АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

ОПТИЧЕСКИЕ И РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ

СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Алматы 2011

Составители: Е.Ю. Елизарова. Б.Б. Агатаева. Оптические и радиорелейные системы передачи. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2011. - 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 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил. 32 , табл. , библиогр. назв.

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

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2011 год.

©НАО « Алматинский университет энергетики и связи» 2011 г.

Сводный план 2011 г. поз.

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 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: 0,8…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.

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.

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).

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

Лекция 1. Оптическое волокно как среда передачи

Цель лекции: Основные понятия, свойства волокна основанные на законах геометрической оптики

Типы световодов

Простейший световод представляет собой круглый диэлектрический стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины , а оболочки , где ε₁ и ε₂ – относительная диэлектрическая проницаемость. Показатель преломления оболочки обычно постоянен, а сердцевины (в общем случае) является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Если сердцевина световода имеет постоянное по радиусу значение показателя преломления, то такие световоды называются световодами со ступенчатым профилем показателя преломления (см. рисунок 2а) (есть ступенька п на границе сердцевина-оболочка).

Если показатель преломления от центра к краю изменяется не ступенчато, а плавно, то такие световоды называются световодами с градиентным профилем показателя преломления, или градиентными световодами (см. рисунок 2 б).

Наибольшее распространение получили градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления:

где n1 – показатель преломления в центре сердцевины (≈1,5);

r – текущий радиус;

d – диаметр сердцевины;

= 0,003 ... 0,01

Рисунок 2- Ход лучей в ступенчатом (а), градиентном (б) и одномодовом (в) оптическом волокне

Для передачи электромагнитной энергии по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред. Лучи распространяются в оптически более плотной среде, окруженной менее плотной, поэтому необходимо n1>n2. В зависимости от угла Θ_кр, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода (см. рисунок 3), имеют место волны излучения, волны оболочки (вытекающие лучи) и сердцевины (направляемые лучи).

Рисунок 3- Распространение излучения по оптическому волокну

Если угол падения меньше некоторого критического угла, который определяется соотношением

то луч полностью отражается на границе сердцевина – оболочка и остается внутри сердцевины (луч 3). Этот угол соответствует углу полного внутреннего отражения φ_п.

Режим полного внутреннего отражения зависит от диаграммы направленности источника излучения. Величину Θкр называют апертурным углом.

Апертурой называется максимальный угол между оптической осью и световым лучом, падающим на торец многомодового волоконного световода, при этом выполняются условия полного внутреннего отражения в сердцевине (луч 3 на рисунке 3). Величина апертурного угла зависит от абсолютного значения показателя преломления сердцевины и разности показателей преломления сердцевины и оболочки. Световод пропускает лишь лучи, заключенные в конусе с углом Θкр, соответствующим φ_п – углу полного внутреннего отражения.

Наряду с понятием апертура принято использовать также понятие числовая апертура (от англ. Numerical Aperture):

где n₀ – показатель преломления наружной среды (равен 1, если торец световода граничит с воздухом).

Как видно из рисунка 3, между предельным углом полного внутреннего отражения φ_п и апертурным углом падения луча имеется взаимосвязь. Чем больше угол φ_п, тем меньше апертурный угол волокна Θ_кр.

Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна Θ_кр. До тех пор, пока угол падения луча меньше, чем Θ_кр, луч будет испытывать полное внутреннее отражение на границе сердцевина - оболочка и передача будет проходить эффективно.

В зависимости от условий распространения световой волны в сердцевине и числа распространяющихся мод оптические волокна делятся на две группы: одномодовые (SMF – Single Mode Fiber, (см. рисунок 4) и многомодовые (ММF – Multi Mode Fiber).

Рисунок 4-Типы световодов

Число мод в световоде связано с числовой апертурой следующими простыми соотношениями:

для ступенчатого световода

;

для градиентного световода

где а – радиус сердцевины волокна,

λ – длина волны.

Критическая частота и длина волны волоконного световода

При передаче электромагнитной энергии по волокну основная ее часть распространяется внутри сердцевины, часть же проникает в оболочку, где экспоненциально затухает. Степень уменьшения напряженности поля определяется волновым числом оболочки g₂. При больших значениях волнового числа (высоких частотах) поле концентрируется внутри сердцевины. С уменьшением g₂ поле перераспределяется в пространстве вне сердцевины и при g₂=0 выходит из волокна (излучается). Частота, при которой это происходит, называется частотой отсечки, или критической частотой.

Критическая частота определяется при g₂=0 и имеет вид:

где V – нормированная (характеристическая) частота волокна.

Характеристическая частота представляет собой обобщенный параметр, включающий диаметр сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки:

Таким образом, каждая мода имеет характеристическую частоту, которая определяет ее область существования. Тип мод определяется также параметром V = Р_тп (п характеризует число изменений поля по периметру световода, а т – по диаметру).

В таблице 1 приведены значения V для некоторых типов волн.

Т а б л и ц а 1-Типы волн в оптическом волокне

n	Значение V=P_mn, при m, равном			Тип волны
n	1	2	3	Тип волны
0	2,405	5,520	8,654	Е_0m, H_0m
1	0,000	3,832	7,016	HE_nm
1	3,832	7,016	10,173	EH_nm

Из таблицы 1 видно, что только одна несимметричная мода НЕ₁₁ имеет V=0, а следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины.

Выбирая параметры световода (λ, d, n1, n2) таким образом, чтобы следующие высшие моды с более высокими частотами отсечки не могли распространяться, можно получить режим распространения только одной (основной) моды НЕ₁₁.

Таким образом, при 0<V<2,405 наблюдается одномодовый режим распространения.

Рабочая частота и диаметр сердцевины световода при одномодовом режиме выбираются из условий:

;

Практически одномодовый режим достигается при применении волокон с d≈λ. Для увеличения d надо стремиться к уменьшению разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки (n1≈n2).

С увеличением диаметра сердцевины и уменьшением длины волны число мод возрастает и устанавливается многомодовый режим передачи.

Лекция 2. Дисперсия, затухание , потери

Цель лекции: дать основные понятия дисперсии, ее разновидности и рассмотреть основные причины возникновения затухания.

Затухание в световодных трактах характеризуется собственными потерями (α_соб) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (α_доп).

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения α_п и потерь рассеяния α_р.

α_соб=α_п+α_р+α_пр.

Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (α_пр) могут быть значительными.

Затухание в результате поглощения α_п, дБ/км, связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой, существенно зависит от свойств материала световода (tg δ) и определяется по формуле

где п₁ - показатель преломления сердцевины;

λ – длина волны, мкм;

tgd – тангенс угла диэлектрических потерь световода (для кварца составляет 10^–10).

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны. Потери на рассеяние, дБ/км, рассчитывают по формуле

где К_р – коэффициент рассеяния (для кварца (1…1,5)дБ/км·мкм⁴);

l – длина волны, мкм.

Окна прозрачности

Связь по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только в определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери. Области минимальных потерь получили название окон прозрачности (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - Собственные потери в оптическом волокне

Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности, перечисленные в таблице 2. Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах.

Т а б л и ц а 2 - Окна прозрачности

Окно прозрачности	Длина волны, мкм	Затухание, дБ/км
1	0,85	3…2
2	1,3	0,3…1
3	1,55	0,2…0,3

Из таблицы 2 видно, что переход из первого во второе окно прозрачности дает существенный выигрыш по величине затухания, тогда как работа в третьем окне большого выигрыша в величине потерь не приносит. С другой стороны, по мере увеличения рабочей длины волны начинает быстро расти стоимость активных оптоэлектронных компонентов. Исходя из этих двух обстоятельств, в технике локальных сетей, где из-за сравнительно малой протяженности кабельных трасс стоимость оконечной аппаратуры относительно велика, в подавляющем большинстве случаев используют первое и второе окна прозрачности. Линии дальней связи, стоимость которых определяется в первую очередь длиной участка регенерации, работают в основном во втором и третьем окнах прозрачности, где кроме низкого затухания достигается также малая величина дисперсии.

Дисперсия и пропускная способность световодов

Наряду с затуханием α важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот ΔF, пропускаемая световодом. Она определяет объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю (ОК). Ограничение ΔF применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии.

Дисперсия (уширение импульсов) – рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Импульсный сигнал на вход приемного устройства приходит тем искаженнее, чем длиннее линия. Дисперсия приводит к появлению межсимвольных помех и ограничению пропускной способности кабеля. Чем меньше дисперсия, тем больший поток информации можно передать по волокну.

Уширение импульса возникает также при прохождении импульса через соединители, модуляторы, демодуляторы и другие устройства.

Величина дисперсии может быть рассчитана по формуле:

Основными причинами возникновения дисперсии являются, с одной стороны, большое число мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), а с другой стороны – некогерентность источников излучения, реально работающих в спектре длин волн Δλ (хроматическая дисперсия).

