Многоканальные системы передачи

Вопросы по дисциплине
«Многоканальная электросвязь»
1. Фильтры электрических колебаний.
2. Преобразователи частоты. Назначение. Классификация. Требования к ним.
3. Дуплексные усилители. Назначение, принцип работы.
4. Преобразование сигналов в системах с частотным разделением каналов.
5. Преобразование сигналов в системах с временным разделением каналов.
6. Виды модуляции, применяемые в системах передачи с частотным разделением каналов.
7. Виды импульсной модуляции, применяемые в системах передачи с временным разделением
каналов.
8. Организация 2-х сторонних каналов. Назначение, структурная схема.
9. Обеспечение дальности связи. Диаграмма уровней.
10. Устройство автоматической регулировки усиления. Назначение, краткая характеристика.
11. Устройство автоматической регулировки усиления прямого действия. Назначение. Принцип
работы.
12. Устройство автоматической регулировки уровня косвенного действия. Назначение. Принцип
работы.
13. К-60П. Техническая характеристика.
14. К-120. Техническая характеристика.
15. К-300. Техническая характеристика.
16. К-3600. Техническая характеристика.
17. Особенности построения цифровых систем передачи.
18. Импульсно-кодовая модуляция.
19. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция.
20. Дельта-модуляция.
21.Амплитудно-импульсные модуляторы.
22.Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования.
23.Кодеры и декодеры с нелинейной шкалой квантования
24. Регенерация цифровых сигналов.
25. Линейные коды ЦСП.
26. Построение иерархии ЦСП. Характеристика.
27. Плезиохронная цифровая иерархия.
28. Принципы синхронизации ЦСП
29. Синхронная цифровая иерархия.
30. ИКМ - 15. Техническая характеристика.
31. Временной спектр ИКМ-15.
32. ИКМ - 30. Техническая характеристика.
33. Временной спектр ИКМ-30.
34. ИКМ-120.Техническая характеристика.
35. ИКМ-480. Техническая характеристика.
36. ИКМ - 1920. Техническая характеристика.
37. Волоконно-оптические системы передачи. Краткая характеристика.
38. Принципы построения волоконно-оптических систем передачи.
39. Преимущества и недостатки волоконно-оптических систем передачи.
40. Волоконно-оптические кабели. Конструкция. Параметры.
41. Передающие оптические модули.
42. Приемные оптические модули.
43. Волоконно-оптический ретранслятор.
44. Методы уплотнения, применяемые в волоконно-оптических линиях связи.
45. Перспективы развития волоконно-оптических систем передачи.
1. Фильтры электрических колебаний
Классификация фильтров. Одними из важнейших узлов аппаратуры
являются электрические фильтры, с помощью которых осуществляется
частотное разделение различных сигналов, подавление побочных продуктов и
т. д.
В зависимости от того, какую область частот занимает полоса пропускания,
различают фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), полосовые
(ПФ) и режекторные (РФ) фильтры, условные обозначения которых показаны
на рис. 1. По своему функциональному назначению фильтры аппаратуры
систем передачи можно разделить на канальные, групповые, направляющие,
линейные и вспомогательные.
Канальные фильтры являются полосовыми и включаются на выходах
индивидуальных преобразователей передачи и на входах индивидуальных
преобразователей приема. На передающей станции они обеспечивают
выделение соответствующих боковых полос отдельных каналов, а на приемной
станции — разделение полос частот отдельных каналов системы передачи.
Рис.1 – Условные графические обозначения электрических фильтров
Групповые фильтры в зависимости от назначения могут быть полосовыми,
низкочастотными или высокочастотными. Они предназначены для выделения
одной из боковых полос после группового преобразования и подавления
мешающих сигналов.
Направляющие фильтры используются в двухполосных двухпроводных
системах связи для разделения сигналов различных направлений передачи на
оконечных и промежуточных станциях. Эти фильтры представляют собой
сочетание фильтров ФНЧ и ФВЧ с одной и той же частотой среза, причем один
из них включается в ветвь приема, а другой — в ветвь передачи станционного
оборудования.
Линейные фильтры предназначены для разделения линейных спектров
различных систем передачи, работающих по одной цепи. Это разделение осуществляется с помощью ФНЧ и ФВЧ с одинаковой частотой среза, включаемых
на входе оконечных станций.
Вспомогательные фильтры в основном используются для выделения или
подавления одной частоты или узкой полосы частот. К таким фильтрам
относятся узкополосные фильтры, обеспечивающие выделение контрольных,
несущих и вызывных частот, режекторные фильтры, обеспечивающие
подавление остатков несущих и контрольных частот, и ряд других фильтров.
2. Преобразователи частоты. Назначение. Классификация. Требования
к ним.
Классификация преобразователей. В системах передачи с частотным
разделением каналов в основном применяется амплитудная модуляция с
передачей сигналов одной боковой полосы частот. В этом случае можно
говорить о трансформации (переносе) спектра исходного сигнала, которая
осуществляется с помощью преобразователей, частоты.
Преобразователи частоты классифицируются по ряду признаков (рис. 2).
Рис.2 – Классификация преобразователей частоты
Индивидуальные
преобразователи
предназначены
для
переноса
индивидуальной полосы частот сигнала в линейную или промежуточную
полосу часто-1 на передаче или в обратной последовательности на приеме. Они
устанавливаются в индивидуальном оборудовании систем передачи с ЧРК.
Преобразователи, работающие в передающей части аппаратуры, часто
называют модуляторами, а в приемной части — демодуляторами.
Групповые преобразователи служат для переноса полосы частот группы
каналов, полученной после индивидуального преобразования, в нужную
область частот. Они используются только при многократном групповом
преобразовании и устанавливаются в групповом оборудовании систем передачи
с ЧРК.
По характеру применяемых в преобразователях нелинейных элементов
преобразователи подразделяются на пассивные и активные: в пассивных
преобразователях используются пассивные нелинейные элементы —
полупроводниковые диоды, а в активных— активные четырехполюсники,
главным образом транзисторы.
По числу и схеме соединения нелинейных элементов преобразователи
подразделяются на однотактные, двухтактные (или балансные) и двойные
балансные (или кольцевые). В любом случае к схеме преобразователя должны
быть подключены источник модулирующего исходного сигнала и генератор
колебаний несущей частоты.
К преобразователям частоты предъявляется целый ряд специфических
требований, которые выполняются с помощью установленного для
преобразователей режима работы и схемы соединения нелинейных элементов в
преобразователе. Основные требования к преобразователям можно
сформулировать следующим образом.
1. На выходе преобразователя должны иметь место суммарные и разностные
(комбинационные) колебания
второго
порядка (боковые полосы),
обусловленные взаимодействием сигнала несущей частоты и преобразуемых
колебаний. Данные комбинационные колебания
считаются основными
(полезными) продуктами преобразования.]
2. Мощность основных продуктов преобразования должна быть как можно
больше и не должна существенно меняться при воздействии на преобразователь
внешних факторов.
3. Количество побочных продуктов преобразования на выходе преобразователя
должно быть по возможности малым, а их амплитуда — значительно меньше
амплитуд основных продуктов преобразования.
4. Схема преобразователя должна в случае необходимости обеспечивать
существенное подавление колебаний несущей частоты.
3. Усилители.
В аппаратуре оконечных и промежуточных станций систем передачи с ЧРК
применяется большое количество разнообразных типов усилителей, которые
отличаются назначением, областью применения, характером усиливаемых
сигналов, рабочим диапазоном частот, типом усилительных элементов и
некоторыми схемно-технологическими особенностями. Остановимся на
классификации усилителей по назначению применительно к аппаратуре систем
передачи с ЧРК.
Индивидуальные, или усилители тональных частот предназначены для
усиления сигналов, передаваемых по одному каналу ТЧ. Рабочий диапазон
частот этих усилителей, как правило, ограничивается эффективно передаваемой
полосой частот канала ТЧ (300—3400 Гц). Их основное назначение —
установка поминального уровня приема по каждому каналу или, в конечном
итоге, установка номинального остаточного затухания канала ТЧ. Кроме того,
этот усилитель обеспечивает корректирование амплитудно-частотной
характеристики канала.
Групповые усилители служат для усиления группового сигнала, который
представляет собой сумму отдельных канальных сигналов. В этих усилителях
должно быть обеспечено независимое усиление каждого канального сигнала.
Рабочий диапазон частот группового усилителя определяется, исходя из числа
каналов, полосы частот одного канала и способа формирования группового
сигнала.
Линейные усилители, представляющие собой определенную разновидность
групповых усилителей, обеспечивают усиление линейного сигнала в пределах
линейного тракта системы передачи. Линейные усилители включаются в
приемной части аппаратуры оконечной станции и на всех промежуточных
усилительных станциях. К категории линейных усилителей можно отнести
усилитель передачи аппаратуры оконечной станции, входящий в состав оборудования линейного тракта. Эти усилители позволяют получить номинальную
диаграмму уровней магистрали и поддерживать ее в определенных пределах в
процессе эксплуатации.
Вспомогательные усилители предназначены для усиления колебаний
несущих, контрольных, вызывных частот, сигналов телеконтроля и т. п.
Усилители систем передачи с ЧРК должны обеспечивать:
- получение необходимого коэффициента усиления и возможность его
изменения в заданных пределах;
- высокую стабильность усиления во времени;
- коррекцию амплитудно-частотных искажений, вносимых линией, и другими
элементами тракта;
- возможность ступенчатого или плавного изменения частотных характеристик
усиления;
- согласование входного и выходного сопротивлений усилителя с другими
четырехполюсниками, причем заданная степень согласования должна
сохраняться при изменении положения регуляторов и корректоров;
- заданную величину затухания нелинейности;
- заданную защищенность от собственных шумов;
устойчивую работу усилителя даже при максимальных положениях
регуляторов и корректоров;
- удовлетворение требований по частотному и динамическому диапазонам;
- удовлетворение требований по надежности и некоторые другие.
6. Виды модуляции, применяемые в системах передачи с ЧРК
Для организации каналов в системах передачи можно использовать
различные виды модуляции, при которых изменяются амплитуда, частота или
фаза сигнала. В соответствии с этим общие выражения для различных видов
модуляции имеют вид: при амплитудной модуляции (АМ).
