Загальні відомості про волоконно-оптичні системи передачі

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ

Науково-технічний прогрес значною мірою визначається обсягом та швидкістю передачі інформації.

Можливість збільшення обсягів інформації, що передається, найбільш повно реалізується при застосуванні волоконно-оптичних систем передачі (ВОСП), що поряд з такими широко розповсюдженими засобами зв'язку, як супутниковий зв'язок та радіорелейні лінії мають значно більш широку смугу пропускання.

Застосування ВОСП вирішує проблему електромагнітної сумісності, захисту кіл і трактів систем зв'язку від різноманітних впливів.

В усьому світі досягнутий значний прогрес в розвитку волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ).

В останній час знайшли широке застосування оптичні кабелі (ОК) другого покоління, параметри передачі яких оптимізовані для другого та третього вікон прозорості, ці кабелі випускаються вітчизняною промисловістю. На мережах зв'язку України широко використовуються ВОСП для ліній зв'язку всіх ступенів ієрархії: магістральних, зонових, місцевих.

Застосування ВОСП доцільно і економічно ефективно на всіх дільницях Єдиної Національної Мережі Зв'язку України (ЄНМЗУ). Це не тільки підвищує техніко-економічні показники галузі зв'язку, але й забезпечує можливість поетапного переходу до цифрових мереж інтегрального обслуговування.

Особливо актуальне впровадження ВОСП у нинішній час, коли різко скоротилися запаси кольорових металів, особливо міді, внаслідок чого вартість електричних кабелів різко зростає, а вартість оптичних кабелів має тенденцію до зниження.

В Україні ВОСП найбільш широко використовуються для організації з’єднувальних ліній міської телефонної мережі (МТМ) та для зонового зв’язку.

В останній час прийняті рішення, які зобов’язують замовників в разі будівництва магістральних ліній зв’язку використовувати тільки оптичні кабелі.

Вже закінчується будівництво міжнародної ВОЛЗ “Схід”, що проходить по території України. Для цієї ВОЛЗ використовується сучасна система передачі п’ятіркової синхронної цифрової ієрархії.

Волоконно-оптичною системою передачі називається сукупність активних та пасивних пристроїв, призначених для передачі інформації на відстань по оптичних волокнах (ОВ) інакше –волоконних світловодах (ВС) за допомогою оптичних хвиль.

Таким чином, ВОСП -- сукупність оптичних приладів та оптичних ліній передачі для створення, передачі і обробки оптичних сигналів. В цьому разі оптичним сигналом є модульоване оптичне вопромінювання джерела (лазера або світлодіода), що передається по ОВ у вигляді сукупності різноманітних типів оптичних хвиль (мод).

Середовищем передачі у ВОСП є оптичне волокно, а носієм інформації- електромагнітні коливання оптичного діапазону.

Оптичний діапазон на шкалі електромагнітних хвиль охоплює проміжок від 0.4 до 4 мкм (рис.1), що відповідає частотам близько 10¹⁴ Гц .

Рисунок 1 - Шкала електромагнітних хвиль

Для передачі та обробки інформації використовується не тільки видима частина спектра електромагнітних хвиль, але й частина інфрачервоного діапазону.

У системах волоконно-оптичного зв'язку використовується частина ближнього інфрачервоного діапазону з інтервалом довжин хвиль від 0,85 до 1,55 мкм, що визначається властивостями кварцевого скла, в якому існують «вікна прозорості» ВС.

У нинішній час ВОСП, які використовуються у першому вікні прозорості, вже не випускаються, але вони ще знаходяться в експлуатації.

Перспективною є частина ближнього інфрачервоного діапазону (довжина хвилі до 4 мкм), для роботи в якому використовується ВС на основі ербію або цирконію, загасання яких в цьому діапазоні не перевищує (0,02-0,05) дБ/км.

У сучасній техніці зв'язку затвердилися цифрові засоби передачі та обробки інформації.

Переваги цифрових систем передачі (ЦСП) - висока завадозахищеність, нечутливість до нелінійних спотворень, незалежність якості передачі від довжини лінії зв'язку, стабільність параметрів каналу звґязку та ін. призвели до того, що на мережах зв'язку аналогові багатоканальні системи передачі (АСП) витісняються цифровими.

Основний недолік ЦСП у порівнянні з АСП – необхідність застосування широкосмугових направляючих систем стає в цифрових ВОСП несуттєвим, бо загасання ОВ не залежить від частоти модулюючого сигналу, потенційна широкосмуговість ОВ складає десятки гігагерц.

Таким чином, збільшення смуги частот, необхідної для передачі цифрового сигналу, не викликає помітного погіршення техніко-економічних показників цифрових ВОСП, а збільшення довжини дільниці регенерації (ДР) призводить до зниження витрат на будівництво та експлуатацію ліній зв'язку з ВОСП.

У нинішній час для організації зв'язку по волоконно-оптичних лініях перевага віддається ЦСП з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ). Це зумовлено не тільки загальними перевагами ЦСП у порівнянні з АСП, але й особливостями роботи та побудови ВОСП. Ці особливості наступні.