Межмодовая дисперсия. В многомодовых оптических волокнах основной вклад в уширение импульса вносит межмодовая дисперсия. Процесс возникновения межмодовой дисперсии следует отдельно рассматривать в ступенчатом и градиентном волокне из-за зависимости скорости распространения всех лучей от показателя преломления (v=c/n₁).

Для ступенчатого оптического волокна:

, при l<l_c

, при l>l_c ,

где l_с – длина связи мод, для ступенчатого оптического волокна составляет 5…7 км.

Для градиентного оптического волокна:

, при l<l_c

, при l>l_c

Длина связи мод градиентного световода 10…15 км.

Модовая дисперсия градиентных ОВ, как правило, на порядок ниже, чем у ступенчатых волокон (см. рисунок 6).

Рисунок 6 - Межмодовая дисперсия оптических волокон

На практике расчет полосы пропускания многомодового волокна выполняют по формуле

Полоса пропускания измеряется в МГц·км. Физический смысл параметра – это максимальная частота передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия растет с увеличением длины линии, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.

Хроматическая (частотная) дисперсия. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Данная дисперсия вызвана наличием спектра частот у источника излучения, определяется его характером диаграммы направленности и некогерентностью.

Материальная дисперсия объясняется тем, что коэффициент преломления стекла изменяется с длиной волны n=f(l). Практически любой источник генерирует не на одной длине волны, а в определенном спектральном диапазоне ∆l. В результате различные спектральные составляющие сигнала имеют различную скорость распространения, что приводит к различной задержке на выходе волокна. У лазерных источников спектр узкий, поэтому данная дисперсия незначительна.

В выражение для материальной дисперсии входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

где Δl – ширина спектральной линии источника излучения;

l – длина передаваемой волны;

с – скорость света;

l – длина линии.

Для идеального ступенчатого профиля

где ∆l – ширина спектральной линии источника излучения (для лазера 1…3 нм, для светодиода 20…40 нм);

М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км) – пикосекунд на нанометр ширины спектра и километр длины световода.

С увеличением длины волны значение материальной дисперсии уменьшается, затем проходит через ноль и приобретает отрицательное значение.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризует зависимость коэффициента распространения моды от длины волны γ=ψ(λ) и зависит от ширины передаваемого спектра частот:

где В(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км).

Удельная хроматическая дисперсия является алгебраической суммой удельных материальной и волноводной дисперсий:

D(λ)= М(λ)+ В(λ).

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией соотношением:

, с/км

где D(λ) – удельная хроматическая дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – ширина спектра излучения источника, нм.

Профильная дисперсия. Данный вид дисперсии проявляется в реальных ОВ, которые могут быть регулярными (с регулярной, геликоидальной скруткой), нерегулярными (с нерегулярным изменением границы раздела профиля показателя преломления), неоднородными (наличие инородных частиц).

К причинам появления данной дисперсии относятся:

- поперечные и продольные флуктуации геометрических размеров и формы волокна (эллиптичность поперечного сечения и т.п.);

- изменения границы профиля показателя преломления;

- осевые и внеосевые провалы профиля показателя преломления, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ.

Величина уширения импульсов из-за профильной дисперсии в ООВ находится из выражения:

где n – эффективный показатель преломления

b – нормированная постоянная распространения;

m₁ – групповой показатель преломления сердцевины;

Г – коэффициент локализации по мощности;

ν – нормированная частота;

Упрощенная формула:

где П(λ) – удельная профильная дисперсия, пс/(нм·км).

Результирующее значение дисперсии:

Поляризационная модовая дисперсия. Поляризационная модовая дисперсия τ_пмд возникает вследствие различной скорости распространения двух мод. Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Коэффициент удельной дисперсии Т нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/√км), а τ_пмд растет с ростом расстояния по закону .

Из-за небольшой величины τ_пмд может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия τ_пмд может возрастать битовая скорость появления ошибок.

Таким образом, результирующее значение дисперсии в одномодовом оптическом волокне определяется выражением

Явление дисперсии приводит как к ограничению пропускной способности кабелей, так и к снижению дальности передачи по ним, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса. Таким образом, полоса частот ∆F дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулой

где значения с индексом х – искомые, а без индекса х – заданные.

Соответственно

Пропускная способность и дальность передачи по ОК ограничиваются не только дисперсией, но и затуханием световодов. В многомодовых световодах ограничивающим фактором является дисперсия, а в градиентных и одномодовых световодах с хорошими дисперсионными характеристиками, дальность связи может лимитироваться затуханием световодного тракта.

Лекция 3. Функциональные элементы оптических систем передачи

Цель лекции: изучить основные компоненты оптических систем и их назначение.

Типовая схема системы связи представлена на рисунке 9. 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 7 - Типовая схема системы связи

Основные компоненты

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.

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.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делает повторитель или регенератор. Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Повторитель, который восстанавливает форму оптического сигнала до первоначальной, называется регенератором.

Передающие оптические модули:

Источники излучения должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Длина волны излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности;

2. Конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в ОВ;

3. Источник должен иметь высокую надёжность и большой срок службы;

4. Габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными;

5. Простота технологии должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

В качестве передающих оптических модулей (Пер.ОМ) применяются светоизлучающие диоды (СИД) и лазерные диоды (ЛД). Основу их работы составляет инжекционная электролюминесценция, представляющая собой излучательную рекомбинацию носителей (электронов и дырок), инжектированных в активную область полупроводника. Между собой они отличаются шириной спектра излучения.

СИД. Принцип работы СИД основан на явлении рекомбинации носителей заряда в активном слое.

Рекомбинация – это явление, противоположное ионизации, то есть исчезновение свободных носителей заряда противоположных знаков при их столкновении.

Рисунок8

Рисунок 8

При приложении прямого смещения к электронно-дырочному переходу электроны и дырки проникают в активный слой из прилегающих пассивных слоев и испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света. Свет распространяется по всем направлениям, поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. Ширина спектра излучения Δλ = 20-40 нм.

ЛД является когерентным источником света. В основе его работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченного объёмным резонатором.

Лазер состоит из активной среды (1), устройства накачки(2) и резонансной системы(3), (см. рисунок 9).

Рисунок9

Рисунок 9

В качестве активной среды в основном используется полупроводник. В качестве устройства накачки – электрическая энергия. В качестве резонансной системы – зеркала.

Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, из-за чего возникает излучение световой энергии и появление потока фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал резонансной системы, образует лазерный луч с остронаправленной диаграммой излучения.

Т а б л и ц а 3 - Сравнительная таблица ЛД и СИД

Излучатель	Мощность	Ширина спектра	Срок службы
ЛД	(10 – 40) мВт	(1-3)нм	10⁴-10⁵
СИД	(5-20) мВт	(30-50)нм	10⁵-10⁶

Диаграмма направленности Спектральная характеристика излучения

СИД ЛД СИД ЛД

Рисунок10 Рисунок11

Рисунок 10

Диаграмма направленности – это угловое распределение энергетической яркости (плотности) излучения источника. Яркость не остается постоянной в пределах пучка лучей. Она максимальна на оси пучка и убывает по определенному закону в направлениях, образующих возрастающие углы с осью.

Дисперсия оптического излучения

СИД ЛД

Рисунок12

Рисунок 11

Если размеры поверхности излучения источника больше диаметра сердцевины ОВ, часть мощности излучения не попадает в ОВ, а рассеивается в окружающем пространстве. Потери на вводе для СИД составляют (10-16) дБ, для ДЛ – (5-7)дБ.

Повысить эффективность ввода можно при помощи оптического согласующего устройства, которое устанавливается между источником излучения и торцом ОВ. Согласующее устройство (СУ) представляет собой увеличительную линзу, которая уравнивает полуширину диаграммы направленности источника

К числу основных параметров источников излучения, определяющих возможность их применения в ВОСП, относятся:

- средняя мощность излучения при работе в непрерывном режиме;

- длина волны излучения;

- углы расходимости пучка световых лучей;

- ширина спектра излучения;

- срок службы (наработка на отказ).

Поэтому оптимальными источниками излучения для ВОСП являются ЛД. Высокая мощность излучения и малые углы расходимости пучка лучей позволяют обеспечить передачу сигналов по ОВ на расстояние десятков км без усиления.

В высокоскоростных ВОСП для уменьшения хроматической дисперсии (увеличение длины регенерационных участков) необходимо применять одномодовые ЛД. Однако их недостатком является сложность изготовления и, соответственно, цена. Многомодовые ЛД имеют более скромные технические показатели, но с точки зрения «цена-эффективность» они вне конкуренции на магистральных и зоновых ВОСП, где не требуется очень высокой скорости передачи.

СИД имеют следующие достоинства: проще, дешевле, отличаются высокой долговечностью, достаточно высокая температурная стабильность параметров. Однако большая расходимость пучка (некогеренстность излучения), широкий спектр излучения, ограниченное быстродействие существенно сужают область применения СИД. Они используются в линиях малой и средней протяженности.

