Сигнали цифрового лінійного тракту
Для передачіцифрових сигналів у сучасних цифрових ВОСП використовується виключноімпульсно-кодова модуляція, яка відзначається високою завадостійкістю, слабкимнакопичуванням шумів.
Характеристикиджерел оптичного випромінювання, особливості його модуляції, особливостіволоконно-оптичного тракту зумовлюють використання спеціальних лінійнихцифрових сигналів (світловодних кодів).
При виборі кодулінійного сигналу ВОСП потрібно враховувати такі вимоги:
1. Спектрлінійного сигналу повинен бути досить вузьким та обмеженим за частотою.Обмеження смуги частот потребує меншої широкосмуговості приймального пристрою,що веде до зменшення потужності шумів.
Обмеженняверхньої частоти спектра сигналу дозволяє використовувати більш дешевівузькосмугові волоконні світловоди (багатомодові із ступінчастим профілемпоказника заломлення). Обмеження нижньої частоти спектра сигналу усуває флуктуаціїрівня НЧ-складових сигналу, що приймається.
Мінімальний вмістНЧ-складових дозволяє також забезпечити сталу роботу схем стабілізації вихідноїпотужності джерела випромінювання у ПОМ. Вузька смуга частот сигналу, щопередається, спрощує вимоги до всіх електронних компонентів системи: кодера,декодера, перетворювачів сигналів, пристрою вирішування, а також спрощуєпроцес виділення тактової частоти.
Слід зазначити,що швидкість передачі та смуга частот однозначно пов’язані співвідношенням
Fmax=B, де В – швидкість передачі.
2. Код лінійногосигналу повинен забезпечувати можливість виділення коливань тактової частоти,що необхідно для пристрою тактової синхронізації, яка управляє прийняттямрішення у електронному регенераторі.
Найбільш надійносинхронізація підтримується, коли кількість переходів рівнів типу 1 ® 0 та 0 ® 1 у цифровому сигналі єдосить великою, тобто відсутні довгі послідовності нулів та одиниць. В найбільшсприятливому випадку спектр лінійного сигналу вміщує спектральну лініютактової, або кратної їй частоти, в цьому разі це коливання досить простовиділяється вузькосмуговим фільтром. Виділення частоти синхронізаціїбезпосередньо із оптичного сигналу (перетвореного в електричний) сприяє сталійроботі системи синхронізації.
Якщо у кодібінарні посилання використовуються для передачі інформації, а символи 0 та 1 єрівноймовірними, то ймовірність появи підряд N однакових символів дорівнює 2-N.Ряд з великої кількості N однакових символів не містить інформації про тактовучастоту і приймальний пристрій може помилитися при прийманні посилань, якщосистема синхронізації не є досить стабільною.
Крім того, вцифрових системах передбачається, що повинен пройти певний час для входження всинхронізм після довгої послідовності однакових посилань, за цей час інформаціягубиться.
3. Код лінійногосигналу повинен мати максимальну завадостійкість, яка дозволить одержатинайбільшу довжину дільниці регенерації.
4. Код лінійногосигналу повинен забезпечувати можливість контролю якості передачі (коефіцієнтапомилок) в процесі експлуатації. Для цього на практиці використовуються коди, вяких у вихідну інформаційну послідовність вводяться додаткові символи, щорозміщуються на регулярних та логічно обґрунтованих позиціях. При цьомумінімізується або зменшується кількість можливих послідовних ідентичнихсимволів та знижується вміст у коді низькочастотних компонентів.
5. Код лінійногосигналу повинен бути достатньо простим для схемотехнічної реалізації перетворювачівкоду. Код лінійного сигналу повинен бути дворівневим.
Для лінійнихсигналів ВОСП використовуються декілька кодів, які можна поділити на дварізновиди: з поверненням до нуля та без повернення до нуля. На рис. 1 наведеніприклади деяких лінійних кодів.
Найбільш простимє код, в якому одиниця передається імпульсом, а нуль паузою – код NRZ. Це кодбез повернення до нуля на тактовому інтервалі. Недоліками коду є наявністьпостійної складової, яка залежить від кількості нулів та одиниць в імпульсній послідовності,що передається, неможливість виявлення помилки, високий вміст низькочастотнихкомпонентів.
Код RZ – код зповерненням до нуля на тактовому інтервалі. Одиниця передається комбінацією 10,а 0 – комбінацією 00. Повернення до нуля при передачі кожної одиниці покращуєсинхронізацію при наявності великої кількості одиниць, але при наявності довгихпослідовностей нулів можливий зрив синхронізації.
Для усуненнявказаних недоліків кодів NRZ та RZ використовується скремблюванняцифрового сигналу.
