ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
FIBRE-OPTIC INFORMATION TRANSMISSION SYSTEM

Изобретение представляет собой устройство и относится к области систем передачи информации, может быть использовано для магистральных и объектовых волоконно-оптических систем передачи цифровой информации по оптическим кабелям и касается канального уровня организации системы передачи (подуровня управления доступом к среде).
1
n
1
n
Для увеличения объемов передаваемой информации через каналы передачи применяют уплотнение передаваемых сигналов. Известны волоконно-оптические системы передачи информации с волновым (спектральным) уплотнением (WDM). В [1] представлена структурная схема волоконно-оптической системы передачи со спектральным мультиплексированием (уплотнением). Система состоит из последовательно установленных: оптического мультиплексора, имеющего n оптических входов (λ-λ), оптического усилителя, волоконно-оптического тракта передачи (волоконной линии), второго оптического усилителя, оптического демультиплексора с n оптическими выходами (λ-λ).
Достоинством системы является независимость уплотнения от вида передаваемых трафиков (SDH, PDH, IP, ATM или др.) Каждая оптическая несущая частота генерируется независимым лазерным источником излучения и может передавать поток цифровых сигналов, сформированный в соответствии с методами, применяемыми в различных синхронных технологиях передачи информации.
Система волнового уплотнения (WDM) с n каналами передачи имеет следующие недостатки.
1. Ограниченный температурный диапазон при эксплуатации. Ограничение температурного диапазона связано с высокой зависимостью параметров оптических мультиплексоров и демультиплексоров с числом спектральных каналов более 4-х от температуры. Лучшие зарубежные оптические демультиплексоры и мультиплексоры с числом каналов более 4-х работают в температурном диапазоне не менее 0°С и не более 70°С [2]. В этом же температурном диапазоне обеспечивают требуемую стабильность частоты высококачественные одночастотные (DFB) лазерные диоды, изготовленные на основе квантоворазмерных гетероструктур с интегрированной Брэговской решеткой, используемые в WDM системах передачи [3].
2. Уменьшение расстояния между ретрансляторами при увеличении числа каналов передачи (длин волн оптических несущих). Одним из параметров, определяющих допустимое расстояние между ретрансляторами, является мощность передаваемых оптических сигналов. Однако при превышении определенного порога мощности в оптическом волокне могут проявляться нелинейные эффекты, которые могут привести к нарушению связи [4]. Прежде всего, это:
- нелинейное преломление - явление, которое определяется зависимостью показателя преломления сердцевины оптического волокна от интенсивности электрического поля Е;
- вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами;
- модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния под действием нелинейных и дисперсионных эффектов;
- параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с электронами внешних оболочек (четырехволновое смешение, генерация гармоник и параметрическое усиление).
Кроме того, следует учесть, что в оптическом волокне существуют «слабые точки», на которых при превышении определенной плотности мощности может быть инициирован оптический разряд, вызывающий процесс разрушения материала сердцевины. Такими слабыми точками являются торцы волокна, места сварных и механических соединений. Особую опасность для волоконно-оптических систем связи представляет тот факт, что, возникнув на «слабой точке», оптический разряд распространяется вдоль оптического волокна навстречу оптическому излучению в виде волны разрушения со скоростью приблизительно 1 м/с [5]. При этом многие километры оптического кабеля, а также пассивные и активные элементы волоконно-оптической системы связи будут разрушены. В связи с этим приняты ограничения на значение максимальной мощности сигналов в оптическом волокне. В соответствие со стандартом G.692 при одновременном использовании многих источников оптического сигнала суммарная мощность в оптическом волокне должна быть не более 19 дБм [6, 7]. Таким образом, бюджет мощности каждого канала передачи уменьшается в n раз за счет уменьшения уровня мощности информационных сигналов.
3. Передаваемые потоки цифровой информации должны быть сформированы только синхронными технологиями передачи сообщений, т.е. содержать в своей структуре сигналы синхронизации. Внешняя синхронизация невозможна из-за наличия хроматической дисперсии в оптическом волокне, информационные сигналы и сигналы синхронизации будут распространяться на разных длинах волн излучения и поэтому иметь различные времена распространения (различные задержки в волоконно-оптическом тракте). Вследствие этого в системе передачи наступит рассинхронизация.
Известны системы передачи информации с временным уплотнением (TDM).
В [8] представлена структурная схема волоконно-оптической системы связи с временным уплотнением информации, обеспечивающая передачу от 4-х до 24-х потоков Е1 (технология плезиохронной цифровой иерархии, PDH) и цифровых потоков по технологиям Ethernet 10/100TX и RS232. Система состоит из мультиплексоров/демультиплексоров типа «СуперГвоздь» (РТК 34.5), соединенных одноволоконным оптическим кабелем. Мультиплексоры/демультиплексоры имеют интерфейсные блоки для сопряжения с каналами E1, Ethernet 10/100TX, RS232 и оптическим каналом. Причем передача и прием осуществляются на скорости 100 Мбит/с на разных длинах волн оптического излучения - 1,31 (передача) и 1,55 мкм (прием).
Система может работать в расширенном температурном диапазоне, обеспечивает максимально возможное расстояния между ретрансляторами. Синхронизация передаваемой информации осуществляется за счет внедрения в передаваемый поток информации выравнивающих бит. Система может быть выполнена на отечественной оптоэлектронной компонентной базе.
Основными недостатками системы являются невысокая скорость передачи, ограниченная технологией PDH и равная 565 Мбит/с, и необходимость «расшивки» всего структурированного потока для выделения даже самой незначительной его части (например, низкоскоростного потока RS232).