Элементы оптического передатчика конструктивно объединяются в компактное устройство – передающий оптический модуль ПОМ

Лекция 4 . Приемные оптические модули

Цель лекции: рассмотреть основные элементы приемного оптического модуля (ПрОМ). Основные характеристики фотоприемника.

Приемные оптические модули осуществляет преобразование оптического сигнала в электрический.

Приемный оптический модуль содержит основные элементы: фотодетектор, приемное оптическое устройство, электронные схемы усиления и обработки электрического сигнала, схемы стабилизации.

Основным элементом Пр.ОМ является фотодиод, который играет роль фотодетектора.

Функция детектора сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительного шума. Поэтому к фотодетекторам предъявляются следующие требования:

1 Они должны обладать необходимой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью;

2 Иметь небольшие размеры и надежное соединение с волокном;

3 Быть нечувствительными к изменениям параметров внешней среды;

4 Иметь большой срок службы и минимальную стоимость.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды. Принцип действия его основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей заряда – электрон и дырку. Иначе это означает, что поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переходит его из валентной зоны в зону проводимости. В результате поглощения кванта света во внешней цепи диода протекает импульс тока, величина которого зависит от интенсивности светового потока.

Структура pin-фотодиода

Рисунок13

Рисунок 12

Между тонкими слоями сильно легированных полупроводников p⁺ и n⁺ типа (знак «+» означает сильное легирование) расположен слаболегированный проводник n-типа. При обратном напряжении смещения в слаболегированном слое образуется обедненная i-область. Электрическое поле сосредоточено в основном в этой обрасти, т.к. ее сопротивление значительно больше, чем сопротивление p⁺ и n⁺ слоев.

В результате поглощения фотонов падающего излучения в pin-структуре образуются электронно-дырочные пары. В i-области под действием сильного электрического поля происходит быстрое разделение носителей зарядов, что обеспечивает высокую скорость процесса преобразования оптического излучения в электрический ток.

Основные характеристики:

1 Квантовая эффективность – η – это коэффициент, учитывающий, что как правило не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Это объясняется тем, что энергия поглощаемого кванта может быть недостаточна для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости.

η= 0,55, для λ=1,5 мкм.

2 Постоянная времени –τ – характеризует быстродействие фотодиода. С ее помощью определяют ширину пропускания фотодетектора. Она зависит от подвижности носителей заряда, ширины зоны p-n- перехода, длины волны.

3. Токовая чувствительность это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток.

S=I/P (A/Bт); S=η·q/(h·f),

где q-величина заряда носителя

(h·f)- энергия света

4. Темновой ток – это ток, протекающий через нагрузку, при отсутствии оптического излучения. Этот ток вызывает дробовой шум и ограничивает чувствительность оптического приемника. Величина темнового тока зависит от материала полупроводника, температуры и конструкции ФД.

ПрОМ представляют собой устройство, состоящее из фотодетектора и предварительного усилителя. При увеличении дальности связи мощность падающего излучения уменьшается настолько, , что на выходе усилителя суммарный шум оказывается недопустимо большим, чем полезный сигнал.

Если в качестве фотодетектора использовать лавинный фотодиод ЛФД, то изменяя подаваемое на него напряжение смещения можно регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет расширить динамический диапазон ПрОМ.

На магистральных линиях стремятся увеличить расстояние между ретрансляционными устройствами, что требует максимальной чувствительности приемника. Поэтому применяется ЛФД. Простота и надежность ФД позволяют использовать их во всех случаях, когла они удовлетворяют требованиям на чувствительность.

Лекция 5. Повторители и оптические усилители

Цель лекции: рассмотреть разновидности ретрансляторов

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.

Повторитель (электронно-оптический повторитель) сначала преобразует оптический сигнал в электрическую форму, усиливает, корректирует, а затем преобразовывает обратно в оптический сигнал, см. рисунок 13а.

а) электронно-оптический повторитель;

б) оптический усилитель.

Рисунок 13 - Типы ретрансляторов

Повторитель наряду с функцией усиления выполнять функцию регенерации сигнала, свойственную цифровому оптическому приемнику . Блок регенерации восстанавливает прямоугольную форму импульсов, устраняет шум, ресинхронизирует передачу так, чтобы выходные импульсы попадали в соответствующие тайм-слоты.

Оптический усилитель (ОУ), в отличие от повторителя, не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала, см.рисунок 13 б. Оптические усилители не способны производить регенерацию оптического сигнала. Они в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум.

Сравнительные характеристики повторителя и оптического усилителя приведены в таблице 4.

ОУ имеет простую и высоконадежную конструкцию, его стоимость постоянно снижается. Он не привязан к скорости передачи информации, что позволяет увеличивать пропускную способность ВОСП без значительного увеличения затрат на оборудование.

Т а б л и ц а 4 - 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

В настоящее время наиболее перспективными для ВОСП считаются следующие типы ОУ:

- полупроводниковые усилители (работают во втором окне прозрачности; их отличает экономичность, простая конструкция, высокий коэффициент усиления 25…30 дБ; они могут быть перестроены для усиления только на определенной длине волны, что позволяет использовать их в оптических коммутаторах и демультиплексорах для разделения по длинам волн);

- усилители на основе нелинейных явлений в ОВ (нелинейные эффекты дают возможность преобразовать часть энергии мощной волны накачки в слабую сигнальную волну; обеспечивает усиление до 40 дБ во 2 и 3 окнах прозрачности; сигнал сосредоточен в узком диапазоне до 100 МГц, однако дают большие переходные помехи между усиливаемыми каналами);

- усилители на примесном ОВ (основным элементом ОУ является ОВ, легированное редкоземельными металлами; ионы металлов создают активную среду для усиления в определенных полосах длин волн, которые соответствуют полосам поглощения легирующих металлов; обеспечивают усиление 40 дБ).

При передаче сигнала по ОВ величина ослабления и искажений зависит от длины участка регенерации, падает плавно на отрезках строительных длин ОК и скачком в точках соединения. Для восстановления сигнала уровень на входе регенератора должен быть больше минимального уровня приема оптического излучения, при котором происходит полное восстановление сигнала. Р_пр >Р_пр_min. Тогда с учетом потерь разного вида уровень на передаче должен быть

Р_пер = α_в – n_р• α_р – n_{н •} α_н– α • ℓ_уч≥ Р_пр

где α_в – потери на вводе и выводе сигнала в ОВ;

α_р, α_н – потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине участка регенерации;

n – количество соединений;

α – коэффициент затухания кабеля.

Лекция 6. Расчет длины регенерационного участка

Цель лекции: Рассмотреть особенности расчета длины регенерационного участка.

При определении длины регенерационного участка необходимо на первом этапе найти максимально допустимое расстояние (ограниченное затуханием световодного тракта), на которое можно передать сигнал, а затем его восстановить. Вторым этапом определяют пропускную способность оптического кабеля и находят длину трассы, на которую еще возможно передавать оптические сигналы с заданной скоростью. В многомодовых ОВ длина регенерационного участка обычно лимитируется дисперсией, а в одномодовых ОВ лимитируется затуханием.

При определении длины регенерационного участка, лимитированного затуханием, следует пользоваться выражением:

где Э - энергетический потенциал системы передачи, дБ;

С - энергетический запас системы, дБ;

А_а - дополнительные потери в пассивных компонентах ВОЛС (на ввое/выводе), дБ;

α_к - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

α_с - потери в неразъемном соединении, дБ;

ℓ_сд - строительная длина оптического кабеля, км.

Энергетический потенциал системы передачи (Э) определяет максимально допустимое затухание оптического сигнала в оптическом кабеле, в разъемных и неразъемных соединениях на участке регенерации, а также другие потери в узлах аппаратуры. Энергетический потенциал определяется как разность между уровнем мощности оптического сигнала, введенного в волокно, и уровнем мощности на входе приемного устройства, при котором коэффициент ошибок регенератора не превышает заданного значения, установленного для данной системы передачи. Величина энергетического потенциала зависит от скорости передачи, технического уровня элементов электрооптических и оптоэлектронных преобразователей, длины волны используемого источника излучения и других факторов и задается для каждого вида аппаратуры ВОСП.

Т а б л и ц а 5 - Справочные данные энергетического потенциала различных отечественных систем [З].

Система	Длина волны, мкм	Скорость передачи, Мбит/с	Число каналов	Энергетический потенциал, дБ
Соната -2	0,85	8,448	120	50
ИКМ-120-4/5	0,85 (ЛД)	8,448	120	50
—"—	0,85 (СД)	8,448	120	34
—"—	1,3 (ЛД)	8,448	120	37
—"—	1,3(СД)	8,448	120	24
ИКМ 480-5	1,3	34,368	480	38
Сопка-Г	1,3	34,368	480	38
Сопка-2	1,3	8,448	120	43
Сопка-3	1,3	34,368	480	41
Сопка-3М	1,55	34,368	480	38
Солка-4	1,3	139,264	1920	38
Солка-4М	1,55	139,264	1920	38
Сопка-5	1,55	668,4672	7680	25

Энергетический запас системы (С) обычно составляет 6 дБ (6 - 10 дБ), он необходим для компенсации эффекта старения элементов аппаратуры и оптического кабеля, компенсации дополнительных потерь при ремонте оптического кабеля (потери на стыках кабельных вставок) и других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации.

