Учебное пособие по дисциплине СиСПИ
.pdfпакеты не принимаются, поиск продолжается до попадания пакетов в окно.
Во втором случае закодированная часть ФМ сигнала возвращается с целью получения приблизительного результата.
В процессе точного поиска периодически производится сравнение на каждом кадре переданного и принятого сигналов.
5) Определение дальности + предсказание.
Благодаря предсказуемости орбиты, при соответствующем учете особенностей распространения, проблему синхронизации можно свести к точному определению дальности от станции до спутника и предсказанию дальности на будущее время. Принцип синхронизации: на станции, осуществляющей доступ, поданным предсказанной дальности генерируется пакет, поступающий на спутник в заданный временной интервал.
Построение системы МДВУ этого класса непосредственно по описанному принципу потребовало бы, чтобы каждая станция независимо определяла расстояние до спутника. Необходима взаимная синхронизация всех станций с помощью предоставленного канала ретранслятора, используется опорный пакет и соответствующее управление; класс систем с автоматической синхронизацией удалось усовершенствовать настолько, что определение дальности и предсказания оказались не нужными. Связь между способами автоматической синхронизации и способом определения дальности с предсказанием очевидна: главное отличие состоит в том, что в системах определения дальности с предсказанием собирается достаточное количество информации о дальности с целью обеспечения пассивной синхронизации станций относительно спутника, называется также синхронизацией с разомкнутым кольцом.
а) Централизованная синхронизация и определение даль-
ности.
Производятся лишь необходимые измерения задержек с числом станций, участвующих в измерениях дальностей, не менее трех. Полученная информация предоставляется всем стан-
220
циям. Каждая станция синхронизируется модулированным синхропакетом, демодулирует данные и использует информацию о собственных координатах для обеспечения точной синхронизации.
б) Предсказание орбиты.
Представляется возможным предсказание орбиты по последним значениям орбитальных параметров для обеспечения синхронизации с заданной точностью.
Пример: система CENSAR (Канада).
Центральная управляющая станция передает необходимую информацию о задержках в каналах и скоростях, о временных положениях кадров и информационных символов, о состоянии управления, а также команды управления. Скорость передачи 500 бит/с. Каждая станция измерения дальности передает измерительный пакет в момент времени, задаваемый центральной станцией управления, которая в свою очередь производит измерение полной задержки и соответствующим образом корректирует данные управления. Длительности защитных интервалов могут быть меньше длительности двух символов.
6) Грубая синхронизация.
Под действием различных сил ИСЗ (геостационарный) движется в большом объеме пространства, причем движение сопровождается дрейфом со случайными возмущениями. В редких случаях коррекции положения спутнику придают небольшое ускорение. Без слежения за этими возмущениями возможна лишь грубая синхронизация, обеспечивающая точность около 5 мкс; метод неприменим для эффективных систем МДВУ. Но метод используется в военных и морских системах МДВУ.
В будущем в системах МДВУ, предназначение только для передачи цифровых потоков информации, можно будет использовать очень длинные кадры порядка 200 мкс. В таких системах даже при использовании грубой синхронизации и больших защитных интервалов кадровая эффективность будет высокой.
221
3.5.8 Методы вхождения в синхронизм.
Вхождение в синхронизм может сочетаться с любым методом синхронизации. Сигналы для вхождения в синхронизм могут иметь высокий или низкий уровень.
1) Случайный доступ.
Не защищает от наложений пакетов. Защитные интервалы времени не устанавливаются, и пакеты данных иногда теряются вследствие наложений. При выделении моментов передачи на каждом кадре по случайному закону возможность постоянного пропадания связи сокращается.
2) Обнаружение кодового слова пакета.
Для систем подкласса INTELSAT разработано несколько методов, основанных на построении петель с автоматической синхронизацией и точным обнаружением кодовых слов пакетов. Последние представляют собой специальные последовательности символов во вводной части и служат для установления некоторого заданного положения в пакете. На первом этапе станция принимает опорные пакеты кадра и приблизительно определяет моменты передачи. Сигналы вхождения в синхронизм могут иметь простую структуру, направленный переворот фазы несущей малого уровня с частотой следования кадров. Таким образом, достигается правильное расположение корреляционного импульса. Далее, в середине временного интервала, выделенного данной станции, передается лишь вводная часть пакета; ее положение контролируется с помощью приемника. При правильном приеме на каждом кадре кодовых слов пакетов производится перевод пакета на начальный участок предоставленного временного интервала и добавляется информационная часть. Каждый приемник синхронизируется кодовым словом каждого последовательного пакета.
