Оптичне часове ущільнення (OTDM)

Поява і розвиток нових типів послуг зв’язку вимагає передавання все більших масивів інформації в масштабі реального часу. В цьому випадку недостатньо вимагати лише збільшення пропускної здатності системи передавання. Актуальним є не тільки об’єм інформації, що може передати система, але й час, за який ця передавання відбувається. Отже, передавання інформації в реальному часі про процеси, що протікають із високими швидкостями, вимагає наявності ліній і систем передавання, в яких ця операція відбувається теж із високою швидкістю. Наприклад, якщо треба передати в цифровому вигляді телефонне повідомлення, достатньо швидкості 64 кбіт/с. Проте якщо потрібно передати зображення телевізійного каналу підвищеної чіткості, необхідна швидкість 994.3 Мбіт/с (з ущільненням 135 Мбіт/с).

Таким чином, потреба створення систем із часовим ущільненням залишається актуальною. Відомо, що нещодавні успіхи в області створення електронних елементів дозволили створити систему з електронним часовим ущільненням (ETDM) зі швидкістю передавання близько 40 Гбіт/с. Саме тому була поставлена задача розробки системи оптичного часового ущільнення (OTDM – Optical Time Division Multiplexing). На рисунку 5.6.1 наведена схема для реалізації такого типу ущільнення.

Рис. 5.6.1

Лазер із синхронізацією мод 1 синхронізується від еталонного таймера мультиплексованих електронних систем SDH – STM-N. Потік оптичних імпульсів з тривалістю і періодом слідування через оптичний підсилювач 2 подається на оптичний розгалужувач 3, що просторово розділяє світловий потік на вісім рівних частин, кожна з яких поступає на оптичні модулятори 4 – 8. З виходу кожного модулятора випромінювання проходить через відповідні відрізки оптичних волокон, які відіграють роль оптичних ліній затримки. При цьому затримки на виході каналу з 1-м модулятором (позиція 4) практично дорівнюють нулю. Після виходу 2-го модулятора (позиція 5) оптичні імпульси затримуються на 1/8Т, і т.д., а після модулятора 8 затримки складають величину 7/8Т. Потім сигнали з усіх виходів поступають на вхід суматора 9 (такий самий, як розгалужувач 3, але включений у зворотному напрямку). З виходу розгалужувача об’єднаний груповий потік після підсилення в підсилювачі 10 подається в лінію передавання. Для компенсації втрат (якщо це необхідно) в лінію може бути включений додатковий оптичний підсилювач 11. З виходу лінії оптичний сигнал, підсилений підсилювачем 12, подається на оптичний часовий демультиплексор 13, який синхронізується за допомогою пристрою 14. Отже, в описаній системі методом оптичного часового ущільнення (OTDM) передається вісім цифрових потоків по 10 Гбіт/с. Система призначена для передавання в діапазоні хвиль 1530 – 1560 нм. У системі використані повністю оптичні елементи: лазер, оптичні розгалужувачі, модулятори, що виконані на кристалах , оптичні підсилювачі і оптичні лінії затримки. Це повністю вкладається в перспективну концепцію створення повністю оптичних мереж і систем передавання.

 

1. Багатохвильове ущільнення оптичних несучих (WDM).

 

Багатохвильове ущільнення оптичних несучих (WDM)

Можна стверджувати, що подальше зростання пропускної здатності передавання даних на основі TDM обмежується не тільки технологічними складнощами при електричному часовому ущільненні, але й обмеженнями, що виникають внаслідок хроматичної дисперсії в ОВ (часове спотворення та руйнація імпульсу). Подальше нарощування пропускної здатності оптичного каналу зв’язку може бути здійснене за рахунок застосування іншого типу мультиплексування – багатохвильового мультеплексування несучих (WDM – Wavelength Division Multiplexing). Ідея цього методу полягає в тому, що інформаційних цифрових потоків, кожен з яких переноситься на несучій з своєю довжиною хвилі та рознесений у просторі один відносно іншого за допомогою спеціального пристрою – хвильового мультиплексору об’єднуються в один оптичний потік . Згодом цей потік вводиться у волокно та передається за допомогою оптичного кабелю. На приймальній стороні проводиться обернена операція демультиплексування.

Згідно з Рекомендаціями G.692, до систем передавання з WDM висуваються вимоги сумісності таких систем з інтерфейсами існуючих однохвильових систем SDH. Діапазон робочих довжин хвиль систем із WDM, які регламентуються цими рекомендаціями знаходяться в 3-му вікні прозорості (1530 –1565 нм). У термінах частот коливання цей регламентований діапазон знаходиться у межах 192.1 – 196.1 ТГц (ТГц = 10¹² Гц) із кроком у 100 ГГц. У термінах довжин хвиль цей діапазон обмежений проміжком 1528.77 – 1560.61 нм із кроком 0.8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобто розрахований на 41 спектральний канал. Проте на практиці використовують лише 39 спектральних каналів, оскільки крайні канали знаходяться на схилах частотної характеристики оптичних підсилювачів, які використовують у системах із WDM.