Дополнительные потери в пассивных компонентах ВОЛС (А_а) составляют порядка 3 - 5 дБ и возникают за счет разъемных соединителей, устройств соединения линейного кабеля со станционным и т.д.

Лекция 7 . Методы уплотнения ВОЛС

Цель лекции: изучить существующие методы уплотнения

Существуют следующие методы уплотнения:

1 Временное (на уровне электрических сигналов; на уровне оптических сигналов);

2 Пространственное;

3 Частотное;

4 Спектральное.

Временное уплотнение на уровне электрических сигналов: (TDM – Time Division Multiplexing)

А l А

УО

УО

ОПер

ОПр

В В

Рисунок 14 - Временное уплотнение на уровне электрических сигналов.

При объединении электрических сигналов (например от 2-х источников А и В) две серии импульсов с помощью устройства объединения УО (мультиплексор) суммируются в групповой сигнал. Этот сигнал в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения УР (демультиплексор) на две серии импульсов по выходам А и В. Мультиплексирование – это объединение в один групповой сигнал сигналов нескольких передатчиков.

Временное уплотнение на уровне оптических сигналов (OTDM – Optical Time Division Multiplexing)

ОПр2

ОС

ОВ

Рисунок 15 - Временное уплотнение на уровне оптических сигналов

Электрические цифровые потоки поступают на оптические передатчики, где осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на разное время (∆t, 2∆t и т.д.). Объединенный сигнал передается по ОВ и на приеме осуществляется обратное преобразование.

Основным фактором, ограничивающим возможности временного мультиплексирования, является хроматическая дисперсия одномодовых ОВ.

2. Пространственное уплотнение

Рисунок 16 - Пространственное уплотнение

Каждая ВОСП работает по своему ОВ. По одному многоволоконному ОК организуются линейные тракты нескольких ВОСП, причем для каждого направления используется половина ОВ (включая резерв). Этот экстенсивный метод увеличения пропускной способности ОК обычно применяется в ВОСП средней и малой протяженности при сравнительно низких скоростях передачи информации (до десятков мегабит в секунду). Недостатком является большой расход ОВ, а следовательно высокая стоимость линейного тракта.

3. Частотное уплотнение (FDM – Frequency Division Multiplexing)

Оптические несущие f₁, f₂, f₃ поступают на анализатор А₁, а затем, пройдя четверть волновую призму (π/4), поступают на фильтр первого канала Ф₁ . Этот фильтр пропускает только оптическую несущую первого канала к оптическому модулятору ОМ₁, где она модулируется полезным сигналом первого канала, поступающим от источника информации.

Промодулированная оптическая несущая f₁ отражается от зеркала и возвращается к анализатору А₁. туда же возвращаются все оптические несущие кроме f₁.

Выйдя из А₁ сигнал отражается от зеркала и попадает на анализатор А₂.

По цепи второго канала таким же образом проходит несущая f₂ , модулируется ОМ₂ полезным сигналом второго канала, отражается от зеркала и возвращается в А₂.

На выходе формируется групповой оптический сигнал, который поступает в оптическую линию передачи.

f₁ f₂ f₃

Рисунок 17- Частотное уплотнение

ФД

ОС

ПФ

π /4

А₁

Ф₁

инф.

Вх сигнал

π /4

Ф₂

Рисунок 18 - Принцип приема группового оптического сигнала

На приеме оптический групповой сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁, а затем, после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала, на оптический смеситель ОС. Фильтр Ф1 пропускает только оптический сигнал первого канала с частотой f₁, остальные сигналы отражаются и поступают на А_2.

Оптически промодулированная несущая f₁перемножается в оптическом смесителе ОС с частотой местного гетеродина (Гет), а затем промежуточная частота выделяется полосовым фильтром и поступает на фотодиод ФД, на выходе которого формируется электрический сигнал.

Аналогично происходит детектирование сигналов во всех остальных каналах.

Достоинством метода является увеличение длины регенерационного участка до 100 км.

4. Спектральное (волновое) уплотнение (WDM – Wavelength Division Multiplexing)

При волновом (спектральном) мультиплексировании оптических сигналов серии электрических импульсов от трех источников поступают в оптические передатчики, где модулируют оптические несущие с разными длинами волн.

Рисунок14

Рисунок 19 - Спектральное (волновое) уплотнение.

На передающей станции электрические сигналы от нескольких СП поступают на оборудование сопряжения ОС, где из линейного кода ЦСП преобразуется в линейный код ВОСП.

Оптические передатчики преобразуют сигнал из электрической формы в оптическую, причем каждый оптический передатчик имеет свою длину волны. С помощью мультиплексора МП оптические сигналы объединяются в групповой сигнал и передаются по ОВ.

На приеме демодулятор ДМ разделяет оптические сигналы, т.к. они отличаются друг от друга длиной волны. Оптический приемник преобразует сигнал из оптической формы в электрическую.

ОС – оборудование сопряжения – преобразует код ВОСП в линейный код ЦСП и сигнал поступает на каналообразующее оборудование ЦСП.

Таким образом, по одному ОВ организуется несколько спектрально разделённых каналов, что значительно увеличивает пропускную способность ОВ.

На промежуточных узлах некоторые каналы могут быть добавлены или выделены из составного сигнала посредством мультиплексоров ввода/вывода .

Недостатком метода является заметное проявление нелинейных эффектов из-за относительно высоких плотностей оптических мощностей. В результате возникает взаимодействие между монохроматическими световыми потоками, которое еще более усиливается при использовании оптических усилителей.

Лекция 8 . Линейные коды ВОСП

Цель лекции: рассмотреть коды используемые в ВОСП

К линейным кодам ВОСП предъявляются следующие требования:

1 Спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение сверху и снизу;

2 Код должен обеспечивать возможность выделения тактовой частоты;

3 Код должен обладать максимальной помехоустойчивостью, что позволяет увеличить длину участка регенерации;

4 Код должен обладать информационной избыточностью;

5 Код должен быть простым для практической реализации.

Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида nBmB, где n – означает число кодируемых разрядов, m- число передаваемых по оптическому волокну разрядов, соответствующих n, B – двоичное основание системы исчисления.

Перечисленным выше требованиям наиболее всего соответствуют коды CMI, Миллера и BIF. На первичной ступени иерархии ВОСП целесообразно использовать код CMI, для вторичной – CMI и BIF, для третичной – BIF и Миллера, для более высоких – Миллера. Код HDB3 используется в ВОСП как стыковой код.

В современных ВОЛС, предназначенных для передачи цифровой информации Е1, Е2, Е3 применяется преобразование кода HDB3 в код CMI, который не содержит постоянной составляющей и по всем остальным параметрам оптимизирован для передачи по оптическому тракту. Однако эти достоинства достигаются ценой двухкратного увеличения тактовой частоты. В более скоростных системах Е4 применяются линейные коды типа 5В6В, 10В1Р1R.

Т а б л и ц а 6 - Характеристики кодов, применяемых в ВОСП

Скремблированный код

NRZ

Non Return to Zero

Без возврата к нулю на тактовом интервале

Является первым стандартным кодом линейного кодирования для цифровых ВОСП

Безизбыточные коды

NRZ-L

Относительные коды

Точно повторяет информационную последовательность

Не получили широкого распространения из-за несоответствия требованиям к линейным кодам

NRZ-S

NRZ-M

Изменяют состояние в последовательности после логического нуля S или логической единицы М

Линейные коды класса 1В2В

BIF

BI-L

Биимпульсный абсолютный

Один бит исходного сигнала преобразуется в комбинацию из двух бит

Длительность битов в 2 раза меньше преобразуемого, следовательно скорость передачи становится в 2 раза больше.

Используется в низкоскоростных ВОСП

BI-M

Биимпульсный относительный М (1)

BI-S

Биимпульсный относительный S (0)

CMI

Coded Marc Inversion

MCMI

С инверсией группы символов

Модифицирован-ный

CMI

Длинные серии нулей заменяются вставками вида

OOOV

BOOV

Отсутствие длинных серий нулей обеспечивает устойчивый тактовый синхронизм

Линейные коды класса mBnB

2В3В

3В4В

5В6В

7В8В

Блочные коды

Последовательность исходного сигнала разбивается на блоки, состоящие из m бит. Эти блоки преобразуются в определенную последовательность кодовых символов n

Увеличивается скорость передачи

Применяются в среднескоростных ВОСП

Лекция 9. Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH

Цель лекции: рассмотреть современные технологии применяемые в ВОСП

Синхронная цифровая иерархия (SDH) — технология широкополосных транспортных сетей, которые являются инфраструктурой для подключения пользователя к широкому спектру услуг. Сети SDH позволяют передавать информационные потоки на скоростях до 10 Гбит/сек, предоставляют широкий диапазон скоростей доступа, в том числе совместимых с плезиохронной цифровой иерархией, прозрачны для трафика любой природы (голос, данные, видео). Заложенная в структуру SDH сигнала служебная информация обеспечивает возможность централизованного управления сетевыми устройствами и сетью в целом, позволяя гибко и оперативно обслуживать сеть и предоставлять пользователям необходимые потоки, а также реализует механизмы защиты информационных потоков в сети от возможных аварий.