Скремблювання –це таке перетворення бінарного цифрового сигналу, внаслідок якого без змінишвидкості передачі сигнал набуває якостей випадкової послідовності символів 1та 0 незалежно від статистичних властивостей джерела повідомлення.
В цьому разі уперетвореному цифровому сигналі символи 1 та 0 передаються на усіх тактовихінтервалах незалежно та рівноймовірно, а ймовірність передачі послідовностіоднакових символів довжиною m дорівнює (1/2)m, тобто вона тим менша,чим більша довжина m.
/>Рис. 1Скремблювання цифрового сигналу поліпшуєроботу пристрою тактової синхронізації, але потребує встановлення на кінцевихстанціях ВОСП спеціальних пристроїв – скремблера та дескремблера. Незважаючи на вказані недоліки коди NRZ та RZчерез свою простоту використовуються у цифрових ВОСП з відносно великоюшвидкістю передачі інформації.
Досить простимкодом є двопозиційний код типу L (манчестерський код). В цьому коді символ 0представляється послідовністю 01, а символ 1 – послідовністю 10.
В разівикористання такого коду гарантується відсутність послідовних підряд більш, ніждвох однакових символів. Це призводить до наявності високого рівня сигналусинхронізації в спектрі повідомлення, що передається.
Недоліком цьогокоду є збільшення тактової частоти у два рази, отже, й смуги пропускання таобмеження можливості виявлення помилки. Наприклад, послідовність одиниць можебути прийнята за послідовність нулів через «проковзування» сигналусинхронізації на 1 біт (1/2 початкового тактового інтервалу). Цього недоліку немають коди з інверсією груп символів, але ці коди більш складні.
В коді АМІ вхіднісимволи 0 кодуються як 01, а вхідні символи 1 кодуються парами 00 та 11, щочергуються. В цьому разі підвищується зміст інформації про синхросигнал,збільшується ймовірність виявлення помилок, тому що приймач може слідкувати запорушеннями у групі 01, а група 10 є забороненою.
Приймач такожслідкує за порушеннями правил чергування 00-11. Недоліком коду АМІ є подвоєннякількості біт у вихідному сигналі, тобто він має велику надлишковість.
В кодах DMI таСМІ 1 передається за інтервал часу Т групами 00 та 11, що чергуються, а 0 –групами 01 та 10, вибір яких визначається значенням рівня попередньогопосилання. В коді DMI передача 0 починається з рівня, протилежного рівнюпопереднього посилання, а в коді СМІ – з того ж рівня.
Код DMIзабезпечує зниження низькочастотних компонентів спектра сигналу, щопередається, а при коді СМІ звужується увесь спектр повідомлення, щопередається. У табл. 1 наведені значення ширини смуги частот (при 90% енергії)для різних кодів.
Таблиця 1 – Значенняширини смуги частот кодівКод Ширина смуги частот Без повернення до нуля NRZ 0,86/Т З поверненням до нуля RZ 1,72/Т Двофазний типу L (Манчестер) 2,95/Т Коди з інверсією груп символів АМІ 1,7/Т DMI 1,7/Т СМІ 1,52/Т Найбільше застосування у цифрових ВОСП знайшлиблокові коди. В перетворювачах коду кожній групі початкового цифрового потоку,що складається з m символів ставиться у відповідність новий блок, щоскладається з n символів, n>m. Якщо перетворюється бінарний код у бінарний,то одержаний код зветься кодом mВnВ-типу. При перетворенні троїчного коду вбінарний використовується позначення mTnB. Перша літера m характеризує кількість рівнівпервинного сигналу, друга n – відноситься до одержаного коду. У ВОСП з відноснонизькими швидкостями передачі (до 140 Мбіт/с) використовуються коди 1В2В, 1Т2В.Код типу «манчестер» відповідає коду 1В2В. Код 1Т2В одержується приперетворенні троїчного (або квазітроїчного) коду в один з світловоднихдвофазних кодів. На рис. 2 наведені зразки перетворення початкових сигналів укоді HDB-3 (біполярний код з підвищеною щільністю), що застосовується у ЦСП зімпульсно-кодовою модуляцією у двофазні коди.
Застосуванняблокових кодів mВnВ збільшує тактову частоту (швидкість передачі) в n/m разів.
/>
Рис.2
Для систем звисокими швидкостями передачі (більш, ніж 140 Мбіт/с) можуть бути використаніблокові коди із збільшеними розмірами блоків (7В8В, 34В36В), в яких зростаннятактової частоти та розширення спектра є незначними але великі розміри блоківвикликають затримки при кодуванні, ускладнення синхронізації.
