунок 14 -  Мощность выходного сигнала и шума в EDFA

Лекция 6. Системы связи цифровой иерархии

         Цель лекции: изучение систем цифровой иерархии  и ознакомление со структурными схемами оптических систем передачи.

          Содержание: системы связи вторичной цифровой иерархии Е2, системы связи третичной цифровой иерархии Е3, системы связи цифровой иерархии Е4.

Системы связи вторичной цифровой иерархии Е2

В 80-х годах разработана аппаратура волоконно-оптических систем передачи «Соната-2», предназначенная для использования на городских сетях в качестве соединительных линий между узлами связи. Эта аппаратура позволяла по одной паре оптических волокон (многомодовых) передавать в обе стороны 120 телефонных каналов со скоростью 8,448 Мбит/с.

На рисунке 15 представлена обобщенная структурная схема системы связи «Соната-2», где 1, 7 — блок аналого-цифрового оборудования ИКМ-30, 2, б — мультиплексор, или блок вторичного временного группообразования (ВВГ), 3, 5 — оконечное оборудование (СОЛСТ-0-2), 4 — стойка промежуточного линейного световодного тракта.

 Блок аналого-цифрового оборудования 1 состоит из четырех ячеек, каждая из которых из тридцати первичных цифровых потоков DSO (64 кбит/с) формирует один цифровой информационный поток в двоичном коде уровня DS1 — HDB3. Далее четыре таких потока поступают на входы мультиплексора 2, формирующего цифровой поток уровня DS2 также в коде HDB3, который, в свою очередь, поступает на вход СОЛСТ-0-2. Сигнал DS2 является в данном слу­чае стыковым. В блоке 3 (СОЛСТ-0-2) он поступает на ячейку ПК, задача кото­рой — преобразование двоичного цифрового потока DS2 из кода HDB3 в линей­ный код СМ1. С выхода ячейки ПК электрический сигнал в коде СМ1 подается на вход передающего оптического модуля ПОМ, в котором он преобразовывается в оптический цифровой поток в том же коде СМ1. Оптический поток с помощью оптического разъема подключается к оптическому кабелю. В состав блока СОЛСТ-0-2, кроме указанных ячеек, входят также устройства, выполняющие следующие функции: контроль линейного оборудования стойки, контроль линейного тракта, служебная связь.

Для соединительных линий на городских телефонных сетях, кроме аппаратуры «Соната-2», выпускалось также оборудование ИКМ-120-5. Это оборудование, как и «Соната-2», обеспечивало передачу 120 каналов в цифровом потоке со скоро­стью 8,448 Мбит/с по оптическому кабелю. Аппаратура производилась в двух вариантах: КЛТ-26, в котором оптический передающий модуль работал на длине волны 850 нм, и КЛТ-24 — на длине волны 1300 нм.

Рисунок 15 - Структурная схема системы связи «Соната-2»

 

Для передачи 120 телефонных каналов в цифровом потоке со скоростью 8,448 Мбит/с производилась и аппаратура «Сопка-2», предназначенная для работы во внутризоновых сетях. По структурной схеме, устройствам телеконтроля и служебной связи эта аппаратура мало чем отличалась от «Сонаты-2» и ИКМ-120-5.

Т а б л и ц а  6.1 - Технические характеристики и параметры       «Соната-2», «Сопка-2» и др.

Основные технические данные аппаратуры

Тип аппаратуры

«Соната -2»

ИКМ-120-5

«Сопка-2»

Длина волны излучения, нм

850

850 -1300

1300

Уровень средней оптической мощности на выходном оптическом разъеме, дБм

0

0

7

Число телефонных каналов

120

120

120

Тип линейного кода

СМ1

МСМ1

5В6В

Скорость передачи сигнала на стыке ВВГ, Мбит/с

8,448

8,448

8,448

Скорость передачи линейного сигнала, Мбит/с

16,896

—

10,138

Энергетический потенциал, дБ, не менее

50

50 -37

47

Коэффициент ошибок на выходе тракта максимальной протяженности, не более

10-8

10-9

10-9

 Системы связи цифровой плезиохронной иерархии Е4

Аппаратура «Сопка-4» обеспечивает передачу 1920 телефонных каналов или любой другой информации в дискретном виде с помощью цифрового оптического сигнала по одномодовому волокну на максимальное расстояние до 830 км. При этом длина волны излучения должна быть 1300 нм, а затухание в волокне не более 0,7 дБ/км.

