ОПТИЧЕСКИЙ ТРАНСИВЕР
OPTICAL TRANSCEIVER

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи, в частности к системам формирования (передачи) и приема оптических сигналов.
Известны устройства, обеспечивающие прием и передачу оптических сигналов, предназначенные для работы в составе телекоммуникационного оборудования в виде сменных модулей: рекомендация INF-8074i Small Form Factor Committee; интерфейс для передачи дискретной информации по оптическому каналу (патент RU 2289207 C1, Н04В 10/00, опубл. 10.12.2006 г.); приемопередатчик волоконно-оптической линии связи (патент RU 2407168 C1, Н04В 10/12, опубл. 20.12.2010 г.). Общими элементами устройств-аналогов являются источник и приемник оптического излучения, схема управления накачкой, схемы мониторинга и контроля, усилитель-ограничитель.
Наиболее близким по своей технической сущности и выполняемым функциям аналогом к заявленному устройству является высокоскоростной SFP трансивер (патент US 7970283 В2, Н04В 10/00, опубл. 28.06.2011 г). Данное устройство принято за прототип изобретения.
Устройство-прототип содержит передающий оптический модуль (TOSA), приемный оптический модуль (ROSA), интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера (LDPA), схему диагностики и управления (DCC), причем выход приемного оптического модуля связан с первым входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера, первый выход которого соединен со входом передающего оптического модуля, третий выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера подключен к первому входу схемы диагностики и управления, первый выход которой связан с третьим входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера, выход передающего оптического модуля является выходом оптического сигнала, вход приемного оптического модуля является входом оптического сигнала устройства-прототипа, второй выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера является выходом информационного сигнала устройства-прототипа, второй вход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера является входом информационного сигнала устройства-прототипа, второй вход схемы диагностики и управления является входом сигнала управления устройства-прототипа, а второй выход схемы диагностики и управления является выходом сигнала управления устройства-прототипа.
В данной области техники существует техническая проблема, заключающаяся в том, что известные приемо-передающие оптические модули (трансиверы) обладают не достаточными эксплуатационными характеристиками, а именно дальностью связи, помехоустойчивостью и разведзащищенностью. Эта техническая проблема обусловлена тем, что дальность связи ограничена мощностью лазера передающего оптического модуля и реальной чувствительностью фотоприемного устройства приемного оптического модуля (см. Цуканов, В.Н. Волоконно-оптическая техника. Практическое руководство / В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. - М.: Инфра-инженерия, 2014. - 304 с.). Помехоустойчивость устройств-аналогов является низкой ввиду отсутствия узлов и инцидентных им связей, реализующих известные техники повышения помехоустойчивости (см. Харкевич, А.А. Очерки общей теории связи / А.А. Харкевич. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. - 268 с.). Низкая разведзащищенность устройств-аналогов связана с избытком вводимой оптической мощности в световод (с целью повышения дальности и/или помехоустойчивости), а следовательно, большей мощностью излучаемых мод (см. Шубин, В.В. Информационная безопасность волоконно-оптических систем/ В.В. Шубин. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2015. - 257 с.).
Техническая проблема решается созданием оптического трансивера за счет добавления в известный высокоскоростной SFP трансивер новых узлов и связей. Технический результат, обеспечиваемый изобретением состоит в повышении эксплуатационных характеристик (дальности связи, помехоустойчивости и разведзащищенности) оптического трансивера, что обусловлено помехоустойчивым кодированием передаваемой информации.