В [9] представлена волоконно-оптическая система передачи с временным (и при необходимости с волновым) уплотнением информации, использующая для передачи информации технологии плезиохронной цифровой иерархии (PDH) и синхронной цифровой иерархии (SDH).
Система состоит из последовательно установленных блока преобразования входного сигнала в импульсно-кодовую последовательность (каналообразующего блока), выполняющего дискретизацию, квантование, линейную (или нелинейную, если нужно) кодификацию и помехоустойчивое кодирование, блока временного группообразования компонентных сигналов (фреймов/трибов) PDH требуемого уровня иерархии, интерфейсного блока компонентных (трибных) сигналов, поступающих на временное мультиплексирование SDH, осуществляющего ввод/вывод, локальную кросскоммутацию, блока мультиплексирования SDH, осуществляющего логическое формирование модуля STM-N требуемого уровня иерархии, оптического интерфейсного блока, преобразующего логическую импульсную последовательность в физическую последовательность STM-N (выполняет все необходимые преобразования по формированию заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового), а также интерфейсное кодирование), передающего блока, осуществляющего модуляцию источника несущего излучения (лазера) и линейное кодирование, блока волнового мультиплексирования WDM (необязательный блок используется только при необходимости), мощного оптического усилителя (бустера), осуществляющего усиление оптической цифровой последовательности до уровня, требуемого для создания необходимого общего бюджета мощности, оптического линейного усилителя, осуществляющего оптическое усиление сигнала на участке перекрытия (пролета или регенерации), оптического предусилителя, осуществляющего усиление входного сигнала на приемном конце, демультиплексора WDM (при использовании блока волнового мультиплексирования), оптического приемника, осуществляющего прием сигнала, оптического интерфейсного блока, преобразующего физическую последовательность, эквивалентную модулю STM-N, в логическую импульсную последовательность и выполняющего преобразования по декодированию интерфейсного кода и интерпретации заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового), блока демультиплексирования SDH, осуществляющего логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH, интерфейсного блока компонентных (трибных) сигналов, блока разборки группового сигнала (фрейма/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например Е1, и выделение нужного тайм-слота, блока преобразования импульсно-кодовой последовательности в выходной сигнал, выполняющего помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала. При дуплексной передаче необходимо иметь двойной комплект оборудования для осуществления операций приема-передачи на обоих концах.
Технология SDH отличается от PDH тем, что для синхронизации передаваемой информации использует не выравнивающие биты, а специальные поля в структуре передаваемых пакетов информации - синхронных транспортных модулей различного уровня (от STM-1 до STM-256). Основным преимуществом технологии SDH является возможность выделения инкапсулированных трибов SDH, PDH или других технологий без расшивки всего структурированного цифрового потока.
Система может работать в расширенном температурном диапазоне, обеспечивает максимально возможное расстояния между ретрансляторами. Обеспечивает скорость передачи информации до 40 Гбит/с (уровень STM-256).
Синхронизация передаваемой информации осуществляется за счет внедрения в передаваемый поток информации выравнивающих бит.
Основным недостатком системы является сложность формирования и расформирования синхронных транспортных модулей, особенно для уровней иерархии STM-64 и STM-256. Скорость потока информации для модулей STM-64 составляет 10 Гбит/с, для модулей STM-256 - 40 Гбит/с. При переходе от скорости модулей STM-16 2,5 Гбит/с до 10 Гбит/с появляются технологические трудности в создании электронных компонентов для этого диапазона частот. Отечественная электронная промышленность в настоящее время не располагает технологиями для производства микросхем для этого диапазона частот. Таким образом, при освоении скоростей передачи более 2,5 Гбит/с появляется технологическая зависимость от зарубежных производителей.
Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемой системе передачи информации является волоконно-оптическая система передачи информации (интерфейс для передачи дискретной информации по оптическому каналу), описанная в [10].
Устройство состоит из М передающих блоков, первой группы из М приемо-передающих оптических модулей, оптического объединителя с матрицей передачи M X1, волоконно-оптического тракта, спектрально-селективного разветвителя с матрицей передачи 1X M, второй группы из М приемо-передающих оптических модулей и М приемных блоков.
Каждый передающий блок состоит из входного буферного двухпортового N-разрядного регистра, входы которого подключены к N линиям N-разрядной входной шины данных, устройства синхронизации, (N+1) полупроводниковых лазерных передающих оптоэлектронных модулей, (N+1) волоконно-оптических линий задержки, выполненных в виде отрезков оптических кабелей фиксированной длины, оптического объединителя с матрицей передачи (N+1)X1.
Каждый приемный блок состоит из оптического разветвителя с матрицей передачи 1X N, набора волоконно-оптических линий задержки из (N+1) линий задержки, выполненных в виде отрезков оптических кабелей фиксированной длины, набора из (N+1) приемных оптоэлектронных модулей, выходного двухпортового N-разрядного буферного регистра, выходы которого подключены к линиям выходной N-разрядной шины данных, устройства формирования синхроимпульсов, состоящего из D-триггера, формирователя импульсов и устройства временной задержки.
Интерфейс, представляющий собой систему передачи, функционирует следующим образом.
Полупроводниковые лазерные передающие оптоэлектронные модули каждого передающего оптоэлектронного блока преобразуют электрические сигналы на выходе входного буферного регистра и сигнал синхронизации на выходе генератора тактовой частоты в оптические сигналы и направляют эти сигналы на входные полюса набора волоконно-оптических линий задержек. Оптический сигнал синхронизации имеет минимальную задержку, определяемую длиной соединительных кабелей. Будем считать ее равной 0. С интервалом Δt, 2Δt, … N Δt - задерживаются сигналы с первого, второго и т.д. N-го оптоэлектронных передающих модулей.