Основные технические характеристики аппаратуры «Сопка-4» и PLE2-140 приведены в таблице 6.3.

Т а б л и ц а 6.3 - Технические параметры и характеристик аппаратуры «Сопка-4» и PLE2-140

Основные технические данные

 

 

Тип аппаратуры

«Сопка-4»

PLE2-140

Длина волны излучения, нм

1300

1300

Уровень средней оптической мощности на выходном оптическом разъеме, дБм

1,25

-11...-1

Число каналов

1920 + 30

1920 + 9

Тип линейного кода

10B131R

20В + 2В

Скорость передачи на стыке ВВГ, Мбит/с

139,264

139,264

Скорость передачи линейного сигнала

167,1168

140

Энергетический потенциал, дБ, не менее

38

34

Коэффициент ошибок на выходе тракта максимальной протяженности, не более

10-8

10-10

Максимальная принимаемая оптическая мощность при коэффициенте ошибок 10-8, дБм

-39

-39

 Лекция 7. Радиорелейные линии

План лекции: изучение радиорелейных линий прямой видимости.

Содержание: общие понятия РРЛ. Типы станций РРЛ. Структурная схема РРЛ.

Радиорелейная линия прямой видимости представляет собой цепочку приемо-передающих станций, расположенных на расстояниях устойчивой связи {R} в пределах прямой видимости антенн (название происходит от англ. “relay”).

        Приемо-передающие станции называют радиорелейными станциями (РРС).

Для передачи сигналов на значительные расстояния используется принцип ретрансляции – каждая станция, входящая в РРЛ, принимает, усиливает и излучает сигнал в направлении соседней станции.

          Современные РРЛ позволяют осуществлять высококачественную передачу различных сообщений на расстояние в несколько тысяч километров, т.е. значительно превышающее R.

Расстояние прямой видимости (длина пролета) - это расстояние между соседними РРС, которое можно определить по приближенной формуле для случая гладкой сферической земной поверхности

                      R0,км ≈ 3,57× (√h1 +√h2)

где h1 и h2 – высоты установки передающей и приемной антенн соседних станций в метрах. Наиболее распространенные значения h 20…80м.

      Для работы РРЛ в соответствии с рекомендациями ITU-R серии F выделены полосы частот в диапазонах: 1,4; 2; 4; 5; 6; 7; 8; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 18; 23; 27; 31; 38; 55 ГГц.

Выбор указанных диапазонов обусловлен, главным образом, тем, что для организации большого количества каналов необходимо, чтобы линия связи имела достаточно широкую полосу пропускания (для 1000 каналов ширина полосы пропускания должна быть не менее 4 МГц).

Такую широкую полосу пропускания может иметь линия радиосвязи, работающая только в одном из следующих диапазонов: метровых, дециметровых, сантиметровых волн, поэтому РРЛ строятся исключительно в этих диапазонах. Названные диапазоны обладают еще несколькими особенностями, которые определяют специфичность построения радиорелейных линий.

Известно, что радиоволны в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах способны распространяться в атмосфере только по линии прямой видимости и не обладают свойствами дифракции, т.е. не могут огибать встречающиеся на пути естественные и искусственные препятствия.

По радиорелейным линиям можно передавать телевизионные сигналы, сигналы звукового вещания, а так же организовать в одной радиорелейной линии до нескольких тысяч телефонных каналов.

Типы станций РРЛ

Все станции РРЛ в зависимости от их мест расположения, назначения и комплектации подразделяются на промежуточные (ПРС), оконечные (ОРС) и узловые (УРС).

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СТАНЦИИ- предназначены для приема от предыдущей станции модулированных СВЧ сигналов, усиления их и передачи на последующую станцию. Эти станции оборудуются автоматизированной аппаратурой и являются в основном не обслуживаемыми. Управление и наблюдение за работой аппаратуры необслуживаемых ПРС производится с ОРС или УРС автоматически или дистанционно с помощью специальной системы теле обслуживания.

