Основы построения телекоммуникационных систем и сетей |
Глава 7. Проводные линии передачи ВСС |
7.1. Принципы построения проводной системы передачи
Проводной системой передачи ВСС называется система передачи,
в которой сигналы электросвязи распространяются в пространстве вдоль непрерывной
направляющей среды. Проводной системе передачи присваивается название в зависимости
от типа направляющей среды, например, кабельная, волноводная, световодная.
В кабельных системах передачи в настоящее время используются кабели, состоящие
из нескольких симметричных пар, - симметричные кабели, или из нескольких коаксиальных
пар – коаксиальные кабели. Упрощенная функциональная схема кабельной системы
передачи приведена на рис.7.1.
Рис. 7.1. Функциональная схема кабельной системы передачи
Совокупность всех преобразований, необходимых для получения
из n исходных сигналов единого группового сигнала, осуществляется в
каналообразующей аппаратуре (КОА). Усилитель передачи (УП) обеспечивает необходимую
мощность группового сигнала на входе кабеля. Линейные усилители (ЛУ) компенсируют
потери мощности сигнала на участках линии, прилегающих к ним. Они устанавливаются
на усилительных пунктах, которые в большинстве своем необслуживаемые (НУП).
Длина одного усилительного участка определяется видом системы передачи, маркой
кабеля и не превышает, как правило, нескольких километров. Кабельные системы
передачи позволяют организовать стандартные и универсальные по своему назначению
каналы ТЧ, каналы передачи телевизионных сигналов, а также каналы передачи
сигналов звукового вещания.
Структурная схема кабельной системы передачи с ВРК будет отличаться от рассмотренной
на рис.7.1 тем, что вместо ЛУ используются регенераторы, т.е. устройства,
осуществляющие восстановление параметров дискретных (импульсных) сигналов
электросвязи.
Будущее принадлежит системам передачи с ВРК. Достоинства систем передачи с
ВРК по сравнению с системами передачи с ЧРК следующие: большая дальность передачи,
более высокая защищенность от помех, возможность ввода и скоростной обработки
сигналов с помощью ЭВМ, автоматизация процесса передачи. Недостаток – потребность
в более широкой полосе частот (в среднем 50 кГц на один канал ТЧ вместо 4
кГц в системах передачи с ЧРК). В течение длительного промежутка времени системы
передачи с ВРК будут сосуществовать с системами передачи с ЧРК.
7.2. Кабельные линии передачи ВСС
На сетях электросвязи в настоящее время применяется большое количество
различных кабелей. Современные кабели связи классифицируются по ряду признаков.
По области
применения различаются кабели: магистральные, зоновые,
местные.
По месту
прокладки кабели бывают: подземные, подводные, воздушной подвески и кабели,
прокладываемые в специальных канализациях.
По конструкции и взаимному расположению проводников кабели подразделяются
на симметричные и коаксиальные.
Основными
элементами кабелей связи являются токопроводящие жилы. Они должны обладать
определенными свойствами, основными из которых являются: высокая электрическая
проводимость, гибкость и добавочная механическая прочность. Этим требованиям
удовлетворяет медь (Cu) и алюминий (Al).
Для изготовления проводников используется специальная отожженная мягкая медь,
обладающая малым удельным сопротивлением. Алюминий имеет большее, чем медь,
удельное сопротивление, поэтому алюминиевые проводники имеют большее поперечное
сечение. Малый удельный вес и высокая механическая прочность алюминиевых проводников
обеспечивают им широкое применение в кабельной технике.
Чаще всего проводники представляют собой сплошную цилиндрическую проволоку
разного диаметра. На городских сетях наиболее широко применяются кабели с
медными жилами диаметром 0,5 мм, а для междугородной связи – с жилами диаметром
1,2 мм. Алюминиевые жилы имеют диаметр в 1,28 раза больший по сравнению с
медными. Наряду со сплошными используются проводники более сложной конструкции.
Токопроводящие жилы, состоящие из нескольких скрученных проволок, придают
кабелям повышенную гибкость и механическую прочность.
