Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

Шаг 5. Последовательность TUG-2 подвергается повторному мультиплексированию с коэффициентом мультиплексирования равным 7, в результате чего формируется последовательность длиной 108 х 7 = 756 байт. К этой последовательности добавляются 18 байт индикации нулевого указателя - NPI и фиксированного пустого поля - FS и получается группа субблоков TUG-3 размером 774.

Шаг 6. Полученная цифровая последовательность вновь байтмультиплексируется с коэффициентом, равным 3, и формируется группа субблоков TUG-3 с суммарной длиной 774 х 3 = 2322 байта.

Шаг 7. Происходит формирование виртуального контейнера высшего порядка VC-4 в результате добавления к последовательности группы блоков TUG-3 трактового заголовка длиной 9 байтов и 18 байтов пустого поля. Размер VC-4 равен 2322 + 9 + 18 = 2349 байт.

Шаг 8. На последнем этапе происходит формирование синхронного транспортного модуля STM-1. При этом сначала формируется административный блок AU-4 путем добавления указателя PTR длиной 9 байт, который располагается в секционном заголовке SOH, а затем получается группа административных блоков AUG путем формального мультиплексирования с коэффициентом, равным 1. К группе AUG добавляется заголовок регенерационной секции RSOH емкостью 27 байт и заголовок мультиплексной секции MSOH емкостью 45 байт и тем самым завершается формирование STM-1 длиной 2349 + 9 + 27 + 45 = 2430 байт, что при цикле, равном Тц= 125 мкс, соответствует скорости передачи, равной 2430 х 8/125 х 10"6 = 155,52 Мбит/с.

Синхронный транспортный модуль уровня N получается мультиплексированием цифрового потока STM-1 с соответствующим коэффициентом мультиплексирования.

Вопросы и задачи для самоконтроля к лекциям 11 и 12

1.Поясните необходимость преобразования АИМ-1 в АИМ-2 перед выполнением операций квантования и кодирования.

2.Поясните необходимость квантования сигнала по уровню при формировании цифрового ИКМ сигнала.

3.Шумы квантования, их физическая сущность и оценка. Энергетический спектр шумов квантования.

4.Необходимость применения неравномерного квантования и способы его реализации. Законы компандирования.

5.Двоичные коды, применяемые при формировании цифрового ИКМ сигнала

6.Как определить полосу частот группового ИКМ сигнала?

7.От чего зависит число элементов в кодовой группе, соответствующей отсчету?

8.На вход семиразрядного линейного кодера с шагом квантования, равным 10 мВ, поданы импульсы АИМ-2, амплитудные мгновенные значение которых равны +98 мВ, +412 мВ и - 412 мВ. Кодирование осуществляется в симметричном коде. Какова структура кодовых групп, образующихся на его выходе?

9.Предыдущую задачу решить для случая работы кодера в натуральном коде.

10.На вход восьмиразрядного линейного декодера, шаг квантования которого равен 8 мВ, поступает следующая последовательность кодовых групп: 11110111, 00001000 и 10010101. Декодер рассчитан на декодирование групп, построенных на основе натурального (простого кода). Какова амплитуда импульсов АИМ-2, образующихся на его выходе?

11.Предыдущую задачу решить для декодера, рассчитанного на декодирование групп, построенных на основе симметричного кода. Определить амплитуду и полярность импульсов на выходе декодера.

12.Поясните назначение элементов структурной схемы оконечной станции ЦСП с ИКМ-ВРК: тракт передачи и приема.

13.Как строится временной цикл ЦСП с ИКМ-ВРК?

14.Найти тактовую частоту ЦСП с ИКМ-ВРК, если число каналов тональной частоты равно N = 12, число элементов в кодовой комбинации т = 7.

15.Какие виды синхронизации применяются в ЦСП с ИКМ-ВРК?

16.Назовите основные требования, предъявляемые к устройствам тактовой синхронизации. На что влияет нарушение тактовой синхронизации? Принципы осуществления тактовой синхронизации.

17.Назовите основные требования, предъявляемые к устройствам цикловой синхронизации. На что влияет нарушение цикловой синхронизации?