Эта техническая проблема решается тем, что оптический трансивер, содержащий передающий оптический модуль, приемный оптический модуль, интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера, схему диагностики и управления вводятся дополнительные элементы и связи, при этом выход приемного оптического модуля связан с первым входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера, первый выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера соединен со входом передающего оптического модуля, третий выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера подключен к первому входу схемы диагностики и управления, первый выход схемы диагностики и управления связан с третьим входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера, выход передающего оптического модуля является выходом оптического сигнала, вход приемного оптического модуля является входом оптического сигнала, второй вход схемы диагностики и управления является входом сигнала управления, а второй выход схемы диагностики и управления является выходом сигнала управления, согласно изобретению дополнен выделителем-восстановителем структуры сигнала, помехоустойчивым кодеком и узлом согласования. При этом второй выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера соединен с первым входом выделителя-восстановителя структуры сигнала, первый выход которого подключен к первому входу помехоустойчивого кодека. Вторые вход и выход выделителя-восстановителя структуры сигнала связаны с третьими выходом и входом схемы диагностики и управления. Четвертые вход и выход схемы диагностики и управления присоединены к третьим выходу и выходу помехоустойчивого кодека. Первый выход помехоустойчивого кодека соединен со вторым входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера. В свою очередь, вторые вход и выход помехоустойчивого кодека связаны с первыми выходом и входом узла согласования. Вторые вход и выход узла согласования являются входом и выходом информационного сигнала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительно введенных в известное устройство элементов и связей, реализована возможность применения помехоустойчивого кодирования. Помехоустойчивое кодирование обеспечивает снижение вероятности ошибки, за счет чего увеличивается дальность связи и помехоустойчивость системы передачи (см. Морелос-Сарагоса, Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / Р. Морелос-Сарагоса. - М.: Техносфера, 2005. - 320 с.). Кроме того, применение помехоустойчивого кодирования позволяет снизить вводимую в световод среднюю мощность оптического сигнала, что, в свою очередь, приводит к уменьшению мощности излучаемых мод.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного оптического трансивера, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение может быть применено в волоконно-оптических системах передачи информации в виде сменного модуля оптического трансивера. При этом замена существующих изделий (соответствующих аналогам или прототипу) на заявленный оптический трансивер позволит повысить эксплуатационные характеристики (дальность связи, помехоустойчивость и разведзащищенность) волоконно-оптических систем передачи информации. Существующая элементная база и технологии позволяют реализовать заявленный оптический трансивер с достижением указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 - структурная схема оптического трансивера;
на фиг. 2 - результаты имитационного моделирования;
на фиг. 3 - технический эффект от применения заявленного оптического трансивера (приращение дальности связи и разведзащищенности).
Оптический трансивер (фиг. 1) состоит из передающего оптического модуля (1 блок), приемного оптического модуля (2 блок), интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), схемы диагностики и управления (4 блок), выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок), помехоустойчивого кодека (6 блок) и узла согласования (7 блок).
Элементы оптического трансивера соединены между собой следующим образом (фиг. 1). Логически узлы устройства образуют три тракта: приема, передачи информации, а также управления. Тракт приема информации. Вход оптического сигнала оптического трансивера является входом приемного оптического модуля (2 блок), выход которого соединен с первым входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок). Второй выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) связан с первым входом выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок), первый выход которого, в свою очередь, подсоединен к первому входу помехоустойчивого кодека (6 блок). Второй выход помехоустойчивого кодека (6 блок) связан с первым входом узла согласования (7 блок), второй выход которого является выходом информационного сигнала. Тракт передачи информации. Вход информационного сигнала является вторым входом узла согласования (7 блок), первый выход которого соединен со вторым входом помехоустойчивого кодека (6 блок). Первый выход помехоустойчивого кодека (6 блок) подключен ко второму входу интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), первый выход которого связан со входом передающего оптического модуля (1 блок), выход которого является выходом оптического сигнала. Тракт управления. Вход сигнала управления является вторым входом схемы диагностики и управления (4 блок), первый выход которой связан с третьим входом интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок). Третий выход схемы диагностики и управления (4 блок) связан со вторым входом выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок), четвертый выход которого соединен с третьим входом помехоустойчивого кодека (6 блок). В свою очередь, третий выход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) связан с первым входом схемы диагностики и управления (4 блок), к третьему входу которой подключен второй выход выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок). Третий выход помехоустойчивого кодека (6 блок) соединен с четвертым входом схемы диагностики и управления (4 блок). При этом второй выход схемы диагностики и управления (4) является выходом сигнала управления.
Узлы оптического трансивера: передающий оптический модуль (1 блок), приемный оптический модуль (2 блок), интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), - полностью идентичны одноименным узлам устройства-прототипа.
Схема диагностики и управления (4 блок) предназначена для трансляции управляющих команд в интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), выделитель-восстановитель структуры сигнала (5 блок), помехоустойчивый кодек (6 блок), а также сбора диагностической информации с указанных узлов. Схема диагностики и управления (4 блок) отличается от одноименного узла устройства-прототипа увеличенным в двое числом входов и выходов. Узел может быть реализован на микроконтроллере, например, на универсальном, описанном в ТСКЯ.431296.001 СП Микросхема 32-разрядного однокристального микро-ЭВМ с памятью Flash-типа 1986 ВЕ9ху, К1986 ВЕ9ху, К1986 ВЕ9хуК K1986BE92QI, K1986BE92QC, 1986ВЕ91Н4, К1986ВЕ91Н4, 1986ВЕ94Н4, К1986ВЕ94Н4. Спецификация. - М.: АО «Миландр», 2016. - 528 с. или специализированном, описанном в Precision Analog Microcontroller, 12-Bit Analog I/O, ARM7TDMI MCU. Спецификация. - Норвуд: Analog Devices, 2015. - 101 c.