Останнім часом спостерігається тенденція до зменшення частотного інтервалу між спектральними каналами до 50 і навіть до 25 ГГц. Природно, що застосування таких систем значно збільшить можливості систем з WDM. Таке ущільнення отримало назву щільного хвильового ущільнення (DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing).

Зауважимо, що іноді в літературі абревіатуру DWDM використовують і для систем з кроком по частоті 100 ГГц.

Рис. 5.5.1

Жорстка регламентація оптичних частот для систем WDM робить досить актуальною постановку питання про стабільність і точність керування частот оптичних несучих (). У Рекомендаціях ITU-T G.692 зазначено, що ця проблема знаходиться в стадії вивчення і тому в документах поки що немає конкретних числових значень цього параметра. Проте, виходячи зі встановлених значень частот спектральних каналів, можна з достатньою точністю оцінити допустиму ширину спектральної лінії випромінювання лазера , а також допустиму величину часової нестабільності оптичної частоти (часове зміщення (флуктуації) частоти лазера в часі). Для цього звернемося до рис. 5.5.1, де зображено положення центральних частот перших двох хвильових каналів системи DWDM (крок по частоті 50 ГГц).

Розглянемо два сусідніх канали, один з яких має центральну частоту 192.15 ТГц, а інший 192.2 ТГц. Сьогодні в оптичному зв’язку застосовують лише один тип модуляції – модуляцію інтенсивності, яка аналогічна амплітудній модуляції сигналу в електричному каналі. Будемо вважати, що на обох каналах передаються цифрові потоки рівня STM-64, тобто потоки зі швидкостями 10 Гбіт/с. Припустимо, що спектр цифрового потоку STM-64 обмежується першою гармонікою тактової частоти 10 ГГц (на практиці це майже завжди виконується). Тоді оптичний спектр кожного каналу буде складатися з 3-х складових – центральної частоти та двох бокових і . Зауважимо, що багатохвильове (спектральне) ущільнення оптичних каналів аналогічне частотному ущільненню радіоканалів, або багатокабельних систем з аналоговим методом передавання. Тому для багатохвильових оптичних систем справедливі ті самі співвідношення, що й для частотного ущільнення згаданих систем, для яких захисний інтервал між двома сусідніми каналами не повинен бути меншим, ніж подвійна верхня частота модуляції каналу. Наведений рисунок ілюструє випадок, коли ця умова виконується. Тепер припустимо, що для 1-го каналу вона збільшилася на 10 ГГц, а для 2-го зменшилася на ту саму величину. Тоді інтервал між каналами складатиме 10 ГГц. У такому випадку, частотні позиції 2-х гармонік сигналів 1-го та 2-го каналу збігаються. Незважаючи на те, що ми нехтували їх величиною, за деяких умов вони можуть досягати певної істотної величини (принаймні в шумовому сенсі). Тоді одна і та сама частота для 2-х гармонік обох сигналів призводить до виникнення в них перехресних шумів. Отже, подібний зсув частоти (10 ГГц) недопустимий при передаванні сигналів. Частотний інтервал 10 ГГц відповідає інтервалу довжин хвиль =0.08 нм. Із розглянутого вище випливає, що для передавання потоків STM-64 методом DWDM при спектральних інтервалах 50 ГГц ширина спектрального інтервалу лінії випромінювання не повинна перевищувати величини близько 0.04 нм, а нестабільність оптичної частоти повинна бути не гірша, ніж величина приблизно 5 ГГц. Природно, що при переході до передавання цифрових потоків STM-16 і нижче відповідні величини можуть бути збільшені.

Вище згадувалося, що оптичні інтерфейси апаратури WDM і DWDM повинні бути сумісні з апаратурою SDH – STM-16 і STM-64. Разом з тим, згідно з Рекомендаціями G.957 для систем SDH допустимі значення параметрів на вихідних оптичних стиках (інтерфейсах) мають такі значення: ширина спектральної лінії 0.5 нм (для STM-16) і 0.1 нм (для STM-64), а центральна оптична довжина хвилі може набувати будь-якого значення з інтервалу 1530 – 1565 нм. Очевидно, якщо на оптичні входи мультиплексора системи WDM (DWDM) подати без перетворення сигнали з вихідних каналів систем SDH, то така система працювати не буде. Отже, на вході системи WDM (DWDM) повинен стояти певний пристрій, який виконує таке перетворення сигналів, щоб вони відповідали регламентованим Рекомендаціями G.692 параметрам. Такий пристрій отримав назву транспондера. Він має кількість оптичних входів і виходів, рівну кількості ущільнюваних оптичних сигналів. Узагальнена структура WDM-системи наведена на рис. 5.5.2.