При некогерентном приеме (последовательная демодуляция пакета). Эта операция повторяется на каждом кадре без ис-
222
пользования априорной информации. В системах когерентного приема пакетов (параллельная демодуляция пакетов) с помощью вспомогательной подсистемы, обрабатывается прошлая информация о синхронизации. Такой тип синхронизации называется “маховое колесо”.
3) m - последовательность.
Аппаратура та же, которая используется для синхронизации с помощью m- последовательностей. Эти методы называются также вхождением в синхронизм с низким уровнем. Имеется несколько методов начальной синхронизации местной последовательностью по принимаемой. Для большого и среднего отношения сигнал/шум пригодны способы, основанные на введении принятых символов в генератор последовательности с последующим его запуском. При низком отношении сигнал/шум используются либо методы с поиском, либо комбинированные с поиском, проверкой и подтверждением.
В системах с редким вхождением в синхронизм допустимо время вхождения 10 с. После вхождения система работает в режиме активного поддержания синхронизма.
4) Пассивное.
Синхронизация с централизованным управлением. Если станция управления и 3 станции измерения дальности синхронизированы, то информации достаточно для синхронизации передатчиков всех станций. Хотя приемники должны быть включены все время, передатчики полностью синхронизируются до начала передачи. Это и есть “пассивная синхронизация”. При небольшой длине кадров экстраполированных данных о дальности достаточно для точной синхронизации по кадрам, пакетам и тактам.
5) Предсказание орбиты.
На каждой станции хранятся замеры временных задержек, производившихся через каждые две минуты в течение двух предыдущих дней. Кроме запасенной информации необходимы вычислительные средства.
223
6) Широкие и узкие импульсы несущей.
Используется широкий импульс несущей, за ним следуют узкие импульсы несущей, которые медленно перемещаются по кадру. Все эти импульсы должны быть сигналами малого уровня. Длительность широкого импульса равна длительности нескольких кадров, обнаружение конца этого импульса обеспечивает определение задержки кадра. Узкий импульс должен попасть в узкий временной зазор, тем самым обеспечивается высокая разрешающая способность. Для упрощения оборудования можно производить обнаружение по огибающей.
Этот метод применим непосредственно для систем подкласса INTELSAT. При использовании узконаправленных антенн требуется также партнер для возвращения переданных сигналов.
3.6 Волоконно-оптические системы связи
Работы в области оптической связи активно начали развиваться с 1960 года, когда появились лазерные источники света. Однако до 1970 года вопрос практического использования волоконно-оптических систем связи (ВОСС) не рассматривался ввиду отсутствия оптического волокна с малым затуханием светового сигнала (менее 20 дБ/км). В настоящее время уже выпускаются волокна с коэффициентом затухания 0,5 дБ/км для передачи сигнала на длине волны 1,2 мкм и создание воло- конно-оптических систем связи стало реальностью. Одним из достоинств волоконно-оптических систем связи является использование больших длин линий между ретрансляторами и возможность передачи данных большой информационной емкости, что значительно снижает стоимость систем связи.
3.6.1 Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в оптическом волокне
224
Важнейшим компонентом ВОСС является оптическое волокно. В большинстве случаев оно изготавливается из стекла (SiO2 Siкремний, О2 - кислород), содержащего различные добавки. Эти добавки вводятся для того, чтобы контролировать показатель преломления стекла. Большинство волокон имеют цилиндрическую форму, с показателем преломления nc сердцевины немного большим показателя преломления оболочки n0. Профиль такого волокна показан на рисунке 3.54
b- радиус оболчки волокна
a- радиус сердцевины
волокна
Рис.3.54 Структура оптоволокна
Различают волокна ступенчатые и градиентные. Про-
фили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон показаны на рисунке 3.55
225
Ступенчатое волокно с диаметром |
Градиентное волокно |
|
сердцевины 2а |
||
|
||
и диаиетром оболочки 2в |
|
|
|
n(r) |
|
|
|
n(r) |
|
|
|
nc |
|
|
|
nc |
|
|
|
n0 |
|
|
|
n0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
r |
|
|
r |
-b |
-a |
a |
b |
-b |
-a |
a |
b |
Рис. 3.55 Профили показателей преломления ступенчатого и градиентного волокон
Показатель преломления n(r) для ступенчатого волокна
n |
|
|
c |
n(r) |
0 |
|
|
|
n |
|
|
(r a) (a r b)
,
показатель преломления градиентного волокна
|
|
|
|
r |
12 |
|
|
1 |
2 ( |
|
) |
|
|
||||
nc |
a |
||||
n(r) |
|
|
|
|
|
n |
|
(a r b) |
|||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(r a)
,
226
где
(n |
c |
n |
0 |
) |
|
|
|
|
|
||
|
|
n |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
.