Для восстановления фазовых соотношений и амплитуды информационного сигнала в конструкцию оптического трансивера введен выделитель-восстановитель структуры сигнала (5 блок). Данный узел является широко известным, однако существует ряд специфичных требований. Так, например, важным является требование к скорости обработке, которое должно быть во много раз выше скорости принимаемого сигнала. Узел описан в учебном пособии Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника: учебное пособие для вузов / Е.П. Угрюмов. - изд. 3-е, перераб. и дополн. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с на страницах 202-212.
-3
-15
Операция помехоустойчивого кодирования на передаче и декодирования на приеме возложена на помехоустойчивый кодек (6 блок). Ввиду многообразия помехоустойчивых кодов данный узел целесообразно реализовывать на программируемой логической интегральной схеме (FPGA), а в случае серийного производства на интегральной схеме специального назначения (ASIC). Алгоритм помехоустойчивого кодирования и декодирования, используемый при обосновании технического эффекта заявленного изобретения изложен в Рекомендации ITU-T G.975.1 от 2004 года на страницах 28-41 (выигрыш по помехоустойчивости при этом составляет более 12 порядков: вероятность ошибки уменьшилась с 4,4⋅10 до 10). Альтернативные алгоритмы помехоустойчивого кодирования рассмотрены в монографии Форни, Д. Каскадные коды / Д. Форни, пер. с англ. под ред. Самойленко С.И. - М.: Мир, 1970. - 208 с. Структура и номенклатура пригодных для построения помехоустойчивого кодека (6 блок) программируемых логических интегральных схем приведена в учебном пособии Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника: учебное пособие для вузов / Е.П. Угрюмов. - изд. 3-е, переаб. и дополн. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с на страницах 546-589. Описание пригодных для построения помехоустойчивого кодека (6) интегральных схем специального назначения приведена в учебном пособии Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника: учебное пособие для вузов / Е.П. Угрюмов. - изд. 3-е, переаб. и дополн. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 816 с на страницах 641-656.
Узел согласования (7 блок) предназначен для преобразования цифровых сигналов с выхода помехоустойчивого кодека (6 блок) к виду пригодному для взаимодействия с подключаемым оборудованием и осуществлению обратного преобразования на передаче. Задача узла согласования (7 блок) - обеспечение совместимости оптического трансивера с телекоммуникационной аппаратурой в соответствии с рекомендацией INF-8074i. Узел согласования (7 блок) является известным устройством и описан в монографии Волович, Г.И. Цифро-аналоговые преобразователи / Г.И. Волович - Томск: Томский политехнический университет, 2008 г. на страницах 5-86.
Оптический трансивер функционирует следующим образом. Прием и передача информации могут осуществляться одновременно, но для ясности понимания происходящих процессов целесообразно рассмотреть отдельно работу на прием и на передачу.
При поступлении оптического сигнала на вход приемного оптического модуля (2 блок), последний осуществляет оптико-электронное преобразование и формирует на своем выходе электрический сигнал идентичный по форме принятому оптическому.
Этот сигнал передается на интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), где происходит усиление сигнала с ограничением по уровню. При получении сигнала по первому входу интегральный узел усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) формирует команду обнаружения сигнала и передает ее в схему диагностики и управления (4 блок). Ограничение осуществляется за счет использования нелинейных областей вольтамперных характеристик усилительных элементов. Таким образом, на втором выходе интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазеpa (3 блок) электрический сигнал трапецеидальной формы вне зависимости от формы входного сигнала. С выхода интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) сигнал поступает на первый вход выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок).
В выделителе-восстановителе структуры сигнала (5 блок) сначала происходит восстановление тактовой частоты, затем длительности импульса, а также выравнивание значащих фронтов. Информация о выделенной из сигнала тактовой частоте передается в схему диагностики и управления (4 блок). На окончательном этапе происходит принятие решения о переданном импульсе и формирование восстановленного цифрового сигнала, который передается на первый вход помехоустойчивого кодека (6 блок).