ОКОНЕЧНЫЕ РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СТАНЦИИ – расположены на концах магистральной линии или на концах линий, ответвляемых от магистральной. На ОРС производится введение и выделение сообщений, передаваемых по РРЛ. С помощью соединительных линий ОРС связываются с междугородными телефонными станциями (МТС), междугородными телевизионными аппаратными (МТА) и междугородными вещательными аппаратными (МВА), которые являются основными источниками сообщений, передаваемых по РРЛ. На ОРС всегда имеется обслуживающий персонал, обеспечивающий исправность аппаратуры не только данной ОРС, но и подчиненных нескольких ПРС на участке резервирования.

УЗЛОВЫЕ РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ СТАНЦИИ – так же как и ОПС, имеют обслуживающий технический персонал. Устанавливаются УРС в тех пунктах трассы РРЛ, где требуется производить выделение или замену программ телевидения. Выделенные телефонные, телевизионные или другие сообщения далее подаются к соответствующим потребителям.

Структурная схема РРЛ

Упрощенная структурная схема РРЛ представлена на рисунке 16. Для обеспечения дуплексной связи(использую два канала: 1- прием, 2- передача) на каждой ОРС устанавливается приемник (Пр) и передатчик (П), а на ПРС и УРС – два приемника и два передатчика. Передача и прием радиосигналов производится на различных радиочастотах, благодаря чему передатчик данной РРС не мешает работе ее приемника. Так же в состав аппаратуры входит аппаратура уплотнения (АУ). На ОРС групповое сообщение, снимаемое с выхода АУ, модулирует колебания передатчика П с несущей частотой, f1. Затем сигнал через разделительно-полосовой фильтр (РПФ) подводится к антенне и излучается в сторону соседней ПРС.  На соседней ПРС разделительный фильтр РПФ и ПР настроены на несущую частоту f1 приходящего сигнала, Этот сигнал усиливается, преобразуется в передатчике П в сигнал с несущей частотой f2 и затем излучается в сторону следующей РРС, где осуществляется аналогичные процессы, в результате которых сигнал с несущей частотой f2 принимается, преобразуется в сигнал с несущей частотой f1 и снова излучается в сторону соседней ПРС. Таким образом, происходит передача между двумя ОРС, или двумя УРС, или между ОРС и УРС как в одном, так и в другом направлении.

На ОРС и УРС принятые колебания после усиления демодулируются, в результате чего получают исходное групповое сообщение, которое подводится к приемной части АУ, а затем разделяется по соответствующим каналам.

Рабочие частоты приемников и передатчиков РРЛ выбираются из общего диапазона частот, отведенного для ее работы с таким расчетом, чтобы разница между частотами приема и передачи каждой РРС была достаточной для подавления разделительно- полосовыми фильтрами РПФ как излучений от передатчиков, установленных на данной станции, так и помех, создаваемых вне станции

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 16 – Упрощенная структурная схема радиорелейной линии

Для повышения пропускной способности и надежности РРЛ практически всегда строятся многоствольными. Каждый ВЧ-ствол образован цепочкой приемо-передающей аппаратуры и представляет собой самостоятельную РРЛ. Для многоствольной работы на каждой станции устанавливается несколько комплектов ВЧ-оборудования, работающих на разных частотах на общую антенну.

Так как основную часть стоимости РРЛ составляет не приемо-передающая аппаратура, а затраты, связанные со строительством зданий, антенных опор, антенн, основного и резервного энергетического оборудования и т.д., строительство РРЛ с несколькими высокочастотными стволами является экономически целесообразным. Увеличение числа стволов позволяет значительно увеличить пропускную способность РРЛ.

На примере оконечной станции рассмотрим существующие стволы, рисунок 17.

 

 


Рисунок 17 

Как мы уже сказали ранее радиорелейная система начинается с око­нечной станции (ОРС). Здесь формируется спектр груп­пового и видеосигнала, передаваемых по РРС. Сигнал многока­нальной телефонии, получаемый с МТС, объединяется с сигналами служебной связи и теле обслуживания для передачи их в телефонном стволе. Видеоканал, берущий начало на телецентре ТЦ, доуплотняется на ОРС каналом звукового сопровождения, а иногда и радиовещательными каналами. Этот сигнал передается по телевизионному стволу:

В модуляторе МД групповой или видеосигнал модулируют не­сущую промежуточной частоты. Преобразование модулированной ПЧ несущей в СВЧ несущую и усиление ее до необходимого уров­ня производятся в передатчике П. Затем в фильтре сложения ФСл происходят объединение СВЧ энергии передатчиков несколь­ких стволов в одном антенно-фидерном тракте АФТ и последую­щее излучение ее в направлении следующей станции.

