Раздел 3. Конспект лекций

### Раздел 3. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП)

Глава 3.1 Основные сведения из оптики
Глава 3.2 Структурная схема ВОСП
Глава 3.3 Объединение световых потоков
Глава 3.4 Расчет длины регенерационного участка в ЦВОСП

Свет, как средство передачи сообщений люди использовали еще в древности - сигнальные огни, костры. В 1870 английский физик Джон Тиндаль продемонстрировал, что свет может передаваться в потоке воды. В его эксперименте использовался принцип полного внутреннего отражения, который применяется и в современных волоконных световодах. В 1934 г. Американец Норман Р.Френч получил патент на оптическую телефонную систему.

В нем он описывал, как речевые сигналы могут передаваться через сеть оптических кабелей. При этом кабели должны были изготавливаться из стержней чистого стекла или аналогичного материала с низким коэффициентом затухания на рабочей длине волны.

Техническая реализация этой концепции появилась лишь 25 лет спустя. В 1958 году лауреаты Нобелевской премии Артур Шавлов и Чарльз Г. Таунс разработали лазер, который был успешно запущен в работу в 1960г. В1062 г. появилась возможность изготовления полупроводниковых лазеров. В то же время были разработаны элементы приемника излучения на основе полупроводниковых диодов. Тогда стояла задача - найти подходящую среду передачи.

В 1966г. Англичане Чарльз Г.Као и Джордж А.Хокем предложили использовать стекловолокно для передачи света. Но для нормальной передачи потери в волокнах должны составлять не более 20 дБ/км, в то время потери были порядка 1000 дБ/км.

В 1970 г. Фирам “Корнинг Инкомпорейтид” произвела оптическое волокно со ступенчатым показателем преломления и достигла коэффициента затухания менее 20 дБ/км на длине волны 633 нм. В 1972 г появились волокна с затуханием 4 Дб/км. В настоящее время в одномодовых световодах достигнут коэффициент затухания 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм.

В настоящее время волоконно-оптические системы передачи широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях ВОСП обладают рядом преимуществ: широкая полоса пропускания, позволяющая организовывать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также представлять абоненту наряду с телефонной связью любые виды услуг связи; высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и возможность организовывать регенерационные участки большой протяженности; потенциально низкая стоимость оптического кабеля.

### Глава 3.1 Основные сведения из оптики

Как вам известно, свет имеет двойственную природу:

- лучевую, согласно которой, свет - поток частиц (фотонов) движущихся со скоростью света (С = 300 000 000 м/с), которые излучаются отдельными порциями (квантами) и образуют лучи света.
- волновую, согласно которой, свойства света совпадают со свойствами электромагнитных волн, следовательно свет - электромагнитные волны очень высокой частоты (1014 - 1015 Гц).

Шкала электромагнитных волн представлена на рисунок 55.

Рисунок 55 – Шкала электромагнитных волн

Видимый свет занимает лишь узкий диапазон от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (красный), который граничит со стороны более коротких волн с ультрафиолетовым излучением (УФИ), а со стороны более длинных волн - с инфракрасным излучением.

В оптической связи на основе волоконных световодов используется приграничный с инфракрасным диапазон длин волн от 800 до 1600 нм, при этом предпочтительными являются длины волн 850 нм, 1300 нм и 1550 нм, которые совпадают с окнами прозрачности.

Затухание волоконного световода определяется двумя составляющими: собственным и кабельным затуханием.

= с + к,

где с - собственное затухание, которое определяется потерями в материале волокна и складывается из следующих потерь:

с = п + р + пр,

п - потери за счет поглощения;

р - потери за счет рассеяния, возникают вследствие рассеяния на неоднородностях материала световода, размеры которых соизмеримы (или меньше) с длиной волны, передаваемой по волноводу, а также за счет тепловой флуктуации показателе преломления;

пр - потери из-за наличия примесей.

к - кабельное затухание, определяется дополнительным затуханием, которое возникает в процессе наложения защитных покровов на волокно, укладки и эксплуатации кабеля, а также на стыках строительных длин.

В среде без потерь э/м волна распространяется со скоростью света, в любой другой среде фазовую скорость э/м волны можно определить как:

Vф = с / n,

где n - коэффициент преломления среды распространения. Для вакуума n = 1, для других веществ n > 1, следовательно, скорость распространения в любой другой среде будет меньше скорости света.

Между частотой f (число колебаний в единицу времени, Гц), длиной волны (пространственный период волны, т.е. расстояние или длина полного пути колебания) и скоростью распространения с волны существует следующая основная зависимость:

с = f / .

Пример.

Свет, с длиной волны = 1 мкм имеет скорость распространения в воздухе с = 3×108 м/с. тогда частота f световой волны равна:
f = с / = 3× 108/ 1× 10-6 = 3× 1014 Гц = 300× 1012 Гц = 300 ТГц (терагерц).

### Глава 3.2 Структурная схема ВОСП

В зависимости от вида модуляции используемой в ВОСП их можно классифицировать на аналоговые и цифровые (АВОСП и ЦВОСП). Вне зависимости от вида модуляции структурная схема ВОСП будет содержать следующие основные узлы (рисунок 56): каналообразующее оборудование (КО), оборудование сопряжения (ОС), передающий оптический модуль (ПОМ), приемный оптический модуль (ПрОМ) и оборудование линейного тракта (ОЛТ).линейный тракт ВОСП содержит оптические волокна и промежуточные станции (ПС). Для организации двухсторонней связи, как правило, используется два оптических волокна.