Джерела оптичного випромінювання (ДОВ) мають нелінійні модуляційні характеристики. Це ускладнює виконання вимог щодо припустимих нелінійних спотворень, при невиконанні цих вимог довжина підсилювальної дільниці ВОСП стає майже такою, як і в системах з металевими кабелями (3-6 км).

Для одержання необхідної якості передачі інформації в АСП потрібні спеціальні засоби приймання та обробки оптичних сигналів. ЦСП забезпечують необхідну якість передачі інформації при відношенні сигнал/шум на 30-40 дБ менше, ніж АСП.

Тому реалізація ВОСП з використанням ЦСП значно простіша у порівнянні з АСП.

Розглянемо головні засади організації ВОСП. Як і системи, що використовують традиційні кабелі з мідними провідниками, волоконно-оптичні системи передачі є проводовими, бо сигнали оптичного діапазону передаються по направляючій системі - волоконним світловодам. Тільки середовище передачі та форма сигналів в лінії відрізняють ВОСП від традиційних проводових ліній передачі.

Тому побудова ВОСП аналогічна побудові будь-якої проводової багатоканальної системи передачі, в складі якої є прикінцева та проміжні станції, з'єднані безперервною направляючою системою . На рис. 2 наведена узагальнена структурна схема ВОСП (для одного напрямку передачі).

Ця схема вміщує в собі типову прикінцеву апаратуру багатоканальної системи передачі 1, апаратуру спряження 2, передавальний оптоелектронний модуль (ПОМ) 3, оптичний кабель 4, приймальний оптоелектронний модуль (ПрОМ) 5, електронний регенератор 6.

На передавальній прикінцевій станції А первинні сигнали тональної частоти (ТЧ) надходять на прикінцеву типову апаратуру, де об'єднуються в груповий сигнал, що подається на апаратуру спряження.

В ній електричний сигнал перетворюється у форму, необхідну для передачі по волоконно-оптичному лінійному тракту, тобто формується лінійний сигнал. Після цього в ПОМ здійснюється модуляція потужності оптичної несучої лінійним електричним сигналом і оптичний сигнал надходить в ОК.

При розповсюдженні по кабелю оптичний сигнал послаблюється і спотворюється.

Для збільшення дальності зв'язку через певні відстані вздовж лінії встановлюються проміжні станції (регенератори), що відновлюють форму сигналу і компенсують загасання (послаблення) в лінії.

В сучасних ВОСП у регенераторі проводиться обробка (підсилення, корекція, регенерація) електричного сигналу.

Тому на проміжній станції оптичний сигнал на вході перетворюється в електричний, зворотне перетворення відбувається на виході. Ці перетворення здійснюються в ПрОМ та ПОМ відповідно.

Проводяться розробки оптичних регенераторів на основі лазерних підсилювачів та оптотранзисторів, в яких будуть відсутні проміжні перетворення оптичних сигналів в електричні та навпаки.

На приймальній прикінцевій станції Б здійснюються перетворення оптичного сигналу в електричний, його регенерація, підсилення, відновлення до вигляду первинного сигналу на вході кінцевої станції А.

Відзнака ВОСП від традиційних проводових систем передачі, яка випливає з розглянутої структурної схеми, полягає у тому, що інформація передається за допомогою оптичних сигналів, що супроводжується встановленням спеціальних додаткових приладів (ПОМ та ПрОМ на прикінцевих та проміжних станціях і апаратури спряження на прикінцевих станціях).

Звичайно по одному оптичному кабелю організуються лінійні тракти декількох ВОСП, в цьому разі для одного напрямку кожної ВОСП виділяється одне ОВ, що є еквівалентом двопроводового фізичного кола, таким чином, ВОСП аналогічна односмуговій чотирипроводовій системі передачі з металевим кабелем.

Внаслідок того, що взаємні впливи між окремими ОВ в багатоволоконному ОК практично відсутні, тракти передачі та прийому як однієї, так і декількох систем організуються по одному кабелю, таким чином, ВОСП є однокабельними системами.

При організації двостороннього зв'язку по одному ОК можливі й інші принципи побудови, засновані на засобах оптичного розподілу каналів (спектрального мультиплексування).

Сучасні ВОСП являють собою поєднання оптичного лінійного тракту, який містить ПОМ, ПрОМ, ОК з уніфікованою каналоутворюючою апаратурою та апаратурою групоутворення ЦСП різних ступенів ієрархії. Тому вони мають уніфіковані параметри стику, що дозволяє легко організувати лінії передачі з застосуванням інших середовищ розповсюдження.