Модель SDH

Телекоммуникационные технологии обычно объясняют используя так называемую многоуровневую модель. SDH может быть также представлена в виде транспортных сетевых уровней, которые напрямую соотносятся к топологии сети (см. рисунок 20).

Рисунок 20 - Многоуровневая модель SDH.

Самый низкий — физический уровень, представляющий передающую среду.

Секционный уровень отвечает за сборку синхронных модулей STM-N и траспортировку их между элементами сети. Он подразделяется на регенераторную и мультиплексорную секции.

Маршрутный уровень отвечает за доставку сигналов, предоставляемых сетью для конечного пользователя (PDH, ATM и др.), и упакованных в полезной нагрузке STM-N. Согласно терминологии SDH, эти сигналы называют компонентными или трибутарными сигналами, а предоставляемые пользователю интерфейсы доступа к сети — трибутарными интерфейсами.

Передача сигнальной информации для каждого уровня в SDH осуществляется при помощи механизма заголовков. Каждый STM-N кадр имеет секционный заголовок SOH (Section OverHead), состоящий из двух частей: заголовка регенераторной секции RSOH (Regenerator Section OverHead) и мультиплексорной секции MSOH (Multiplex Section OverHead).

Для упаковки и транспортировки в STM-N трибутарных сигналов предложена технология виртуальных контейнеров. Виртуальный контейнер состоит из поля полезной нагрузки — контейнера, на которое отображается трибутарный сигнал, и маршрутного заголовка POH (Path OverHead), который указывает тип контейнера и служит для сбора статистики о прохождении контейнера по сети.

Базовые элементы сетей SDH

Сети SDH строятся из четырех типов функциональных модулей (сетевых элементов): регенераторы, терминальные мультиплексоры, мультиплексоры ввода/вывода и кросс-коннекторы.

Регенератор используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети путем восстановления входящих сигналов SDH. Это расстояние зависит от степени затухания сигнала в передающей среде и параметров приемо-передающего оборудования. Для одномодового оптического кабеля оно составляет 15-40 км для длины волны 1310 нм и 40-110 км для 1550 нм.

Рисунок 21- Регенератор

Терминальный мультиплексор (TM) предназначен для мультиплексирования и демультиплексирования сигналов PDH и STM (в терминологии SDH их называют трибутарными или компонентными интерфейсами) в агрегатный поток STM-N. Он также может осуществлять локальную коммутацию с одного трибутарного интерфейса на другой.

Рисунок 22- Терминальный мультиплексор

Мультиплексор ввода/вывода (ADM) имеет на входе те же наборы интерфейсов, что и ТМ, и, как правило, два агрегатных потока STM-N (условно называемых "восточный" и "западный"). В этих мультиплексорах плезиохронные или синхронные сигналы могут быть извлечены из или добавлены в поток STM-N, при этом часть полезной нагрузки сигнала STM-N проходит через устройство транзитом. Это дает возможность создавать самовосстанавливающиеся кольцевые структуры (Self Healing Ring — SHR), которые, в случае аварии, автоматически коммутируют потоки в обход поврежденных участков или элементов сети.

Рисунок 23- Мультиплексор ввода/вывода

Кросс-коннектор (DXC) — распределительный узел сети, осуществляющий неблокируемые перекрестные соединения между любыми его портами. SDH кросс-коннекторы выполняют эти функции на уровне виртуальных контейнеров VC-n, для этого PDH сигналы отображаются на виртуальные контейнеры соответствующего уровня. Следует отметить, что возможность осуществления коммутации заложена, также и в SDH мультиплексоры.

Рисунок 24 - SDH кросс-коннектор

Основные функции, выполняемые сетевыми элементами SDH следующие:

- маршрутизация виртуальных контейнеров, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке РОН соответствующего контейнера;

- консолидация или объединение виртуальных контейнеров;

- трансляция потока от точки к нескольким точкам (point-to-multipoint);

- сортировка или перегруппировка (grooming) виртуальных контейнеров, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных, например, по типу переносимого сервиса, потоков;

- ввод/вывод виртуальных контейнеров.

Топология сетей SDH

При построении сетей SDH одной из первых задач, которую необходимо решать, является задача выбора топологии. Рассмотрим набор базовых стандартных топологий из комбинации которых может быть составлена сеть в целом.

Топология «точка-точка»

Это простейшая топология, включающая два терминальных мультиплексора, соединенных оптической линией связи с или без регенератора. Каждый из мультиплексоров действует как концентратор трибутарных потоков Е1, Е3 и др.

Эта топология широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам. Она может быть реализована, как по схеме без резервирования канала, так и по схеме со 100% резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный агрегатные каналы.

Топология «последовательная линейная цепь»

Эта топология используется тогда, когда существует необходимость ответвлений в ряде точек линии, где могут вводится и выводится каналы доступа. Реализуется она путем включения вдоль линии связи мультиплексоров ввода/вывода.

Топология «звезда»

В этой топологии один из узлов сети (кросс-коннектор) играет роль концентратора (или хаба), распределяя часть трафика по другим удаленным узлам, а оставшуюся часть на терминалы пользователей.

Топология «кольцо»

Эта топология наиболее широко используется при построении SDH сетей первых двух уровней иерархии (STM-1 и STM-4). Строительными блоками этой архитектуры являются мультиплексоры ввода/вывода, которые соединяются в кольцо с однонаправленной либо двунаправленной передачей трафика.

Широкое использование кольцевой топологии обусловлено тем, что построенные на ее основе сети способны самовосстанавливаться после некоторых достаточно характерных типов отказов.

Лекция 10. Аппаратурная реализация функциональных блоков сетей SDH

Цель лекции : Изучить основные функциональные блоки сетей SDH.

Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Он выполняет, как функцию мультиплексирования, так и функцию устройств терминального доступа, позволяя подключить стандартные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. А также задачи коммутации, регенерации и концентрации.

Чтобы понять характеристики синхронных мультиплексоров и их внутреннюю структуру рассмотрим блок-схемы ряда мультиплексоров и различных уровней.

В настоящее время иерархия SDH содержит 5 синхронных уровней.

Т а б л и ц а 7- Синхронные уровни SDH

Модуль	Скорость передачи Мбит/с	Количество каналов ОЦК
STM-1	155,52 (155)	1920
STM-4	622,08 (622)	7680
STM-16	2488,32 (2,5 Гбит/с)	30720
STM-64	9953,28 (10 Гбит/с)	122880
STM- 256	39813,12 (40 Гбит/с)	491520

Реализация мультиплексоров уровня STM -1

На рисунке 25 изображена функциональная схема синхронного мультиплексора STM-1.

Мультиплексор смонтирован на стандартной стойке и состоит из следующих основных блоков:

- четырех трибпых интерфейсных блоков с 16 электрическими портами 2 Мбит/с для ввода/вывода до 63 входных потоков;

- двух (основного и резервного) менеджеров полезной нагрузки - устройств для формирования и управления полезной нагрузкой (различные типы полезной нагрузки в виде VC-n, TU-n, TUG-2,

- двух оптических или электрических агрегатных блоков AU-4 А и В со 155 Мбит/с (STM-1) выходными портами "восток" и "запад" для формирования выходных потоков;

- двух (основного и резервного) блоков питания (на схеме не показаны);

- одного контроллера и локальной панели оператора (на схеме также не показаны).

- терминального мультиплексора ТМ с двумя агрегатными блоками, используемыми в режиме "основной/резервный" для создания защиты типа 1+1 агрегатных портов (по схеме 2-волоконного однонаправленного или двунаправленного кольца);

- мультиплексора ввода/вывода с двумя агрегатными блоками (портами "восток" и "запад") для работы в сетях с топологией "кольца" и защитой типа 1 + 1, создаваемой по схеме 2-волоконного двунаправленного кольца , или "последовательной линейной цепи" ;

- мультиплексора ввода/вывода с одним агрегатным блоком для работы в качестве ТМ без защиты в сетях с топологией "точка - точка" или в сетях с топологией "последовательная линейная цепь".