Коаксиальный
кабель образуется также двумя цилиндрическими жилами (рис.7.2). Одна жила
представляет собой сплошной цилиндрический провод, а вторая – полый цилиндр.
Причем первый провод располагается концентрически внутри второго. Оба проводника
изготавливаются из меди (Cu).
Токопроводящие жилы коаксиального кабеля должны быть надежно изолированы друг
от друга. Изоляционные материалы должны обладать высокими и стабильными во
времени электрическими характеристиками, быть жесткими и механически прочными.
Кабельная изоляция, как правило, является комбинированной, содержащей воздух и
твердый диэлектрик. В качестве твердых диэлектриков в кабельной технике широко
применяются различные пластмассы: полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол,
фторопласт. Изоляция может быть сплошной или шайбовой. Шайбовая изоляция выполняется
в виде шайб из твердого диэлектрика, насаживаемых на цилиндрический провод
через определенные промежутки.
Рис. 7.2.
Конструкция коаксиального кабеля
Коаксиальные пары классифицируются на большие, средние, малогабаритные
и микрокоаксиальные. Большие пары имеют внутренний проводник диаметром 7 мм,
а внешний – 27 мм, средние пары соответственно – 2,6 и 9,4 мм, малогабаритные
– 1,2 и 4,6 мм, а микрокоаксиальные пары имеют диаметры 0,7 и 2,9 мм.
В системах связи используются комбинированные кабели, состоящие из 4, 6 и
8 коаксиальных пар, например, кабели типа КМ-4 и КМ-8/6. Для примера рассмотрим
конструкцию комбинированного кабеля КМ-4 (рис.7.3). Данный кабель содержит
четыре коаксиальных пары с диаметрами 2,6/9,4 мм и пять звездных четверок
диаметром 0,9 мм. Конструктивно кабель может иметь различные бронепокрытия.
Две диаметрально расположенные коаксиальные пары служат обычно для многоканальной
телефонной связи, а вторые две пары – для передачи телевизионных сигналов.
По звездным четверкам организуются телефонные каналы.
Рис. 7.3. Конструкция комбинированного кабеля
КМ-4
Кабель КМ-8/6, который широко применяется на междугородних линиях связи, имеет восемь средних и шесть малогабаритных коаксиальных пар, одну четверку (четыре одиночные жилы, сосредоточенные в центре кабеля), восемь симметричных пар и шесть отдельных жил. Средние коаксиальные пары используются для организации телефонных и телевизионных каналов. По малогабаритным коаксиальным парам обеспечивается передача телефонных сообщений. Симметричные цепи и одиночные жилы используются для служебной связи и сигнализации по магистрали.
7.3. Электрические характеристики кабельных линий передачи
Распространение электромагнитной энергии вдоль кабеля является
сложным процессом, охватывающим токопроводящие провода и изоляцию, который
сопровождается потерями. Например, часть передаваемой энергии сигнала поглощается
проводами, превращаясь в тепловую энергию, другая часть рассеивается через
изолирующие материалы. В результате энергия передаваемых сигналов изменяется
прямо пропорционально расстоянию передачи, т.е. длине кабеля.
Электрические
свойства кабелей характеризуются совокупностью первичных и вторичных
параметров. К первичным параметрам относятся: активное сопротивление R, емкость C,
проводимость изоляции G и индуктивность L.
Вторичными параметрами кабеля являются: коэффициент
затухания a, волновое сопротивление zв и др. Первичные параметры распределены по длине и
подсчитываются для одного километра кабеля.
Активное
сопротивление R кабеля складывается из
нескольких составляющих:
R = R0 + Rпэ + Rбл + Rм,
где R0 - сопротивление постоянному току; Rпэ - сопротивление
за счет поверхностного эффекта; Rбл - сопротивление за счет эффекта
близости; Rм - сопротивление, обусловленное потерями в окружающих
металлических массах.
Поверхностной эффект обусловлен действием электромагнитной волны, распространяющейся
вдоль провода. Оно приводит к тому, что плотность тока по сечению проводника
становится различной: в центре проводника она мала, а к поверхности возрастает.