при частотной модуляции
при фазовой модуляции (ФМ)
Здесь UН — амплитуда несущего колебания, В; ω — частота несущей,
рад/с; φ0 — начальная фаза несущей.
С помощью АМ, ЧМ или ФМ можно одинаковые исходные сигналы Uc(t)
(рис. 3а)
расположить в линейном спектре частот со сдвигом друг
относительно друга:
где Ω - частота исходного сигнала, рад/с.
Рис. 3 – Принципы АМ и ЧМ
а – исходный сигнал;
б – несущая;
в – АМ сигнал;
г – ЧМ сигнал.
При АМ амплитуда несущего колебания изменится по закону исходного
сигнала:
где
- амплитуда АМ сигнала.
7. Виды импульсной модуляции, применяемые в системах передачи с ВРК
Амплитудно-импульсная модуляция
При АИМ амплитуда импульсов тактовой последовательности
изменяется по закону модулирующего колебания, длительность и положение
импульсов остаются неизменными.
Рис.4 – Виды импульсной модуляции
а – тактовая последовательность;
б – непрерывный сигнал;
в – АИМ-1;
г – АИМ-2;
д – ШИМ-1;
е – ШИМ-2;
ж – ФИМ.
На рис. 4 в качестве примера показана форма сигналов при амплитудноимпульсной модуляции первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) родов. Для
большей наглядности скважность импульсов значительно уменьшена. При
АИМ-1 мгновенное значение амплитуды импульсов пропорционально
мгновенному значению сигнала, при АИМ-2 амплитуда импульсов тактовой
последовательности определяется мгновенным значением сигнала в точке
отсчета, т.е. амплитуда импульсов в пределах их длительности постоянна.
Широтно-импульсная модуляция.
При ШИМ длительность импульсов тактовой последовательности
изменятся пропорционально модулирующему (исходному) сигналу, а
амплитуда остается неизменной. Различают ШИМ одностороннюю (ШИМ-1) и
двухстороннюю (ШИМ-2). При односторонней ШИМ длительность импульса
тактовой последовательности изменяется за счет перемещения любого из его
фронтов относительно тактовых отсчетов (рис. 4д), при ШИМ-2 длительность
изменяется за счет симметричного относительно точки отсчета перемещения
фронта и среза импульса (рис. 4е).
Фазоимпульсная модуляция.
При ФИМ местоположение импульсов тактовой последовательности
изменяется по закону исходного сигнала. Изменение фазы импульса можно
рассматривать как соответствующее изменение частоты следования этих
импульсов w(t )  w  w cos t ,
где w — максимальное изменение частоты тактовой последовательности
При этих условиях фаза импульса будет меняться по закону
 (t )  w(t )  (w / ) sin t
Частотно-импульсная модуляция. При ЧИМ приращение частоты
следования импульсов тактовой последовательности изменяется по закону
исходного сигнала, амплитуда и длительность импульсов сохраняются
неизменными.
8. Организация 2-х сторонних каналов
При телефонной связи и в ряде других случаев на каждом из оконечных
пунктов сети связи находятся как источники, так и. приемники сообщений.
Поэтому в системе связи должна быть обеспечена возможность передачи
сигналов во встречных направлениях, т. е. связь должна быть двусторонней.
Каналы систем передачи содержат усилительные устройства, через которые
возможна передача сигналов только в одном направлении, вследствие чего эти
каналы являются односторонними. В то же время на местных телефонных сетях
для организации двусторонней связи между абонентами чаще всего используют
двухпроводные физические цепи, по которым первичные телефонные сигналы
передаются в тональном диапазоне частот. Очевидно, двустороннюю связь
можно организовать с помощью двух встречных односторонних каналов,
обеспечив соответствующее соединение четырехпроводного окончания
двустороннего канала системы с двухпроводной местной сетью. Это
соединение осуществляется с помощью специальных переходных устройств, в
качестве которых наиболее часто используют дифференциальные системы (рис.
5).
Из рис. 5 видно, что при организации двустороннего канала возникает цепь
обратной связи (вследствие возникновения замкнутой системы), т. е. сигнал с
выхода одного одностороннего канала поступает на его вход через переходные
устройства и односторонний канал обратного направления. Это может привести
к самовозбуждению усилителей, входящих в состав канала, т. е. к нарушению
связи. Во избежание этого переходные устройства должны вносить большое
затухание в направлениях 4—3 и 4'—3'. Вместе с тем затухания, вносимые в
направлениях 1—3, 4—1 и 1'—3', 4'—1', в которых передаются сигналы связи,
должны быть как можно меньше. Кроме того, переходное устройство должно
обеспечить согласование входных сопротивлений и уровней передачи
двухпроводной и четырехпроводной частей двустороннего канала.
Рис.5 – Схема организации двухсторонней связи.
9. Обеспечение дальности связи. Диаграмма уровней.
Многоканальные системы передачи с частотным и временным
разделением каналов - это сложный комплекс технических средств,
включающий в себя оконечную аппаратуру, устанавливаемую на оконечных
пунктах (ОП), промежуточную аппаратуру, размещаемую в обслуживаемых
(ОУП) или необслуживаемых (НУП) усилительных пунктах, а также линий
связи (рис. 6). В отличие от аналоговых систем в цифровых системах на
обслуживаемых и необслуживаемых пунктах устанавливается аппаратура для
восстановления (регенерации) импульсных сигналов линейного тракта. Отсюда
обслуживаемые и необслуживаемые пункты в этих системах принято называть
регенерационными (ОРП, НРП).
Рис.6 – Структурная схема системы передачи
Поясним, для чего нужны усилительные и регенерационные пункты.
Дальность передачи сигналов по физическим цепям (средам) определяется
прежде всего затуханием (ослаблением) сигнала из-за того, что в цепи теряется
часть энергии передаваемого сигнала. Конкретные электрические параметры
цепи и чувствительность приемного устройства определяют допустимую дальность связи. Например, при передаче речи мощность сигнала на выходе
микрофона телефонного аппарата Рпер=1 мВт, а чувствительность телефона
приемного аппарата Рпр=0,001 мВт. Таким образом, максимально допустимое
 max  10 lg( Pпер / Pпр )  30дБ . Зная
затухание цепи не должно быть больше
затухание  max и километрический коэффициент затухания d, можно определить
дальность передачи.
В системах передачи применяется способ компенсации затухания
сигналов повышением мощности сигнала в нескольких равномерно
расположенных точках тракта. Часть канала связи между соседними
промежуточными усилителями называется усилительным участком.
Изменение уровней сигнала вдоль магистрали описывается диаграммой
уровней, приведенной на рис. 7.
Рис.7 – Диаграмма уровней
Аппаратура ОУП и НУП служит не только для усиления аналогового
сигнала, но и для коррекции (выравнивания) амплитудно-частотных и
фазочастотных характеристик линейного тракта. Аппаратура НРП и ОРП
предназначена для восстановления амплитуды, длительности и временного
интервала между импульсами сигнала цифровых систем.
Расстояние между НУП (НРП) меняется в широких пределах для
различных систем передачи и может составлять от единиц до десятков (иногда
сотен) километров.
10. Устройства автоматической регулировки усиления. Назначение.
Краткая характеристика
Назначение и классификация систем АРУ. Система автоматической
регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения постоянства
остаточного затухания канала и поддержания в заданных пределах диаграммы
уровней. Для выполнения этой задачи устройствами АРУ должны быть
снабжены, как правило, все промежуточные обслуживаемые (ОУП) и
необслуживаемые (НУП) усилительные пункты, а также оконечные пункты
(ОП)|
Система АРУ должна обеспечивать постоянство уровня на выходе
усилителей во всем диапазоне передаваемых частот при любом изменении
затухания отдельных участков тракта, т. е. рабочее усиление усилителей
должно изменяться в строгом соответствии с изменением рабочего затухания
прилегающих участков. Таким образом, отсутствие регулировки приводит к
нежелательным последствиям, которые могут выражаться в снижении
помехозащищенности на входе усилителей, перегрузке усилителей и увеличении помех от нелинейных переходов, снижении устойчивости канала и др.
Устройства АРУ, применяемые в системах передачи, можно
классифицировать по ряду признаков:
- принципу регулирования (непрерывного и дискретного действия);
- характеру регулировки (плоская, плоско-наклонная и плосконаклоннокриволинейная) ;
- способу оценки изменения затухания (косвенного и прямого действия);
- типу используемых регуляторов (электромеханическая, электротермическая,
термомеханическая, магнитоэлектрическая и др.).
11. Устройство автоматической регулировки усиления прямого действия.
В системах АРУ прямого действия в линейный спектр аппаратуры на
передающем конце вводится контрольный сигнал (или несколько сигналов)
определенной частоты, имеющий строго стабильный уровень (рис. 8).
Рис.8 – Структурная схема системы АРУ по КЧ
Этот сигнал, называемый сигналом контрольной частоты (КЧ) и
вырабатываемый генератором (ГКЧ), вместе с информационным сигналом
поступает в линию. На выходах линейных усилителей ЛУс в промежуточных
усилительных пунктах (ПП) включают устройства, называемые приемниками
контрольного канала (ПКК), которые выделяют сигнал КЧ из линейного
спектра и передают его на автоматические регуляторы (АР). Сигнал,
формируемый АР, воздействует на переменный амплитудный корректор
(ПАК), включенный в цепь обратной связи ЛУс, вследствие чего соответствующим образом изменяется усиление ЛУс.)
12. Устройство автоматической регулировки усиления косвенного
действия.
.
В системах АРУ косвенного действия не требуется передавать по
линейному тракту КЧ, так как в этом случае на АР управляющий сигнал
подается от термодатчика, который помещается в грунт на глубине прокладки
кабеля. Контролируя температуру грунта, можно косвенно судить об
изменении затухания кабеля и соответствующим образом изменять усиление
ЛУс. Подобные системы получили название грунтовых АРУ.
13. К-60П. Техническая характеристика.