Выходные полюса набора волоконно-оптических линий задержки подключены к входным полюсам оптического объединителя. Объединитель формирует групповой оптический сигнал, направляемый на выход передающего блока.
Групповые оптические сигналы оптоэлектронных передающих блоков направляются на М приемо-передающих оптических модулей, преобразующих длину волны оптического излучения передающих оптоэлектронных модулей в спектральный ряд с разносом, по частоте равным Δν×М.
Выходные сигналы приемо-передающих оптических модулей объединяются оптическим мультиплексором (спектрально-селективным оптическим объединителем) и направляются в тракт передачи (волоконно-оптический тракт) и далее на входной оптический полюс спектрально-селективного разветвителя (оптического демультиплексора). Спектрально-селективный разветвитель выполняет роль коммутатора, распределяющего единый информационный поток между потребителями (абонентами) в зависимости от длины волны оптического сигнала. Локальные оптические информационные потоки направляются на входы М приемных приемо-передающих оптических модулей, восстанавливающих сигналы и преобразующих длину волны в исходное состояние. Выходные оптические полюса приемо-передающих оптических модулей соединены с входными оптическими полюсами М приемных оптоэлектронных блоков.
На входной оптический полюс каждого приемного оптоэлектронного блока направляется свой групповой оптический сигнал. Этот сигнал поступает на оптический вход разветвителя с матрицей передачи 1X(N+1) и далее через волоконно-оптические линии задержки на оптические входы (N+1) оптоэлектронных приемных оптических модулей.
Набор линий задержки конструктивно аналогичен набору, находящемуся в передающем блоке, но в канале синхронизации задержка максимальна и равна (Δt·N-τ), где τ - интервал времени, учитывающий быстродействие используемой компонентной базы. В канале передачи первого бита информации задержка равна Δt·(N-1), второго - Δt·(N-2) и так далее. Старший бит информации имеет минимальную задержку.
Электрические выходы N приемных оптоэлектронных модулей соединены с линиями входного порта буферного регистра. Выход (N+1)-го приемного модуля подключен к входу схемы формирования синхроимпульсов, выход которой соединен с входом управления регистра и линией выхода синхроимульсов.
Недостатками рассмотренной системы передачи информации (интерфейса передачи информации) являются следующие:
- ограничена область применения, так как применение спектрального уплотнения для формирования агрегатного оптического сигнала ограничивает температурный диапазон при эксплуатации (типичный диапазон рабочих температур мультиплексоров на 4 канала составляет от 0 до 70°С, для мобильных и развертываемых систем температурный диапазон при эксплуатации должен находиться в пределах от -40 до +70°С);
- имеется ограничение на мощность оптических спектральных составляющих группового сигнала, связанное с возможностью влияния нелинейных эффектов в оптическом волокне на качество связи (по рекомендациям G.692 суммарная мощность всех каналов должна быть не более 19 дБм), ограничение мощности приводит к ограничению интервала между ретрансляторами в линии связи;
- необходимость использования технологически сложных спектрально-селективных разветвителей и объединителей зарубежного производства, так как отечественная промышленность не освоила технологию их производства;
- невысокая скорость передачи из-за ограниченного быстродействия дискретных комплектующих цифровой техники (максимальная тактовая частота для отечественных микросхем регистров и триггеров составляет 400 МГц, что позволяет организовать систему передачи со скоростью не более 400 Мбит/с в одном канале).
Предложенная волоконно-оптическая система передачи информации решает задачи увеличения мощности оптического сигнала в каналах передачи для увеличения максимального расстояния между ретрансляторами, повышения скорости передачи информации, обеспечения возможности использования в основном отечественной оптоэлектронной компонентной базы, обеспечения возможности работы в расширенном температурном диапазоне, обеспечения возможности передачи цифровых потоков, не содержащих в своей структуре служебных полей, обеспечивающих синхронизацию, увеличения в структуре цифрового потока доли полезной нагрузки.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройство, содержащее последовательно установленные передающий блок, волоконно-оптический тракт, приемный блок, причем передающий блок содержит входную N-разрядную шину данных для подключения N источников информации, N+1 передающих оптоэлектронных модулей, N волоконно-оптических линий задержки, оптические входы которых соединены с оптическими выходами N передающих оптоэлектронных модулей, спектрально-селективный оптический объединитель, первый вход которого соединен с выходом (N+1)-го оптоэлектронного модуля, устройство синхронизации, приемный блок содержит оптический разветвитель, первый приемный оптоэлектронный модуль, принимающий информационные данные, оптический вход которого соединен с первым выходом разветвителя, второй приемный оптоэлектронный модуль, принимающий сигналы синхронизации, оптический вход которого соединен с вторым выходом разветвителя через волоконно-оптическую линию задержки, устройство формирования синхроимпульсов, выходную N разрядную шину данных,
- введены мощный оптический усилитель, последовательно установленные компенсатор хроматической дисперсии и предварительный оптический усилитель, причем оптический вход мощного оптического усилителя соединен с выходом передающего блока, а выход - с входным оптическим полюсом волоконно-оптического тракта, входной оптический полюс компенсатора хроматической дисперсии соединен с выходным оптическим полюсом волоконно-оптического тракта, а оптический выход предварительного усилителя соединен с оптическим входом приемного блока, в передающий блок введены (N+1) формирователей импульсов, оптический объединитель с матрицей передачи N×1, причем входы N формирователей импульсов подключены к линиям входной N-разрядной шины данных, а выходы к N передающим оптоэлектронным модулям, вход (N+1)-го формирователя импульсов подключен к выходу устройства синхронизации, а выход к входу (N+1)-го передающего оптоэлектронного модуля, N волоконно-оптических линий задержки выполнены с возможностью перестройки времени задержки, N оптических входов оптического объединителя соединены с оптическими выходами N линий задержки, а оптический выход объединителя соединен с вторым входом спектрально-селективного оптического объединителя, имеющего матрицу передачи 2×1, в приемный блок введены два электронных усилителя, N электронных ключей, причем вход первого электронного усилителя подключен к выходу первого приемного оптоэлектронного модуля, а выход к коммутируемым входам N электронных ключей, вход второго электронного усилителя подключен к выходу второго приемного оптоэлектронного модуля, а выход - к входу устройства формирования синхроимпульсов - и связан с выходной линией синхронизации, N-выходов устройства формирования синхроимпульсов подключены к входам управления N электронных ключей, а выходы электронных ключей соединены с линиями выходной N разрядной шины данных, спектрально-селективный разветвитель, установленный на входе приемного блока, имеет матрицу передачи 1×2, для возможности регулирования времени задержки все волоконно-оптические линии задержки состоят из последовательно установленных отрезка оптического кабеля фиксированной длины, двух оптических линз, расстояние между которыми может изменяться механизмом регулирования и преобразователя диаметра поля моды.