Поверхностный эффект проявляется в большей степени с увеличением частоты переменного
тока, магнитной проницаемости и проводимости проводника. При достаточно высокой
частоте ток протекает лишь на поверхности проводника, что вызывает увеличение
его активного сопротивления (рис.7.4).
Рис. 7.4.
Проявление поверхностного эффекта
Эффект близости вызывается взаимодействием внешних полей (рис.
7.5). Если по двум соседним проводникам токи протекают в одном направлении,
то увеличивается плотность тока на удаленных друг от друга участках поверхности
проводников (рис.7.5, а). В случае протекания тока по двум соседним проводникам
в разных направлениях происходит увеличение плотности тока на участках сближения
за счет уменьшения плотности тока на взаимно удаленных поверхностях проводов
(рис.7.5, б).
Под действием электромагнитного поля на металлических массах, окружающих проводник,
наводятся так называемые вихревые токи, на что тратится часть энергии сигнала.
Поэтому наличие металлических масс рядом с проводником приводит к изменению
активного сопротивления. Все эти явления имеют место как в симметричных, так
и в коаксиальных кабелях.
Емкость
кабеля C аналогична емкости
конденсатора, где роль обкладок выполняют проводники, а диэлектриком служит
расположенный между ними изоляционный материал или воздух. Например,
коаксиальная пара аналогична цилиндрическому конденсатору.
Проводимость
изоляции G обуславливается двумя
факторами: диэлектрическими потерями при переменном токе и несовершенством
изоляции при постоянном токе. Диэлектрические потери возникают из-за того, что
под действием переменного электрического поля в диэлектрике происходит
переполяризация (перемещение зарядов), на что теряется часть энергии сигнала. Проводимость изоляции приводит
к утечкам, т.е. к потерям энергии сигнала.
Рис.
7.5. Схема проявления эффекта близости:
а) ток по соседним проводникам протекает в одном направлении;
б) ток по соседним проводникам протекает в разных направлениях
Любая электрическая цепь, в том числе и цепь, образованная
кабельными парами, обладает определенной индуктивностью L, которая
характеризует способность сигнала создавать определенное магнитное поле вокруг
цепи и зависит от расстояния между проводами цепи, диаметра проводов и магнитных
свойств материалов проводов.
Эквивалентная схема одного километра кабеля представлена на рис. 7.6. При
прохождении сигнала на R и L происходит падение напряжения,
а через G и C – утечка тока. В результате на каждом км кабеля
сигнал ослабляется, т.е. затухает. С увеличением частоты передаваемого сигнала
ослабление возрастает.
Рис. 7.6.
Эквивалентная схема одного км кабеля
Удобнее сравнить разные типы кабеля по вторичным параметрам a и zв, которые зависят от всех первичных параметров и частоты передаваемого сигнала (рис.7.7).
Рис. 7.7. Частотные зависимости
вторичных параметров кабеля
Километрический коэффициент a - это величина, характеризующая ослабление сигнала в цепи. Волновое сопротивление zв представляет собой сопротивление, которое испытывает электромагнитная волна, несущая сигнал. Оно показывает способность линии принять от передатчика сигнала определенную мощность. Та цепь лучше, которая способна брать от передатчика больше мощности, а терять меньше.
7.4. Волноводные линии передачи
Передача сигналов электросвязи, занимающих конкретную полосу
частот, например, одновременная передача большого числа телевизионных сигналов
привела к необходимости разработки специальных широкополосных направляющих
сред. Одной из таких сред является волновод.
Эксперименты по организации широкополосной связи с использованием волноводов
начались с освоением миллиметрового диапазона электромагнитных волн. Для передачи
сигналов электросвязи на значительные расстояния наиболее пригодным оказался
круглый волновод. Объясняется это характерной особенностью структуры электромагнитного
поля в круглом волноводе. При R>>l (где R – радиус волновода,
а l - длина волны электромагнитных колебаний) ослабление электромагнитных
волн оказывается незначительным.