Аппаратура К-60П является основной системой передачи по симметричным
цепям кабельных линий связи и работает по однополосной четырехпроводной
двухкабельной системе. Максимальная дальность связи 12500 км, расстояние
между ОУП до 300 км, а длина усилительного участка 19...20 км.
В аппаратуре предусмотрена трехчастотная система АРУ: контрольная
частота 248 кГц используется для плоской регулировки, 16 кГц - для наклонной
и 112 кГц - для криволинейной регулировки. Кроме того, все НУП имеют
частотно-зависимую грунтовую АРУ. Линейный спектр системы составляет
12...252 кГц.
Упрощенная структурная схема аппаратуры приведена на рис. 9
Рис.9 – Упрощенная структурная схема аппаратуры К-60П.
В тракте передачи сигналы тональной частоты 60 каналов, поступающие на
пять блоков индивидуального оборудования (ИО1 ...И05), преобразуются в
сигналы пяти стандартных первичных групп со спектром частот 60... 108 кГц.
Затем в групповом оборудовании с помощью второй ступени преобразования с
использованием пяти несущих частот осуществляется формирование стандартной вторичной группы частот (в спектре 312...552 кГц) из пяти первичных
групп. Затем, используя третью ступень преобразования, которая является
второй групповой ступенью, с помощью несущей частоты 564 кГц спектр 60канальной вторичной группы переносится в линейный спектр 12...252 кГц.
В тракте приема осуществляются обратные преобразования сигнала.
14. К-120. Техническая характеристика.
Аппаратура К-120 используется на зоновых участках сети по двухполосной
двухпроводной системе. Максимальная дальность связи составляет 1400 км,
длина усилительного участка 10 км, а секции ОУП-ОУП 200 км. В линейном
тракте используется одночастотная система АРУ, причем устройствами АРУ по
КЧ снабжены все усилительные пункты.
На первом этапе в стандартном каналообразующем оборудовании
формируются десять 12-канальных первичных групп в спектре 60... 108 кГц, а
на их основе в блоках формирования вторичных групп —две 60-канальные
вторичные группы в спектре 312...552 кГц. На станции А одна вторичная
группа поступает на ГПр, на который подается групповая несущая частота 612
кГц. Фильтр, установленный на выходе ГПр, выделяет нижнюю боковую
полосу частот в спектре 60... 300 кГц, которая поступает в линию совместно с
другой вторичной группой, которая не подвергается преобразованию. Таким
образом, в линию поступает сигнал в спектре 60 ...552 кГц.
На станции Б происходят аналогичные преобразования, но в качестве
групповой несущей используется частота 1364 кГц, В линию поступает сигнал
в спектре частот 812... 1304 кГц. В приемном тракте происходят обратные
преобразования.
15. К-300. Техническая характеристика.
Аппаратура К-300. Аппаратура К-300 используется на коаксиальных
кабелях типа МКТП и работает по однополосной четырехпроводной системе.
Максимальная дальность связи 12500 км, длина усилительного участка 6 км, а
секции ОУП—ОУП 240 км.
Передача групповых сигналов в обоих направлениях осуществляется в
полосе частот 60... 1300 кГц. Сначала из 300 каналов ТЧ формируются 25
первичных 12-канальных групп, а затем в БФВГ пять вторичных 60-канальных
групп. Линейный спектр образуется использованием еще одной ступени группового преобразования с несущими частотами 612, 1116, 1364 и 1612 кГц.
16. К-3600. Техническая характеристика.
Аппаратура К-3600. Система передачи К-3600 предназначена для работы
по коаксиальным парам кабеля типа КМБ-8/6 или КМБ-4. Она позволяет
получить в каждом направлении передачи 3600 каналов ТЧ или 1800 каналов
ТЧ и канал передачи телевидения. Как и большинство систем передачи,
работающих по коаксиальным кабелям, система К-3600 является однополосной
четырехпроводной и работает в однокабельном режиме. Дальность действия
этой системы передачи составляет 12500 км при максимальной протяженности
секции ОУП—ОУП 186 км и длине усилительного участка 3 км. При этом
предусмотрено использование НУП трех типов: нерегулирующего, регулирующего (каждый пятый НУП) и корректирующего (каждый 20-й).
Регулирующий НУП содержит устройства АРУ как по температуре грунта, так
и по основной контрольной частоте 18432 кГц. Линейный спектр системы
передачи К-3600 занимает полосу частот (812... 17596) к Гц.
17. Особенности построения цифровых систем передачи
В большинстве развитых стран мира принят курс на цифровизацию сетей
связи, предусматривающий построение сети на базе цифровых методов
передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными
преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми.
Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме
позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при
передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на
качество передачи информации.
Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе по световодным
линиям.
Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах
каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов
оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование
регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются
практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния.
Стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность и идентичность
параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной
характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки
сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства, как будет показано
ниже, составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность
параметров каналов в таких системах значительно выше.
Эффективность использования пропускной способности каналов для
передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов (например,
передачи данных) непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала.
Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи
в сочетании с цифровыми коммутационными станциями являются основой
цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов
осуществляются и цифровой форме. При этом параметры каналов практически
не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения
гибкой разветвленной сети связи.
Высокие технико-экономические показатели Передача и коммутация
сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать весь аппаратурный
комплекс цифровой сети на чисто электронной основе с широким применением
цифровых интегральных схем. Это позволяет резко уменьшать трудоемкость
изготовления оборудования, добиваться высокой степени унификации узлов
оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и
габаритные размеры. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация
систем и повышается надежность оборудования.
18. Импульсно-кодовая модуляция
Импульсно-кодовая
модуляция
(ИКМ)
является
наиболее
распространенным методом цифрового преобразования аналоговых сигналов.
Она осуществляется путем временной дискретизации аналоговых сигналов с
последующим амплитудным квантованием и кодированием.
Временная дискретизация представляет собой амплитудную модуляцию
импульсной последовательности входным аналоговым сигналом. Различают
амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго родов (АИМ2). При АИМ-1 амплитуда импульсов (отсчетов), следующих с частотой
дискретизации, изменяется в соответствии с изменением входного сигнала. При
АИМ-2 амплитуда каждого отсчета равна значению входного сигнала в момент
начала отсчета. Для восстановления исходного сигнала из последовательности
их достаточно пропустить через фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза,
соответствующей fв
Необходимо, чтобы выполнялось условие, соответствующее теореме
Котельникова: f Д  2 f В
Амплитудное квантование заключается в замене бесконечного множества
значений амплитуды входного сигнала (каждого отсчета) конечным
множеством разрешенных значений уровней квантования. Интервал между
двумя соседними уровнями квантования называется шагом квантования.
Амплитуда каждого отсчета округляется до значения ближайшего уровня
квантования. Возникающие при этом ошибки равные разности значений
квантованных величин входного сигнала и его истинного значения приводят к
возникновению искажений квантования.
Квантованные по амплитуде отсчеты входного сигнала подвергаются
кодированию.
Под кодированием понимается преобразование значений уровня
квантования в кодовую группу, представляющую собой комбинацию цифровых
символов. В системах с ИКМ для кодирования в основном используется
двоичный код. При этом все кодовые группы состоят из равного числа
двоичных символов.
В аппаратуре ИКМ-30, в которой осуществляется передача двуполярных
аналоговых сигналов, используется симметричный двоичный код. В таком коде
символ первого разряда определяется полярностью передаваемого отсчета, а
символы других разрядов несут информацию о величине отсчета.
Число градаций непрерывного сигнала связано с числом разрядов
кодовой комбинации. В системах передачи с ИКМ число разрядов принято
равным 8, а число градаций N=2n=256. Такое деление непрерывного сигнала по
градациям вносит определенную погрешность при приеме непрерывного
сигнала, так называемую погрешность квантования.
Все три стадии преобразования из аналогового сигнала в ИКМ-сигнал
пояснены на рис. 18.1
Рис. 18.1 - Принцип импульсно-кодовой модуляции
Структурная схема передатчика, реализующая описанный принцип ИКМ,
показана на рис. 18.2
Рис. 18.2 - Схема передатчика ИКМ
19. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция
В ЦСП с ИКМ квантованию и кодированию подвергаются дискретные по
времени отсчеты непрерывного сигнала, взятые из условия теоремы
Котельникова. Однако такой метод передачи квантованных выборок сигнала в
закодированном виде не является единственно возможным методом
импульсной передачи непрерывных сообщений.
Как известно, для речевого сигнала более вероятны низкочастотные
составляющие спектра. Это означает, что мгновенные значения дискретных
отсчетов сигнала в соседних точках дискретизации с большой вероятностью
мало отличаются друг от друга. Поэтому можно вместо кодирования и
дальнейшей передачи отсчетов передавать по тракту связи кодированные
значения разности соседних отсчетов, по которым на приемной стороне
восстанавливаются значения отсчетов сигнала. Такой метод передачи называется дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (ДИКМ).
Рис.10 – Принципы ДИКМ
На рис. 10 а показаны дискретные отсчеты непрерывного сигнала, при
квантовании и кодировании которых получают цифровой ИКМ сигнал, а на
рис. 10 б — амплитудные значения разностей двух соседних отсчетов.
Осуществляя квантование и кодирование разностей соседних отсчетов,
получают цифровой ДИКМ сигнал.
Как видно из рисунков, амплитуды разностей отсчетов меньше амплитуд
самих отсчетов, поэтому при одинаковом шаге квантования число разрядов
кодовой группы при ДИКМ меньше, чем при ИКМ. Уменьшение числа
разрядов в кодовой группе при ДИКМ снижает скорость передачи цифрового
потока и, следовательно, уменьшает требуемую полосу частот линии передачи.
Если же полоса частот линии передачи и скорость цифрового потока определяются параметрами ИКМ, то применение ДИКМ позволяет уменьшить
ошибку квантования по сравнению с ИКМ за счет уменьшения шага
квантования.
20. Дельта-модуляция
При рассмотрении принципов ИКМ и ДИКМ предполагалось, что период
дискретизации выбран в соответствии с теоремой Котельникова: T Д  1 / 2 FВ .