На чертеже (см. фиг.1) изображена структурная схема устройства, реализующего предложенное изобретение.
Устройство содержит последовательно установленные передающий блок 1, мощный оптический усилитель 2, волоконно-оптический тракт 3, компенсатор хроматической дисперсии 4, предварительный оптический усилитель 5 и приемный блок 6.
Передающий блок 1 формирует оптический агрегатный цифровой поток. Этот поток направляется на вход мощного оптического усилителя 2, который повышает мощность оптических сигналов до максимального значения. Максимальное значение мощности ограничивается порогом нелинейных явлений в оптическом волокне волоконно-оптического тракта 3. На выходе волоконно-оптического тракта 3 установлен компенсатор хроматической дисперсии 4, представляющий собой отрезок специального волокна с большой отрицательной дисперсией, компенсирующей положительную хроматическую дисперсию в оптическом волокне волоконно-оптического тракта 3. Предварительный оптический усилитель 5 повышает мощность оптического сигнала для обеспечения его преобразования оптоэлектронными приемными модулями, установленными в приемном блоке 6.
d
с
Входами передающего блока 1 (см. фиг.2) являются линии N-разрядной входной шины данных 7, подключенные к входам N-формирователей импульсов 8. На линии шины данных 7 направляются передаваемые цифровые потоки, тактовая частота этих потоков вырабатывается устройством синхронизации 9. Импульсы синхронизации, вырабатываемые устройством синхронизации 9, подаются на вход (N+1)-го формирователя импульсов 10. С выходов формирователей импульсов 8 и 10 сигналы, представляющие собой импульсы заданной длительности, подаются на электрические входы передающих оптоэлектронных модулей. Причем N первых передающих оптоэлектронных модулей 11 преобразуют информационные сигналы в оптические импульсные сигналы на длине волны оптического излучения λ, а сигналы синхронизации (N+1)-ым передающим оптоэлектронным модулем 12 преобразуются в оптические импульсы на длине волны оптического излучения λ.
d
Сигналы с длиной волны оптического излучения λ направляются через N волоконно-оптических линий задержки 13 на входы оптического объединителя 14 с матрицей передачи N×1.
с
d
d
с
Сигналы с длиной волны оптического излучения λ направляются на 1-й вход спектрально-селективного объединителя 15, второй его вход соединен с выходом оптического объединителя 14, на этом выходе присутствует оптические сигналы с длиной волны λ. Выходом передающего блока является выход спектрально-селективного объединителя 15 с матрицей передачи 2×1, на выходе будут присутствовать оптические сигналы с длинами волн излучения λ и λ.
Волоконно-оптические линии задержки 13 имеют возможность перестройки времени задержки. Они состоят из двух частей - постоянной линии задержки (см. фиг.3), представляющей собой отрезок оптического кабеля фиксированной длины 16 (задержка оптического сигнала пропорциональна длине оптического волокна кабеля) и перестраиваемой линии задержки 17.
Перестраиваемые линии задержки состоят из последовательно установленных входного оптического одномодового волокна 18, двух оптических линз 19 и 20, преобразователя диаметра поля моды 21 (см. фиг.4). Оптические линзы могут быть градиентными (см. фиг.4а) или сферическими (см. фиг.4б). Линзы установлены на некотором расстоянии друг от друга, которое может изменяться механизмом регулирования 22. Первая линза выполняют роль коллиматора оптического излучения. Коллиматор преобразует расходящийся пучок оптического излучения из торца одномодового волокна 18 в параллельный пучок. Параллельный оптический пучок инфракрасного оптического излучения из первой линзы 19 направляется на вторую линзу 20, отстоящую от первой на расстоянии d. Вторая линза 20 формирует изображение выходного торца входного одномодового оптического волокна на входном оптическом полюсе преобразователя диаметра поля моды 21. Из-за погрешностей изготовления линз размер изображения торца входного одномодового волокна, проецируемого на входном оптическом полюсе преобразователя диаметра поля моды 21, будет превышать его истинные размеры. Для уменьшения вносимых оптических потерь преобразователь 21 производит уменьшение размера изображения выходного торца входного оптического волокна 19 до его истинных размеров на выходном полюсе преобразователя.
Уменьшение диаметра поля моды (размера изображения) достигается при помощи специального оптического волокна путем термодиффузии примеси, легирующей сердцевину оптического волокна в его оболочку [11].