Конструкция реального круглого волновода представляет собой полую цельнометаллическую
трубу с толщиной стенок примерно 3 мм, покрытую внутри слоем меди толщиной
20 мкм и тонкой диэлектрической пленкой. Снаружи наносится пластмассовая оболочка.
Стальная труба обеспечивает механическую прочность и жесткость конструкции.
Медное внутреннее покрытие уменьшает потери за счет токов в стенках волновода.
Внутренняя диэлектрическая пленка ослабляет паразитные типы волн, возникающие
в электромагнитном поле. По круглому волноводу диаметром 40 60 мм могут распространяться электромагнитные
волны в диапазоне 30
100 ГГц. В качестве КОА в волноводных системах
передачи применяется аппаратура с ВРК. Достоинствами волноводов являются относительная
простота конструкции, широкополосность, полная экранировка поля, значительная
длина усилительного участка.
Волноводам
присущи следующие недостатки, ограничивающие возможность их практического
использования: передача сигналов электросвязи может вестись только в диапазоне
миллиметровых волн, так как на более длинных волнах требуются волноводы
большого поперечного сечения; исключительно жесткие требования к прокладке и
монтажу волноводных линий.
Как в России, так и за рубежом были построены и испытаны экспериментальные
волноводные системы передачи на линиях протяженностью от 5 до 30 км. Например,
созданная и испытанная в нашей стране волноводная линия длиной 14 км допускает
возможность организации 300 тысяч каналов ТЧ.
Несмотря на то, что все основные принципиальные научно-технические вопросы
создания волноводных систем передачи решены, они не внедряются на сетях ВСС
из-за присущих им недостатков. Объясняется это тем, что, во-первых, изготовление,
сборка, прокладка волноводов большой протяженности очень сложные и трудоемкие
операции. Во-вторых, появились очень перспективные световодные системы передачи,
с которыми волноводные системы передачи не могут конкурировать по технико-экономическим
показателям.
Волноводы
прямоугольного сечения широко используются в качестве фидеров в сантиметровом
диапазоне волн.
Принципиальное решение задачи уменьшения потерь при передаче
электрических сигналов связано с созданием сверхпроводящих кабелей. При конструировании
этих кабелей используется сложное физическое явление сверхпроводимости металлов.
Суть этого явления состоит в том, что ряд металлов и сплавов, будучи охлажденными
до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273 С), имеют ничтожно малые сопротивления
электрическому току. Такими свойствами обладают ниобий, свинец, тантал, ртуть,
олово, алюминий. Например, у меди сверхпроводимость не наблюдается.
Сопротивления сверхпроводников при температурах, близких к абсолютному нулю,
меньше сопротивления меди при температуре 20 С примерно в 1017 раз. Такое
соотношение сопротивлений имеет место при постоянном токе. На высоких частотах
сопротивление сверхпроводников возрастает, но все-таки имеет весьма низкое
значение вплоть до частоты 1 ГГц.
По конструкции сверхпроводящие кабели выполняются коаксиальными (рис.7.8).
Внутренний проводник изготавливается из ниобия, внешний из свинца, а изоляция
из фторопласта. Сверхпроводящий кабель помещается в трубопровод из нержавеющей
стали, меди или алюминия с теплоизолирующим покрытием. По трубопроводу прокачивается
хладоагент – жидкий или газообразный азот, водород или гелий, создающий нужную
низкую температуру. Для обеспечения прокачки хладоагента через каждые 10…20
км сверхпроводящего кабеля устанавливаются криогенные станции.
В настоящее время ведутся работы по созданию комбинированных сверхпроводящих
кабелей для линий электропередачи и электросвязи, что позволит резко сократить
расходы на строительство магистралей. Основное достоинство сверхпроводящего
кабеля состоит в малом затухании передаваемых по нему сигналов. Затухание
охлажденного кабеля по сравнению с симметричным меньше в 108 раз
при частоте 1 кГц, в 106 раз при 1 МГц и 104 раз при
1 ГГц. Это позволяет организовать передачу сигналов электросвязи на большие
расстояния без промежуточного усиления. Весьма существенно и свойство повышенной
защищенности от внешних помех. К недостаткам сверхпроводящего кабеля относится
необходимость иметь криогенные станции, стоимость которых высока. В целом
затраты на сооружение сверхпроводящей магистральной линии передачи значительно
превышают затраты на обычные кабельные линии.