Было выяснено, что некоторые преимущества, которые дает применение
ДИКМ, основаны на том, что соседние отсчеты дискретизированного сигнала с
большой вероятностью мало отличаются друг от друга. Последнее и дает
возможность уменьшить разрядность кодовых групп, отображающих передаваемые разности отсчетов. Следовательно, если взять период
дискретизации T Д  1 / 2 FВ , то различие между соседними отсчетами
аналогового сигнала будет еще меньше, а применительно к ДИКМ меньше и
разрядность кода. Поэтому при достаточно малом периоде дискретизации
разность между соседними отсчетами может быть сделана достаточно малой, а
именно такой, когда за каждый период дискретизации в тракт передачи можно
будет передавать либо — 1, если разность двух отсчетов U   , где  — выбранный шаг квантования, либо +1, если U   . Таким образом, при
выбранном приращении передаются сведения только о его знаке и для этого
достаточно передавать один двоичный символ в каждый момент отсчета. Такой
способ формирования цифрового сигнала называется классической дельтамодуляцией ДМ.
21. Амплитудно-импульсные модуляторы.
Амплитудно-импульсные
модуляторы
ЦСП
осуществляют
дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи. В качестве таких
устройств применяют быстродействующие электронные ключи, управляемые
импульсным напряжением, называемым импульсной несущей.
К АИМ модуляторам предъявляют весьма высокие требования по
быстродействию.
В качестве электронного ключа можно использовать диодный мост.
Такой диодный мост изображен на рис. 11.
Рис.11 – Последовательно-балансная схема модулятора (а) и ее
эквивалентная схема
Управляет работой диодов напряжение импульсной несущей. Эта схема
является одной из разновидностей балансных схем модуляторов. На практике
используются интегральные сборки, в которых диоды выполнены на одном
кристалле и обладают практически одинаковыми параметрами.
Дальше рассмотрим схему транзисторного ключа на транзисторе.
Рис.12 – Принципиальная схема ключа на транзисторе
При отсутствии управляющего напряжения Uу транзистор VT закрыт и на
сопротивлении нагрузки отсутствует ток сигнала Iс. Появление положительного
управляющего напряжения приводит к снижению внутреннего сопротивления
транзистора, и в нагрузке появляется ток, вызванный напряжением Uс. В то же
время напряжение Uу, приложенное к базе VT, приводит к появлению в
эмиттерной цепи и в нагрузке тока импульсной несущей Iн.
22. Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования
Кодер с линейной шкалой квантования называется линейным, а с
нелинейной шкалой квантования – нелинейным. Аналогичное определение
относится и к декодерам.
По принципам действия делятся на три основные группы: счетного типа,
взвешивающего типа и матричные.
Схема кодера счетного типа показана на рисунке.
Рис.13 – Функцианальная схема кодера счетного типа.
Он состоит из преобразователя АИМ-ШИМ, генератора тактовых импульсов
ГТИ, схемы И и двоичного счетчика.
Входной сигнал АИМ (1) поступает на вход преобразователя АИМ-ШИМ,
где амплитудные отсчеты сигнала преобразуются в последовательность
импульсов одинаковой амплитуды, но различной длительности (2). Сигнал
ШИМ и последовательность коротких импульсов от ГТИ (3) поступают на
схему И, на выходе которой получаются пачки импульсов тактовой частоты (4),
причем их число в пачке пропорционально длительности импульсов ШИМ,
следовательно, амплитуде отсчета кодируемого сигнала. Пачки импульсов
поступают на двоичный счетчик, который определяет число импульсов,
входящих в пачку. Результат подсчета устанавливается на кодовых выходах
счетчика, что и является кодовой
комбинацией. Импульсы сброса (5)
возвращают счетчик в исходное состояние после формирования
каждой
кодовой группы. Считывание двоичной последовательности происходит в параллельном коде.
Наиболее просто двоичное кодирование осуществляется в кодерах
взвешивающего типа. Принцип работы таких кодеров заключается в
уравновешивании кодируемых отсчетов эталонными токами или просто
эталонами с определенными весами (значениями). Кодирование в этом случае
можно представить как процесс поэтапного взвешивания на чашечных весах,
снабженных указателями «больше — меньше». На одну чашу весов помещается
кодируемый отсчет, а на другую последовательно устанавливают эталоны
(гири), начиная с эталона наибольшего веса. На каждом из этапов (тактов)
взвешивания по указателю (больше — меньше» принимают соответствующее
решение: если отсчет тяжелее эталона, то последний оставляют на чаше весов и
добавляют эталон следующего меньшего веса. В противном случае первый
эталон снимают и устанавливают эталон меньшего веса. Очевидно, что по
окончании взвешивания отсчет будет уравновешен эталонами, сумма которых с
точностью до эталона наименьшего веса будет равна «весу» отсчета. Значение
эталона наименьшего веса и будет максимально возможной ошибкой
квантования. Если результат каждого из этапов взвешивания записать, отмечая
единицей оставление эталона на чаше весов, а нулем его снятие, то по
окончании взвешивания получим запись веса отсчета в двоичном коде.
Рис.14 – Структурная схема линейного кодера взвешивающего типа.
Процесс декодирования (восстановления передаваемой амплитуды
отсчета) в этом случае может быть представлен как суммирование эталонов
(гирь) с весовыми значениями тех разрядов, где в кодовой комбинации имеются
единицы.
23. Кодеры и декодеры с нелинейной шкалой квантования (самост-но)
24. Регенераторы цифровых сигналов
Пройдя через среду распространения, цифровой сигнал ослабляется и
подвергается искажению и воздействию помех, что приводит к изменению
формы и длительности импульсов, изменению случайным образом временных
интервалов между импульсами, уменьшению амплитуды импульсов. Задача
регенератора — восстановить амплитуду, форму, длительность каждого
импульса цифрового сигнала, а также величину временных интервалов между
соседними символами.
В кабельных ЦСП линейный сигнал чаще всего передается в виде комбинаций
импульсов постоянного тока и пробелов, что упрощает реализацию
регенераторов. Исходя из сказанного выше рассмотрим регенерацию
цифрового сигнала, представляющего собой комбинацию импульсов и
пробелов (единиц и нулей) . Структура регенератора представлена на рис. 15.
Искаженный цифровой сигнал из кабельной цепи поступает на усилителькорректор УК, обеспечивающий частичную или полную коррекцию формы
импульсов, и регистрируется решающим устройством РУ.
Рис.15 – Принцип регенерации цифрового двоичного сигнала.
Решающее устройство представляет собой пороговую схему, которая
срабатывает, если уровень сигнала на его входе превышает пороговый уровень
РУ, и не срабатывает, если уровень входного сигнала меньше уровня порога.
Пороговое напряжение может подаваться извне или вырабатываться в схеме
РУ. При поступлении импульса на выходе РУ появляется управляющий сигнал, а в случае 0 («пробела) состояние РУ не изменяется. Формирующее
устройство ФУ обеспечивает формирование по сигналам РУ импульсов с
принятыми для конкретной системы стандартными параметрами.
В приведенной выше схеме, характерной для современных регенераторов,
регистрация входящего сигнала и принятие решения о его значении
осуществляются по каждому символу в отдельности (возможно принятие
решений по всей кодовой комбинации или по циклу, так называемый «прием в
целом»), что значительно упрощает реализацию схемы регенератора. Однако
при этом требуется введение устройства тактовой синхронизации УТС, которое
должно обеспечить принятие решений на определенных временных интервалах. Эти интервалы выбираются в пределах участков тактового интервала,
на которых принимаемый импульс имеет минимальные искажения, так как
выбор момента регистрации в менее искаженной части импульса гарантирует
верность принятия решения РУ.
Верность принимаемых РУ решений зависит, в первую очередь, от способа
обнаружения двоичного сигнала и качества работы УТС. При безошибочной
работе РУ каждому входному импульсу соответствует выходной, а каждому
«пробелу» на входе — «пробел» на выходе. Однако из-за присутствия на входе
РУ различных помех, несовершенства устройства тактовой синхронизации и
других причин в процессе регенерации возможны ошибки, выражающиеся в
преобразовании 1 на входе регенератора в 0 на выходе и наоборот входного 0 в
выходную 1.
Рассмотрим временные диаграммы, поясняющие принцип регенерации
цифрового сигнала (рис. 16).
Входной сигнал, пройдя регенерационный участок (рис. 16 а), искажается,
форма его изменяется и на входе УК (рис. 16 б) она уже сильно отличается от
исходной. Усилитель-корректор, устраняя амплитудно-частотные искажения
цепи, корректирует форму импульсов, обеспечивая более крутые фронты, что
облегчает процесс принятия решения в РУ.
Рис. 16 – Регенерация цифрового сигнала
25. Линейные коды ЦСП
Код с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ)
Этот код получил в настоящее время широкое распространение. Алгоритм
перехода от двоичного сигнала к коду ЧПИ состоит в том, что символу 0 в
обоих случаях соответствует пауза, а символу 1 в коде ЧПИ соответствуют
импульсы положительной или отрицательной полярности.
1
1
0
1
1
t
t
Рис. 17 – Код ЧПИ
Строгое чередование полярности импульсов позволяет уменьшить
линейные искажения второго рода и ослабить линейные искажения первого
рода (уменьшение высоты импульса с длинной линии связи и увеличение
длительности импульса). Важным достоинством кода ЧПИ является
чрезвычайная простота обратного перехода к двоичному сигналу. Для этого
достаточно осуществить двухполупериодное выпрямление кода ЧПИ.
Модифицированный код ЧПИ.
Существенным недостатком кода ЧПИ является трудность реализации
устройства выделения тактовой частоты. Допустим на входе УВТЧ действует
импульсный цифровой сигнал (код ЧПИ), если в двоичном коде появляется
подряд множество символов 0, то на выходе УВТЧ будет действовать
длительная пауза, что может привести к срыву его работы. Суть модификации
кода ЧПИ состоит в том, что в паузу, длина которой превышает n нулей,
помещают балластные сигналы. Они препятствуют ухудшению работы УВТЧ,
но в то же время легко могут быть обнаружены и изъяты на приеме.