Помехоустойчивый кодек (6 блок) осуществляет декодирование принятого цифрового сигнала и исправление ошибок. Обработанный сигнал передается в узел согласования (7 блок). Сведения о загрузке вычислителя помехоустойчивого кодека (6 блок) и числе исправленных ошибок передается в схему диагностики и управления (4 блок).
Узел согласования (7 блок) адаптирует амплитуду и форму сигнала к виду, пригодному для дальнейшей обработки. Так же данный узел выполняет согласование по сопротивлению с последующим устройством. Адаптированный сигнал через выход информационного сигнала поступает на телекоммуникационное оборудование.
Собранную информацию с интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок) и помехоустойчивого кодека (6 блок) схема диагностики и управления (4 блок) через выход сигнала управления передает в телекоммуникационное оборудование, к которому подключен оптический трансивер.
При поступлении на вход информационного сигнала информации, предназначенной для передачи узел согласования (7 блок) преобразует амплитуду и форму поступившего сигнала к виду, пригодному для обработки помехоустойчивым кодеком (6 блок). При этом выполняется согласование сопротивлений.
Помехоустойчивый кодек (6 блок), получив адаптированный сигнал, осуществляет процедуру кодирования помехоустойчивым кодом. Тактирование помехоустойчивого кодека (6 блок) осуществляется по третьему входу от схемы диагностики и управления (4 блок).
Закодированный сигнал поступает на второй вход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), где осуществляется управление девиацией рабочей точки смещения лазера передающего оптического модуля (1 блок). Кроме того, из схемы диагностики и управления (4 блок) на третий вход интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) поступает сигнал разрешения передачи, который определяет постоянную составляющую рабочей точки смещения лазера передающего оптического модуля (1 блок). Таким образом, на выходе интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок) формируется переменный ток накачки с математическим ожиданием равным току смещения и амплитудой, соответствующей принятой девиации.
Ток накачки поступает на передающий оптический модуль (1 блок), где осуществляется электронно-оптическое преобразование сигнала, после чего, оптический сигнал поступает на выход оптического сигнала.
На основании управляющих команд, поступающих на вход сигнала управления, схема диагностики и управления (4 блок) формирует описанные управляющие команды для интегрального узла усилителя-ограничителя и драйвера лазера (3 блок), помехоустойчивого кодека (6 блок) и эталонный хронирующий сигнал для выделителя-восстановителя структуры сигнала (5 блок).
Правомерность теоретических предпосылок о достижении технического результата проверялась с помощью имитационного моделирования. Имитационная модель базируется на известном и апробированном математическом аппарате (Толкачев, А. Оптические приемники XXI века / А. Толкачев // Теле-Спутник. - 2010. - №6. - С. 32-35., а так же Рекомендация ITU-T G.975.1 от 22.02.2004 г.).
Для расчетов были приняты следующие исходные данные:
- коэффициент затухания оптического волокна 0,3 дБ/км (нормативное значение для длины волны 1550 нм согласно Рекомендации ITU-T G.652 2016 г.);
- коэффициент хроматической дисперсии 18,6 пс/(нм⋅км);
- потери на разъемных соединителях 0,8 дБ;
- строительная длина кабеля 6 км;
- потери на сварном соединении 0,1 дБ;
- эксплуатационный запас 2 дБ;
- мощность лазера передающего оптического модуля на длине волны 1550 нм 2 мВт;
- уровень реальной чувствительности фотодетектора приемного оптического модуля на длине волны 1550 нм -29 дБм;
-12
- требуемый коэффициент ошибок на выходе оптического трансивера 10.
-12
На фиг. 2 приведены результаты моделирования в графической форме - сравнение устройства-прототипа и заявленного устройства по дальности связи. Кривые, вычерченные сплошной линией, соответствуют моделированию работы высокоскоростного SFP трансивера при различных скоростях передачи информации. Кривые, вычерченные штриховой пунктирной линией соответствующей толщины, отражают результаты моделирования работы заявленного устройства. Горизонтальная линия на уровне 10 соответствует заданному значению требуемого коэффициента ошибок на выходе оптического трансивера. График демонстрирует выигрыш заявленного устройства по дальности связи для заданных скоростей передачи информации.
Приращение дальности связи за счет применения заявленного устройства, полученное на основе результатов имитационного моделирования представлено на фиг. 3. Положительное значение приращения дальности связи в широком диапазоне скоростей в совокупности со снижением уровня сигнала в излучаемых модах и повышением помехоустойчивости передачи информации свидетельствует о решении технической проблемы и получении заявленного технического результата.