Рис. 7.8. Конструкция сверхпроводящего
кабеля:
1 – пластмассовая оболочка; 2 – гелиевое заполнение; 3 – стальные трубы; 4 –
коаксиальные пары; 5 – держатели
7.6. Волоконнооптические системы передачи
7.6.1. Основные типы оптических волокон
Особый интерес представляют направляющие среды, по которым сигналы электросвязи
передаются в оптическом диапазоне частот (1014
1015 Гц). Конструктивно направляющая среда в этом случае представляет собой двух
или многослойные оптические волокна. Если луч света направить на входной торец
волокна под углом θ > θ0,
где θ0 - критический угол, то падающие лучи будут распространяться внутри сердечника
волокна (рис.7.9). При этом оптическая плотность сердечника оптического волокна
должна быть больше, чем у оболочки при условии, что коэффициенты преломления
соответствуют неравенству n1 > n2.
Рис. 7.9. Схема распространения света в
оптическом волокне
В
зависимости от соотношения между диаметром стекловолокна и длиной волны
светового излучения l в световодной линии может распространяться одна волна (одномодовый режим)
или одновременно много типов волн (многомодовый режим). Для обеспечения одномодового
режима диаметр волокна должен быть порядка 6 мкм. Диаметр сердцевины в многомодовой световодной линии
составляет 50100 мкм. Многомодовые волокна легче
изготовить, в них легче ввести оптическое излучение, проще осуществляется
соединение волокон друг с другом. Основным недостатком многомодовых
волокон является ограничение скорости передачи цифровой информации, вызванное
явлением дисперсии, которая проявляется в искажении формы прямоугольных
импульсов. Предельная скорость передачи информации по ним составляет 20
Мбит/с. Зато по одномодовым оптическим волокнам
можно передавать информацию со скоростью 100 Гбит/с.
Для того, чтобы реализовать достоинства многомодовых волокон и в то же время
повысить скорость передачи информации по ним, предложено оптические волокна
делать не ступенчатыми, а градиентными – с плавным изменением показателя преломления
сердечника от одного края до другого. Такое техническое решение позволяет
выровнять время хода различных лучей и уменьшить дисперсию («размывание»)
световых импульсов. Скорость передачи по градиентным волокнам возрастает по
сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т.е. до 2 Гбит/с.
Реальные
конструкции оптических кабелей состоят из большого числа оптических волокон.
Оптические кабели связи имеют существенные преимущества по сравнению с кабелями
других конструкций и волноводами:
Недостатки волоконно-оптической технологии:
1. Необходимы оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими
потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления
таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения,
то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство
таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
2. Для монтажа оптических волокон требуется дорогое
технологическое оборудование.
3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического
кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями
7.6.2. Принципы построения ВОСП
Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 году
вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы
передачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городах
сооружены линии связи.
На
ГТС ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для которых
характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от оборудования
регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконнооптические системы
передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ,
что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для
работы по оптическому кабелю.
Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта
зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МСЭ установлены правила
объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного
объединения цифровых сигналов электросвязи.
Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой
временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой
сигнал обрабатывается скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения
скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам
случайного сигнала (рис. 7.10). Это позволяет
достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств
источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой
цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического
стыка.
Для каждой иерархической скорости МСЭ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и так далее. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.
Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные
компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие
требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому
между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь
кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор
кода влияет, во-первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная
зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости
использования двухуровневых кодов.
Во-вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание
низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр
содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического
спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода.
Для того чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника
желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического
спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма
перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного
устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет
оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения
низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность,
излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и
может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи
(ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда
отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется
вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.