26. Иерархии цифровых систем передачи. Характеристика.
Структура первичной сети предопределяет объединение и разделение
потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы
передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к цифровым
системам этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП,
соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП
предыдущей ступени в целое число раз.
Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии,
называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое преобразование
относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой
поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное
число первичных потоков во вторичный цифровой поток и т.д.
В рекомендациях IТU-Т представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная
цифровая иерархия (ПЦИ) и синхронная цифровая иерархия (СЦИ).
Первичным сигналом для всех типов ЦСП является цифровой поток со
скоростью передачи 64 кбит/с, называемый основным цифровым каналом
(ОЦК). Для объединения сигналов ОЦК в групповые высокоскоростные
цифровые сигналы используйся рассмотренный ранее принцип временного
разделения каналов. Для преобразования первичных аналоговых (в том числе
речевых телефонных) сигналов в ОЦК используется ИКМ.
Появившаяся исторически первой плезиохронная цифровая Иерархия
(Plesiochronous
Digital
Hierarchy-PDH)
имеет
европейскую,
североамериканскую и японскую разновидности (см. табл.1)
Таблица 1.
Значения скоростей передачи в технической литературе обычно
округляются.
В североамериканской и японской РDН для цифровых потоков применяется
обозначение Т (иногда DS), в европейской РDН - Е, а японской – J. Цифровые
потоки первого уровня обозначаются соответственно Т1 и Е1, второго Т2 и Е2
и т.д. На практике используются цифровые потоки до Е4 и ТЗ включительно.
Для сетей связи РФ принята европейская РDН.
27. Плезиохронная цифровая иерархия
Скорости цифровых потоков одной и той же ступени РDН, но
Образуемых ЦСП, расположенными на различных станциях сети, могут
отличаться друг от друга в пределах допустимой нестабильности частот
задающих генераторов. Именно поэтому рассматриваемая иерархия ЦСП
называется плезиохронной. Наличие нестабильности задающих генераторов
требует принятия специфических мер при объединении потоков в поток более
высокой ступени иерархии, что заметно усложняет эксплуатацию первичной
связи в целом и снижает ее качественные показатели.
На сети связи РФ эксплуатируются цифровые системы передачи РDН
отечественного и зарубежного производства. Отечественные системы носят
название ЦСП с ИКМ (цифровые системы передачи с импульсно-кодовой
модуляцией). В настоящее время разработан и представлен на сети полный
спектр аппаратуры, реализующей европейскую РDН.
Цифровые системы передачи строятся по иерархическому принципу,
предусматривающему формирование групповых цифровых потоков путем
объединения сигналов систем передачи более низкого уровня. Они должны
обеспечить передачу всех видов аналоговой и дискретной информации,
взаимодействие с действующими системами передачи и коммутации, простое
объединение, разделение и транзит передаваемых сигналов и т. д.
Иерархия основывается на первичной ЦСП (ПЦСП) типа ИКМ-30 со
скоростью передачи группового сигнала 2048 кбит/с. В этих системах
осуществляется восьмиразрядное кодирование аналоговых телефонных
сигналов 30 каналов ТЧ.
Рис.18 – Иерархия ЦСП в России
Хотя создание цифровых систем передачи РDН было значительным
шагом в развитии техники связи, тем не менее РDН присущ ряд недостатков.
Во-первых,
наличие
трех
различных
иерархий
(европейской,
североамериканской
и
японской)
крайне
затрудняет
организацию
международной связи. Во-вторых, в РDН затруднен ввод/вывод цифровых
потоков в промежуточных пунктах и возникает парадоксальная ситуация, когда
для выделения низкоскоростного потока требуется непропорционально
большое количество сложного оборудования. Данный недостаток становится
особенно существенным при необходимости частого ввода/вывода цифровых
потоков вдоль магистрали.
В-третьих, в РDН отсутствуют средства сетевого автоматизированного
контроля и управления, без которых невозможно создать сеть связи,
удовлетворяющую современным требованиям к качеству обслуживания и
надежности. В-четвертых, при нарушении синхронизации группового сигнала в
РDН сравнительно большое время требуется на многоступенное
восстановление синхронизации компонентных потоков.
Преодолеть недостатки, оставаясь в рамках РDН, было невозможно.
28. Принципы синхронизации ЦСП
В плезиохронных ЦСП используется принцип временного разделения
каналов, поэтому правильное восстановление исходных сигналов на приеме
возможно только при синхронной и синфазной работе генераторного
оборудования (ГО) на передающей и приемной станциях. Для нормальной
работы плезиохронных ЦСП должны быть обеспечены следующие виды
синхронизации:
• тактовая - обеспечивает равенство скоростей обработки цифровых сигналов в
линейных и станционных регенераторах, кодеках и других устройствах ЦСП,
осуществляющих обработку сигнала с тактовой частотой Рт;
• цикловая - обеспечивает правильное разделение и декодирование кодовых
групп цифрового сигнала и распределение декодированных отсчетов по
соответствующим каналам в приемной части аппаратуры;
• сверхцикповая - обеспечивает на приеме правильное распределение сигналов
управления и взаимодействия (СУВ) по соответствующим телефонным
каналам; СУВ представляют собой набор сигналов, управляющих работой АТС
(набор номера, ответ, отбой, разъединение и пр.)
Нарушение хотя бы одного из видов синхронизации приводит к потере связи по
всем каналам ЦСП.
Цикловая синхронизация осуществляется следующим образом. На передающей
станции в состав группового цифрового сигнала в начале цикла вводится
цикловой синхросигнал (СС). На приемной станции устанавливается приемник
синхросигнала (ПСС), который выделяет цикловой синхросигнал из группового
цифрового сигнала и тем самым определяет начало цикла передачи. Цикловой
синхросигнал должен обладать определенными отличительными признаками, в
качестве которых используется заранее определенная и неизменная структура
синхросигнала.
Работа системы сверхцикловой синхронизации, как и работа системы цикловой
синхронизации, основана на передаче сверхциклового синхросигнала (СЦС) в
одном из циклов сверхцикла (СЦ). Принцип работы приемника СЦС
аналогичен работе ПСС.
29. Синхронная цифровая иерархия
Наиболее современной технологией, используемой в настоящей время
для построения сетей связи, является синхронная цифровая иерархия (СЦИ)
(Synchronous Digital Hierarchy-SDH). Они обладает существенными
преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений,
позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических и
радиорелейных линии, создавать гибкие, надежные, удобные для эксплуатации,
контроля и управления сети, гарантируя высокое качество связи. Системы SDH
обеспечивают скорость передачи от 155 Мбит/с и выше и могут
транспортировать как сигналы существующих ЦСП, так и новых
перспективных служб, в том числе широкополосных.
Хотя создание цифровых систем передачи РDН было значительным
шагом в развитии техники связи, тем не менее РDН присущ ряд недостатков.
Во-первых,
наличие
трех
различных
иерархий
(европейской,
североамериканской
и
японской)
крайне
затрудняет
организацию
международной связи. Во-вторых, в РDН затруднен ввод/вывод цифровых
потоков в промежуточных пунктах и возникает парадоксальная ситуация, когда
для выделения низкоскоростного потока требуется непропорционально
большое количество сложного оборудования. Данный недостаток становится
особенно существенным при необходимости частого ввода/вывода цифровых
потоков вдоль магистрали.
В-третьих, в РDН отсутствуют средства сетевого автоматизированного
контроля и управления, без которых невозможно создать сеть связи,
удовлетворяющую современным требованиям к качеству обслуживания и
надежности. В-четвертых, при нарушении синхронизации группового сигнала в
РDН сравнительно большое время требуется на многоступенное
восстановление синхронизации компонентных потоков.
Преодолеть недостатки, оставаясь в рамках РDН, было невозможно.
В качестве основной среды передачи в SDH применяются ВОЛС.
Неслучайно американский прототип SDH носит название SONET-от
английских слов Synchronous Optical NETwork,, что переводится как
«синхронная оптическая сеть».
SDH
позволяет
организовать
универсальную
транспортную
сеть,
выполняющую функции как передачи информации, так и контроля и
управления. Она рассчитана на транспортирование всех сигналов РDН, а также
всех действующих и перспективных служб, в том числе и широкополосной
цифровой сети с интеграцией служб (В-ISDN), использующей асинхронный
способ доставки (Asynchronous Transfer Mode - ATM).
Применение SDН дает возможность существенно сократить объем и стоимость
аппаратуры, эксплуатационные расходы, сроки монтажа и настройки
оборудования. В то же время значительно повышаются надежность и
живучесть сетей, их гибкость, качество связи.
Таблица 2.
Уровень Модуль
Скорость передачи
1
4
16
64
155 Мбит/с
622 Мбит/с
2,5 Гбит/с
10 Гбит/с
SТМ-1
SТМ-4
SТМ-16
SТМ-64
Линейные сигналы SDН организованы в так называемые синхронные
транспортные модули (Synchronous Transport Module) (табл. 2). Первый из них
(SТМ-1) соответствует скорости 155 Мбит/с. Каждый последующий имеет
скорость в 4 раза большую, чем предыдущий, и образуется побайтным
синхронным мультиплексированием. Уже стандартизированы SТМ-4 (622
Мбит/с), SТМ-16 (2,5 Гбит/с) и SТМ-64 (10 Гбит/с).
В сети SDН используется принцип контейнерных перевозок. Подлежащие
транспортированию сигналы предварительно размешаются в стандартных
контейнерах (container-С). Все операции производятся с контейнерами
независимо от их содержимого. Благодаря этому и достигается прозрачность
сети SDН, т.е. возможность транспортировать различные сигналы РDН, потоки
ячеек ATМ или какие-либо другие сигналы.
Предусмотрены контейнеры четырех уровней. В контейнерах размещаются
потоки РDН (табл. 3). Скорость 8 Мбит/с европейской РDН не приведена,
поскольку соответствующий контейнер зарезервирован для новых сигналов с
неиерархическими скоростями, например для потока ячеек АТМ.
Таблица 3.
