Классификация волоконно-оптических систем передачи. Способы организации двусторонней связи на основе волоконно-оптических систем передачи. Способы уплотнения оптических кабелей

Существует разнообразная классификация ВОСП, но в основном применяется следующая.

1. ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования делятся на:

аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе анало­говых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комби­нации) или параметров периодической последовательности им­пульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);

цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта - модуляции и их разновидно­стей; самое широкое применение находят ЦВОСП.

2. ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излу­чения подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интен­сивности оптического излучения и соответствующей его демодуля­ции, называемые иногда прямой модуляцией и широко приме­няемой в большинстве ЦВОСП;

волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми мето­дами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.

3. ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оп­тического сигнала подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляци­ей или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излуче­ния в электрический сигнал, напряжение или ток которого одно­значно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;

когерентные волоконно-оптические системы передачи, в кото­рых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несин­хронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточ­ной частоте. При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты f_c на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой f_г, на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота f_nром = f_c – f_г, на которой и осуществляются дальнейшие преобразования оптического сигнала в электрический. При гемодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеро­дина должны быть одинаковыми (f_c = f_r), а фазы синхронизированы.

4. По способу организации двусторонней связи ВОСП подразде­ляются на:

а) двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (0В) и осуществляются на одной длине волны Л. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсут­ствуют, то тракты передачи и приема различных систем организу­ются по одному кабелю, т.е. такие ВОСП являются однокабельными однополосными.

Принцип построения двухволоконной однокабельной однополос­ной ВОСП показан на рис. 2, где приняты обозначения:

КОО - каналообразующее оборудование; ОС - оборудование сопряжения; ОПер - оптический передатчик; ОВ - оптическое во­локно; Опр - оптический приемник; достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов пере­дачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - весьма низкий коэффициент использования пропускной способно­сти ОВ;

б) одноволоконную однополосную однокабельную (рис. 3), осо­бенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны; на рис. 3 к ранее принятым обозначениям добави­лись следующие:

ОРУ - оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направляемой волны оптического излучения;

в) одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптическо­го излучения , а в другом - , разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения; обобщенная схема такого способа организации двусто­ронней связи приведена на рис. 4, здесь ОФ - направляющие оптические фильтры, выделяющие соответствующие длины волн;

5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на: а) магистральные ВОСП, предназначенных для передачи сооб­щений на тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;

б) зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протя­женностью до 600 км;

в) ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;

г) ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.

6. По методам уплотнения оптического волокна, в основе кото­рых лежит процесс мультиплексирования, т.е. одновременной пере­дачи нескольких потоков светового излучения по одному волокну, ВОСП подразделяются на:

а) ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексиро­ванием с разделением длин волн (wavelength - division multiplexing, WDM), при котором по одному ОВ одновременно передается не­сколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальный сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием. Возмож­ность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах соот­ветствующего окна прозрачности от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разде­ления, по одному ОВ можно организовать несколько широкополос­ных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Структурная схема ВОСП со спек­тральным разделением оптических каналов показана на рис. 5, где к уже принятым обозначениям добавляются новые:

ОФМС - оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудования (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согла­сованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемни­ком (ОПр); УСО (или MUX - мультиплексор WDM) - устройство спектрального объединения, осуществляющее ввод различных оптических несущих в одно оптическое волокно (ОВ); УСР (или DMUX - демультиплексор WDM) - устройство спектрального разде­ления, где оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники.

На передающей станции имеется систем передачи (однотип­ных или разнотипных), сигналы которых подаются на оптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие , , ..., ,.С помощью УСО осуществляется ввод различных несу­щих в ОВ. На приемной стороне в УРС оптические несущие разде­ляются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется спектрально разде­ленных оптических каналов, т.е. пропускная способность ОВ уве­личивается в л раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи. Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков. При этом расширяются возможности передачи различных сигналов (телефо­нии, телевидения, телеметрии, передачи данных и др.) с различны­ми скоростями или шириной полосы частот и типами модуляции - цифровой и аналоговой. Все это обеспечивает создание экономич­ных многофункциональных телекоммуникационных систем и сетей.

Для объединения и разделения оптических несущих могут ис­пользоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсия, дифракция и интерфе­ренция. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифрак­ционная решетка и др.