В-третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом
синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется
для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для
управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию
тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем
больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой
частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является
сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой
частоте.
В-четвертых, код не должен накладывать каких-либо ограничений на передаваемое
сообщение и должен обеспечивать однозначную передачу любой последовательности
нулей и единиц.
В-пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок.
Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления
ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества
неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо
производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование
кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил
формирования кода, чтобы контролировать качество связи.
Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота
реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного
тракта.
В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети
ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется
код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов,
контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом
символов не превышает двух-трех, что положительно сказывается на устойчивости
работы ВОСП.
Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности
выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра.
Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.7.11).
Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 – в кодовое слово
00, символ 0 - в 01. Из рис.7.11. видно, что для CMI характерно значительное
число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности
тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение.
Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами.
Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух-трех.
Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов.
Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение
чередований 11 и 00.
Рис. 7.11. Принцип построения кода CMI из HDB-3
7.6.4. Функциональные элементы ВОСП
Источники оптического излучения, фотоприёмники ВОСП. Источники
света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной
мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь
малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность
ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП
потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом
служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической
накачкой (например, СИД – светоизлучающий диод), у которого основной лазерный
переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма
направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем
шума являются достоинствами данного типа источников. Однако большие габариты,
малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами,
по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во
всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение,
в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие
диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет
выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того,
для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота
обеспечения модуляции.
Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено
в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий
на длине волны 0,85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех
лет появилось второе поколение – одномодовые передатчики, работающие на длине
волны 1,3 мкм. В 1982 году появилось третье поколение передатчиков – диодные
лазеры, работающие на длине волны 1,55 мкм. Исследования продолжались, и вот
появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным
системам связи – то есть системам, в которых информация передается модуляцией
частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают большую дальность
распространения сигналов по оптическому волокну.
Детекторы ВОСП. Функция детектора волоконно-оптических систем передачи
сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как
правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный
для этой цели фотодетектор (ФД) должен воспроизводить форму принимаемого оптического
сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью,
динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, ФД должен иметь малые
размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой
срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды.
Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям.
Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах
передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД).
Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами.
Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать
чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах
слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов
нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация,
поскольку коэффициент лавинного умножения, а, следовательно, фототок и чувствительность
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».
Оптические кабели ВОСП. Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи
информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического
диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0,8 до 1,6
мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение
рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5
до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Практическое
значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного
диэлектрика: стекла или полимера.
Оптические
волокна (ОВ) имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание
светового сигнала в волокне.
На
сегодняшний день для городской телефонной сети отечественной промышленностью
выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон.
Оптический передатчик. На рис.7.12 представлена структурная схема оптического
передатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПК преобразует
стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на
модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического
модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности
и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода.
Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает
в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается
в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала
используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2
подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода,
отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем
УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается
петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению
ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. Для уменьшения температурной
зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термокомпенсации
(СТК), поддерживающая внутри ПОМ постоянную температуру с заданным отклонением
от номинального значения.
Рис. 7.12.
Структурная схема оптического передатчика
Оптический приемник. Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.7.13. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.
Рис. 7.13.
Структурная схема оптического приёмника
7.6.5. Системы спектрального уплотнения оптических каналов
Технологии
спектрального WDM (Wavelength Division Multiplexing) и
плотного спектрального уплотнения и разделения DWDM (Deuse Wavelength Division
Multiplexing) оптических каналов являются сравнительно новыми для
построения высокоскоростных магистральных линий и оптических сетей связи.
Физико-технические основы спектрального уплотнения оптических каналов для
систем передачи и обработки информации были разработаны в 1970-1980 гг. В
настоящее время системы WDM/DWDM являются
основой для построения полностью оптических транспортных сетей, и для цифровых
систем передачи (ЦСП) с временным разделением каналов (TDM), таких, например, как ЦСП синхронной цифровой
иерархии (SDH).