Рисунок 56 – Структурная схема ВОСП

В КО исходные электрические сигналы Сi(t) преобразуются в групповой электрический сигнал fг(t), который в ОС преобразуется в сигнал пригодный для обработки в ПОМ. На выходе ПОМ возникает линейный оптический сигнал fл(t). Этот сигнал, проходя по оптическому кабелю, претерпевает искажения и ослабления, поэтому на ПС сигнал восстанавливается и в блоке ПрОМ противоположной станции превращается в электрический сигнал. Далее операции обратные передающей станции.

В ПОМ преобразуется электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности, поляризационную модуляцию и другие. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. Применение модуляции по интенсивности объясняется тем , что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простым техническими средствами. Для управления интенсивностью излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток накачки в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные узлы ВОСП.
2. Как происходит преобразование электрического сигнала в оптический? И наоборот.
3. Какая модуляция используется в ВОСП?

### Глава 3.3 Объединение световых потоков

Объединение световых потоков осуществляется с помощью мультиплексоров. Рассмотрим три способа мультиплексирования применяемые в современных волоконно-оптических сетях.

1.Мультиплексирование с пространственным разделением.

При волоконно-оптическом мультиплексировании каждому сигналу соответствует свой световод и своя длина волны. При таком методе число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле. Маршрутизация и управления просты, но требуют многоволоконных кабелей (рисунок 57).

Рисунок 57 – Мультиплексирование с пространственным разделением

1 - электрооптический преобразователь;
2 - волоконный световод;
3 - регенератор.

2.Мультитплексирование с временным разделением.

Несколько сигналов электрически объединяются в один групповой сигнал с чередованием по времени и после электрооптического преобразования передаются по одному оптическому световоду на одной длине волны. Достаточно сложная система (рисунок 58).

Рисунок 58 – Мультиплексирование с временным разделение

3.Мультиплексирование с разделением по длинам волн (МРДВ).

В системе МРДВ электрооптические преобразователи работают на различных центральных длинах волн сигналов. На сегодня распространена английская аббревиатура таких систем – WDM. Световая мощность, излучаемая ими, объединяется с помощью устройства ввода-вывода, избирательного к длине волы, в одном волоконном световоде. В зависимости от функции (объединение или разделение сигналов) они называются мультиплексором или демультиплексором с разделением по длинам волн (рисунок 59).

Рисунок 59 – Мультиплексирование с разделением по длинам волн

4 - устройство ввода-вывода с мультиплексором для объединения/разделения сигналов по длинам волн

Существуют одно- и двунаправленные устройства ввода-вывода МРДВ. В однонаправленном устройстве ввода-вывода МРДВ сигналы передаются через один волоконный световод на различных длинах волн в одном и том же направлении. В двунаправленном - сигналы передаются и в обратном направлении.

Разница между длинами волн сигналов (разнос каналов) составляет примерно 200 нм. Сетка частот каналов стандартизирована в соответствии с МСЭ-Т.

В настоящее время осуществляется объединение/разделение световых сигналов на 4, 8, 16 и 32 направления. В каждом направлении скорость передачи составляет 2,5 Гбит/с. Тогда например для 32 направлений скорость группового сигнала составит 32×2,5 = 80 Гбит/с.

### Глава 3.4 Расчет длины регенерационного участка в ЦВОСП

Линейный тракт ВОСП PDH представляет собой совокупность технических средств от входа оптического модулятора до выхода станционного регенератора (рисунок 60).

Рисунок 60 – Линейный тракт ВОСП

Согласно рекомендации МСЭ-Т при расчете линейного тракта определяют длину участка регенерации R и S (входом и выходом оптического волокна соответственно) (рисунок 61).

Рисунок 61 – Длина регенерационного участка

Расчет длины участка регенерации lру производится исходя из энергетического потенциала аппаратуры А ЦВОСП, а затем полученный результат проверяют на соответствие нормам по дисперсии.

где А - энергетический потенциал аппаратуры, дБ;

ст - потери на стыке строительных длин, дБ;

мки - потери за счет микроизгибов, дБ;

мк - потери за счет макроизгибов, дБ;

F( ) - функция, учитывающая среднеквадратическое отклонение затухания кабеля от среднего значения коэффициента затухания кабеля к, дБ;

Э1,Э2 - линейный (3...10 дБ) и аппаратный (2...7 дБ) энергетические запасы, дБ;

к - среднее значение затухания оптического кабеля (из справочника), дБ/км;

lстр - строительная длина ОК (1...4 км).

После расчета lру необходимо проверить, не превышают ли на расчетном участке дисперсионные искажения сигнала заданных норм. Для этого находят полосу пропускания оптического волокна Fов на уровне 3 дБ и сравнивают ее с полосой сигнала Fс. При этом, дисперсионные искажения отсутствуют если выполняется условие:

,

где д - среднеквадратическое значение дисперсии одного километра ОВ;

- коэффициент, зависящий от типа ОВ:

для ООВ = 1; для ГМОВ = 0,85; для СМОВ = 0,5.

Для ЦВОСП полоса частот сигнала равна тактовой частоте сигнала в ОВ и равна скорости передачи сигнала в ОВ, т.е. Fс = fл = В.

Контрольные вопросы

1. Что собой представляет линейный тракт ВОСП?
2. Как рассчитывается длина регенерационного участка ВОСП?
3. Как проверяется длина регенерационного участка на соответствие дисперсионным нормам?