Уровень
1
2
3
4
Контейнер Сигнал
РDН,
Мбит/с
С-11
1,5
С-12
2
С-2
6
С-3
34 и 45
С-4
140
Важной особенностью сети SDН является ее деление на три функциональных
слоя, которые подразделяются на подслои (табл.4). Каждый слой обслуживает
вышележащий слой и имеет определенные точки доступа. Слои имеют
собственные средства контроля и управления, что упрощает операции по
ликвидации последствий отказов и снижает их влияние на вышележащие слои.
Независимость слоев позволяет внедрять, модернизировать или заменять их, не
затрагивая другие слои.
Таблица 4.
Слои
Подслои
Каналы
Тракты
—
Низшего порядка. Высшего
порядка
Секции мультиплексные.
Секции регенерационные.
Физическая среда
Среда
передачи
30. ИКМ-15. Техническая характеристика.
Аппаратура ИКМ-15 предназначена для организации соединительных линий
между сельскими АТС при использовании кабелей КСПП-1x4x1,2 и 1x4x0,9.
Аппаратура работает по однокабельной четырехпроводной схеме и позволяет
организовать 15 каналов ТЧ. Кроме того, предусмотрена возможность организации канала звукового вещания второго класса (вместо двух каналов ТЧ) и
передачи дискретной информации.
Таблица 5. Краткие технические характеристики.
Скорость группового потока
Максимальная дальность связи
Длина участка регенерации
Длина секции ОРП—ОРП (ОП—ОРП)
Среднее время восстановления циклового синхронизма
1024 кбит/с
100 км
(7,2 ...7,4)км
50 км
4 мс
31. Временной спектр ИКМ-15
Структура цикла передачи системы представлена на рис. 3.1.1 Каждый
цикл передачи содержит 16 канальных интервалов (КИО... КИ15), а каждый КИ
состоит из восьми разрядов (Р1 ... ... Р8). Канальные интервалы КИ1... КИ15
являются информационными, а КИ0 предназначен для передачи
синхросигналов (циклового и сверхциклового), информации СУВ и сигналов
дискретной информации. Сигнал цикловой синхронизации представляет
комбинацию 110, передаваемую в КИ0 на позициях Р6... Р8.
Рис. 19 - Структура цикла передачи аппаратуры ИКМ-15
Шестнадцать последовательных циклов, представленных на рис. 3.1.1,
образуют сверхцикл, в течение которого последовательно передаются СУВ для
всех 15 сигналов ТЧ (по одному СУВ в каждом цикле). Для передачи СУВ
используются позиции Р2 ... Р4 КИ0. На этих позициях в цифровой форме
передаются сигналы набора номера, ответа, отбоя, занятости и др. В начале
каждого сверхцикла на месте Р1 КИО передается сигнал сверхцикловой
синхронизации (СЦС), который обеспечивает правильное распределение СУВ
на приеме. Для передачи сигналов дискретной информации выделяется Р5 КИ0.
32. ИКМ -30. Техническая характеристика.
Аппаратура ИКМ-30 предназначена для получения пучков
соединительных линий между городскими АТС городскими и пригородными
АТС, между АТС и АМТС при использовании низкочастотных кабелей с
бумажной изоляцией типов Т и жилами диаметрами 0,5; 0,6 и 0,7 мм, а также
кабелей с полиэтиленовой изоляцией ТПП и жилами диаметром 0,5 и 0,7мм.
Аппаратура может использоваться в одно- или двухкабельном режиме работы.
Аппаратура также используется в качестве каналообразующей для ЦСП более
высоких порядков (например, ИКМ-120). Разработана также модификация этой
аппаратуры ИКМ-30С, предназначенная для организации соединительных
линий между сельскими АТС при использовании одночетверочных кабелей
КСПП.
Аппаратура обеспечивает организацию 30 каналов ТЧ. Кроме того, при
использовании аппаратуры АЦВ в линейном тракте аппаратуры ИКМ-30 может
быть организовано четыре канала звукового вещания высшего класса
В состав комплекса аппаратуры ИКМ-30 входят аналого-цифровое
оборудование (АЦО), оконечное оборудование линейного тракта (ОЛТ),
необслуживаемый регенерационный пункт (НРП) и комплект контрольноэксплуатационных устройств. Длина регенерационного участка (расстояние
между соседними НРП) в зависимости от типа кабеля составляет 1,5 ...2,7 км, а
общее число последовательно включенных НРП не превышает 40. Максимальная длина линейного тракта 60... 108 км.
В тракте передачи (рис. 20) аналоговый информационный сигнал (сигнал
ТЧ) и сигналы управления и взаимодействия (СУВ) от АТС поступают на вход
согласующего устройства (СУ), где СУВ преобразуются в импульсные
последовательности с частотой fсув =500 Гц. Сигнал ТЧ поступает в передатчик
(Пер), где усиливается, ограничивается по частоте фильтром нижних частот и с
помощью
амплитудно-импульсных
модуляторов
преобразуется
в
последовательность отсчетов (дискретизируется по времени), т. е. формируется
индивидуальный АИМ сигнал. Выходы всех передатчиков соединяются в
одной точке, где образуется групповой АИМ сигнал, соответствующий 30
каналам ТЧ, разделенным во времени. Последнее обеспечивается тем, что модулируемые импульсные последовательности, вырабатываемые в генераторном
оборудовании (ГОпер) и имеющие частоту, равную частоте дискретизации fд=8
кГц, сдвинуты по времени друг относительно друга на величину, равную
длительности одного канального интервала. Затем групповой АИМ сигнал
поступает в кодер (Код), где осуществляется квантование сигнала по уровню и
кодирование, т. е. преобразование каждого АИМ-отсчета в восьмиразрядную
двоичную комбинацию соответствующей структуры. Так как число разрядов в
кодовой комбинации m=8, а код двоичный, общее число возможных
комбинаций различной структуры (с различными взаимным расположением 1 и
0) будет равно 28 = 256. Работа кодера осуществляется под управлением
импульсной последовательности с тактовой частотой Fт = 2048 кГц, формируемой в ГОпер.
Рис. 20 - Структурная схема оконечной станции ИКМ-30 (тракт передачи)
В результате на выходе кодера будет сформирован 30-канальный
цифровой сигнал, который поступает на формирователь линейного сигнала
(ФЛС), где объединяется с импульсными последовательностями СУВ, с
сигналами цикловой и сверхцикловой синхронизации (ЦС и СЦС), а также с
сигналами дискретной информации (ДИ). Сигналы синхронизации
формируются в блоке ФС, а сигналы дискретной информации поступают на
ФЛС после соответствующей обработки в блоке ДИпер.
С выхода ФЛС групповой ИКМ сигнал поступает на преобразователь
кода передачи ПКпер, где однополярный двоичный сигнал преобразуется в
биполярный сигнал с чередованием полярностей импульсов (ЧПИ), более
удобный для передачи по линейному тракту. Этот сигнал через линейный
трансформатор (ЛТр) поступает в линию. Через среднюю точку ЛТр в линию
подается ток дистанционного питания ДП.
На приеме (рис. 21) групповой цифровой сигнал, поступающий из линии,
через ЛТр подается на станционный регенератор (СР), где восстанавливаются
основные параметры импульсов. Восстановленный биполярный ИКМ сигнал в
преобразователе кода приема (ПКпр) преобразуется в однополярный и
поступает на декодер (Дек).
Рис. 21 - Структурная схема оконечной станции ИКМ-30 (тракт приема)
Последний преобразует m-разрядные канальные кодовые комбинации в
АИМ-отсчеты, т. е. на выходе декодера формируется групповой АИМ сигнал.
Затем в устройстве разделения (УР), которое представляет собой временной
коммутатор, происходит разделение группового АИМ сигнала между
соответствующими приемниками (Пр), т. е. на выходах УР формируются соответствующие индивидуальные АИМ сигналы. Кроме того, УР выделяет
сигналы ДИ и СУВ, которые поступают на блоки ДИпр и СУ соответственно. В
приемнике с помощью ФНЧ из спектра индивидуального АИМ сигнала
выделяется полезный низкочастотный сигнал, т. е. сигнал ТЧ, который затем
усиливается и поступает на выход канала. Декодирование и разделение
группового сигнала на приеме обеспечивается генераторным оборудованием
приема (ГОпр), которое синхронизируется с ГОпер. Для этой цели в приемном
оборудовании размещается приемник синхросигнала (ПСС), который управляет
работой ГОпр. Среднее время восстановления циклового синхронизма 2 мс.
НРП или ОРП осуществляется регенерация цифрового группового
сигнала. Процесс регенерации состоит в опознавании искаженных кодовых
символов, восстановлении в соответствии с опознанными символами формы,
амплитуды, временного положения импульсов (1) и пробелов (0) в
регенерируемом сигнале и передаче их на вход следующего регенерационного
участка. На рис. 22 представлен вид сигнала на входе и выходе линейного
регенератора.
Рис. 22 - Цифровой сигнал на входе (а) и выходе (б) линейного регенератора
В процессе регенерации в результате воздействия помех и вследствие
искажений передаваемого цифрового сигнала возможно принятие ошибочных
решений. При этом в регенераторе вместо символа 0 может быть сформирован
символ 1 или наоборот. Такие ошибки могут происходить, если истинное
значение принимаемого цифрового сигнала изменится более чем на Uпор=Um/2
(рис. 22), где Uпор — пороговое напряжение, устанавливаемое в регенераторе.
Um — номинальная амплитуда импульсов на входе регенератора. Если же
действующая помеха не будет превышать Uпор, то ошибка не возникнет. Для
качественной передачи информации обычно требуется, чтобы вероятность
ошибки рош не превышала 10-6 на всю магистраль, т. е. в среднем допускается
ошибочный прием одного из миллиона переданных символов. Соответственно
требования к вероятности ошибки отдельного регенератора существенно
ужесточаются.
33. Временной спектр ИКМ-30.
Цифровой групповой сигнал, формируемый в тракте передачи (см.
рис. 22), состоит из последовательно передаваемых сверхциклов, каждый из
которых содержит 16 циклов передачи ЦО...Ц15 (рис. 3.2.5).