Использование новых достижений в технологии TDM позволило увеличить пропускную
способность ВОЛС до 10 Гбит/с и выше. Однако, скорость передачи в 10 Гбит/с
в некотором роде разграничивает ЦСП типа TDM. Выше этой скорости хроматическая
и поляризационная модовая дисперсия оптических волокон начинают существенно
влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при построении
магистральных ВОЛС.
Так,
из-за влияния хроматической дисперсии оптического волокна при увеличении
скорости передачи в ЦСП SDH (с лазером с
шириной спектра не более 0,1 нм) от 2,5 Гбит/с (уровень STM-16) до 10 Гбит/с (STM-16) максимально
возможная протяженность ВОЛС уменьшается в 16 раз. При этом для стандартного ступенчатого одномодового ОВ
максимальная дальность передачи со скоростью 10 Гбит/с без компенсации и коррекции дисперсии обычно не
превышает 50…75 км.
В технологии WDM нет многих ограничений и трудностей, свойственных технологии
TDM. Для повышения пропускной способности линии связи вместо увеличения скорости
передачи в оптическом канале, как это делается в системах TDM, системы WDM
позволяют увеличить число каналов (в данном случае – длин волн), применяемых
в системах передачи. При этом в определенных случаях технология WDM позволяет
увеличить пропускную способность существующей сети без дорогостоящей замены
оптического кабеля.
Технология WDM/DWDM применяется в основном на магистральных линиях связи большой
протяженности, т.е. там, где требуется большая полоса пропускания. Сети городского
и регионального масштаба, а также системы кабельного телевидения потенциально
открывают широкие возможности для применения технологии WDM/DWDM.
Возможности систем DWDM настолько велики, что позволяют говорить о достижении
суммарной пропускной способности в одном ОВ на уровне до 10 Тбит/с и выше.
В системе WDM/DWDM сигналы разных длин волн, генерируемые несколькими оптическими
передатчиками, объединяются мультиплексором в многочастотный составной оптический
сигнал, который распространяется далее по одномодовому ОВ. При большой протяженности
ВОЛС в ней устанавливаются один или несколько оптических усилителей (ОУ).
Демультиплексор выделяет из составного оптического сигнала исходные частотные
каналы и направляет их на соответствующие фотоприемники.
На промежуточных узлах в линии или сети связи некоторые оптические каналы
могут быть добавлены или выделены из составного оптического сигнала посредством
оптических мультиплексоров ввода/вывода (OMBB/OADM – Optical Add/Drop Multiplexer).
В системах WDM/DWDM применяют вполне определенные диапазоны длин волн оптического
излучения в пределах стандартизованных МСЭ диапазонов для различных видов
стандартных одномодовых волокон (таблица 7.1).
Технология DWDM, в отличие от WDM, в которой обычно используются окна прозрачности
ОВ на длинах волн 1310 нм и 1550 нм (О- и С- диапазоны соответственно) или
дополнительно область в окрестности длины волны 1650 нм (V- диапазон), присущи
две важные особенности:
- использование только одного окна прозрачности ОВ в пределах
области длин волн 1530…1565 нм (С - диапазон), соответствующей максимальному
усилению волоконных ОУ, легированных ионами эрбия;
- малый интервал по длине волны между мультиплексируемыми оптическими каналами,
обычно равный 3,2/ 1,2/ 0,8 или 0,4 нм.
Именно эти особенности систем DWDM с учетом применения специально
разработанных одномодовых ОВ, ОУ, устройств компенсации дисперсии и современных
ЦСП SDH обеспечивают максимально высокую полосу пропускания и предельную дальность
передачи для систем спектрального уплотнения оптических каналов в высокоскоростных
сетях связи.
Пропускную способность оптических линий на основе систем WDM/DWDM можно наращивать
постепенно, добавляя по мере развития сети новые оптические каналы. Применение
волоконных ОУ позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка
сигнала электронными компонентами происходит только в начальной и конечной
точках сети.