CLK – хронирующий сигнал, таймер

MFS - синхронизация мультифрейма

DATA – данные или поток данных

Рисунок 25- Блок-схема мультиплексора (уровень STM-1)

Мультиплексор и его блоки имеют следующие характеристики:

- скорость передачи данных на входе - 2048 кбит/с (Е1); 34368 кбит/с (ЕЗ) или 44736 кбит/с (ТЗ); 155 Мбит/с (электрический и оптический) для модификации TN-1X/4;

- линейный код - HDB3 (Е1 и ЕЗ); B3ZS (ТЗ);

- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный вход), 120 Ом (симметричный вход);

- амплитуда импульса на выходе - ±2,37 В (75 Ом) и ±3,0 В (120 Ом) для Е1; 1,0 В (75 Ом) для ЕЗ

- номинальная длительность импульса - 244 нс;

- допустимые потери в кабеле - 6 дБ для Е1; 12 дБ для ЕЗ

- максимальные потери на отражение на входе/выходе - 14/8 дБ;

- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703.

- тип секции: S-1.1 (1310 нм); L-1.1 (1310 нм); L-1.2 (1550 нм);

- выходная мощность: -13,5 -8дБм ;-5 - 0 дБм (L-1.1); 1 - 2 дБм (L-1.2);

- чувствительность приемника (при коэффициенте ошибок 10-¹⁰), дБм: -34,5 (S-1.1); -35,5 (L-1.1); -36 (L-1.2);

- максимально допустимые потери на секцию: 20 дБ (S-1.1); 29,5 дБ (L-1.1); 36 дБ (L-1.2);

- оптические потери ввода: 1 дБ;

- допустимая длина волны несущей: 1310 нм; 1550 нм;

- тип волокна оптического кабеля: одномодовое ОВ;

- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.957 (для STM-1).

электрические входы и выходы агрегатных блоков:

- линейный код - CMI;

- входной импеданс - 75 Ом;

- допустимые потери на отражение на входе/выходе - 15 дБ;

- максимально допустимые потери в кабеле на входе - 12,7 дБ;

- амплитуда выходного импульса - 1,0 В;

- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703.

Мультиплексор уровня STM- 4/16

Представленная блок – схема мультиплексора уровня STM-4, позволяет легко модифицировать его до уровня STM-16. Структурная схема представлена на рисунке 26.

Рисунок 26 – Блок-схема мультиплексора STM-4/16.

Мультиплексор смонтирован на двойной стандартной стойке и состоит из следующих основных блоков:

- трибпых блоков с набором электронных портов для приема входных потоков различной скорости ( 2 до 155 Мбит/с );

- двух пар мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирования и управления потоками;

- двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с "восток" и "запад" для формирования выходных потоков;

- двух (основного и резервного) блоков питания (на схеме не показаны);

- интерфейсных блоков контроля, управления и организации служебных каналов.

SMA 4 обеспечивает мультиплексирование в один или два потока 622 Мбит/с различных потоков, подаваемых на входные электрические порты трибных интерфейсов, допускающих (при суммарном потоке не выше 252/504 потоков Е1). Мультиплексор может быть использован для работы в качестве терминального мультиплексора, мультиплексора ввода/вывода, оптического концентратора и небольшого коммутатора.

Мультиплексор и его блоки имеют следующие характеристики:

- скорость передачи данных на входе – 2, 34, 45, 140 Мбит/с;

- линейный код - CMI;

- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный вход), 120 Ом (симметричный вход);

- максимально допустимые потери на секцию: 12 дБ (короткая секция); 24 дБ (длинная секция);

- допустимая длина волны несущей: 1310 нм; 1550 нм;

- тип волокна оптического кабеля: одномодовое ОВ;

электрические входы и выходы агрегатных блоков:

- линейный код - CMI;

- входной импеданс - 75 Ом;

- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703.

Возможности:

Использовать SDH для транспортировки потока Е1 пользователю без применения дополнительного оборудования;

Использовать встроенный кроссовый коммутатор для коммутации на уровне 64 кбит/с емкостью около 2000 каналов.

Интегрировать АТМ и DTM трафик:

Автоматически генерировать маршруты потоков данных:

Работать в дуплексном режиме на одном волокне, используя пассивные разветвители.

Лекция 11. Общие сведения о радиорелейных линиях

Цель лекции: дать основные сведения о радиорелейных линиях.

Радиорелейные системы передачи (РРСП) - это такие системы, в которых для обеспечения связи между двумя пунктами используются электромагнитные колебания очень высокой частоты. Они относятся к фиксированным радиосистемам (Fixed radio system. FRS). В этих системах каналы связи реализуются посредством радиорелейных станций (РРС). При размещении соседних станций на расстоянии, обеспечивающем радиосвязь прямой видимости, образуются радиорелейные линии (РРЛ) прямой видимости. Радиорелейные системы передачи включают в себя совокупность технических средств и среду распространения для организации радиорелейной связи.

За исключением нескольких систем, рассчитанных на полосы частот 70 - 80 и 400 - 470 МГц, все остальные радиорелейные системы работают на частотах выше 2 ГГц.

Радиорелейные системы (далее в тексте - системы), можно разделить на две категории систем, работающих в пределах прямой видимости - системы прямой видимости, и тропосферные системы.

Радиорелейная связь в пределах прямой видимости может быть обеспечена только в том случае, если участок между передающей и приемной антеннами является относительно свободным от препятствий, так что влияние дифракции пренебрежимо мало.

Тропосферные системы используют рассеяние и отражение электромагнитных волн от неоднородностей тропосферы.

По виду передаваемых сигналов системы можно разделить на аналоговые и цифровые.

Аналоговые радиорелейные системы передачи (АРРСП) используются главным образом для передачи:

- многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме (а также для передачи телеграфных сигналов и сигналов данных с малой и средней скоростью), пропускная способность таких систем составляет от нескольких телефонных каналов до 2700;

- телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения.
Цифровые радиорелейные системы передачи (ЦРРСП) служат, прежде всего, для передачи:

- многоканальных телефонных сигналов в цифровой форме со скоростью от 2 до 140 Мбит/с и более;

- сигналов данных с большой скоростью;

- сигналов видеотелефона и телевизионных сигналов в закодированной форме.

Радиорелейная аппаратура в зависимости от области применения разделяются на следующие классы:

- аппаратура радиорелейных систем передачи, предназначенная для использования на магистральной первичной сети;

- аппаратура радиорелейных систем передачи, предназначенная для использования на внутризоновых первичных сетях;

- аппаратура радиорелейных систем передачи, предназначенная для использования на местных первичных сетях;

- перевозимая аппаратура радиорелейных систем, предназначенная для внутригородских целей;

- аппаратура радиорелейных систем, предназначенная для организации технологических радиорелейных линий передачи;

- аппаратура перевозимых радиорелейных станций, предназначенная для организации резервирования или восстановления вышедших из строя радиорелейных или кабельных линий передачи.

В зависимости от скорости передачи в стволе аппаратура цифровых РРЛ разделяется на следующие виды:

- высокоскоростная (более 100Мбит/св одном радиостволе);

- среднескоростная (более 10Мбит/с, но менее 100 Мбит/с);

- низкоскоростная (не более 10 Мбит/с в одном радиостволе).
Применяется три вида размещения аппаратуры радиорелейных станций:

1. Вся аппаратура, кроме антенного устройства, размещается в помещении. Снижение энергетических потерь достигается применением волноводов или специальных кабелей с малыми потерями. Используется в нижней части диапазонов частот, выделенных для радиорелейной связи.

2. Все оборудование радиорелейной станции размещается непосредственно у антенны в контейнере, защищенном от воздействия атмосферных осадков. Используется редко, в основном, в верхней части диапазонов частот.

3. Аппаратура состоит из двух частей: радиочастотного блока, установленного непосредственно у антенны, и остального оборудования, расположенного в помещении. Эти части соединяются по обычным коаксиальным кабелям на промежуточных частотах. Типичная длина кабелей 300 м. Этот вариант широко используется для всех диапазонов частот и удобен для унификации станций разных диапазонов с одной и той же пропускной способностью, так как для перехода в другой диапазон остаточно заменить только выносимые модули с антенным устройством.

Структура РРСП зависит от ее назначения. Поскольку связь осуществляется с помощью радиоволн, то для каждого направления передачи предусматриваются передатчик, приемник, антенны, а также модулятор и демодулятор.

Различные элементы системы имеют следующее назначение:

- модулятор преобразует параметры электромагнитных колебаний таким образом, чтобы можно было использовать их для передачи информации;

- демодулятор выполняет обратную функцию: он создает сигнал, идентичный тому, который подается на вход модулятора, но измененный под влиянием шумов и искажений;

- передатчик преобразует сигнал с выхода модулятора в сигнал, с помощью которого можно было бы передать информацию на следующий интервал системы;

- приемник, преобразует принимаемый сигнал таким образом, чтобы с помощью демодулятора можно было восстановить первоначальный сигнал;

- антенны представляют собой элемент связи между передающей линией и средой передачи; при передаче антенны обеспечивают излучение поступающих электромагнитных колебаний, а при приеме они "собирают" падающую энергию; в качестве передающих линий, связывающих передатчики и приемники с антеннами, служат коаксиальные кабели или же, значительно чаще, волноводы.

