Введение. Конспект лекций

### Введение. Общие определения структуры оптических систем передачи

Первое десятилетие 21 века для телекоммуникаций принесло новый, бурный этап развития интерактивных и распределительных услуг широкого спектра от передачи речи в цифровом формате до десятков телевизионных программ наивысшего качества, дистанционное обучение и доступ ко многим базам данных (научных библиотек, административных и медицинских центров и т.д.). Этому способствовало интенсивное развитие техники волоконно-оптической связи, которая применяется на магистральных, внутризоновых, местных сетях и в сетях абонентского доступа. Сегодня «волокно в дом» такое же обыденное явление, как и персональный компьютер, и мобильный мультимедийный терминал, и цифровой телевизор высокой чёткости.

В предлагаемом учебном материале отражены современные достижения в технике оптической связи, прежде всего волоконно-оптических систем передачи.

Большую роль в развитии оптических систем передачи играют стандарты Сектора Телекоммуникаций Международного Союза Электросвязи, МСЭ-Т (International Telecommunications Union, ITU-Т). Значительная часть учебных материалов построена на основе этих стандартов и также стандартах IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers – институт инженеров по электротехнике и электронике).

Ниже представлены базовые определения и структуры современных оптических систем передачи.

В общем определении под системой передачи принято понимать комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. На рис. В1 представлена предельно упрощенная схема оптической системы передачи. В структуре системы передачи выделяются: среда передачи; секция передачи с промежуточной станцией (ПС); оптический тракт; секция мультиплексирования; тракты и каналы передачи информации пользователей. При этом линейным трактом называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью соответствующей данной системе передачи. В зависимости от среды распространения линейный тракт называют кабельным (волоконно-оптическим, электрическим), радиорелейным (оптическим или радиочастотным), спутниковым или комбинированным, а по типу системы передачи – аналоговым или цифровым.

Согласование между электронным оборудованием и оптической средой передачи в оптической системе обеспечивают оптические конверторы (ОК). Промежуточные станции в оптическом линейном тракте могут быть представлены как оптическими устройствами, например, оптическими усилителями сигналов, так и комплексными изделиями с ОК и электронными схемами усилителей и регенераторов оптических сигналов. В терминальных станциях (ТС), которые, как правило, размещаются в сетевых узлах или сетевых станциях, создаются аппаратными и программными средствами групповые тракты и каналы передачи информации пользователей. При этом в составе группового тракта может находиться от одного до нескольких десятков и сотен каналов пользователей. Групповые тракты и каналы объединяются в секции мультиплексирования в сигнал оптического тракта. Такие сигналы также называются агрегированными (сборными), т.к. к ним добавляются служебные каналы с целью поддержки технической эксплуатации среды передачи, промежуточных станций, оповещения терминальных станций и служебной связи.

Рисунок В1 Структурная схема оптической системы передачи

Тракт групповой представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. В зависимости от нормализованного числа каналов групповой тракт называют первичным, вторичным, третичным, четверичным или N-ым групповым трактом.

В системах передачи под каналом передачи принято понимать комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот (например, КТЧ 0.3...3.4 кГц) или с определенной скоростью передачи (например, ОЦК 64 кбит/с) между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые. Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). Например, в зависимости от скорости передачи сигналов электросвязи цифровой канал называют основным (ОЦК), первичным (ПЦК, 2048кбит/с), вторичным (ВЦК, 8448кбит/с), третичным (ТЦК, 34368 кбит/с), четверичным (ЧЦК, 139264 кбит/с). Канал может предоставляться различным пользователям по их запросам через средства коммутации, например, АТС, или закрепляться за пользователями на какой-либо временной период (аренда).

Совокупность линейных трактов систем передачи и (или) типовых физических цепей, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения в пределах действия устройств обслуживания называют линией передачи. В зависимости от первичной сети, к которой принадлежит линия передачи, её называют магистральной, внутризоновой, местной.

Сеть первичная – совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи.

Цифровые волоконно-оптические системы передачи и оптические системы со спектральным уплотнением являются основой для построения транспортной сети связи Российской Федерации.

Транспортная сеть – совокупность ресурсов систем передачи (каналов, трактов, секций), относящихся к ним средств контроля, оперативного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами. Составной частью транспортной сети являются сети синхронизации и управления. Транспортные и по существу первичные сети строятся преимущественно на основе оптических систем передачи, но детально изучаются в отдельной дисциплине.

Ниже, на рис. В2 и В3 представлены общие структуры оптического конвертора и промежуточных станций.

Рисунок В2 Структура оптического конвертора

Структура ОК содержит три самостоятельных модуля: модуль оптического передатчика (верхний на рисунке); модуль оптического приёмника (нижний на рисунке); модуль схем электропитания, управления и сигнализации.