Антенно-фидерный тракт используется одновременно для приема и передачи сигналов всех стволов. В качестве разделительных устройств, обеспечивающих надлежащую развязку между приемниками и передатчиками, используются устройства селекции УС.

   Принимаемый от соседней станции СВЧ сигнал расфильтровывается по стволам в разделительном фильтре РФ и поступает в приемник Пр. Здесь он преобразуется до промежуточной частоты,  на которой производится основное усиление. Далее следует демодулятор  ДМ; сигнал многоканальной телефонии поступает на МТС, а  сигнал изображения соответственно на ТЦ.        

При по участковом резервирований на ОРС производится коммутация стволов. Для резервирования выделяется отдельный ствол,  (резервный ствол), аппаратура которого всегда находится во вклю­ченном состоянии. Коммутаторы размещаются в аппаратуре резер­вирования АР. В универсальных РРС с телефонными и телевизион­ными стволами переключение стволов на резерв осуществляется по промежуточной частоте. В этом случае модуляторы, дёмодуляторы и групповое оборудование имеют собственное резервирование  или не резервируются вообще, так как имеют высокую надежность. В РРС с телефонными стволами применяется коммутация по груп­повому спектру.

 

Планы разнесения частот

Чтобы уменьшить взаимные помехи, рабочие частоты стволов располагаются по определенному плану – плану распределения частот.

 Наиболее распространены два вида планов: двухчастотный и четырехчастотный.

 

    f1н     f1в    f1в     f1н      f1н       f1в                 f1в

                                                                          

     f5н  f5в    f5в       f5н         f5н      f5в                      f5в

Рисунок 18 

Здесь представлена трехствольная РРЛ с двухчастотным планом (в каждом стволе по две частоты), причем, каждая станция излучает и принимает на разных частотах и разность этих частот называют частотой дуплексного разноса  (Fдр = f1в – f1н). Двухчастотный план экономит частотный спектр, но требует использования более дорогостоящих антенн (с низким уровнем задних лепестков), четырехчастотный план- наоборот. Ниже трехствольная РРЛ с четырехчастотным планом.

f1н      f1в       f3в     f3н       f1н      f1в       f3в

Рисунок 19

 В остальных стволах также по четыре частоты (частоты используют обычно четные, либо нечетные), излучение в одном направлении, например, с горизонтальной поляризацией, в противоположном направлении - с вертикальной.

Приведем пример списка несущих частот для стволов РРЛ в соответствии с Рекомендацией ITU-R, например, в диапазоне 7 ГГц.

       Разнос частот Tx-Rx                      161МГц

       Интервал между стволами                7МГц

     Т а б л и ц а 7.1  

  Ствол

     f н, МГц

           f в, МГц

      1

         7428          

               7589

       2

         7435

               7596

       3

         7442

               7603

       4

         7449

               7610

       5

         7456

               7617

      …

           …

                  …

      19

         7554 

               7715

      20

         7561

               7722

      

    Каждый ствол станции имеет стандартное обозначение, например:  2ВН, где 2- номер ствола, В- означает прием на верхней частоте, Н- передача (излучение) на нижней частоте. Комплект оборудования на другой стороне пролета будет иметь соответственно обозначение 2НВ.

 

Лекция 8. Особенности построения цифровых РРЛ 

План лекции: изучить особенности построения ЦРРЛ.

Содержание: структурная схема ЦРРЛ, назначение основных элементов. Принцип работы.

Этот вопрос рассмотрим на примере радиорелейного оборудования российского производства “РАДИУС-ДС”, используемого для организации одно - и многоинтервальных цифровых РРЛ различного назначения общей протяженностью до 600 км при типовом значении длины пролета 45 км.

Данное оборудование обеспечивает передачу-прием стандартных цифровых потоков со скоростями: 2048; 8448; 34368 кбит/c  в диапазоне частот 7,9….8,4 ГГц при вариантах схем связи 1+0; 2+0; 1+1 c автоматическим резервированием по критерию достоверности.

Cтруктурная схема полукомплекта одноствольного исполнения приведена на рисунке 19.