1 - модулятор;

3 - передатчик;

4 - приемник;

5 - демодулятор

Рисунок 27- Общая структурная схема радиорелейной системы передачи информации:

При проектировании системы прямой видимости предполагается, что интервалы трассы свободны от препятствий, поэтому в общем случае антенны устанавливаются на возвышениях, на верху башен или мачт.

Системы могут иметь один или несколько ретрансляционных интервалов.

Если расстояние между двумя пунктами связи невелико и запас энергопотенциала в данном случае можно считать вполне достаточным, и если при установке антенн на трассе можно найти такие участки, где антенны будут находиться на расстоянии прямой видимости относительно друг друга, то связь может быть обеспечена при наличии только одного ретрансляционного интервала.

Если же расстояние между двумя пунктами связи довольно велико или если возможные препятствия не позволяют расположить антенны так, чтобы они находились на расстоянии прямой видимости, то связь может быть обеспечена только при наличии нескольких ретрансляционных интервалов, т. е. с помощью промежуточных станций.

Промежуточные станции выполняют две основные функции:

- "оптимальную": антенны каждых двух соседних станций должны находиться на расстоянии прямой видимости;

- усилительную: принимаемый сигнал усиливается и только после этого передается на следующую промежуточную станцию.

Наряду с активными ретрансляционными станциями могут использоваться пассивные, которые с помощью, например, плоского зеркала отражают сигналы без усиления (см. рисунок 28).

ОС-оконечная станция;

ПРС-пассивная ретрансляционная станция

Рисунок 28- Схема связи с использованием пассивной ретрансляционной станции.

Связь может быть односторонней и двусторонней. Односторонняя (симплексная) система связи обычно используется для передачи телевизионных сигналов, например, между студией и передатчиком. Односторонняя система связи: применяется также для передачи радиолокационных сигналов.

Телефонная и телеграфная связь, как правило, является двусторонней (дуплексной). Для организации двусторонней связи в простейшем случае можно объединить на одном участке две односторонние системы, работающие в противоположных направлениях. При обеспечении связи в двух направлениях обычно используются одни и те же антенны, работающие одновременно на прием и на передачу.

Лекция 12. Структура радиосистем передачи (РСП)

Цель лекции: изучить принцип работы современных РСП

Под радиосистемой передачи понимают совокупность технических средств, обеспечивающих образование типовых каналов передачи и групповых трактов первичной сети единой автоматизированной системы связи (ЕАСС), а также линейного тракта, по которому сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве.

С помощью современных РСП можно передавать любые виды информации: телефонные, телеграфные и фототелеграфные сообщения, программы телевидения и звукового вещания, газетные полосы, цифровую информацию и т. д.

Как и проводные системы передачи, подавляющее большинство РСП являются многоканальными. При этом обычно используются частотное или временное разделение сигналов. В настоящее время наиболее широко применяется частотное разделение сигналов. Вместе с тем все большее распространение получает временное разделение в сочетании с цифровыми методами передачи сигналов. Это объясняется известными преимуществами цифровых систем передачи с временным разделением, и, прежде всего возможностью регенерации сигналов, простотой их выделения (и введения) и коммутации каналов.

Несмотря на большое разнообразие РСП, основные принципы их построения являются общими. Обобщенная структурная схема многоканальной РСП показана на рисунке 29.

1,7 - каналообразующее и групповое оборудование;

2,6 - соединительная линия;

3, 5 - оконечное оборудование ствола;

4 – радиоствол.

Рисунок 29- Обобщенная структурная схема многоканальной радиосистемы передачи

Каналообразующее и групповое оборудование обеспечивает формирование группового сигнала из множества подлежащих передаче первичных сигналов электросвязи (на передающем конце) и обратное преобразование группового сигнала в множество первичных сигналов (на приемном конце). Указанное оборудование располагается обычно на сетевых станциях и узлах коммутации первичной сети ЕАСС.

Станции РСП, в том числе те, на которых производятся выделение, введение и транзит передаваемых сигналов, как правило, территориально удалены от сетевых станций и узлов коммутации, поэтому в состав большинства РСП входят проводные соединительные линии.

Для формирования радиосигнала и передачи его на расстояние посредством радиоволн используются различные радиосистемы связи. Радиосистема связи представляет собой комплекс радиотехнического оборудования и других технических средств, предназначенный для организации радиосвязи в заданном диапазоне частот с использованием определенного механизма распространения радиоволн. Вместе со средой (трактом) распространения радиоволн радиосистема связи образует линейный тракт или ствол. Ствол РСП состоит из оконечного оборудования ствола и радиоствола. Оборудование ствола располагается на оконечных и ретрансляционных станциях.

В оконечном оборудовании ствола на передающем конце формируется линейный сигнал, состоящий из группового и вспомогательных служебных сигналов (сигналов служебной связи, пилот-сигналов и др.), которым модулируются высокочастотные колебания. На приемном конце производятся обратные операции: демодулируется высокочастотный радиосигнал и выделяются групповой, а также вспомогательные служебные сигналы. Оконечное оборудование ствола располагается на оконечных станциях РСП и на специальных ретрансляционных станциях.

Назначением радиоствола является передача модулированных радиосигналов на расстояние с помощью радиоволн. Радиоствол называется простым, если в его состав входят лишь две оконечные станции и один тракт распространения радиоволн, и составным, если помимо двух оконечных радиостанций он содержит одну или несколько ретрансляционных станций, обеспечивающих прием, преобразование, усиление и повторную передачу радиосигналов. Необходимость использования составных радиостволов обусловлена рядом факторов, основными из которых являются протяженность РСЦ, ее пропускная способность и механизм распространения радиоволн.

Структурная схема ствола двусторонней РСП изображена на рисунке 30.

1 -конечное оборудование; 2 - передающее оборудование; 3 - приемное оборудовано; 4 -передатчик; 5 - приемник; 6 -фидерный тракт; 7 -антенна; 8 - тракт распространения радиоволн; 9 - помехи (внутрисистемные и внешние)

Рисунок 30- Структурная схема ствола двусторонней радиосистемы.

От оконечного передающего оборудования 2 ствола 1 на вход радиоствола поступает высокочастотный радиосигнал, модулированный линейным сигналом. В радиопередатчике 4 мощность радиосигнала увеличивается до номинального значения, а его частота преобразуется для переноса спектра в заданный диапазон частот. По фидерному тракту 6 передаваемые радиосигналы направляются в антенну 7, которая обеспечивает излучение радиоволн в открытое пространство в нужном направлении. При этом в большинстве современных двусторонних РСП для передачи и приема радиосигналов противоположных направлений используется общий антенно-фидерный тракт. В открытом пространстве (тракте распространения 8) радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света с=3*10⁸ м/с. Часть энергии радиоволн, приходящих от радиостанции 1, улавливается антенной 7, находящейся на оконечной радиостанции 2. Энергия принятого радиосигнала от антенны 7 по фидерному тракту 6 направляется в радиоприемник 5, где осуществляются частотная селекция принимаемых радиосигналов, обратное преобразование частоты и необходимое усиление. С выхода радиоствола принятый радиосигнал поступает на оконечное оборудование ствола 1. Аналогично радиосигналы передаются в противоположном направлении от оконечной радиостанции 2 к радиостанции 1. Как видно из рисунка 30, радиоствол двусторонней РСП состоит из двух радиоканалов, каждый из которых обеспечивает передачу радиосигналов в одном направлении. Таким образом, оборудование радиоствола (включающее радиопередатчики, радиоприемники и антенно-фидерные тракты) является по сути дела оборудованием сопряжения оконечного оборудования ствола РСП с трактом распространения радиоволн.

Ретрансляционные станции (ретранслятор) могут быть двух типов: без выделения передаваемых сигналов электросвязи и введения новых и с выделением и введением их.

Структурная схема ретранслятора первого типа дана на рисунке 31.

1, 8 - антенна; 2, 7 - фидерный тракт; 3, 6 - приемник; 4, 5-передатчик Рисунок 31- Структурная схема ретранслятора без выделения передаваемых сигналов

Составной радиоствол представляет собой последовательное соединение нескольких простых радиостволов, а оборудование – последовательное соединение двух комплектов оборудования радиоствола. В состав оборудования ретрансляторов второго типа дополнительно входит оконечное оборудование ствола, содержащее модулятор и демодулятор.

В современных РСП разница уровней излучаемых и принимаемых антеннами радиосигналов весьма велика (может достигать 150 дБ и более). Для исключения возможности возникновения паразитных связей между передающими и приемными трактами радиоствола в РСП с ретрансляцией радиосигналов необходимо использовать две несущие частоты для каждого направления. При этом для передачи радиосигналов противоположных направлений может быть использована либо одна и та же пара частот, либо две разные пары. В зависимости от этого различают два способа (плана) распределения частот приема и передачи в дуплексном стволе РСП: двухчастотный (см. рисунок 32 а) и четырехчастотный планы (см. рисунок 32, б).

