ЗАГАЛЬНІВІДОМОСТІ ПРО ВОЛОКОННО-ОПТИЧНІ СИСТЕМИ ПЕРЕДАЧІ
Науково-технічнийпрогрес значною мірою визначається обсягом та швидкістю передачі інформації.
Можливістьзбільшення обсягів інформації, що передається, найбільш повно реалізується призастосуванні волоконно-оптичних систем передачі (ВОСП), що поряд з такимишироко розповсюдженими засобами зв'язку, як супутниковий зв'язок тарадіорелейні лінії мають значно більш широку смугу пропускання.
Застосування ВОСПвирішує проблему електромагнітної сумісності, захисту кіл і трактів системзв'язку від різноманітних впливів.
В усьому світідосягнутий значний прогрес в розвитку волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ).
В останній часзнайшли широке застосування оптичні кабелі (ОК) другого покоління, параметрипередачі яких оптимізовані для другого та третього вікон прозорості, ці кабелівипускаються вітчизняною промисловістю. На мережах зв'язку України широковикористовуються ВОСП для ліній зв'язку всіх ступенів ієрархії: магістральних,зонових, місцевих.
Застосування ВОСПдоцільно і економічно ефективно на всіх дільницях Єдиної Національної МережіЗв'язку України (ЄНМЗУ). Це не тільки підвищує техніко-економічні показникигалузі зв'язку, але й забезпечує можливість поетапного переходу до цифровихмереж інтегрального обслуговування.
Особливоактуальне впровадження ВОСП у нинішній час, коли різко скоротилися запаси кольоровихметалів, особливо міді, внаслідок чого вартість електричних кабелів різкозростає, а вартість оптичних кабелів має тенденцію до зниження.
В Україні ВОСПнайбільш широко використовуються для організації з’єднувальних ліній міськоїтелефонної мережі (МТМ) та для зонового зв’язку.
В останній часприйняті рішення, які зобов’язують замовників в разі будівництва магістральнихліній зв’язку використовувати тільки оптичні кабелі.
Вже закінчуєтьсябудівництво міжнародної ВОЛЗ “Схід”, що проходить по території України. Дляцієї ВОЛЗ використовується сучасна система передачі п’ятіркової синхронноїцифрової ієрархії.
Волоконно-оптичноюсистемою передачі називається сукупність активних та пасивних пристроїв,призначених для передачі інформації на відстань по оптичних волокнах (ОВ)інакше –волоконних світловодах (ВС) за допомогою оптичних хвиль.
Таким чином, ВОСП-- сукупність оптичних приладів та оптичних ліній передачі для створення,передачі і обробки оптичних сигналів. В цьому разі оптичним сигналом є модульованеоптичне вопромінювання джерела (лазера або світлодіода), що передається по ОВ увигляді сукупності різноманітних типів оптичних хвиль (мод).
Середовищем передачіу ВОСП є оптичне волокно, а носієм інформації- електромагнітні коливанняоптичного діапазону.
Оптичний діапазонна шкалі електромагнітних хвиль охоплює проміжок від 0.4 до 4 мкм (рис.1), щовідповідає частотам близько 1014 Гц .
/>
Рисунок 1 — Шкалаелектромагнітних хвиль
Для передачі таобробки інформації використовується не тільки видима частина спектраелектромагнітних хвиль, але й частина інфрачервоного діапазону.
У системахволоконно-оптичного зв'язку використовується частина ближнього інфрачервоногодіапазону з інтервалом довжин хвиль від 0,85 до 1,55 мкм, що визначаєтьсявластивостями кварцевого скла, в якому існують «вікна прозорості» ВС.
У нинішній часВОСП, які використовуються у першому вікні прозорості, вже не випускаються, алевони ще знаходяться в експлуатації.
Перспективною єчастина ближнього інфрачервоного діапазону (довжина хвилі до 4 мкм), для роботив якому використовується ВС на основі ербію або цирконію, загасання яких вцьому діапазоні не перевищує (0,02-0,05) дБ/км.
У сучаснійтехніці зв'язку затвердилися цифрові засоби передачі та обробки інформації.
Переваги цифровихсистем передачі (ЦСП) — висока завадозахищеність, нечутливість до нелінійнихспотворень, незалежність якості передачі від довжини лінії зв'язку,стабільність параметрів каналу звґязку та ін. призвели до того, що на мережахзв'язку аналогові багатоканальні системи передачі (АСП) витісняються цифровими.
Основний недолікЦСП у порівнянні з АСП – необхідність застосування широкосмугових направляючихсистем стає в цифрових ВОСП несуттєвим, бо загасання ОВ не залежить від частотимодулюючого сигналу, потенційна широкосмуговість ОВ складає десятки гігагерц.
Таким чином,збільшення смуги частот, необхідної для передачі цифрового сигналу, не викликаєпомітного погіршення техніко-економічних показників цифрових ВОСП, а збільшеннядовжини дільниці регенерації (ДР) призводить до зниження витрат на будівництвота експлуатацію ліній зв'язку з ВОСП.У нинішній час для організаціїзв'язку по волоконно-оптичних лініях перевага віддається ЦСП зімпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ). Це зумовлено не тільки загальнимиперевагами ЦСП у порівнянні з АСП, але й особливостями роботи та побудови ВОСП.Ці особливості наступні.