18.Каковы принципы работы устройств цикловой синхронизации?

19.Назовите основные причины, вызывающие искажения сигналов в цифровых линейных трактах. Сущность искажений 1-го

и2-го родов и их влияние на помехозащищенность..

20.Необходимость линейного кодирования.

21.Сущность дифференциальной импульсно-кодовой модуляции

иее отличие от обычной импульсно-кодовой модуляции.

22.Сущность дельта-модуляции и ее отличие от дифференциальной и обычной импульсно-кодовой модуляции. Виды дельтамодуляции.

23.Функции линейного цифрового регенератора, его обобщенная структурная схема и принцип работы.

24.Что такое иерархия ЦСП на основе ИКМ-ВРК? Как строится иерархия ЦСП? Основные стандарты иерархии ЦСП.

25.Какими способами можно объединять цифровые потоки? Принципы построения оборудования временного группообразования или мультиплексирования.

26.Структура временного группообразования в плезиохронной цифровой иерархии.

27.Структура временного группообразования (мультиплексирования) в синхронной цифровой иерархии.

28.Структура цикла синхронного транспортного модуля - СТМ (БТМ).

Часть 6. Основы построения волоконнооптических систем передачи

Л е к ц и я 13

Общие принципы построения волоконнооптических систем передачи

Краткий исторический очерк

Основным направлением развития телекоммуникационных систем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), под которыми понимается совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи сообщений на расстояния по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП - это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптических сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и BOJ1C образует волоконнооптическую линию передачи (ВОЛП). Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевидения и факсимильной связи, передачи данных, создания единой цифровой сети с интеграцией служб - СЦИО (Integrated Services Digital Network - ISDN), внедрения на телекоммуникационных сетях технологии асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer Mode - ATM) и построения транспортных сетей на основе синхронной цифровой иерархии - СЦИ (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). Область применения ВОСП не ограничивается передачей любых видов сообщений практически на любые расстояния с наивысшими скоростями, а имеет более широкий спектр, от бортовых систем (самолетов, кораблей и др.) до локальных и глобальных волоконнооптических телекоммуникационных сетей. Внедрение

таких систем предопределяет развитие не только классических телекоммуникационных систем и сетей, но и радиоэлектроники, атомной энергетики, космоса, машиностроения, судостроения и т. д.

ВВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1 мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называются его окнами прозрачности.

Внастоящее время для построения ВОСП используются длины волн от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освоение и более длинных волн - 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрасным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОИ).

Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего распространения световой волны были исследованы различные оптические волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или

световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали развитие современному направлению техники, носящему название волоконной оптики - раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам - оптическим волокнам.

Световые сигналы издавна использовались для передачи сообщений, но первая попытка использовать их для передачи речевых сигналов, была осуществлена в 1882 г. американским изобретателем А. Г. Беллом. «В одном из заседаний американского общества ученых Белл демонстрировал новый прибор, который он назвал фотофоном, на том основании, что аппарат этот служил для передачи звуков при помощи светового луча, причем нет надобности оба корреспондирующие пункта соединять проволокою, как при действии телефонами, а необходимо одно только условие, чтобы луч света из передающего пункта мог беспрепятственно достигнуть принимающей стороны».

Однако из-за успешного развития в конце XIX века воздушных и кабельных линий связи, изобретения радио А. С. Поповым, оптические способы передачи сообщений были надолго забыты.

Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 г. и последовавшим вскоре созданием первых лазеров (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER) и создания

на их основе оптических квантовых генераторов (ОКГ) в 1961 г. По сравнению с обычными источниками оптического излучения лазерное излучение обладает высокой монохроматичностью и когерентностью и имеет очень большую интенсивность и поэтому было совершенно естественно использовать его в качестве несущего колебания в системах передачи. Лазерное излучение открывало возможность получения исключительно широкой полосы пропускания при условии осуществления его модуляции в полосе частот, составляющей всего несколько процентов от основной частоты излучения лазера. В самом деле, лазерная система передачи на

В 1960-е годы было предложено много технических решений по осуществлению различных видов модуляции лазерного излучения (частотная, фазовая, амплитудная, по интенсивности и поляризации, импульсной), а также был создан ряд лазерных систем передачи, использующих распространение света в свободном пространстве, называемых открытыми системами связи.