В модуле передачи выделены три основные блока: согласующее устройство передачи СУпер.; формирователь линейного сигнала (ФЛС); модуль излучателя и модулятора. СУпер. в цифровых системах предназначено для преобразования информационного сигнала (ИС) из параллельной формы представления (8-16 разрядной шины микропроцессора), получаемой от цифрового оборудования мультиплексора, в последовательную побитовую форму, согласованную тактами синхросигнала. ФЛС преобразует последовательность информационных бит в сигнал для модуляции оптического излучения. При этом в сигнале гарантируется сохранение тактов, которые необходимы для синхронизации приёмника цифровых данных. Излучатель оптического передатчика формирует, как правило, когерентное узкополосное излучение определённой длины волны и мощности, т.е. оптическую несущую частоту. В модуляторе производится управление мощностью излучения или фазами оптических импульсов. Сформированный оптический сигнал направляется в среду передачи Опер. (стекловолокно, пластиковое волокно или в воздушную атмосферу).

Приёмный оптический модуль представлен четырьмя блоками с функциями, которые обратны функциям блоков модуля передачи.

Оптический сигнал, прошедший через оптическую среду, поступает на вход приёмного модуля (Опр.). При этом сигнал, как правило, многократно ослаблен, искажен и содержит помеховые компоненты (аддитивные и мультипликативные шумы). Фотодетектор (ФД) преобразует оптическое излучение в электрический ток, а предварительный электрический усилитель увеличивает амплитуду детектированного сигнала вместе с помехами. Этот усилитель выполняется на основе малошумящих компонент и имеет коэффициент усиления всего в несколько десятков раз, что способствует минимальному добавлению помех приёмника к принятому сигналу. С помощью корректора (К) устраняются внеполосные помехи и частично корректируются линейные искажения сигнала, что способствует в целом поддержанию определённого соотношения сигнал/шум на выходе усилителя мощности (УМ). Регенератором сигнала восстанавливаются такты импульсов линейного сигнала и временные позиции этих импульсов, т.е. фронт и срез. Выделенный в РС синхросигнал обеспечивает синхронное преобразование сигнала из линейного в сигнал шинной (параллельной) структуры и его передачи в цифровое оборудование мультиплексора.

Модуль электропитания, управления и сигнализации, являясь вспомогательным, позволяет поддерживать исправными функции оптической передачи и приёма, сигнализировать о неисправностях, производить оперативную диагностику, блокировку передатчика в случае повреждения, сообщать о понижении уровня сигнала на входе оптического приёмника и т.д.

Промежуточные станции оптической системы могут быть представлены оптическими усилителями, которые увеличивают мощность оптических сигналов, передаваемых как на одной оптической несущей, так и на многих раздельных по спектру несущих частотах. При использовании промежуточной станции в качестве регенератора она оснащается парой ОК, что необходимо для оптоэлектронного и электрооптического преобразования восстанавливаемого сигнала, который передаётся на одной оптической несущей частоте.

Рисунок В3 Виды промежуточных станций оптической системы передачи

Учитывая, что в современных оптических системах передачи преимущественно используется волоконно-оптический кабель с кварцевыми волокнами, имеющими широкую полосу пропускания сигналов (примерно от 5ТГц до 60ТГц), а скорости цифровых систем передачи достигли только величин в 100Гбит/с, актуальным является использования принципа спектрального уплотнения волокон. При этом в одном волокне, но чаще в паре волокон, можно организовать передачу одновременно десятков и сотен отдельных цифровых сигналов на отдельных оптических несущих частотах (рис.В.4). Организуемые таким образом отдельные оптические каналы можно группировать в оптических секциях мультиплексирования, обеспечивать оптическими средствами доступ к отдельным каналам, т.е. оптическим мультиплексором выделения/ввода (OADM, Optical Add/Drop Multiplex), что, естественно, делает оптические системы более гибкими и производительными для потребителей ресурсов этих систем. Так цифровые мультиплексоры (DMX) могут быть представлены различными технологиями мультиплексирования и пакетов и циклов. В транспондерах (TPD) производится перенос оптических сигналов мультиплексоров DMX в сигналы оптической системы с разделением по длине волны WDM (Wavelength Division Multiplexing), где за каждым TPD закрепляется одна длина волны из набора волн, как правило, стандартизированных ITU-T.

Рисунок В.4 Структура многоканальной оптической системы передачи WDM

Помимо стандартизации частот оптических каналов, в системах передачи стандартизированы и точки взаимодействия между отдельными компонентами систем (на рис. В1 и В4 обозначены светлыми и тёмными точками) – интерфейсы, которые подразделяются на оптические и электрические. В этих точках нормируются физические и логические (протокольные) характеристики взаимодействия, например, тип волоконного световода, величина затухания и дисперсии, протокол передачи (OTH, SDH, Ethernet) и т.д.

