Лекция 8.  Принцип  формирования линейных кодов в ВОЛС

  При проектировании волоконно-оптических систем передачи необходимо учи­тывать целый ряд особенностей, связанных с физическими принципами работы как среды передачи — оптического волокна и кабеля, так и оконечных устройств — оптического передатчика и приемного устройства. Одна из этих особенностей — выбор типа линейного двоичного кода. Как уже отмечалось выше, в соответствии с рекомендациями ITU-T G.703, для иерархии ПЦИ El, E2 и ЕЗ следует применять трехуровневый код HDB3. Исполь­зуется также аналогичный код AMI (чаще всего для скорости 2048 кбит/с). Отли­чительной чертой этих кодов является то, что единицы (или нули) двоичной им­пульсной последовательности передаются импульсами, полярность которых изме­няется на противоположную при передаче каждой следующей единицы (или нуля). Эти коды не содержат постоянную составляющую в своем спектре, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым при выборе кода для электрических линий передачи. Это требование остаётся в силе и для оптических линий. В отличие от электрического кабеля, по которому можно передавать импульсы тока как положительной, так и отрицательной полярности по оптическому волокну можно передавать оптические импульсы, представляющие собой импульсы энергии, не имеющие отрицательных значений. Поэтому при передаче двуполярных кодов HDB3 или AMI по оптическому волокну с помощью импульсов оптического излу­чения на одной длине волны, эти коды превращаются  в однополярные с постоян­ной составляющей.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

  На рис. 1.1 представлена реализация последовательности дво­ичного импульсного кода HDB3, где рис. 1.1,а соответствует электрическому сиг­налу для линии с электрическими кабелями, а рис. 1.1,б — оптическому сигналу, вводимому в волокно. Из сопоставления двух последовательностей видно, что в случае оптического сигнала имеет место трехуровневый код, содержащий посто­янную составляющую Ро, величина которой зависит от статистики кодовых комбинаций.

Применение этого кода в линиях ВОСП нецелесооб­разно по следующим причинам:

    мощность соседних символов (например, двух единиц — 11) оказывается в два раза меньшей по сравнению с максимальной мощностью, излучаемой оптическим передатчиком, что эквивалентно потере мощности в два раза или потери энергетического потенциала на 3 дБ; наличие постоянной составляющей требует стабилизации рабочей точки на ватт - амперной характеристике лазера, что усложняет схему передающего оптического модуля; зависимость величины Ро от статистики кодовых комбинаций приводит к возникновению паразитной переменной составляющей, которая в результате также снижает энергетический потенциал линии.

  К отмеченным недостаткам применения кода HDB3 в качестве линейного в системах ВОЛС необходимо добавить следующее. Наличие постоянной составляющей в оптическом сигнале в коде HDB3 эквивалентно присутствию фоновой засветки. Вследствие этого в процессе принятия решения при переходе от одного символа к другому необходимо учитывать дробовый шум, возникающий из-за наличия фона и уменьшающий отношение сигнал/шум, что также снижает потенциал системы.

  Выше было отмечено, что описанные недостатки применения кода HDB3 в линиях ВОСП характерны для случая, когда передача сигнала производится на одной длине волны. Эти проблемы снимаются в случае, когда символы двоичного кода типа HDB3 положительной полярности передаются на длине волны излучения л1, отрицательной полярности — л2. На рис. 1.1 представлена последовательность оптических импульсов, соответствующих этому процессу передачи. Такой метод передачи импульсов противоположной полярности можно назвать волновым кодированием.

 

  Рис. 1.1.  Реализация последовательности кода HDB3.

  В современных системах ВОЛС, предназначенных для передачи цифровой информации для ПЦИ El, E2, ЕЗ, применяется преобразование кода HDB3 в другой код, подходящий для передачи в оптическом тракте. Чаще всего это линейные коды типа CMI или MCMI, которые не содержат постоянной составляющей и по всем остальным параметрам оптимизированы для передачи по оптическому тракту. Вместе с тем эти достоинства достигаются ценой двукратного увеличения тактовой частоты и полосы частот. В более скоростных системах, например ПЦИ Е4, применяются линейные коды типа 5В6В, 10B1P1R и др. Отметим, что для ВОСП код HDB3, поступающий на электрический вход аппаратуры ВОЛС на передаче и на электрический выход на приеме, является стыковым.

Рис.1.2. Обобщенная структурная схема однопролетной волоконно-оптической линии связи  (в одну сторону)

1— электронные мультиплексоры основных информационных потоков  уровня DSO в информационный поток уровня DS1 в коде HDB3; 2— электронный мультиплексор и преобразователь стыкового кода HDB3 в линейный код; 3— блок согласования (накачки) излучателя 4 с выходом устройства преобразования кода 3; 4— излучатель оптического сигнала (лазер или светоизлучающий диод); 5— блок стабилизации выходной оптической мощности излучателя 4 и стабилизации температуры; 6— фотодетектор; 7— источник электрического напряжения смещения для фотодетектора; 8— широкополосный электронный усилитель электрического сигнала, выделяемого в нагрузке фотодетектора; 9— преобразователь линейного кода в коды DS1 и демультиплексор; 10— демультиплексоры сигналов в коде уровня DS1 в сигналы уровня DSO; 11— ОР — оптические разъемы; 12— ОК — оптический кабель.

  В 80-е годы ХХ - столетия по приведенной конфигурации строились ВОСП 1-го поколения для передачи цифровых потоков ПЦИ El, E2 и ЕЗ. С учетом современных технологий в локальных сетях для передачи таких же потоков по этой конфигурации строятся ВОСП и в наши дни. 