 

 

 

 

 

 

 

 

Подпись: Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 19

         ВППМ- выносной приемо-передающий модуль (ODU);

         ББ – базовый блок (IDU);

        ФП – полосовой фильтр;

         УАК – устройство автоматической коммутации;

         Д – дуплексер;

        ВИП – вторичный источник питаия;

        УКУ - устройство кабельного уплотнения;

        ДС – дешифратор состояния ВППМ;

        ПТС – панель телесигнализации;

        УЧ – умножитель частоты;

        СЧ – синтезатор частоты;

        ТУ-ТС- телеуправление, телесигнализация;

        CК – служебный канал;

        ТЛФ – подключение микротелефона;

        ТР – разъем ретрансляции;

         ЦСС – ячейка (регенерация, оценка достоверности, переключение стволов при работе по схеме 1+1).

 

Информационный цифровой поток, сформированный каналообразующим или мультиплексным оборудованием, поступает на вход "ИНФ" ячейки ЦСС базового блока (при передаче 2048 или 8448кбит/с) или на вход "ИНФ" ячейки "МОД 34" (при передаче 34368кбит/с). В базовом блоке осуществляется модуляция несущей первой промежуточной частоты (70 МГц) входным информационным цифровым сигналом (вид модуляции – 2PSK для потоков 2048 и 8448 кбит/с или четырехфазная QPSK для потока 34368 кбит/с) и аналоговым сигналом канала служебной связи Инф.СКлин (вид модуляции - ЧМ), сформированным в полосе частот 0,3…8 кГц в результате частотного уплотнения сигналов речевого служебного канала и сигналов системы линейного телеобслуживания - ТУ-ТСлин. Сигнал ПЧ 70 МГц через устройство кабельного уплотнения (УКУ) ячейки ВИП-УКУ по кабелю поступает на ВППМ.

В ВППМ сигналы, поступившие по кабелю, разуплотняются в УКУ-Р. Далее сигнал ПЧ 70 МГц поступает в тракт ПРД ВППМ, в котором осуществляется перенос информационного спектра на промежуточную частоту 1339/ 1605 МГц (в зависимости от литерности исполнения) и второй перенос с частоты 1339/1605 МГц в рабочий диапазон 7,9 - 8,4 ГГц.

Гетеродином при первом переносе служит фиксированный кварцованный генератор на частоте 1409/1675 МГц в зависимости от исполнения.

Гетеродином при втором переносе является синтезатор частот с выходной ступенью - УЧ-8. Шаг синтезатора частоты обеспечивает (после умножения частоты) дискретность перестройки 7 МГц.

СВЧ сигнал после второго переноса и фильтрации поступает на усилитель мощности с выходной мощностью 0,5-0,7 Вт.

С выхода усилителя мощности через дуплексер СВЧ сигнал поступает в антенну.

С выхода первого преобразователя информационный сигнал на ПЧ1 поступает на преобразователь ПЧ ПРМ, где он переносится на частоту 70 МГц. С выхода второго преобразователя информационный сигнал с частотой 70 МГц поступает на прибор УПЧ-70, объединяющий сигнальный фильтр и усилитель промежуточной частоты 70 МГц с глубиной АРУ - 70 дБ, и далее через устройство УКУ на выход ВППМ.

Следует отметить, что в УПЧ-70 за счет детектора АРУ формируется сигнал постоянного тока, пропорциональный уровню входного сигнала. Этот сигнал используется в системе ТУ-ТС для оценки уровня входного сигнала, что важно при проведении юстировки и в процессе эксплуатации для оценки энергетического запаса на линии.

Гетеродинирование в приемном тракте выполнено так же, как и в передающем, причем необходимо отметить, что в трактах приема и передачи при преобразовании частоты в приборах СВЧ ПРД и СВЧ ПРМ используется один и тот же гетеродинный тракт, состоящий из синтезатора и выходной ступени - умножителя частоты (УЧ-8).

В состав ВППМ, кроме вышеуказанных приборов входит также источник вторичного питания, обеспечивающий напряжения +7В и ±12В для питания приборов модуля и модем СКВ, обеспечивающий обработку сигналов системы телеобслуживания данной станции.

В базовом блоке сигнал ПЧ 70 МГц поступает на демодулятор.