Период следования циклов определяется частотой дискретизации:
Tц  T Д 
1
1

 125
FД (8 103 )
мкс.
Таким
образом,
длительность
сверхцикла
Тсц=16 Тц=2 мс.
Каждый цикл передачи состоит из N = 32 канальных интервалов
(КИО...КИ31): 30 канальных интервалов (КИ1... КИ15, КИ17... КИ31)
предназначены для передачи информации, соответствующей 30 каналам ТЧ,
один (КИО) —для передачи сигнала цикловой синхронизации (ЦС), один
(КИ16)—для передачи СУВ.
Каждый КИ состоит из восьми разрядов Р1 ... Р8 (n=8). При этом
длительность КИ Тки = Тц/32 = 3,9 мкс, а длительность разряда
Тр =ТКИ/80,49 мкс. Частота следования символов в цикле передачи (тактовая
частота линейного сигнала) FT=1//Тр= 2048 кГц, что соответствует (при
двоичном коде) скорости передачи 2048 кбит/с.
Рис 23 - Временной спектр аппаратуры ИКМ-30
Цикловой синхросигнал передается в КИО нечетных циклов на позициях
Р2... Р8 и имеет структуру 0011011. Позиция Р1 и КИ0 предназначена для
передачи дискретной информации (пропускная способность 8 кбит/с).
В КИ16 на позициях Р1, Р2 и Р5, Р6 передаются по два одноразрядных СУВ
(символы а и b) для каждого канала ТЧ. Передача СУВ осуществляется
поочередно в 15 циклах: в Ц1 — для каналов 1 и 16; в Ц2—для каналов 2 и 17, а
в Ц15—для каналов 15 и 30. В Ц0 на позициях Р1 ... Р4 в КИ16 передается
сверхцикловой сигнал имеющий структуру 0000. С помощью СЦС на
приемной станции осуществляется правильное распределение СУВ по
отдельным каналам.
34. ИКМ-120. Техническая характеристика.
Аппаратура вторичной цифровой системы передачи ИКМ-120
предназначена для организации каналов на местных и внутризоновых сетях при
использовании высокочастотных симметричных кабелей ЗКПАП-1х4, МКСА4х4, МКСБ-4х4, 7х4, МКСАП-4х4. Аппаратура обеспечивает организацию до
120 каналов ТЧ и работает по двухкабелыюй четырехпроводной схеме.
В передающей части оборудования ВВГ формируется групповой поток со
скоростью 8448 кбит/с путем поразрядного объединения четырех цифровых
потоков со скоростью 2048 кбит/с.
В приемной части ВВГ осуществляется обратное преобразование. В
зависимости от соотношения между параметрами объединяемых потоков ВВГ
может работать в следующих режимах: асинхронном, синхронном и
синхронно-синфазном. При объединении потоков в ВВГ и формировании цикла
передачи появляется необходимость в передаче дополнительной служебной
информации (команд согласования скоростей сигналов, контроля, служебной
связи и т. д.), вследствие чего скорость группового потока оказывается
несколько больше, чем 2048х4=8192 кбит/с.
Длительность цикла передачи составляет 125 мс. Цикл содержит 1056
импульсных позиций, из которых 256х4=1024 используются для передачи
символов четырех объединяемых потоков, а остальные 32 позиции — для
передачи команд согласования, синхронизации, служебной связи и т. д.
Оборудование линейного тракта осуществляет дистанционное питание и
контроль НРП, а также организацию служебной связи.
Таблица 6. Краткие технические характеристики.
Скорость группового потока
Максимальная дальность связи
Длина участка регенерации
Длина секции ОРП—ОРП (ОП—ОРП)
Среднее время восстановления циклового синхронизма
8448 кбит/с
600 км
5 км
200 км
0,75 мс
35. ИКМ-480. Техническая характеристика.
Аппаратура третичной цифровой системы передачи ИКМ-480
предназначена для организации каналов на внутризоновых и магистральных
сетях при использовании кабелей МКТ-4 с коаксиальными парами 1,2/4,4 мм.
Аппаратура обеспечивает организацию до 480 каналов ТЧ и работает по
четырехпроводной однокабельной схеме.
В состав аппаратуры входят: оборудование третичного временного
группообразования (ТВГ); оконечное оборудование линейного тракта (ОЛТ);
необслуживаемые и обслуживаемые регенерационные пункты (НРП и ОРП).
В передающей части ТВГ осуществляется формирование группового
потока путем поразрядного объединения четырех цифровых потоков со
скоростью 8448 кбит/с (34368 кбит/с результирующая), вырабатываемых в
аппаратуре ИКМ-120. В приемной части ТВГ осуществляется обратное
преобразование. В оборудовании ТВГ используется двустороннее согласование
скоростей с двухкомандным управлением, предусмотрены асинхронный и
синхронный режимы работы.
Таблица 7. Краткие технические характеристики:
Скорость группового потока
Максимальная дальность связи
Длина участка регенерации
Длина секции ОРП—ОРП (ОП—ОРП)
Среднее время восстановления циклового синхронизма
34368 кбит/с
2500 км
3 км
200 км
0,5 мс
36. ИКМ-1920. Техническая характеристика.
Аппаратура четверичной цифровой системы передачи ИКМ-1920
предназначена для организации на внутризоновых и магистральных сетях
мощного пучка телефонных каналов и передачи сигналов телевизионного
вещания по кабелям типа КМ-4 с коаксиальными парами 2,6/9,5 мм. Аппаратура работает по четырехпроводной однокабельной схеме.
Аппаратура состоит из оборудования четверичного временного
группообразования (ЧВГ), аналого-цифрового преобразования сигналов
телевизионного вещания (АЦО-ТС) и линейного тракта, включая НРП и ОРП.
При объединении четырех цифровых потоков со скоростью 34368 кбит/с,
поступающих от аппаратуры ИКМ-480, организуется 1920 каналов ТЧ. При
использовании оборудования АЦО-ТС организуется канал передачи
телевизионного сигнала и 480 каналов ТЧ.
Таблица 8. Краткие технические характеристики.
Скорость группового потока
Максимальная дальность связи
Длина участка регенерации
Длина секции ОРП—ОРП (ОП—ОРП)
Среднее время восстановления циклового синхронизма
139264 кбит/с
12500 км
3 км
240 км
0,15 мс
37. Волоконно-оптические системы передачи. Краткая характеристика.
38.Принципы построения ВОСП
На передающей станции А (рис. 24) первичные сигналы в электрической
форме поступают на аппаратуру системы передачи (СП), с выхода которой
групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС
электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по
волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер)
преобразует электрический сигнал .с помощью модуляции оптической несущей
в оптический сигнал. При распространении последнего по оптическому
волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение.
Рис.24 – Принцип организации волоконно-оптической связи
Для увеличения дальности связи через определенное расстояние,
называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные
обслуживаемые или необслуживаемые станции, где осуществляются коррекция
искажений и компенсация затухания.
На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам
целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.
д.) электрического сигнала. На приемной оконечной станции Б осуществляется
обратное преобразование оптического сигнала в электрический.
Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно
использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по
интенсивности (МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем
большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического
излучения.
Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком
диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках
полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов)
простыми техническими средствами. Для управления интенсивностью
излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции
(накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается
электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по
интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям
обратного преобразования оптического сигнала в электрический.
В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП
используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые.
Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению
с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества
передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими
показателями и др. Аналоговые СП пока не применяются на волоконно-оптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников
оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой
помехозащищенности. Тем не менее исследования в области аналоговых
ВОСП показывают их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное
телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи.
В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные однополосные
однокабельные (рис. 25). При таком построении передача и прием оптических
сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны К.
Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как
взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически отсутствуют, тракты передачи и приема различных систем организуются по
одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.
Рис. 25 – Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной
ВОСП
К достоинствам данной схемы организации связи следует отнести
однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных
станций. Существенным недостатком является весьма низкий коэффициент
использования пропускной способности ОВ.
С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет
значительную часть стоимости ВОСП, а цены на оптический кабель в
настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения
эффективности использования пропускной способности ОВ за счет
одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно
добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по
одному ОВ при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ) и в линии промежуточных корректирующих
усилителей (ПКУ) (рис. 26). Особенностью данной схемы является
использование ОВ для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине
волны.
Рис.26 – Принцип построения одноволоконной двухполосной
однокабельной ВОСП
Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является
наличие
переходных
помех
между
информационными
потоками,
распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи
возникают за счет обратного рэлеевского рассеяния в ОВ, ответвителях, из-за
отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии.
Наибольший интерес представляют ВОСП со спектральным разделением
(ВОСП-СР). Такие системы строятся как одноволоконные многополосные
однокабельные (рис. 27). На передающей станции электрические сигналы от п
систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с
длинами волн 1 , 2 ,..., n . С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров (ДМ) осуществляемся их ввод в одно волокно на передаче и
разделение на приеме.
Рис. 27 – Структурная схема ВОСП-СР
Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных
оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования
пропускной способности волокна. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания
оптического кабеля в пределах используемого спектрального диапазона от
частоты (или длины волны) оптической несущей.
Относительно высокие плотности оптической энергии в ОВ вызывают
заметное проявление нелинейных эффектов. В ВОСП-СР наиболее заметным из
них является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР),
который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с
оптическими фотонами вещества волокна.
39. Преимущества и недостатки волоконно-оптических систем передачи.
В настоящее время в развитых странах волоконно-оптические системы
передачи (ВОСП) широко внедряются на всех участках сетей связи. По
сравнению с существующими системами связи на медных кабелях ВОСП
обладают рядом преимуществ, основными из которых являются:
- экономия меди и потенциально низкая стоимость оптического кабеля
(ОК) ;
- широкая полоса пропускания позволяет передавать сигналы со
скоростью 1-2 Тбит/с
- низкий уровень затухания   0,15 дБ/км – одномодовое ОВ. Расстояние
до 500 км;
- нечувствительность
к электромагнитным помехам позволяет
прокладывать волокно в местах с высоким уровнем таких помех, использовать
для прокладки ЛЭП;
- малая масса и размеры волоконно-оптического кабеля;
- пожаро и взрывобезопасность;
- сложность перехвата передаваемых сообщений.