Джерела оптичноговипромінювання (ДОВ) мають нелінійні модуляційні характеристики. Це ускладнюєвиконання вимог щодо припустимих нелінійних спотворень, при невиконанні цихвимог довжина підсилювальної дільниці ВОСП стає майже такою, як і в системах зметалевими кабелями (3-6 км).
Для одержаннянеобхідної якості передачі інформації в АСП потрібні спеціальні засобиприймання та обробки оптичних сигналів. ЦСП забезпечують необхідну якістьпередачі інформації при відношенні сигнал/шум на 30-40 дБ менше, ніж АСП.
Тому реалізаціяВОСП з використанням ЦСП значно простіша у порівнянні з АСП.
Розглянемоголовні засади організації ВОСП. Як і системи, що використовують традиційнікабелі з мідними провідниками, волоконно-оптичні системи передачі єпроводовими, бо сигнали оптичного діапазону передаються по направляючій системі- волоконним світловодам. Тільки середовище передачі та форма сигналів в лініївідрізняють ВОСП від традиційних проводових ліній передачі.
Тому побудоваВОСП аналогічна побудові будь-якої проводової багатоканальної системи передачі,в складі якої є прикінцева та проміжні станції, з'єднані безперервноюнаправляючою системою. На рис. 2 наведена узагальнена структурна схема ВОСП(для одного напрямку передачі).
/>
Ця схема вміщує всобі типову прикінцеву апаратуру багатоканальної системи передачі 1, апаратуруспряження 2, передавальний оптоелектронний модуль (ПОМ) 3, оптичний кабель 4,приймальний оптоелектронний модуль (ПрОМ) 5, електронний регенератор 6.
На передавальнійприкінцевій станції А первинні сигнали тональної частоти (ТЧ) надходять наприкінцеву типову апаратуру, де об'єднуються в груповий сигнал, що подається наапаратуру спряження.
В ній електричнийсигнал перетворюється у форму, необхідну для передачі по волоконно-оптичномулінійному тракту, тобто формується лінійний сигнал. Після цього в ПОМздійснюється модуляція потужності оптичної несучої лінійним електричнимсигналом і оптичний сигнал надходить в ОК.
Прирозповсюдженні по кабелю оптичний сигнал послаблюється і спотворюється.
Для збільшеннядальності зв'язку через певні відстані вздовж лінії встановлюються проміжністанції (регенератори), що відновлюють форму сигналу і компенсують загасання(послаблення) в лінії.
В сучасних ВОСП урегенераторі проводиться обробка (підсилення, корекція, регенерація)електричного сигналу.
Тому на проміжнійстанції оптичний сигнал на вході перетворюється в електричний, зворотнеперетворення відбувається на виході. Ці перетворення здійснюються в ПрОМ та ПОМвідповідно.
Проводятьсярозробки оптичних регенераторів на основі лазерних підсилювачів таоптотранзисторів, в яких будуть відсутні проміжні перетворення оптичнихсигналів в електричні та навпаки.
На приймальнійприкінцевій станції Б здійснюються перетворення оптичного сигналу в електричний,його регенерація, підсилення, відновлення до вигляду первинного сигналу навході кінцевої станції А.
Відзнака ВОСП відтрадиційних проводових систем передачі, яка випливає з розглянутої структурноїсхеми, полягає у тому, що інформація передається за допомогою оптичнихсигналів, що супроводжується встановленням спеціальних додаткових приладів (ПОМта ПрОМ на прикінцевих та проміжних станціях і апаратури спряження наприкінцевих станціях).
Звичайно поодному оптичному кабелю організуються лінійні тракти декількох ВОСП, в цьомуразі для одного напрямку кожної ВОСП виділяється одне ОВ, що є еквівалентомдвопроводового фізичного кола, таким чином, ВОСП аналогічна односмуговійчотирипроводовій системі передачі з металевим кабелем.
Внаслідок того,що взаємні впливи між окремими ОВ в багатоволоконному ОК практично відсутні,тракти передачі та прийому як однієї, так і декількох систем організуються поодному кабелю, таким чином, ВОСП є однокабельними системами.
При організаціїдвостороннього зв'язку по одному ОК можливі й інші принципи побудови, заснованіна засобах оптичного розподілу каналів (спектрального мультиплексування).
Сучасні ВОСПявляють собою поєднання оптичного лінійного тракту, який містить ПОМ, ПрОМ, ОКз уніфікованою каналоутворюючою апаратурою та апаратурою групоутворення ЦСПрізних ступенів ієрархії. Тому вони мають уніфіковані параметри стику, щодозволяє легко організувати лінії передачі з застосуванням інших середовищ розповсюдження.