Из демодулированного сигнала выделяется информационный поток и сигналы служебного канала (Инф СКлин): сигналы линейной телесигнализации и речевой канал служебной связи.

Информационный поток после регенерации в ячейке ЦСС поступает на выход ББ. Кроме регенерации в ячейке ЦСС осуществляется оценка достоверности принимаемой информации и осуществляется переключение стволов при работе РРО по схеме связи "1+1".

Сигналы линейной телесигнализации дешифрируются в ячейке ПТС и поступают на ее светодиоды:

-                    если в PPЛ нет аваpийных станций, то все индикатоpы - светодиоды "ИНФ", "ДЕЖ", "ПPМ", "ПPД" и цифpовой индикатоp "Номеp станции" - погашены;

-                    если в PPЛ какая-либо станция начала выдавать сигнал аваpии, то базовый блок в каждой станции PPЛ отобpажает номеp аваpийной станции "N", а также индициpует все аварии, которые имеют место на этой станции:

"ИНФ" - отсутствует входной инфоpмационный поток,

"ДЕЖ" - включен один из дежуpных pежимов - шлейф, автоконтpоль, выключен УМ,

"ПPМ" - аваpия пpиемного тpакта,

"ПPД" - аваpия пеpедающего тpакта.

Информация местного служебного канала (Инф СКм) о состоянии ВППМ данной станции дешифрируется в ячейке СК-ДС и отражается светодиодами ячейки:

"АPУ-1" - уpовень сигнала в тpакте пpиема выше поpога чувствительности на 3-10 дБ;

²АPУ-2" - уpовень сигнала в тpакте пpиема находится на пороге и ниже поpога чувствительности;

"ПРД" - авария тракта ПРД;

"ПРМ" - авария тракта ПРМ;

"ГЕТ"  - авария тракта ГЕТ;

"НЧ"   - авария тракта НЧ;

"УМ"   - отсутствие мощности излучения.

 

В цифровых РРЛ очень важную роль играет регенератор (в данном оборудовании находится в ячейке ЦСС). Регенератор восстанавливает амплитуду, форму и временное положение принятых импульсов.

Все цифровые РРЛ содержат такие устройства как скремблер (на передающей стороне) и дескремблер (на приемной стороне). Скремблер выполняет логические преобразования двоичных цифровых сигналов, в результате которых в выходном сигнале исключается возможность появления длинных серий одинаковых символов. При длинных сериях символов может быть нарушена работа системы тактовой синхронизации и могут возникнуть проблемы ЭМС (из-за сосредоточения энергии в более узкой полосе частот).

Кроме приемо-передающей аппаратуры, которую мы рассмотрели, в состав основной комплектации “Радиус-ДС” входит также антенна (с диаметром зеркала 1,2м, либо 1,75м) с опорно-поворотным устройством.

 

Список литературы

1.Бутусов М.Ф, Верник С.М, Галкин С.Л. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. – М.: Радио и Связь, 1992.

2. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения; - М.: Компания Сайрус Системс, 1999.

3. Р.Р. Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.

4. И.И. Гроднев. Волоконно-оптические линии связи: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и Связь, 1990.

5. Справочник. Волоконно-оптические системы передачи и кабели./Под редакцией И.И. Гроднева. – М.: Радио и Связь, 1993.

6. Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов./ Под ред. А.С.Немировского. - М.: Радио и связь,1986.

7. Мордухович Л.Г.  Радиорелейные линии связи. Курсовое и дипломное проектирование. - М.: Радио и связь, 1989.

 8. Мордухович Л.Г. Системы радиосвязи: Курсовое проектирование.-М.: Радио и связь, 1987.

 

Содержание

Введение....................................................................................................... 1

Лекция 1. Типовая схема системы волоконно-оптической связи.............. 7

Лекция 2.Технические характеристики фотоприемников......................... 10

Лекция 3. Основные элементы передающего оптического модуля.......... 15

Лекция 4.  Повторители и оптические усилители..................................... 19

Лекция 5. Усилители на примесном волокне............................................ 23

Лекция 6. Системы связи цифровой иерархии......................................... 26

Лекция 7. Радиорелейные линии............................................................... 29

Список литературы.................................................................................... 39

Содержание................................................................................................ 39

 

Сводный план 2006 г., поз. 160

 

Елена Юрьевна Елизарова