Недостатки:
- высокая цена оборудования;
- сложность стыковки и сращивания волоконно-оптического кабеля
между собой и с аппаратурой.
41. Передающие оптические модули.
Оптические передатчики и приемники ВОСП выполняются в виде
модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического
излучения и электронные схемы обработки электрических сигналов.
К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования:
длина волны излучения должна совпадать с одним из минимумов спектральных
потерь оптических волокон (окон прозрачности); конструкция источники
должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и
эффективный ввод его в оптическое волокно; источник должен иметь высокую
надежность и большой срок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными; простота технологии должна
обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость
характеристик.
Известны три класса источников оптического излучения дли ВОСП:
пленарные полупроводниковые, волоконные и объемные микрооптические
(микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше
требованиям, однако только пленарные полупроводниковые источники —
светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД) — широко используются в
реальных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, который
характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позволяют вводить в
волокно достаточно большую мощность (0,05.., ...2 мВт).
В СИД оптическое излучение происходит в результате спонтанной
эмиссии, когда к области р-n - перехода в полупроводниковом материале с
прямыми переходами приложено положительное смещение. Спонтанное
оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного
энергетического уровня на другой. Частота излучения f определяется разностью
энергетических уровней ( E2  E1 ), т. е. шириной запрещенной энергетической
зоны f  c /   (E2  E1 ) / h , где h — постоянная Планка; с — скорость света в
вакууме.
Поскольку время перехода всех электронов с одного энергетического
уровня на другой не совпадает, то происходит наложение излучения и
возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие
этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие
колебания энергии также влияют на частотный разброс излучения. Эти
флуктуации приводят к тому, что спектр излучения приобретает некоторую ширину f (рис. 28).
Рис.28 – Спектр излучения СИД
Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной
спектра излучения являются ватт-амперрая характеристика, максимальное
значение частоты модуляции, срок службы и надежность.
На рис. 29 приводится спектральное распределение излучения СИД. Как
правило, линия излучения для СИД с поверхностным излучением имеет
примерно гауссовскую форму с шириной до 0,04 мкм при λ=0,85 мкм, а для
СИД торцевого типа   0,09 мкм при λ = 1,3 мкм.
Рис. 29 – Спектральное распределение излучения СИД с поверхностным
излучением при λ=0,85 мкм (а) и торцевого типа при λ = 1,3 мкм.
Так, в СИД торцевого типа удается получить в 4 раза большую полосу
модуляции (100 МГц) по сравнению с СИД с поверхностным излучением без
снижения квантовой эффективности.
Всем параметрам СИД присуща деградация — постепенное уменьшение
мощности излучения при длительной эксплуатации. Для использования в
ВОСП срок службы СИД дол жен составлять 105 ч для наземных и 106 ч для
подводных оптических кабелей.
Полупроводниковые
лазерные
диоды
являются
когерентными
источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излучение
полупроводника, охваченное объемным резонатором. Уменьшение плотности
тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования
многослойных полупроводниковых гетероструктур.
При малых токах накачки
происходит спонтанная излучательная
рекомбинация и наблюдается спонтанное излучение. Когда потери в структуре
становятся сравнимы с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая
оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное излучение.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и
соответственно выходной оптической мощности лазера.
Спектр излучения ЛД является дискретным, ширина линии излучения
одной моды, как правило, не превышает 0,01 нм. Несмотря на использование
полосковой геометрии, число генерируемых мод все-таки достаточно велико.
Для селекции мод применяют специальные меры. Источники излучения,
способные излучать одну моду получили название лазеров с распределенной
обратной связью — РОС (DFВ) и с распределенным брегговским отражением
— РБО (DBR).
Передающий оптический модуль (ПОМ) конструктивно состоит из оптической
головки и электронной схемы, основным назначением которой является
модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД размещаются диод
и модулятор, а в головке с ЛД — лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и
электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим работы лазера.
Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ —
стабилизация выходной мощности полупроводниковых лазеров.
Светоизлучающий диод установлен на теплоотводящем радиаторе,
излучение выводится из оптической головки наружу через отрезок оптического
волокна, к которому, в свою очередь, присоединяется внешнее оптическое
волокно. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и
представляет собой микроэлектронную схему, управляющую током в цепи
питания светодиода.
Рис. 30 - Схема простейшего оптического модуля с СИД
42. Приемные оптические модули
Приемные оптические модули. Основным элементом приемных
оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль
фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преобразованию входного
оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и
обработке электронными схемами фотоприемника. Фотодетектор должен точно
воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т.
е. обладать требуемыми широкополосностью, динамическим диапазоном и
чувствительностью, иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного
соединения с волокном, быть нечувствительным к изменениям параметров
внешней среды, иметь большой срок службы и минимальную стоимость.
Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые
фотодиоды.
Принцип действия полупроводникового фотодиода основан на
внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей
заряда — электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом,
фотон возбуждает электрон и переводит его из валентной зоны в зону
проводимости (собственное поглощение) или же с примесного уровня в зону
проводимости. Такие переходы изменяют электрические характеристики
полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов.
Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения,
как правило, связаны с эффектом примесного поглощения. По этой причине
фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе
материалов с примесным поглощением. В результате поглощения кванта света
во внешней цепи диода протекает импульс тока.
Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению
импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом,
характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический
ток. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом)
фотодетектора.
Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8
мкм, из кремния — до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм.
Основными
характеристиками
фотодиодов
наряду
с
квантовой
эффективностью являются постоянная времени и чувствительность.
Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и
зависит от многих параметров.
Чувствительность фотоприемника - это полный КПД преобразования
световой мощности в электрический ток.
Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой собранное в
общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p-i-n - фотодиода или
лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. На рис.
31 приведены принципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением
фотодетектора к усилителю и с трансимпедансным усилителем, в котором
осуществляется обратная связь через сопротивление.
Рис. 31 - Принципиальная схема ПрОМ с подключением фотодетектора к
усилителю (а) и с трансимпедансным усилителем (б).
При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно регулировать
коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно
расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока
автоматической регулировки усиления.
В случае применения p-i-n -диода в качестве фотодетектора электронная
схема предварительного усиления упрощается. Однако тогда динамический
диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании
лавинного фотодиода с блоком АРУ.
43. Волоконно-оптический ретранслятор.
Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью
излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также
чувствительностью приемника. Эти обстоятельства накладывают ограничения
на дальность передачи и объясняют необходимость установки ретрансляторов
сигнала через участок определенной длины. Ретрансляторы строятся как чисто
оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические,
с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным
преобразованием.
Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают световые сигналы
непосредственно, не преобразуя их в электрические. Они содержат лазерный
усилитель (оптический квантовый усилитель) и нелинейный поглотитель для
частичной регенерации световых импульсов. Усилитель компенсирует потери
передачи сигнала в световоде и нелинейном поглотителе, т. е. возвращает световым импульсам их первоначальную интенсивность. Нелинейный поглотитель
сужает импульсы и тем самым частично компенсирует расширение импульсов
и их перекрытие, которое происходит в ОВ из-за дисперсии материала и
разброса времени пробега. Помимо этого он уменьшает уровень шумов и
других интерференционных помех, находящихся в стороне от пиков
импульсов. В настоящее время ретрансляторы на основе оптических квантовых
усилителей находятся в стадии проектирования и опытной эксплуатации.
Наибольшее применение в технике оптической связи получили
ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и
последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами (рис.
32). Оптический ретранслятор отличается от регенераторов проводных ЦСП
только наличием оптических модулей (ПрОМ и ПОМ). Электронный
регенератор (ЭР) содержит решающее устройство (РУ), устройство тактовой
синхронизации (УТС) и формирователь сигналов (ФС).
Рис.32 – Структурная схема линейного ретранслятора для цифровых ВОСП
44. Методы уплотнения, применяемые в волоконно-оптических линиях
связи.
Временное уплотнение. Данный метод предполагает объединение
нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть
осуществлено на уровне электронной аппаратуры (электрических сигналов)
и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов
две серии импульсов, поступающие с входов А и В, с помощью устройства
объединения (УО) суммируются в определенной последовательности
чередования в групповой сигнал. Последний в оптическом передатчике
модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по
ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется
в электрический
сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) ни две
серии импульсов, подобных входным, которые поступают ни выходы А' и В'.
При временном уплотнении требуется передача коротких (10~9с и менее)
световых импульсов. Однако передача субнаносекундных шпульсов
предъявляет
чрезвычайно
высокие
требования
к
быстродействию
оптоэлектронных компонент приемопередающей аппаратуры ВОСП, близкие к
их
предельным
возможностям.
Кроме
того,
скорость
передачи
(широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами оптического
волокна.
К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение
коэффициента использования пропускной способности оптического волокна
(уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8... 16 Гбит/с);
возможность создания полностью оптической сети связи.
Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества
оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это позволяет создавать
оптический кабель, содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе
число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле, а следовательно,
пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком
пространственного уплотнения являются большой расход оптического волокна,
значительные затраты на каблирование, а следовательно, и высокая стоимость
линейного тракта.
Частотное уплотнение (гетеродинное). В системах передачи с частотным
уплотнением исходным сигналам различных источников информации в
линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для
получения группового линейного сигнала требуются близко расположенные
стабильные оптические несущие. Однако нестабильность линии излучения,
полупроводниковых лазеров, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн
соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала.
Достоинства метода частотного (гетеродинного) уплотнения заключаются
в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает
до 100... 200 км; значительно повышается коэффициент использования
пропускной способности оптического волокна. К недостаткам относится то, что
при данном методе требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый ряд дополнительных устройств: сдвигателей
частоты, оптических вентилей, контроллеров поляризации, оптических
усилителей, системы автоподстройки частоты и т. п., что значительно
усложняет систему и увеличивает ее стоимость.
Что касается метода спектрального уплотнения, рассмотренного ранее, то
можно отметить, что он является наиболее перспективным.