Основніхарактеристики ВОСП визначаються параметрами прикінцевої та проміжної апаратурилінійного тракту і параметрами ОК:
— кількістьканалів тональної частоти;
— швидкістьпередачі (для ЦСП) або смуга частот (для АСП);
— швидкістьпередачі в оптичному лінійному тракті ;
— лінійний код;
— коефіцієнтпомилок (на регенератор);
— енергетичнийзапас;
— межіавтоматичного регулювання підсилення;
— енергетичнийпотенціал;
— максимальнадовжина дільниці регенерації (для означеного загасання ОВ);
— кількістьпроміжних станцій;
— максимальнадовжина лінійного тракту;
— довжина хвиліоптичної несучої;
— згасанняоптичного кабелю;
— тип джерелавипромінювання;
— тип приймачаоптичного випромінювання;
— тип волоконногосвітловода в ОК;
— рекомендованийтип ОК.
Застосування ВОСПне обмежується мережами зв'язку, дослідження в галузі техніки оптичного зв'язкуведуться по ряду перспективних напрямків, розроблені системи передачі оптичногодіапазону для застосування в різноманітних галузях науки і техніки.
Знайшлизастосування оптичні системи передачі, в яких середовищем розповсюдження євільний простір.
У відповідності зцим, логічно провести класифікацію оптичних систем у відповідності з їхвластивостями, межами застосування і т.ін.
По середовищурозповсюдження оптичні системи поділяються на:
— системи затмосферним оптичним каналом;
— системи зволоконно-оптичним каналом.
Системи затмосферним оптичним каналом застосовуються для зв'язку з:
- рухомимиоб'єктами в межах прямого бачення,
- длязв'язку між рухомими апаратами в космічному просторі;
- всистемах лазерного зондування атмосфери;
- вробототехніці;
- длярелейних вставок оптичного діапазону у волоконно-оптичних лініях зв'язку.
В цих системахвикористовується інтервал довжин хвиль від 0.4 до 10 мкм, тобто видимийдіапазон, ближній і середній інфрачервоний діапазони. В системах з атмосфернимоптичним каналом використовується розподіл каналів по довжині хвилі оптичноїнесучої, просторовий розподіл каналів, розподіл каналів по поляризації.
По галузізастосування ВОСП поділяються на:
— системи длямереж та ліній зв'язку усіх ступенів ієрархії, тобто магістральні, зонові, ВОСПмісцевих мереж;
— системи дляінформаційно-обчислювальних мереж різноманітних рівнів ієрархії, в тому числілокальних, регіональних, корпоративних, глобальних;
— системи длямереж автоматизованих систем управління;
— системи длямереж екологічного моніторинга;
— системи зволоконно-оптичними давачами;
— системикабельного телебачення.
ВОСП знайшлизастосування у:
- фазованихантенних гратках;
- всистемах траєкторних вимірювань для визначення місцезнаходження космічнихапаратів;
- врадіотелескопах для організації каналів зв'язку між антенними пристроями,розташованими на значній відстані.
По засобахрозподілу каналів ВОСП поділяються на:
— системи зчастотним розподілом каналів або аналогові;
— системи зчасовим розподілом каналів або цифрові;
— системи зіспектральним розподілом каналів (СРК).
Аналогові ВОСПзастосовуються у вимірювальних системах, в яких інформація про стан об'єктаміститься в частоті або фазі електричного сигналу.
Розроблено аналоговіВОСП як з аналоговими, так і з цифровими сигналами в оптичному лінійномутракті.
В останньомувипадку первинний аналоговий сигнал перетворюється аналого-цифровимперетворювачем у цифрову форму і в такому вигляді надходить на оптичнийпередавальний пристрій, цифровий же сигнал на виході приймальної частиниперетворюється в аналоговий.
У багатоканальнихсистемах аналогові ВОСП застосування не знайшли, бо нелінійність ват-амперноїхарактеристики випромінювача призводить до появи перехідних завад.
Аналогові ВОСПзастосовуються головним чином у кабельному телебаченні, в яких використовуєтьсячастотно-імпульсна модуляція.
Системи ізспектральним розподілом каналів (оптичним мультиплексуванням) є аналогом системз традиційним частотним розподілом каналів, але розподіл відбувається воптичному діапазоні.
Для передачіінформації в цих системах використовуються різні оптичні несучі, сукупністьяких розповсюджується по одному ОВ. Такі системи дозволяють повніше використатипотенційну широкосмуговість ОВ.
По засобудетектування оптичні системи передачі поділяються на:
— системи зпрямим детектуванням;
— системи згетеродинним детектуванням.
В існуючих ВОСПзастосовується пряме детектування, гетеродинне приймання використовується вкогерентних ВОСП, що знаходяться на стадії експериментальних досліджень, атакож у системах з атмосферним оптичним каналом.
Таким чином,логічно зробити висновок про майже необмежені можливості ВОСП.
Ці системизнайшли застосування не тільки в техніці зв'язку, для якої вони спочатку створювалися,але й суміжних галузях.
Дослідження тарозробки в техніці волоконно-оптичного зв'язку направлені на:
- збільшеннядальності зв'язку без проміжного підсилення сигналів,
- засвоєннявсього ближнього інфрачервоного діапазону,
- створеннясистем с безпосереднім підсиленням оптичного сигналу,
- створенняпристроїв оптичної обробки сигналів.