2. Методы модуляции оптической несущей

Фактическим переносчиком данных в ОВ является оптическая несущая, излучаемая источником. Она и должна быть, в конечном счете промодулирована.  Сделать это можно  четырьмя  способами:

-  непосредственной модуляцией оптической несущей линейной кодовой последовательностью - ЛКП;


    модуляцией несущей с использованием специального модулятора, сигнал которого модулирует­ся с помощью ЛКП; модуляцией с использованием промежуточной поднесущей, которая затем непосредственно модулирует оптическую несущую; модуляцией с использованием поднесущей и модулятора, 

  а)        Непосредственная модуляция оптической несущей

Такая модуляция может быть осуществлена, например, путем непосредственного включения или выключения по методу МВВ оптической несущей (тока возбуждения/накачки лазерного источни­ка) в соответствии с ЛКП. Однако этот метод имеет ряд существенных недостатков:

    нелинейная зависимость мощности излучения от тока (нелинейность ватт-амперной характе­ристики); структурные методы ее линеаризации возможны на основе управляемых источников оптиче­ского излучения – УИОИ, метод оказывает динамическое влияние на спектр излучения лазера и амплитуды отдельных мод резонатора, метод достаточно прямолинеен и не позволяет в полной мере использовать другие более про­грессивные методы кодирования, основанные на модуляции амплитуды и фазы, используемые в специальных модуляторах, метод не удобен для систем WDM, где несколько источников модулирующих сигналов муль­типлексируются для передачи по одной несущей.

  б) Модуляция с использованием внешнего модулятора с промежуточной  несущей

Использование специального, или внешнего, модулятора, как правило, улучшает функциональ­ные характеристики систем передачи и гибкость системы в целом, например, при необходимости позволяет менять формат используемой ЛКП, а также позволяет использовать готовые решения, наработанные в других областях и для других применений, включая комплексные решения с ис­пользованием промежуточной несущей. Вместо использования непосредственной модуляции, для которой трудно найти электронные компоненты, учитывая высокую частоту оптической несущей (порядка 100 ТГц), можно осущест­вить процесс дополнительной модуляции на более низких частотах, используя промежуточную несущую, или поднесущую, на радиочастоте в диапазоне 10 МГц - 10 ГГц. Этой модулированной поднесущей можно за­тем модулировать основную несущую. Основное отличие этой схемы модуляции в том, что могут быть использованы различные стандартные методы и устройства модуляции: амплитудные, частот­ные, фазовые и комбинированные, разработанные для конкретного диапазона радиочастот.

Использование поднесущей необходимо и при многоканальной модуляции в системах WDM. В этом случае отдельные входные потоки модулируют свои поднесущие, которые затем мультиплексируются в одну поднесущую, модулирующую оптическую несущую. Схема исполь­зования промежуточной несущей показана на рис. 1.3 (в качестве примера показана амплитуд­ная манипуляция тока возбуждения лазера).

 

  Рис. 1.3. Модуляция с использованием промежуточной несущей

Модуляция с использованием поднесущей и модулятора. Эта схема модуляции является комбинацией предыдущих методов. Она может быть при­менена для использования готовых решений одноканальных модуляторов в схемах WDM. При этом возможно сочетание положительных особенностей обоих методов.

  Заключение по лекции. 

  Одним из ключевых вопросов техники оптической передачи информации по вооконно-  оптические линии явля­ется кодирование и декодирование сигнала. С физической точки зрения следует отличать прямую и внешнюю модуляцию. СИД и ЛД допускают использование прямой модуляции за счет модуляции тока, протекаю­щего через прибор. В случае твердотельных лазеров, например, на основе алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, работающих непрерывном режиме, исполь­зуется внешняя модуляция, например за счет использования внешней ячейки Поккельса. В рамках двух методов модуляции применяется ряд различных аналоговых и цифро­вых методов кодирования сигнала. В случае излучателя с аналоговой модуляцией прак­тически синхронно с изменением модулирующего электрического сигнала изменяются амплитуда, частота или фаза светового сигнала. В случае цифровой модуляции исполь­зуется обычный бинарный код с использованием сигналов нижнего («О») или верхнего («1») уровней. К сожалению, нельзя по произволу выбрать тот или иной вид модуляции. Достаточно большая полуширина спектров излучения несущих сигналов в случае СИД полностью исключают возможность использования фазовой или частотной модуляции, поскольку в этих случаях необходимо стабильное и когерентное излучение. Из - за недо­статочной когерентности СИД и обычных ЛД в этих приборах, в лучшем случае может быть использована амплитудная модуляция.

В соответствии с современным уровнем развития в ВОЛПИ, естественно, доми­нируют ЛД, при этом преимущественно используются ЛД с распределенной обрат­ной связью (DFB) или с распределенными брэгтовскими зеркалами (DBR). Достаточ­но высокая когерентность излучения этих приборов делают их приемлемыми для использования в когерентных системах с внешней модуляцией. При этом в когерен­тных системах оптической связи необходимо использовать, по крайней мере, два одночастотных ЛД, один из которых применяется в излучательном терминале, а дру­гой — в фотоприемном. В этом случае возможно использование т. н. гомодинной или гетеродинной схем регистрации, что позволяет на два порядка поднять чувствитель­ность регистрации по сравнению со схемой прямой регистрации сигнала.

  Литература.

1. Карнаухов систем передачи информации.

Ростов-на-Дону. 2012. ИЦ ДГТУ. - 230 с.