Таблица 7.1. Спектральные диапазоны длин волн для одномодовых ОВ на основе плавленого кварца
Обозначение | Наименование | Диапазон длин волн, нм |
O-диапазон | Основной | 1260 - 1360 |
E-диапазон | Расширенный | 1360 – 1460 |
S-диапазон | Коротковолновый | 1460 – 1530 |
C-диапазон | Стандартный | 1530– 1565 |
L-диапазон | Длинноволновый | 1565 – 1625 |
U-диапазон | Сверхдлинноволновый | 1625 – 1675 |
В общем случае система WDM/DWDM состоит из нескольких оптических передатчиков,
оптического мультиплексора, одного или нескольких ОУ (обычно это ОУ на основе
волокна, легированного ионами эрбия – EDFA – Erbium Doped Fiber Amplifier),
аппаратуры ЦСП SDH, волоконной линии связи, оптического демультиплексора и
соответствующего числа фотоприемников, а также дополнительного электронного
оборудования и системы управления сетью.
В системах WDM/DWDM в качестве источников излучения
применяют высокостабильные одномодовые полупроводниковые лазеры со сверхузкой спектральной линией
генерации и внутренней или внешней модуляцией оптической несущей частоты.
7.7. Перспективы развития проводных линий передачи
Проводные
линии передачи следует сравнивать по ряду показателей: широкополосности,
затуханию, защищенности от помех и стоимости. Очень часто используется специальный
параметр: стоимость канала, приведенная к одному км линии связи, которая снижается
с увеличением емкости системы передачи.
Емкость проводных систем передачи во
многом определяется типом направляющей
среды.
Данные
таблицы 7.2 показывают, какое число каналов ТЧ можно организовать по той или
иной линии передачи.
Таблица 7.2. Емкость современных систем передачи
Направляющая среда | Емкость, каналы ТЧ |
Воздушные линии | 10 |
Симметричный кабель | 100 |
Коаксиальный и сверхпроводящий кабели | 10000 |
Волновод | 100000 |
Световод (оптический кабель) | 1000000 |
Частотная зависимость затухания различных линий передачи иллюстрируется рисунком 7.14.
Рис. 7.14. Частотная
зависимость затухания линий передачи
Анализ рисунка 7.14 позволяет сделать следующие выводы:
Кабельные системы передачи на обозримую перспективу будут широко применяться на магистральной
и зоновой сетях ВСС. Преимущественное применение получают оптические кабели, которые внедряются как на
магистральных сетях, так и на местных сетях для создания соединительных линий между АТС.
Технологические
трудности прокладки и эксплуатации волноводных линий ставит под сомнение перспективность их применения на
магистральных линиях передачи, для которых они разрабатывались.
Системы передачи с использованием
сверхпроводящих кабелей появятся в более отдаленной перспективе для использования в том же диапазоне частот и
на то же число каналов, что и коаксиальные кабели на магистральных линиях большой протяженности без промежуточных
усилителей.
Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что,
несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи
информации. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет расти. Наиболее доступным способом
увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов
в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят применение одноволоконные ВОСП с
оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением.
1. Назовите принципы построения кабельной системы передачи.
2. Каковы преимущества системы передачи с ВРК по сравнению с системами передачи с ЧРК?
3. Назовите основные типы кабелей.
4. Какие комбинированные кабели используются в системах связи?
5. Назовите основные электрические характеристики кабельных линий передачи.
6. Что представляет собой конструкция круглого волновода?
7. Достоинства и недостатки волноводов?
8. Объясните суть явления сверхпроводимости металлов?
9. Достоинство и недостатки сверхпроводящих кабелей?
10. Назовите типы оптических волокон.
11. Для чего между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода?
12. Что влияет на выбор кода оптической системы передачи?
13. Принцип построения кода CMI?
14. Какие типы источников излучения используются в ВОСП?
15. Перечислите достоинства лавинных фотодиодов.
16. Недостатки волоконно-оптической технологии.
17. Для чего в оптическом передатчике вводится отрицательная обратная связь?
18. Поясните принцип работы оптического приемника.
19. Где применяется технология WDM/DWDM?
20. Особенности технологии DWDM.
назад | содержание | вперёд