Тому длявисокошвидкісної передачі слід використовувати відносно прості коди. Для швидкостей передачі понад 400 Мбіт/с розроблено лінійний код mВ1С.
Число m вказуєрозмір блока початкового сигналу. До блока з m символів додається ще одиндодатковий символ С, протилежний останньому інформаційному. Цей символ зменшуєвплив довгих послідовностей нулів або одиниць, що покращує синхронізацію. Нарис. 3 наведені зразки сигналів, що кодуються кодами mB1C.
Для оцінки тапорівняння блокових кодів mВnВ, що перетворюють бінарне слово довжиною m (а1,а2… аm) у кодове слово довжиною n (b1, b2… bn) використовують параметри.
/>
Рис.3
1. Середнєзначення символів />, яке доцільно вибиратимінімальним, аби зменшити середню оптичну потужність випромінювача та дробовийшум фотодетектора. Якщо кількість одиниць дорівнює кількості нулів, то />=0,5.
2. Кількістьстанів кодера Sk. Цей параметр співпадає з кількістю можливихзначень, що їх становить цифрова сума на кінці кожного кодового слова. ЗначенняSk визначає складність кодера та декодера. Цифрова сума кодовогослова а1, а2… аN дорівнює
/>,
/>де аk — середнє значеннясимволів аk.
3. Кількістьзначень Sm, яке може мати поточна цифрова сума в кожний момент. Їїрозмір визначає складність схеми контролю помилок, що використовується улінійному регенераторі. Поточна цифрова сума визначається
/>.
4. Максимальнакількість послідовних 0 та 1 (K0 max та K1 max), яке можемати лінійний сигнал. Ці параметри бажано вибирати мінімальними, аби спроститипристрій виділення тактової частоти.
5. Безперервначастина спектральної щільності D1 та D2 (в процентах), що розміщуєтьсявідповідно в інтервалі (0 ¸ 0,3)/Т та (0 ¸ 0,1)/Т, де Т – тактовийінтервал.
6. Відношення міжшвидкістю передачі по лінії лінійних символів та швидкістю джерела бінарнихсигналів (n/m), що характеризують збільшення швидкості передачі для даногоблокового коду.
7.Диспаритетність – перевищення кількості одиниць над кількістю нулів. Зниженнядиспаритетності спрощує систему синхронізації та зменшує вміст у спектрінизькочастотних компонентів.
В кожномурегенераторі передбачається пристрій для контролю помилок. Коли частотаповторення помилок перевищує фіксований поріг, на прикінцеву станцію на лініїпосилається аварійний сигнал.
Роботаконтрольного пристрою заснована на визначенні поточної цифрової суми s. Ця сума має фіксовані межів кінці символьного періоду за умови, що в переданому сигналі помилки відсутні.Якщо з’являється помилка, цифрова сума перевищує нормальні межі, що фіксуєтьсяконтрольним пристроєм.
При виборі кодуслід зважити на те, що зростання потрібної потужності оптичної енергії взалежності від швидкості передачі може складати 3,5 дБп на октаву (наприклад,для коду СМІ – 3,5 дБп, а для кода 2В3В – 2 дБп).
Використаннябагаторівневих кодів, наприклад, HDB3, замість дворівневих недоцільно, бопризводить до зниження енергетичного потенціалу системи на 15 – 20 дБ.
Використаннябагаторівневих кодів у ВОСП ускладнюється також нелінійністю ват-амперноїхарактеристики лазерного випромінювача та його часовою та температурноюдеградацією.
Властивостілінійних кодів характеризуються їх енергетичним спектром. Енергетичний спектрявляє собою залежність спектральної щільності потужності (СЩП) від частоти.Спектр сигналу складається з двох складових: дискретної та безперервної.
Наявністьдискретних складових у вигляді d-функцій на тактовій частоті свідчить про можливістьвиділення fТ вузькосмужним фільтром. Наявність дискретної складовоїна нульовій частоті свідчить про наявність постійної складової.
Безперервначастина спектра залежить не тільки від алгоритму побудови коду але й від формипоодинокого посилання. На рис. 4 наведені безперервні складові спектрівлінійних кодів у нормованому вигляді [13], де W(f) – спектральна щільністьпотужності, Т – тактовий інтервал, U – амплітуда імпульсу. Як випливає з рис.4, найменшу ширину спектра має код NRZ. Коди NRZ та RZ мають максимуми СЩП нанизьких частотах.
Спектрдвопозиційного коду з поверненням до нуля є зміщеним до високих частот, а йогоСЩП на низьких частотах відносно невелика.
Оскільки кодискладаються з посилань оптичної потужності, яка є завжди позитивна, усі вонимають постійну складову.
/>
Рис. 4