Открытые системы связи из-за ряда своих недостатков (высокая требуемая точность наведения антенн передатчика и приемника, низкий КПД оптических излучателей, высокий уровень шумов в приемнике, влияние характеристик атмосферы на надежность связи) не нашли широкого применения для использования в телекоммуникационных сетях и системах общего пользования.

В это же время широко проводились эксперименты по созданию направляющих систем, в которых лазерный пучок вводился в канал передачи с помощью линз, располагаемых друг от друга на расстоянии 10 или 100 м. Дальнейшие исследования и разработки в этом направлении привели к идеи использования длинных оптических волокон (ОВ), подобных тем, которые использовались в эндоскопии и других областях, и были заложены основы волоконнооптической связи.

Основной причиной, сдерживавшей практическую реализацию этой идеи, было большое затухание сигнала в таком ОВ, доходившее до 1000 дБ/км. Если бы удалось уменьшить затухание в стекле в инфракрасной области спектра до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание практических волоконно-оптических систем передачи. Работы в этом направлении привели к тому, что в 1975 г. в лабора-

торных условиях были получены ОВ с затуханием до 2 дБ/км и в 1979 г. были достигнуты потери порядка 0,2 дБ/км.

К 1980 г. во многих странах выпускали ОВ с потерями менее 10 дБ/км и были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения и фотодетекторы (приемники оптического излучения) и стали проводиться всесторонние испытания волокон- но-оптических линий связи (ВОЛС), включаемых в обычные телефоенные сети. Наступила эра волоконно-оптических систем передачи (БОСП) и, соответствующих им, телекоммуникационных, оптоэлектронных и компьютерных технологий.

Нижеперечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое

иширокое применение:

1.Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающими расстояние между ретрансляторами не менее 100... 150 км.

2.Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритными размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

3.Постоянное и нерерывное снижение стоимости производства оптических кабелей и совершенствование технологии их производства.

4.Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздействий и переходных помех.

5.Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

6.Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

7.Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических

волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

8.Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относительно невосприимчивы к неблагоприятным температурным условиям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

9.Надежная техника безопасности (безвредность во взрывоопасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), возможность обеспечения полной электрической изоляции.

Завершено создание Транссибирской оптической линии (ТСЛ) протяженностью около 17 ООО км, проходящей по всей территории России, которая свяжет Восток и Запад страны со странами Европы, Азии и Америки. Входя в мировую транснациональную сеть связи, ТСЛ замыкает глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, которое охватывает четыре континента - Европу, Азию, Америку, Австралию и три океана - Атлантический, Тихий и Индийский. Действуют подводные оптические магистрали между США и Европой через Атлантический океан, Австралия - Новая Зеландия - Гавайи - Северная Америка протяженностью 16 ООО км.

К концу XX века завершена прокладка трансатлантической ВОЛС протяженностью около 6000 км без ретрансляторов между Америкой и Европой. Эта линия сооружена на волокне из тетрафторида циркония, имеющего на длине волны 2,5 мкм затухание 0,01 дБ/км, или из фторида бериллия с затуханием 0,005 дБ/км на длине волны 2,1 мкм.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной спрособностью 64 кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости передачи до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уплотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует примерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими переменными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала оп-

где Л - длина волны оптического излучения в среде распространения; f - частота сигнала; с - скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически прозрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления следующим образом:

(2)

п

здесь с0 - скорость света, равная 300 ООО ООО м/с; л - показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала Л изменяется с изменением показателя преломления среды

Очень часто особое значение приобретает разница между длинами волн АЛ или разница частот А/. Важно знать, как можно пре-

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необходимость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие. Так, например, в полосе пропускания ВОСП с центральной длиной волны Л = 1,3 мкм ширина полосы излучения равна 0,0001 мкм, а ширина полосы частот излучения будет равна

А/=40 ГГц.

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:

1) каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи;