Реферат: Проектирование передающего устройства одноволоконной оптической системы передачи для городской телефонной сети

1.1.

Особенностью соединительных линий (С.Л) являетсяотносительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей.Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети вкрупнейших городах России свидетельствует, что С.Л протяженностью

до <st1:metricconverter ProductID=«6 км» w:st=«on»>6 км</st1:metricconverter> составляют 65% от всего числа СЛ. Значительныерасстояния между регенерационными пунктами ВОСП дают возможность отказаться от оборудования регенераторов вколодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания(рис1.1).

РАТС РАТС

С.Л

Рис.1.1

— Структура городской телефонной сети

РАТС РАТС

В наиболее общем виде принцип передачи информации вволоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. Напередающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковыйлазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигналмодулирует оптическое излучение источника света, в результате чегоэлектрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптическийсигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качествеФ.Д. используют p-i-nили лавинныйфото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на негооптическое излучение в исходныйэлектрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель(регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Источник

сообщения

Модулятор

Излучатель

Фотодетектор

Получатель

Усилитель

О.В.

Рис.1.2

— Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в <st1:metricconverter ProductID=«1986 г» w:st=«on»>1986 г</st1:metricconverter>. вводом вэксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи набазе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городах сооруженылинии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало- игруппо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В <st1:metricconverter ProductID=«1990 г» w:st=«on»>1990 г</st1:metricconverter>. начат промышленныйвыпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городскихсетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическомукабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или

1,3 мкм. Разработана ВОСП «Сопка-Г», предназначенная дляорганизации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентномуоптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г»выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системетехнического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСПдля городской сети.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависятот скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правилаобъединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временногообъединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит вступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступениобъединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скоростьпередачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы вовторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналовпредыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующиестандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственноёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов),вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов),четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведеннымискоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичнойгруппах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоеныназвания системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этихсигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. Навыходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то естьпреобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того,чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Этопозволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости отстатистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал можетподаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется припомощи аппаратуры электрического стыка.

Аппаратура временного

объединения

Скремблер

Преобразователь кода стыка

Преобразователь кода

Передающий оптический модуль

— Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Аппаратура стыка

Аппаратура оптического линейного тракта

Рис.1.3 <img src="/cache/referats/3061/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1734 _x0000_s1168 _x0000_s1169 _x0000_s1170 _x0000_s1171 _x0000_s1172 _x0000_s1173 _x0000_s1174 _x0000_s1175 _x0000_s1176 _x0000_s1177 _x0000_s1178 _x0000_s1179 _x0000_s1180 _x0000_s1181 _x0000_s1182 _x0000_s1183 _x0000_s1184 _x0000_s1185 _x0000_s1186 _x0000_s1187 _x0000_s1188 _x0000_s1189 _x0000_s1459">

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендуетсвои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMIи т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратурывременного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Кодстыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операциюпреобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которогополучается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателяпередающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системыпередачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрическоголинейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

1.1.1.

Оптическое волокно, как среда передачи, а такжеоптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладываютограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего влинейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСПпомещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная иважная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционнойхарактеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощностилазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, которыйдолжен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ)компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части.Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит отинформационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажалсяв усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотнуюсоставляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противномслучае для реализации оптимального приёма перед решающим устройствомрегенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенногодля восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейноготракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющейсигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковымлазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизированапосредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемоймощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся вовремени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства,компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокоесодержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмникеэта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующегоколебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию темпроще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем большепереходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовойчастоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическомспектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограниченийна передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любойпоследовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможностьобнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качествосвязи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемыйотношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу.Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Этотребование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогдадостаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролироватькачество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кодаоказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малаястоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи длягородской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качествелинейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленныхтребований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования ивозможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосногофильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен нарис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –вкодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4 видно, что для CMI характернозначительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделенияпоследовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеютограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточнопростыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов непревышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачислужебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок10, а также нарушение чередований 11 и 00.

1 0 -1 0 0 0 0 1

Рис.1.4

P

P HDB-3 CMI

— Принцип построения кода СМIиз HDB-3

<img src="/cache/referats/3061/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1716 _x0000_s1190 _x0000_s1191 _x0000_s1192 _x0000_s1193 _x0000_s1194 _x0000_s1195 _x0000_s1196 _x0000_s1197 _x0000_s1198 _x0000_s1199 _x0000_s1200 _x0000_s1201 _x0000_s1202 _x0000_s1203 _x0000_s1204 _x0000_s1205 _x0000_s1206 _x0000_s1207 _x0000_s1208 _x0000_s1209 _x0000_s1210 _x0000_s1211 _x0000_s1212 _x0000_s1213 _x0000_s1214 _x0000_s1215 _x0000_s1216 _x0000_s1217 _x0000_s1218 _x0000_s1219 _x0000_s1220 _x0000_s1221 _x0000_s1222 _x0000_s1223 _x0000_s1224 _x0000_s1225 _x0000_s1226 _x0000_s1227 _x0000_s1453">
1.1.2. ВОСП

Источникисвета волоконно-оптических системпередачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможностьразнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большойсрок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокнос максимальной эффективностью. Для ВОСПпотенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материаломслужит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптическойнакачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождаетсяизлучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности испособность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД,потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, покоторым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всехволоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, вкачестве источников излучения сейчас используются полупроводниковыесветоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малыегабариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральномисполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерныневысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов пооптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлялсветоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме.В течение последующих трех лет появилось второе поколение — одномодовыепередатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третьепоколение передатчиков — диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм.Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптическихпередатчиков, давшее начало когерентным системам связи — то есть системам, вкоторых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такиесистемы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналовпо оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентнуюВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в <st1:metricconverter ProductID=«300 км» w:st=«on»>300 км</st1:metricconverter>, а в лабораториях NTTв начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применениемоптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние <st1:metricconverter ProductID=«2223 км» w:st=«on»>2223 км</st1:metricconverter>.

1.1.3. ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических системпередачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем,как правило, подвергается усилению иобработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектордолжен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не вносядополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью,динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметьмалые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном),большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешнейсреды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленнымтребованиям. Наиболее подходящими среди них для применения вволоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры идостаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФДявляется высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабыхоптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужнажесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация,поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок ичувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее,лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5,«Соната».

1.1.4. ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачиинформации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебанияхоптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможнорасширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинамиволн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов.Световод – это направляющая система для электромагнитных волн оптическогодиапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды,изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Дляконцентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления иполного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси кпериферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна ипокрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешнимдиаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокносостоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешниммеханическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициентрасширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; приотносительном удлинении 0.5 – 1.5% оно ломается. Обрыв волокна происходит всечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности.Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочностьнепокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере.Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельноепроизводство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как иоптические его параметры.

Рис.1.5

n2

— Конструкция оптического волокна

Передача света по любому световоду можетосуществляться в двух режимах:одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при которомраспространяется только одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то всветоводе устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режимазависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величиныпоказателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна,предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовымиоптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называютмногомодовыми.

a

2

n2

2

2

n1

2

0.3

,(1.1)

, гдеl — длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 –показатели преломления материалов световода.

Различают световоды со ступенчатым профилем, укоторых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные — с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра кпериферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды всветоводе зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой.Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искаженияпередаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод вмногомодовом режиме называется модвой дисперсией. Она является весьмасущественной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частяммногими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигналискажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовыйсветовод можно ввести большую мощность.

Рис.1.6

n2

n2

— Показатели преломления ступенчатого

и градиентного оптических волокон

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнениюс другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российскоговолокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяетстроить линии связи длиной до <st1:metricconverter ProductID=«100 км» w:st=«on»>100 км</st1:metricconverter> без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшееволокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. Воптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные»,так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основетаких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через<st1:metricconverter ProductID=«4600 км» w:st=«on»>4600 км</st1:metricconverter>при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сетиотечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре ивосемь волокон. Конструкция ОК-8 приведена на рис.1. 7. Оптические волокна 1(многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2.Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовойэлемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи –полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те жеконструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптическиеконнекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом наподключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связидолжна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны бытьпорядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линийсвязи очень дорогостоящее.

Б.Другой недостаток заключается втом, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потомудорогое, технологическое оборудование.

В.Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабелязатраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от примененияволоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря наперечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используютсядля передачи информации.

Рис.1.7

— Конструкция оптического кабеля ОК

1.2.

Широкое применение на городской телефонной сетиволоконно-оптических систем передачи для организации межузловых соединительныхлиний позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способностисетей. В ближайшие годы потребность вувеличении числа каналов будет продолжать быстро расти. Наиболее доступнымспособом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двухсигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов изавершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП) системпередачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП,работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика иприемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптическихразветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ,а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптическихнесущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько разповысить пропускную способность и соответственно снизить стоимость в расчете на один канало — километр.

Увеличить развязку между противонаправленнымиоптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, аследовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специальногокодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется впаузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшениюдлительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимыхдля развязки сигналов различных направлений. В ВОСП, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевыеволоконно-оптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципуразделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направлениянакачки.

Развязку между опт

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Управление тюнером спутникового телевидения

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Стереотелевизионные системы

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Кодовый замок

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Проект лабораторного стенда по изучению частотного электропривода на базе автономного инвертора напряжения фирмы "OMRON"

29 Августа 2013