Основні характеристики ВОСП визначаються параметрами прикінцевої та проміжної апаратури лінійного тракту і параметрами ОК:

- кількість каналів тональної частоти;

- швидкість передачі (для ЦСП) або смуга частот (для АСП);

- швидкість передачі в оптичному лінійному тракті ;

- лінійний код;

- коефіцієнт помилок (на регенератор);

- енергетичний запас;

- межі автоматичного регулювання підсилення;

- енергетичний потенціал;

- максимальна довжина дільниці регенерації (для означеного загасання ОВ);

- кількість проміжних станцій;

- максимальна довжина лінійного тракту;

- довжина хвилі оптичної несучої;

- згасання оптичного кабелю;

- тип джерела випромінювання;

- тип приймача оптичного випромінювання;

- тип волоконного світловода в ОК;

- рекомендований тип ОК.

Застосування ВОСП не обмежується мережами зв'язку, дослідження в галузі техніки оптичного зв'язку ведуться по ряду перспективних напрямків, розроблені системи передачі оптичного діапазону для застосування в різноманітних галузях науки і техніки.

Знайшли застосування оптичні системи передачі, в яких середовищем розповсюдження є вільний простір.

У відповідності з цим, логічно провести класифікацію оптичних систем у відповідності з їх властивостями, межами застосування і т.ін.

По середовищу розповсюдження оптичні системи поділяються на:

- системи з атмосферним оптичним каналом;

- системи з волоконно-оптичним каналом.

Системи з атмосферним оптичним каналом застосовуються для зв'язку з:

-  рухомими об'єктами в межах прямого бачення,

-  для зв'язку між рухомими апаратами в космічному просторі;

-  в системах лазерного зондування атмосфери;

-  в робототехніці;

-  для релейних вставок оптичного діапазону у волоконно-оптичних лініях зв'язку.

В цих системах використовується інтервал довжин хвиль від 0.4 до 10 мкм, тобто видимий діапазон, ближній і середній інфрачервоний діапазони. В системах з атмосферним оптичним каналом використовується розподіл каналів по довжині хвилі оптичної несучої, просторовий розподіл каналів, розподіл каналів по поляризації.

По галузі застосування ВОСП поділяються на:

- системи для мереж та ліній зв'язку усіх ступенів ієрархії, тобто магістральні, зонові, ВОСП місцевих мереж;

- системи для інформаційно-обчислювальних мереж різноманітних рівнів ієрархії, в тому числі локальних, регіональних, корпоративних,глобальних;

- системи для мереж автоматизованих систем управління;

- системи для мереж екологічного моніторинга;

- системи з волоконно-оптичними давачами;

- системи кабельного телебачення.

ВОСП знайшли застосування у:

-  фазованих антенних гратках;

-  в системах траєкторних вимірювань для визначення місцезнаходження космічних апаратів;

-  в радіотелескопах для організації каналів зв'язку між антенними пристроями, розташованими на значній відстані.

По засобах розподілу каналів ВОСП поділяються на:

- системи з частотним розподілом каналів або аналогові;

- системи з часовим розподілом каналів або цифрові;

- системи зі спектральним розподілом каналів (СРК).

Аналогові ВОСП застосовуються у вимірювальних системах, в яких інформація про стан об'єкта міститься в частоті або фазі електричного сигналу.

Розроблено аналогові ВОСП як з аналоговими, так і з цифровими сигналами в оптичному лінійному тракті.

В останньому випадку первинний аналоговий сигнал перетворюється аналого-цифровим перетворювачем у цифрову форму і в такому вигляді надходить на оптичний передавальний пристрій, цифровий же сигнал на виході приймальної частини перетворюється в аналоговий.

У багатоканальних системах аналогові ВОСП застосування не знайшли, бо нелінійність ват-амперної характеристики випромінювача призводить до появи перехідних завад.

Аналогові ВОСП застосовуються головним чином у кабельному телебаченні, в яких використовується частотно-імпульсна модуляція.

Системи із спектральним розподілом каналів (оптичним мультиплексуванням) є аналогом систем з традиційним частотним розподілом каналів, але розподіл відбувається в оптичному діапазоні.

Для передачі інформації в цих системах використовуються різні оптичні несучі, сукупність яких розповсюджується по одному ОВ. Такі системи дозволяють повніше використати потенційну широкосмуговість ОВ.

По засобу детектування оптичні системи передачі поділяються на:

- системи з прямим детектуванням;

- системи з гетеродинним детектуванням.

В існуючих ВОСП застосовується пряме детектування, гетеродинне приймання використовується в когерентних ВОСП, що знаходяться на стадії експериментальних досліджень, а також у системах з атмосферним оптичним каналом.

Таким чином, логічно зробити висновок про майже необмежені можливості ВОСП.

Ці системи знайшли застосування не тільки в техніці зв'язку, для якої вони спочатку створювалися, але й суміжних галузях.

Дослідження та розробки в техніці волоконно-оптичного зв'язку направлені на:

-  збільшення дальності зв'язку без проміжного підсилення сигналів,

-  засвоєння всього ближнього інфрачервоного діапазону,

-  створення систем с безпосереднім підсиленням оптичного сигналу,

-  створення пристроїв оптичної обробки сигналів.