1.2. Обобщенная схема оптической системы передачи

На рис. 1.1 представлена обобщенная схема оптической системы передачи, в кото­рой блоками отображены возможные виды оборудования систем передачи.

Мультиплексор — устройство, обеспечивающее объединение нескольких неза­висимых каналов на передаче и их разделение на приеме. Мультиплексор объеди­няет как электрические аналоговые, так и цифровые каналы. Основным аналого­вым каналом является канал тональной частоты со спектром 0,3...3,4 кГц. Могут быть аналоговые каналы и с другими характеристиками, например, типовые: пер­вичные (60...108 кГц), вторичные (312...552 кГц), третичные (812...2044 кГц) и специальные: звуковое вещание в спектре 0,03... 15 кГц; телевизионные в спектре 0,05 кГц...6,5 МГц.

Цифровые каналы также имеют определенные стандарты скоростей передачи данных. Основной цифровой канал 64 кбит/с формируется на основе импульсно-ко- довой модуляции ИКМ (дискретизация тонального сигнала во временном интерва­ле 125 мкс и восьмиразрядное кодирование). Другие цифровые каналы определены следующим образом:

• первичный цифровой канал — 2 048 кбит/с;

• вторичный цифровой канал — 8 448 кбит/с;

• третичный цифровой канал — 34 368 кбит/с;

• четверичный цифровой канал — 139 264 кбит/с [1].

В аналоговых и цифровых каналах могут передаваться информационные сигналы с соответствующим спектром или скоростью передачи данных. Процедуры преобра­зования аналоговых сигналов в цифровые и наоборот подробно обсуждаются в [6, 7].

В оптических системах передачи основное применение получили цифровые мультиплексоры, т.к. образуемые ими групповые сигналы представлены в двоич­ном коде, который придает высокую помехоустойчивость передаваемой информа­ции. Однако, в коротких линиях оптической связи применяются и аналоговые мето­ды мультиплексирования, например, телевизионных каналов для сетей кабельного телевидения [11].

Широкое распространение получили электронные цифровые мультиплексоры технологий PDH, SDH, ATM.

В 2001-2007 годах МСЭ-Т принял ряд новых стандартов на цифровое мультип­лексирование и передачу по волоконным линиям. Это стандарт оптической транс­портной иерархии ОТН и стандарт оптической передачи Ethernet [18, 36-41].

Мультиплексирование также может быть реализовано для оптических каналов (аналоговых и цифровых). Аналоговые оптические мультиплексоры позволяют объединять/делить определенное количество каналов, образованных на различных оптических несущих частотах в окнах прозрачности одномодовых оптических во­локон. Например, в третьем окне прозрачности (1530... 1565 нм) определено место­положение 50 оптических каналов в полосе волн от 1528,77 нм до 1560,61 нм с ин­тервалом не более 2 нм, согласно рекомендации МСЭ-Т G.692. Такой вид мультип­лексирования получил название мультиплексирование с разделением по длине вол­ны — WDM.

Цифровое оптическое мультиплексирование, называемое оптическим мультип­лексированием с разделением по времени OTDM и кодовым делением OCDM, пока не получило широкого распространения из-за ряда технологических проблем реа­лизации оптических мультиплексоров коротких импульсов. Однако OTDM может найти применение в оптических системах передачи с использованием оптических солитонов [8, 10], a OCDM — в пассивных оптических сетях доступа FTTx (PON).

Оптический конвертор, также называемый в литературе и технической доку­ментации оптическим трансивером или медиаконвертором, в системе передачи выполняет главные функции по преобразованию электрических сигналов в оптиче­ские на передаче и оптических в электрические с их регенерацией на приеме (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема оптического конвертора

Преобразователь линейного кода цифрового сигнала формирует сигнал с повы­шенной помехоустойчивостью передачи. Передающий оптический модуль (ПОМ) обеспечивает модуляцию оптического излучения и стык с оптической средой (ат­мосферой или волоконной линией). Приемный оптический модуль (ПрОМ) преоб­разует оптическое излучение в электрический сигнал, производит коррекцию иска­жений, усиление и регенерацию цифрового сигнала. При этом выделяется тактовая частота, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора с целью правильного демультиплексирования каналов.

Функции конвертора полностью контролируются и могут быть управляемыми благодаря встроенным средствам, например, микроконтроллерам.

Современные решения по оптическим конверторам представляют собой инте­грацию функций, т.е. оптические трансиверы выполняются в виде сложных интег­рированных модулей, в которых реализуются функции оптических передатчиков и приемников, мультиплексоров и демультиплексоров электрических и оптических сигналов, контрольные функции оптических и электрических каналов. Такое ис­полнение трансиверов оправдано экономически, т.к. в этом исполнении нет необхо­димости согласовывать разнообразную продукцию различных поставщиков.

Пример структуры модуля оптического трансивера компании Интел представлен на рис. 1.3. В эту структуру включаются следующие электронные и оптические ком­поненты:

• одномодовые лазеры с перестройкой частоты (до 8 или 16);

• модуляторы излучения (электроабсорбционные, электрооптические или Маха- Зендера);

• фотодиоды конструкций p-i-n или лавинные (ЛФД) — APD (Avalanche-Photodiode);

• электронные усилители фототока: трансимпедансные (ТИУ) или интегрирую­щие (ИУ);

• мультиплексоры/демультиплексоры цифровых сигналов с восстановлением тактового синхронизма;

• процессор тестирования и контроллер передачи;

• другие компоненты.

В состав модуля трансивера могут входить до 8 или 16 отдельных трансиверов, выходы которых с оптической стороны могут объединяться и разделяться волновод- ными решетками оптических мультиплексоров/демультиплексоров интегрального исполнения.

В состав системы передачи могут входить оптические усилители ОУс, которые позволяют увеличить мощность одноволнового или многоволнового сигнала на пе­редающей стороне или повысить чувствительность приемника. Оптические усили­тели имеют хорошо согласованные характеристики с оптическими передатчиками, приемниками и волоконно-оптическими линиями.

На протяженных линиях, например, подводных линиях через океаны, возможно использование в составе аппаратуры солитонных блоков, исключающих примене­ние промежуточных регенераторов [8].

Промежуточные станции системы передачи могут быть представлены различ- ными устройствами: электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами; электронными мультиплексорами с доступом к определенному чис­лу каналов; оптическими усилителями, служащими для ретрансляции оптических сигналов, оптическими мультиплексорами с формированием доступа к отдельным оптическим каналам. В состав мультиплексоров промежуточных станций могут входить электрические и оптические кроссовые коммутаторы.

Рис. 1.3. Общая структура трансивера компании Интел

Цифровые оптические системы передачи, как правило, снабжены средствами телеконтроля и управления, что позволяет контролировать работу всех компонен­тов системы передачи и быстро ликвидировать аварийные состояния. Электриче­ские и оптические секции мультиплексирования и регенерации (ретрансляции) оп­ределяются как участки системы передачи с отдельным встроенным контролем и управлением.

Физические среды оптических систем передачи могут быть представлены стек­ловолокном, пластиковым волокном, фотонно-кристаллическим волокном и атмо­сферой [2, 3, 4, 61, 62, 63]. Благодаря очень малым потерям оптической мощности и малым искажениям сигналов основное применение в системах передачи получили стеклянные волоконные световоды, которым в учебной и научной литературе уде­лено очень много внимания [2-5, 8, 10, 59, 60]. Пластиковые и фотонно-кристалли- ческие волокна имеют ограниченное использование и в основном в опытных систе­мах, и их использование в транспортных сетях не замечено. Атмосфера в качестве среды передачи может использоваться на коротких участках (обычно не более 3 км) как альтернатива оптическому кабелю, для которого могут быть сложными ус­ловия прокладки или подвески. При этом достижимая скорость передачи не превы­шает 155 Мбит/с.

Детальное описание оптических компонент (лазеров, фотодетекторов, оптиче­ских усилителей, оптических коммутаторов, компенсаторов дисперсии, модулято­ров оптического излучения, оптических фильтров, линейных кодеров и декодеров, оптических регенераторов 2R и 3R, и т.д.) можно найти в уже перечисленной лите­ратуре, в периодических научных изданиях, в Интернете.