Подстройка задержки оптических сигналов производится при помощи механизма регулирования 22, изменяющего расстояние между линзами, при этом изменяется геометрический путь прохождения оптического сигнала и время его задержки.
d
Входом приемного блока является вход спектрально-селективного разветвителя 23 с матрицей передачи 1×2 (см. фиг.5). Первый выход разветвителя, настроенный на длину волны оптического излучения λ, подключен к оптическому входу первого приемного оптоэлектронного модуля 24, выход которого соединен с входом первого электронного усилителя 25, выход которого подключен к коммутируемым входам N электронных ключей 26.
с
Второй выход разветвителя 23, настроенный на длину волны оптического излучения λ, подключен к оптическому входу второго приемного оптоэлектронного модуля 27 через волоконно-оптическую линию задержки 28. Конструкция этой линии задержки аналогична линиям задержки передающего блока. Выход второго приемного оптоэлектронного модуля соединен с входом второго электронного усилителя 29, выход которого подключен к выходной линии синхронизации 30 и входу устройства формирования синхроимпульсов 31. N выходов устройства формирования синхроимпульсов 31 подключены к управляющим входам N электронных ключей 26, выходы этих ключей подключены к линиям выходной N-разрядной шины данных 32.
Покажем работу устройства на конкретном примере.
В качестве примера, на эпюрах, представленных на фиг.6, проиллюстрирован процесс передачи 4-х цифровых потоков, подключенных к линиям входной 4-разрядной шины данных (N=4).
Для передачи по волоконно-оптическому каналу цифровой поток подвергается интерфейсному преобразованию для оптимизации прохождения через линию связи (линейному кодированию). Для передачи по оптическим кабелям чаще всего используют линейный код без возвращения к нулю (NRZ).
1
4
На фиг.6 представлены эпюры импульсов синхронизации цифровых потоков и эпюры цифровых потоков информации (ЦП-ЦП) в линейном коде NRZ (на эпюрах представлены первые 4-е бита каждого потока). В коде NRZ сигнал логической единицы формируется импульсом, длительность которого равна длительности битового интервала (периоду следования тактовых синхроимпульсов, вырабатываемых устройством синхронизации 9). Логический ноль соответствует отсутствию сигнала.
Импульсы цифровых потоков информации и синхроимпульсы направляются в формирователи импульсов 8 и 10, конструктивно выполненные по одной схеме.
с
c
Формирователи импульсов 8 и 10 преобразуют линейный код NRZ в двухполярный код с возвращением к нулю RZ, при этом они форматируют (нормируют) длительность импульсов. В коде RZ логической единице соответствует наличие импульса, логическому нулю - отсутствие. Если обозначить длительность битового интервала (периода следования импульсов синхронизации) Т, то на выходе (N+1)-го формирователя импульсов синхронизации 10 должны получить импульсы длительностью по уровню 0,1, равной t, которая определяется выражением (см. фиг.6)
где N - разрядность шины данных (количество цифровых передаваемых потоков информации), в рассматриваемом примере N=4.
d
Формирователи импульсов данных (с номерами 1÷N) 8 должны сформировать импульсы, длительность которых t по уровню 0,1 определяется выражением (см. фиг.6)
В микросекундном и наносекундном диапазонах формирователи импульсов могут быть построены по известным схемам на микросхемах TTL и LVTTL логики [12].
Схемы формирователей импульсов в пикосекундном диапазоне также известны и могут быть выполнены на отечественной компонентной электронной базе [13-14] с применением импульсных лавинно-ключевых диодов и транзисторов.
с
d
d
с
Электрические импульсы, сгенерированные формирователями 8 и 10, преобразуются при помощи передающих оптоэлектронных модулей 11 и 12 в оптические импульсные сигналы. Причем передающий оптоэлектронный модуль 12 вырабатывает оптические сигналы синхронизации с длиной волны λ, а модули 11 вырабатывают оптические сигналы данных с длиной волны λ. Оптические сигналы данных λ и синхронизации λ направляются на вход спектрально-селективного объединителя 15, см. фиг.2. Причем оптические сигналы данных объединяются при помощи волоконно-оптических линий задержки 13 и оптического объединителя 14 в единый цифровой оптический поток.
Каждая из волоконно-оптических линий задержки 13 состоит из постоянной линии задержки 16, построенной на отрезке оптического кабеля фиксированной длины, и перестраиваемой линии задержки 17, см. фиг.3.
к
Оптические кабели фиксированной длины 16 задерживают сигналы на время τ, зависящее от длины кабелей L, причем
где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна,
с - скорость света в вакууме.
п
Перестраиваемые линии задержки 17 регулируют задержку сигналов путем изменения расстояния между двумя линзами. Величина задержки оптического сигнала τ при этом может быть рассчитана по формуле
ск
где L - длина оптических соединительных кабелей;
n - показатель преломления сердцевины оптического волокна;
d - расстояние между линзами;
d
n - показатель преломления среды, заполняющей зазор между линзами.
к
Оптические длины кабелей 16 и значения задержек регулируемых линий 17 подбираются таким образом, чтобы обеспечить сдвиг задержки между сигналами в каналах передачи на величину τ, определяемую по формуле
с
где Т - длительность битового интервала;
N - разрядность шины данных (количество цифровых передаваемых потоков информации).
Сформированный на выходе передающего блока поток оптических импульсов направляется в оптический канал передачи, состоящий из последовательно включенных мощного оптического усилителя 2 (бустера), волоконно-оптического тракта 3, компенсатора хроматической дисперсии 4, предварительного оптического усилителя 5, см. фиг.1.
Мощный оптический усилитель 2 предназначен для повышения мощности передаваемых сигналов до максимального уровня. Чем выше мощность этих сигналов, тем большее расстояние можно установить между регенераторами сигнала, то есть увеличить максимально возможную длину волоконно-оптического тракта 3 (длину пролета).
Средой передачи в оптическом кабеле волоконно-оптического тракта 3 является, как правило, стандартное одномодовое оптическое волокно (SMF). Одной из характеристик оптического волокна является хроматическая дисперсия, для стандартного одномодового волокна хроматическая дисперсия на длине волны оптического излучения 1,55 мкм равна 17 пс/(нм·км). Наличие хроматической дисперсии приводит к уширению импульсных оптических сигналов, распространяющихся по волоконно-оптическому тракту. Уширение импульсов может привести к возникновению ошибок при передаче информации. Для компенсации положительной хроматической дисперсии в предлагаемом устройстве использован компенсатор 4, изготовленный из специального оптического волокна (типа DSF) с большой отрицательной дисперсией, порядка минус 100 пс/(нм·км). Длина DSF оптического волокна выбирается из условия получения итоговой небольшой отрицательной дисперсии, при этом при наличии фазовой самомодуляции в стандартном оптическом волокне создаются условия для солитонного режима распространения импульсов (распространения без искажений). Так как DSF оптическое волокно вносит дополнительные оптические потери, то для усиления оптических сигналов необходим предварительный оптический усилитель 5, установленный на входе приемного блока 6.
d
с
d
Спектрально-селективный разветвитель 23, установленный на входе приемного блока, разделяет групповой оптический сигнал из волоконно-оптического тракта на две составляющие - с длиной волны оптического излучения λ и λ. Оптические сигналы с длиной волны оптического излучения λ направляются на приемный оптоэлектронный модуль 24, преобразуются в электрические импульсы, усиливаются усилителем 25 и направляются через электронные импульсные ключи 26 на линии выходной шины данных 32. Управляющие входы ключей 26 подключены к выводам устройства формирования синхроимпульсов 31.
c
На вход устройства формирования синхроимпульсов 31 поступают импульсы синхронизации, принятые приемным оптоэлектронным модулем 27 и усиленные усилителем 29. На этот модуль поступают оптические импульсы с длиной волны оптического излучения λ, выделяемые спектрально-селективным разветвителем 23. Прежде чем попасть на входной оптический полюс модуля 27 оптические импульсы с выхода разветвителя 23 задерживаются линией задержки 28, конструкция которой аналогична конструкции ранее рассмотренных линий задержки 13.
Импульсы синхронизации распространяются на длине волны оптического излучения, отличной от длины волны, на которой распространяются данные. Это приводит к тому, что задержка распространения данных в канале передачи будет отличаться из-за хроматической дисперсии от задержки распространения сигналов синхронизации. Несмотря на получаемый временной сдвиг, при помощи линии задержки 28, всегда можно сделать так, чтобы серединам тактовых импульсов синхронизации соответствовали середины битовых интервалов данных. При этом электрический импульс синхронизации с выхода усилителя 29 поступает на управляющий вход 1-го электронного ключа в то время, когда на его входе присутствует электрический импульс данных 1-го цифрового потока с выхода усилителя 25, см. фиг.5. Электрический импульс синхронизации с 1-го выхода устройства формирования синхроимпульсов поступает на управляющий вход 2-го электронного ключа в то время, когда на его входе присутствует электрический импульс данных 2-го цифрового потока. Электрический импульс синхронизации с 2-го выхода устройства формирования синхроимпульсов поступает на управляющий вход 3-го электронного ключа в то время, когда на его входе присутствует электрический импульс данных 3-го цифрового потока. Электрический импульс синхронизации с 3-го выхода устройства формирования синхроимпульсов поступает на управляющий вход 4-го электронного ключа в то время, когда на его входе присутствует электрический импульс данных 4-го цифрового потока.
Электрические импульсы синхронизации каналов формируются устройством 31 из электрических импульсов, поступающих на вход устройства с выхода усилителя 29. На выводах устройства 31 формируются канальные синхроимпульсы с задержкой друг относительно друга Δτ, равной
Для относительно низких скоростей передачи информации устройство формирования канальных синхроимпульсов может представлять собой счетчик импульсов, подсчитывающий импульсы синхронизации. Для более высоких скоростей, превышающих быстродействие дискретных цифровых микросхем, устройство может быть выполнено в виде широкополосной линии задержки с отводами.
Конструкции таких линий задержки известны, например, это могут быть линии задержки, выполненные на полосковых линиях [13], или кремниевые линии задержки, например, типа DS1020-15 с минимальным шагом 150 пс, описанные в [15].
Импульсные электронные ключи для относительно невысоких скоростей могут быть выполнены на логических микросхемах. Для более высоких скоростей ключи могут быть выполнены на импульсных переключающих диодах. Одна из таких схем сверхбыстродействующего ключа (устройства выбора) разомкнутого типа представлена в [12]. Параметры быстродействующих диодов, работающих в пикосекундном диапазоне, представлены в [16].
В качестве ключей можно также применить микросхемы фирмы National Semiconductor. Эта фирма выпускает электронные ключи типа DS25CP102, предназначенные для использования в качестве разделителей или мультиплексоров при маршрутизации или коммутации высокоскоростных сигналов в телекоммуникационном оборудовании на скорость 3,125 Гбит/с [17].
Выходы ключей являются линиями выходной шины данных. На линиях этой шины будем иметь восстановленные цифровые потоки в коде RZ. Для декодирования цифровых потоков могут быть использованы импульсы синхронизации, интегрированные в информационные потоки (для технологий передачи PDH, SDH и им подобных), или импульсы синхронизации, выводимые по линии 30, см. фиг.5.