Коэффициент для различных волокон с различными добавками равен 2
Одномодовое волокно обычно имеет радиус сердцевины а порядка одной длины волны =1,2 1,6 мкм.
Многомодовое волокно – это волокно, радиус сердцевины а которого значительно превышает одну длину волны и обычно составляет 25 50 мкм.
Вмногомодовом волокне могут распространяться сотни
итысячи мод. При этом каждая мода обладает своей собственной групповой скоростью, что в итоге может приводить к расширению короткого светового импульса передаваемого по оптическому волокну и, следовательно снижает количество передаваемой информации, т.е. снижает пропускную способность. Это явление называют дисперсией мод. Для снижения дисперсии мод вводят волокно с градиентным показателем преломления (градиентное волокно), в котором разница в групповых скоростях компенсируется и все моды имеют приблизительно одинаковую групповую скорость.
Повысить пропускную способность ВОСС можно также используя одномодовое ступенчатое волокно, но их, из-за малых
размеров сердцевины 0 1,2 мкм, трудно сращивать. Распространение света по оптическому волокну можно
схематично представить как показано на рисунке 3.56
227
n |
0 |
|
|
|
|
|
|
θ M |
|
|
|
|
|
|
центральная |
n |
c |
ось |
|
|
|
|
|
θM
Рис. 3.56 Распространение света по оптическому волокну
Пусть M- максимальный угол ввода световых лучей в оптическое волокно. Тогда M- это критический угол, выходя за который лучи света не будут собираться в пучок. На основе законов преломления световых лучей на границах воздух-волокно и сердцевина-оболочка получим
sin |
|
M |
n |
sin |
|
|
|
|
c |
M |
|
n |
n cos |
|
|||
0 |
c |
|
|
|
M |
решая совместно эти уравнения имеем
,
sin M 
nc 2 n02 NA,
где NA –числовая апертура волокна. Поскольку разница между показателем преломления сердцевины nс и оболочки n0 обычно очень мала, можно записать
228
NA |
|
2 |
|||
|
|
n |
e |
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Если допустить, что sin M M ,
, |
|
n |
0 |
|
то видно, что величина
(числовая апертура) NA представляет собой максимально допустимый угол, в пределах которого все лучи будут введены в волокно. Например, для NA=0,2 максимально допустимый угол равен 11 градусов. Все лучи, образующие с центральной осью углы больше максимально допустимого, соответствуют модам высших порядков и распространяются по более длинным путям, чем те лучи, которые распространяются вдоль центральной оси. В градиентном волокне, за счет введения специальных добавок к стеклу, скорость лучей, распространяющихся не вдоль центральной оси, увеличивается и в результате разница во времени прохождения лучей будет незначительна т.е. проходит выравнивание скоростей различных мод и снижение дисперсии мод.
В процессе прохождения световых лучей по оптическому волокну могут возникать различные эффекты, влияющие на пропускную способность на волокна:
1.Расширение светового импульса за счет дисперсии мод в многомодовом оптическом волокне. Это межмодовое расширение импульса. Об этом мы с вами уже говорили.
2.В многомодальном оптическом волокне из-за его нерегулярности имеет место случайная связь различных мод, что оказывает существенное влияние на форму светового импульса, проходящего по этому волокну, поскольку в случае связей между модами происходит частичная передача энергии между ними и общая энергия импульса снижается. При этом за счет снижения мощности происходит сужение светового импульса.
3.Расширение светового импульса за счет дисперсии материала (стекла), из которого сделано оптическое волокно или
229