В современных оптических системах передачи реализуются различные технологии мультиплексирования, которые можно определить как цифровые и аналоговые. К аналоговым относятся технологии мультиплексирования оптических волн WDM и аналоговых каналов с частотным разделением (ЧРК), примерами которых можно считать телевизионные каналы, распределённые в спектре частот от 40МГц до 860МГц для сетей кабельного телевидения. В семействе цифровых технологий мультиплексирования существуют подразделения по циклической и пакетным передачам. Цифровые сигналы с циклической передачей имеют различные иерархии (рис. В5):

- плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy);

Рисунок В.5 Технологии мультиплексирования и скорости передачи в оптических системах

- синхронная цифровая иерархия СЦИ (SDH, Synchronous Digital Hierarchy);

- оптическая транспортная иерархия ОТИ (ОТН, Optical Transport Hierarchy), предназначенная для построения оптических транспортных сетей ОТС (OTN, Optical Transport Network). Иерархичность связана со скоростными режимами, длительностями циклов и их структурами. Ключевым понятием в этих иерархиях является вид мультиплексирования: плезиохронный, синхронный, оптический, где последний указывает на сочетание электрического и оптического мультиплексирования.

Цифровые сигналы с пакетной передачей формируются изначально в виде пакетов с фиксированной ёмкостью ATM (Asynchronous Transfer Mode) в 53 байта или с изменяемой (переменной) ёмкостью Ethernet от 64 до 1500 байт. Формирование пакетов, как правило, увязано с необходимостью переноса информационного трафика, т.е. когда есть трафик тогда и формируются пакеты. Учитывая, что трафик случаен, то и появление пакетов для передачи также случайно. По этой причине используется статистическое мультиплексирование с выстраиванием очереди на передачу с вполне определённой скоростью, например для Ethernet, 10Мбит/с, 100Мбит/с, 1000Мбит/с и т.д.

Для эффективного использования каналов и трактов оптических систем передачи предусмотрены алгоритмы совмещения различных технологий мультиплексирования, например, циклы PDH могут размещаться в структурах SDH и Ethernet, а пакеты Ethernet на скоростях до 100 Гбит/с могут размещаться в циклах OTH и т.д.

Детальное изучение технологий цифрового мультиплексирования является предметом отдельных дисциплин. В предлагаемых учебных материалах в основном сосредоточены сведения, касающиеся базовых основ построения оптических систем передачи, которые представлены в восьми главах.

В первой главе рассматриваются некоторые базовые понятия из физической и квантовой оптики, которые необходимы для последующего изучения материалов (понятия интерференции и дифракции, двойного лучепреломления и поляризации, законы оптики и т.д.).

Во второй главе рассмотрены конструкции и характеристики передачи волоконных световодов на основе стекла и пластмасс, характеристики воздушной атмосферы для оптических сигналов.

Третья глава посвящена пассивным оптическим компонентам, используемым при построении аппаратуры систем передачи и оптических сетей (аттенюаторы, компенсаторы дисперсии, волоконные брэгговские решетки, мультиплексоры и т.д.).

В четвёртой главе рассмотрены принципы построения передающих оптических устройств с полупроводниковыми излучателями (светодиодами и лазерами), с различными видами модуляции излучения (прямой и внешней), с различной схемотехникой и характеристиками модулей.

В пятой главе предлагается изучить модули приёма оптических сигналов, построенных по схемам прямого детектирования и когерентного детектирования с применением различных фотоприёмников (фотодиодов, лавинных фотодиодов, фотодиодов с селекцией волн и т.д.).

В шестой главе рассматриваются различные типы конструкций оптических усилителей (полупроводниковых, волоконных), принципы усиления и характеристики. Также показаны возможности регенерации оптических импульсных сигналов без применения электронных схем.

В седьмой главе представлены различные варианты построения проводных и беспроводных линейных трактов (одноканальных и многоканальных с WDM), приведены методики расчёта и примеры расчёта участков регенерации и усиления оптических сигналов.

В восьмой главе представлены примеры построения оборудования различных оптических систем передачи, используемых в настоящее время на сетях связи и перспективных разработках.

Кроме того учащимся предложен комплекс заданий по всем разделам учебных материалов. В этот комплекс включены задачи с индивидуальными вариантами и группы контрольных вопросов, на которые вместе с задачами должны быть приведены письменные краткие ответы по существу.

Учебные материалы включают список рекомендуемой литературы.

Все материалы рассчитаны на подготовленных учащихся, которые уже знакомы с теорией связи, с принципами частотного и временного мультиплексирования, с конструкциями и характеристиками кабельных линий, знающих принципы построения аналоговых и цифровых схем, представляющих функционирование микропроцессоров и знакомых с основами программирования на языках высокого уровня.