б) ВОПС с частотным или гетеродинным уплотнением. В сис­темах передачи с частотным мультиплексированием исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трак­тах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного оптического сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность частоты оптического излучения, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного, но достаточно стабильного, с помощью соответствующего сдвига оптической несущей. Уплотнение, использующее такой принцип формирования оптических несущих, называется частотным или гетеродинным уплотнением. Структурная схема, поясняющая принцип формирования группового оптического сигнала, приведена на рис. 6. Оптическое излучение с выхода источника оптического излучения (ИИ), содержащего ряд несущих f₁, f₂, ..., f_N, поступает на анализатор А₁, представляющий собой спектральную призму Глана - Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму /4 - на фильтр первого канала Ф₁. Это фильтр пропускает оптическую несущую первого канала f₁ к оптическому модулятору ОM₁,, где она и модулируется информационным оптическим сигналом (ОС₁). Оптическое излучение с частотами f₂, ..., f_N (т.e., кроме f₁,) отражается фильтром и возвращается к анализатору А₁. По пути оно вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор А₂. Оптическая несущая первого канала, промодулированная в ОМ₁ информационным сигналом, отражаясь от зеркала также возвраща­ется к анализатору А₁.

Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедше­го четвертьволновую призму, поворачивается на /2 по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем свето­вой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнала поступает на анализатор А₂ и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой f₂. Таким образом, формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическое волокно кабеля.

Принимаемый групповой оптический сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁ (рис. 7), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала - на оптический смеситель (ОСМ).

Фильтр Ф₁ пропускает только оптический сигнал с несущей час­тотой f₁ сигнал с другими частотами отражается и поступает на А₂. Оптическая промодулированная несущая частота f₁ перемножается в ОМС с частотой местного гетеродина (Гет), затем промежуточная частота f_npом выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на фотодетектор (ФД), на выходе которого формируется электрический информационный сигнал. Таким образом, прием осуществля­ется гетеродинным способом. Аналогично происходит детекти­рование сигнала во всех остальных каналах.

Достоинство метода частотного (гетеродинного) уплотнения за­ключаются в том, что длина регенерационного участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км и значительно повышается коэффициент использования пропускной способности ОВ. Недостатками данного метода является то, что требуется опти­ческий тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, опти­ческих вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилите­лей, систем автоподстройки частоты и т.п., что значительно усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

в) ЦВОСП с временным уплотнением (с временным мультип­лексированием), при котором несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой вре­менной интервал. Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и на уровне оптических сигналов. Временное мультиплексирование на уровне электрических сигналов приведено на рис. 8, где приняты следующие обозначения:

1...N - источники компонентных информационных потоков, пред­ставляющих многоканальные электрические сигналы; MUX - времен­ной мультиплексор, который, создавая групповой электрический сигнал, последовательно подключает компонентные многоканальные электрические сигналы к общему оптическому передатчику (ОПер) на определенный временной интервал; ОВ - оптическое волокно; ОПр - оптический приемник, преобразующий оптический сигнал в группо­вой электрический, содержащий N компонентных многоканальных электрических сигналов; DMUX - временной демультиплексор, рас­пределяет принятые компонентные многоканальные электрические сигналы по соответствующим приемникам 1...N. Мультиплексор и демультиплексор должны работать синхронно. Отметим, что компонентные информационные потоки могут быть сформированы как на основе систем передачи с частотным разделением каналов, так и на основе систем передачи на основе импульсных и цифровых методов модуляции.

Схема с временным мультиплексированием (уплотнением) на уровне оптических сигналов приведена на рис. 9, где приняты сле­дующие обозначения: Опер_1…N - оптические передатчики 1...N

компонентных информационных потоков (многоканальных электри­ческих сигналов аналоговых или цифровых, преобразованных в оптические сигналы); OMUX - оптический мультиплексор, осущест­вляющий задержку оптического сигнала от каждого ОПер на вели­чину , 2, ..., N (здесь N - число компонентных информа­ционных потоков или многоканальных оптических сигналов), объединяющий N многоканальных оптических сигналов в групповой оптический поток и направляющий его в оптическое волокно (ОВ); ODMUX - оптический демультиплексор, осуществляющий на прие­ме обратные преобразования.

При временном мультиплексировании как на уровне электриче­ских сигналов, так и на уровне оптических, требуется передача коротких (наносекундных) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие, близкие к предельным, требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов оптических передатчиков и приемников ВОСП. Кроме того, скорость передачи или широкополосность опти­ческих трактов ограничивается дисперсионными свойствами ОВ.

Основными достоинствами временного мультиплексирования являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ (уже достигнуты скорости передачи до 16 и выше Гбит/с) и возможность создания полностью оптической сети связи.