а - двухчастотный, б- четырехчастотный;

1 - оконечная станция 1; 2,3- ретранслятор;

4 - оконечная станция 2.

Рисунок 32- План распределения частот приема и передачи в дуплексном стволе радиосистемы передачи

Двухчастотный план экономичнее с точки зрения использования занимаемой полосы частот, однако, требует специальных мер для защиты от сигналов противоположного направления. Четырехчастотный план не требует указанных мер защиты, однако он неэкономичен с точки зрения использования полосы частот: число радиостволов, которое может быть образовано в выделенном диапазоне частот, при четырехчастотном плане вдвое меньше, чем при двухчастотном.

В процессе передачи во всех звеньях РСП сигналы электросвязи претерпевают определенные искажения. Причинами искажений являются воздействие различных помех и неидеальность характеристик элементов РСП. Помехи, возникающие в самой РСП, называются внутрисистемными. К ним относятся тепловой шум, возникающий в антенно-фидерных трактах, радиоприемниках и оконечном оборудовании ствола, и переходные помехи, возникающие при многоканальной передаче почти во всех элементах РСП. Кроме внутрисистемных помех на любую РСП оказывают влияние помехи от других стволов в многоствольных радиолиниях передачи, от посторонних радиотехнических средств и источников, а также радиоизлучения атмосферы, поверхности Земли, космоса и т. д. Из-за неидеальности характеристик элементов РСП появляются линейные и нелинейные искажения передаваемых сигналов.

Лекция 13 Классификация радиосистем передачи

Цель лекции: рассмотреть классификации РСП

Существует множество различных классификаций РСП в зависимости от признаков, положенных в их основу. Приведем классификации РСП по наиболее важным признакам:

По принадлежности к различным службам в соответствии с Регламентом радиосвязи различают РСП фиксированной службы (радиосвязь между фиксированными пунктами), РСП радиовещательной службы (передача сигналов для непосредственного приема населением), РСП подвижной службы (радиосвязь между движущимися друг относительно друга объектами).

По назначению различают международные, магистральные, внутризоновые, местные РСП, военные РСП, технологические РСП (для обслуживания железнодорожных линий, ЛЭП, нефте- и газопроводов и т. д.), космические РСП (обеспечивающие радиосвязь между космическими аппаратами или между земными пунктами и космическими аппаратами).

По диапазону используемых радиочастот или радиоволн (табл. 1.1). Диапазон с номером п (4< п > 12) включает частоты от 0,3 * 10n до 3 *10n Гц.

По виду передаваемых сигналов различают РСП аналоговых сигналов (телефонных, радиовещательных, фототелеграфных, телевизионных, сигналов телеметрии и телеуправления), РСП цифровых сигналов (телеграфных, исходной информации или результатов ее обработки на ЭВМ) и комбинированные РСП.

По способу разделения каналов (канальных сигналов) различают многоканальные РСП с частотным, временным, фазовым и комбинированным разделением каналов. Существуют также специальные РСП с разделением канальных сигналов по форме (например, асинхронно-адресные системы с кодово-адресным разделением сигналов).

По виду линейного сигнала различают аналоговые, цифровые и смешанные (гибридные) РСП. В аналоговых РСП на вход ствола поступает аналоговый сигнал, соответственно аналоговым является и радиосигнал. К аналоговым РСП относятся и импульсные РСП, т. е. системы с импульсной модуляцией (и временным разделением каналов). В цифровых РСП на вход ствола поступает цифровой сигнал, соответственно цифровой радиосигнал поступает в радиоствол и тракт распространения. Очевидно, в аналоговых РСП можно передавать как аналоговые, так и цифровые первичные сигналы (например, тональное телеграфирование в канале ТЧ или передача данных), точно так же, как с помощью цифровых РСП можно обеспечить передачу и цифровых, и аналоговых сигналов (путем преобразования последних в цифровые с помощью имнульсно-кодовой или дельта модуляции). В смешанных РСП суммарный линейный сигнал состоит из аналогового линейного сигнала и поднесущей, молнированной цифровым сигналом.

Т а б л и ц а 9 - Диапазоны радиочастот и радиоволн

Номер Диапазона	Диапазон радиочастот		Диапазон радиоволн
Номер Диапазона	Наименование	Границы	Наименование	Границы
4	Очень низкие частоты (ОНЧ)	3 ... 30 кГц	Мириаметровые волны	100 ...10км
5	Низкие частоты (НЧ)	30 ...300 кГц	Километровые волны	10... 1 км
6	Средние частоты (СЧ)	300... 3000 кГц	Гектометровые волны	1000... 100 м
7	Высокие частоты (ВЧ)	3... 30 МГц	Декаметровые волны	100... Юм
8	Очень высокие частоты (ОВЧ)	30 ...300МГц	Метровые волны	10... 1 м
9	Ультравысокие частоты (УВЧ)	300... 3000 МГц	Дециметровые волны	100 ...10 см
10	Сверхвысокие частоты (СВЧ)	3 ... 30 ГГц	Сантиметровые волны	10... 1 см
11	Крайне высокие частоты (КВЧ)	30... 300 ГГц	Миллиметровые волны	10... 1 мм
12	Гипервысокие частоты (ГВЧ)	300 ... 3000 ГГц	Децимиллиметровые волны	1..0.1 мм

По виду модуляции несущей аналоговые РСП подразделяются на системы с частотной, однополосной и амплитудной модуляциями, а цифровые РСП - на системы с амплитудной, частотной, фазовой и амплитудно-фазовой манипуляциями.

По пропускной способности различают РСП с малой, средней и высокой пропускной способностью. Наиболее часто употребляемые границы пропускной способности различных типов аналоговых и цифровых РСП приведены в таблице 1.2.

Отметим, что границы пропускной способности аналоговых и цифровых РСП не соответствуют друг другу, если для передачи телефонных сигналов используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) со скоростью передачи 64 Кбит/с. Например, при 120 каналах тональной частоты (ТЧ) необходимо использовать аналоговую РСП со средней пропускной способностью, в то время как при цифровой передаче с ИКМ - цифровую РСП с малой пропускной способностью 8,448 Мбит/с.

Т а б л и ц а 10.- Типы радиорелейных систем передачи по пропускной способности

Характеристика пропускной способности

Значения пропускной способности для РСП

аналоговых, число каналов ТЧ

цифровых. Мбит/с

Малая Средняя Высокая

Менее 24

60... 300

Более 300*

Менее 10

10...100

Более 100

Примечание. Или канал передачи изображения телевидения с одним или несколькими каналами передачи звуковых сигналов телевидения и звукового вешания

По характеру используемого физического процесса в тракте распространения радиоволн различают: радиорелейные системы передачи прямой видимости (РРСП ПВ) - распространение радиоволн в тропосфере в пределах прямой видимости; тропосферные радиорелейные системы передачи (ТРСП) - дальнее тропосферное распространение радиоволн за счет их рассеяния и отражения в нижней области тропосферы при взаимном расположении радиорелейных станций за пределами прямой видимости, спутниковые системы передачи (ССП) - прямолинейное распространение радиоволн с ретрансляцией их бортовым ретранслятором искусственным спутником Земли (ИСЗ), находящимся в пределах радиовидимости земных станций, между которыми осуществляется радиосвязь); ионосферные системы передачи на декаметровых волнах (дальнее распространение декаметровых волн за счет отражения от слоев ионосферы); космические системы передачи (прямолинейное распространение радиоволн в космическом пространстве и атмосфере Земли); ионосферные системы передачи на метровых волнах (дальнее распространение метровых волн благодаря рассеянию их на неоднородностях ионосферы) и др.

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. 5

Лекция 1. Оптическое волокно как среда передачи. 8

Лекция 2. Дисперсия, затухание , потери. 13

Лекция 3. Функциональные элементы оптических систем передачи. 19

Лекция 4 . Приемные оптические модули. 23

Лекция 5. Повторители и оптические усилители. 25

Лекция 6. Расчет длины регенерационного участка. 28

Лекция 7 . Методы уплотнения ВОЛС.. 29

Лекция 8 . Линейные коды ВОСП.. 34

Лекция 9. Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH.. 36

Лекция 10. Аппаратурная реализация функциональных блоков сетей SDH.. 40

Лекция 11. Общие сведения о радиорелейных линиях. 44

Лекция 12. Структура радиосистем передачи (РСП) 47

Лекция 13 Классификация радиосистем передачи. 52

Список литературы.. 55

Содержание. 55

ОПТИЧЕСКИЕ И РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ

СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Введение

Лекция 3. Функциональные элементы оптических систем передачи

Передающие оптические модули:

Дисперсия оптического излучения

Допускается

Модель SDH

Базовые элементы сетей SDH

Топология сетей SDH

Лекция 11. Общие сведения о радиорелейных линиях