Как было показано выше, предлагаемое изобретение решает следующие задачи:
- увеличения мощности оптического сигнала в каналах передачи для увеличения максимального расстояния между ретрансляторами;
- повышения скорости передачи информации;
- обеспечения возможности использования в основном отечественной оптоэлектронной компонентной базы;
- обеспечения возможности работы в расширенном температурном диапазоне;
- обеспечения возможности передачи цифровых потоков, не содержащих в своей структуре служебных полей, обеспечивающих синхронизацию;
- увеличения в структуре цифрового потока доли полезной нагрузки.
Температурный диапазон при эксплуатации устройства-прототипа ограничивается в основном температурной зависимостью коэффициентов передачи спектрально-селективных разветвителя и объединителя. Лучшие зарубежные спектрально-селективные разветвители и объединители (оптические демультиплексоры и мультиплексоры) на число каналов передачи более 4-х работают в температурном диапазоне от 0 до 70°С [2].
В предлагаемом устройстве используются спектрально-селективные объединитель и разветвитель на две длины волны оптического излучения. Двухканальный спектрально-селективный разветвитель (объединитель) может быть выполнен по сплавной технологии, значения температуры при эксплуатации такого разветвителя находятся в пределах от минус 40 до 70°С [18]. Этот температурный диапазон соответствует группе исполнения 1У по ГОСТ РВ 20.39.414.1-97 и позволяет значительно расширить сферу применения предлагаемого устройства, например предлагаемое устройство может быть использовано в системах сбора, управления и обработки информации мобильных развертываемых комплексов.
Для устройства-прототипа скорость передачи ограничивается быстродействием микросхем буферных регистров и D-триггеров. Самыми быстродействующими на сегодняшний день являются микросхемы, выполненные на элементах эмиттерно-связанной логики [19]. Из отечественных микросхем самые быстрые регистры и триггера - это буферные 6-и разрядные параллельные регистры типа 1500ИР150 и D-триггеры типа 1500ТМ130, их предельная тактовая частота равна 400 МГц, время установления импульсов данных составляет 0,6 нс, т.е. минимальная длительность импульсов может составить 1,25 нс [19].
i
i
Исходя из принципа действия прототипа, скорость битового потока B на каждой фиксированной длине волны оптического излучения λ определяется из выражения
где N - количество разрядов буферных регистров;
п
Δτ - продолжительность паузы между импульсами на выходе оптического сумматора каждого передающего блока;
и
п
и
Δτ - минимальная длительность импульсов (будем считать Δτ=Δτ);
i - номер передающего блока (i=1÷М), М - количество передающих блоков и количество длин волн агрегатного сигнала в канале передачи, определяемое выражением
где В - требуемая скорость канала передачи.
Как было показано выше, приняты ограничения на значение максимальной мощности сигналов в оптическом волокне. В соответствие со стандартом G.692 при одновременном использовании многих источников оптического сигнала суммарная мощность в оптическом волокне должна быть не более 19 дБм [6, 7].
i
В связи с ограничением оптической мощности в оптическом волокне, при использовании М длин волн, максимальная мощность каждого канала P может быть не более
max
где P - максимальная мощность в оптическом волокне по рекомендациям G.692.
i
max
В логарифмическом виде P=P-10lg М (дБм)
Максимальная мощность в каналах определяет бюджет мощности.
В предлагаемом устройстве используется два канала передачи, один для передачи данных, другой для передачи сигналов синхронизации. Очевидно, что уже при М>2 получим выигрыш в бюджете мощности.
п
и
Если предположить, что устройство-аналог построено на регистрах 1500ИР150 и триггерах 1500ТМ130, то Δτ=Δτ=2,5 нс. По формуле (6) определим скорость потока информации на каждой фиксированной длине волны оптического излучения. Она будет равна 342,8 Мбит/с. Таким образом, для самой быстродействующей отечественной компонентной базы выигрыш по мощности получим при скорости передачи более 685,6 Мбит/с. С увеличением скорости канала передачи этот выигрыш будет возрастать, так как в устройстве-прототипе при этом увеличивается количество используемых длин волн в агрегатном сигнале.
Возможность передачи цифровых потоков, не содержащих в своей структуре полей, обеспечивающих синхронизацию, и увеличение доли полезной нагрузки в передаваемом цифровом потоке вытекает из принципа действия предлагаемого устройства.
Возможность повышения скорости передачи информации и использования отечественной электронной компонентной базы покажем на конкретном примере.
Рассмотрим пример построения предлагаемого устройства, рассчитанного на передачу оптических сигналов со скоростью 10 Гбит/с при максимальном использовании отечественной компонентной базы (для реализации устройства-прототипа на ту же скорость понадобилась бы система передачи с 30-ю длинами волн оптического излучения). Отметим, что оптических мультиплексоров/демультиплексоров на 30 каналов отечественная промышленность пока не выпускает.
Пусть на входе системы передачи имеются четыре цифровых потока, имеющих общий тактовый генератор. Скорость каждого потока 2,5 Гбит/с.
Предположим, что импульсы передаются в коде NRZ. Формирователи должны преобразовать код NRZ в код RZ с длительностью импульсов, рассчитанной по формуле (1). Для скорости 2,5 Гбит/с длительность импульсов должна быть равна 100 пс.
Укорочение импульсов может быть получено при помощи схемы, построенной на диоде с накоплением заряда (отечественные диоды типа КД524, КД528, КД630), описанной в [13] на стр.250 (рис.7.13б). Схема позволяет укоротить входной импульс до длительности 100 пс (с передним фронтом 40 пс и задним около 30 пс) при амплитуде импульсов до 50 В. Принцип работы схемы основан на свойстве диода с накоплением заряда резко восстанавливать обратное сопротивление при переключении из состояния прямой проводимости в закрытое состояние.
Для преобразования электрических импульсов в оптическое излучение могут быть использованы отечественные высокочастотные лазерные модули ДМП0131-23, выпускаемые НПФ «ДИЛАЗ», имеющие диапазон частот модуляции до 16 ГГц [21].
Волоконные линии задержки должны обеспечивать временной сдвиг сигналов в каналах передачи данных, равный 100 пс. Сигнал во втором канале должен быть задержан относительно сигнала в первом канале на 100 пс, сигнал в третьем канале должен быть задержан относительно сигнала во втором канале также на 100 пс и т.д. Относительную задержку в 100 пс обеспечат линии задержки, построенные на оптических волокнах с длиной, отличающейся на Δl. Значение Δl в м может быть рассчитано по формуле
-10
где Δτ - относительная задержка, (Δτ=10 с);
с - скорость света в вакууме;
n - показатель преломления сердцевины оптического волокна.
Подставляя значения параметров в формулу (10), получим значение шага изменения длины оптических волокон для волоконно-оптических линий задержки. Это значение будет равно 30 мм, то есть оптические волокна в линиях задержки должны отличаться на 30 мм (погрешность изготовления фиксированных линий задержки устраняется подстраиваемой секцией).
Оптические объединители на 2-а канала, 2-волновые спектрально-селективные разветвители и объединители, оптические усилители отечественная промышленность выпускает с параметрами, соответствующими зарубежным образцам.
Сформированный оптический групповой сигнал, содержащий передаваемые данные, направляется на приемный оптоэлектронный модуль 19. Оптический сигнал представляет собой последовательность импульсов, следующих с периодом 100 пс. Фронт импульсов составляет величину 30-40 пс. Для преобразования оптических импульсов в электрические понадобится приемный оптоэлектронный модуль с постоянной времени менее 30-40 пс. Этим требованиям отвечают высокоскоростные волоконно-оптические InGaAs/InP PIN фотоприемники (приемные модули), выпускаемые НПФ «ДИЛАЗ» с постоянной времени около 30 пс и полосой пропускания по уровню минус 3 дБ-16 ГГц [21].
Для сортировки импульсов по каналам передачи понадобятся электронные ключи и устройство формирования канальных синхроимпульсов. В качестве такого устройства может быть использована широкополосная линия задержки электрических сигналов. Как было показано выше, конструкции линий задержки с отводами известны, например, это могут быть линии задержки, описанные в [13].
На рис.8.15 в [13] представлена структурная схема регистратора, в который введена кабельная линия задержки, обеспечивающая частоту дискретизации 1 ГГц и пикосекундное разрешение.
Импульсные электронные ключи могут быть выполнены на импульсных переключающих диодах. Одна из таких схем сверхбыстродействующего ключа (устройства выбора) разомкнутого типа представлена в [13]. Параметры быстродействующих отечественных диодов, работающих в пикосекундном диапазоне, представлены в [16].
Таким образом, предлагаемое устройство, волоконно-оптическая система передачи информации с временным и волновым уплотнением, отличается от устройства прототипа расширенным температурным диапазоном при эксплуатации, большим значением оптической мощности в каналах передачи, возможностью передачи сигналов без полей, отвечающих за синхронизацию (при этом возрастает относительный уровень полезной нагрузки). Имеется возможность реализации устройства со скоростью передачи 10 Гбит/с на отечественной компонентной базе без применения быстродействующих электронных мультиплексоров/демультиплексоров уровня STM-64, которые могут быть построены только на зарубежной компонентной базе.
Литература
1. Наний О.Е. Основы технологии спектрального мультиплексирования каналов передачи (WDM). Lightwave Russian edition, №2, 2004. 47-52 c.
2. Информация с сайта http://www.cisco.com.
3. Информация с сайта http://www.fti-optronic.com.
4. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000. - 468 с.
5. Буфетов И.А., Дианов Е.М. Оптический разряд в волоконных световодах. Lightwave Russian edition, №4, 2004. 50-51 с.
6. Некучаев А., Юсупалиев У. Символьная передача данных по ВОЛС. Патент - российский, что дальше? Электроника. Наука. Техника. Бизнес (НТБ): Связь и телекоммуникации, №6, 2001.
7. ITU-T Rec. G.692 - Optical interfaces for multi-channel systems with optical amplifiers (10.98).
8. Каталог продукции, производимой компанией «Русская телефонная компания», Россия, г.Новосибирск, версия каталога от 05.08.2008 г. (доступна по адресу http://www.rus-telcom.ru/).
9. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы/ Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. - М.: Издательство "Connect", 2000. - 376 с.
10. Патент РФ на изобретение №2289207 «Интерфейс для передачи дискретной информации по оптическому кабелю».
11. Информация с сайта http://www.b-tech.ru/index.asp?rid=1869
12. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.
13. Пикосекундная импульсная техника / В.Н.Ильюшенко, Б.И.Авдоченко, В.Ю.Баранов и др.; под. ред. В.Н.Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с.
14. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров / В.Н.Легкий, И.Д.Миценко, Б.В.Галун. - Томск: Радио и связь. Томский отдел, 1990. - 216 с.
15. Информация с сайта http://www.terraelectronica.ru/pdf/MAX/DS1020-15.pdf.
16. Информация с сайта http://www.niipp.ru/Russian/products/S_impulse.htm.
17. Информация с сайта /http://kazus.ru/lenta/view/0_7058_0.html.
18. Информация с сайта http://user.rol.ru/~optcom/.
19. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1987 - 352 с.
20. Р.Фридман «Волоконно-оптические системы связи», Техносфера, Москва, 2003, стр.280.
21. Информация с сайта http://www.dilas.ru/.