Рис. 5.5.2. Узагальнена структура WDM-системи: 1-7 і 13-18 – апаратура SDH; 7,11 – транспондери; 8,12 – мультиплексори; 9,10 – оптичні підсилювачі передавання й прийому відповідно

Треба зауважити, що, як відомо (див. п. 3.1.3) при оптичному ущільненні за довжинами хвиль в оптичному мультиплексорі відбуваються значні втрати. Так, у системах передавання DWDM 16 спектральних каналів втрати складають ~ 7-9 дБ (на одному боці). З урахуванням втрат на передавання та прийомі загальні втрати складають 14-18 дБ. Такі втрати істотно скорочують енергетичний потенціал системи, тому без оптичних підсилювачів можлива передаванна лише на невеликі відстані – близько 50 км (для 8-ми каналів). Для того, щоб забезпечити передаванну на більші дистанції, використовують волоконно-оптичні підсилювачі потужності (BOOSTERи). Якщо ж такої потужності недостатньо, то оптичний підсилювач використовують додатково на приймальному боці.

У системах DWDM з більшою кількістю каналів нерідко використовують індивідуальні підсилювачі для кожного хвильового каналу. У Такий спосіб на виході системи DWDM з багатою кількістю каналів у волокно вводиться велика потужність близько 10 мВт та більше. Як відомо (див. частину ІІ, п. 1.6), при таких потужностях можливі спотворення сигналу внаслідок нелінійних явищ в ОВ. Тому, враховуючи вплив таких явищ і вимоги безпеки для обслуговуючого персоналу, максимальна потужність, яка вводиться до волокна обмежується величиною +17 дБм (50 мВт) (Рекомендації G.692). Проте ця величина не остаточна та в кінцевому варіанті у відповідній Рекомендації вона збільшена до 23 дБм.

Окрім вищевказаних параметрів (сітки оптичних частот та максимальної потужності) встановлені також стандарти на структуру з’єднань ліній із WDM. Запропоновано три варіанти структурної побудови ліній:

- L (long) – довга лінія з пасивною ділянкою до 80 км і загальними втратами до 22 дБ. На основі таких ліній будуються лінії передавання довжиною до 640 км з кількістю проміжних оптичних підсилювачів до 7 штук;

- V (very) – дуже довга лінія з пасивною ділянкою до 120 км і загальними втратами до 33 дБ. На основі таких ліній будуються лінії передавання довжиною до 600 км з кількістю проміжних оптичних підсилювачів до 4 штук;

- U (ultra) – наддовга лінія, яка складається з однієї пасивній ділянки до 160 км і загальними втратами до 44 дБ.

У наведених варіантах з’єднань втрати в лінії компенсуються за рахунок встановлення оптичних підсилювачів. Разом з тим, довжина оптичної лінії визначається не тільки енергетичними втратами, але й спотворенням сигналу, що виникає внаслідок хроматичної дисперсії. Це обмеження долається за допомогою так званих компенсаторів хроматичної дисперсії. Компенсатори бувають дискретними та протяжними.

Основу дискретних компенсаторів складають решітки Брегга, які працюють як певні хвильові фільтри. Конструкція таких компенсаторів подібна до розглянутих вище спектральних демультиплексорів.

Протяжні компенсатори, як вже згадувалося при вивченні дисперсії, можуть бути побудовані на основі волокон з від’ємною дисперсією.

Як ілюстрації наведених вище варіантів оптичних ліній з DWDM на рисунку 5.5.3 зображені структурні схеми систем передавання, які випускаються корпорацією NEC (Японія)

Аналогічні системи (V – 3х33 дБ – 360 км) та (L – 8х22 дБ – 640 км) відповідно з двома та сьома підсилювачами виробляються фірмою LUCENT TECHNOLOGIES.

Зауважимо, що системи WDM працюють у діапазоні довжин хвиль 1530-1565 нм. Отже, особливу увагу при розробці та конструюванні таких систем треба приділяти розробці (вдосконаленню) оптичних підсилювачів, які повинні мати однаковий коефіцієнт підсилення у всьому цьому діапазоні.

У плані розв’язку цієї проблеми в літературі наводяться дані, згідно з якими фірмою PHOTONICS LAB. NTT ELECTRONICS CORPORATION (Японія), розроблений підсилювач з смугою пропускання 80 нм (розробка готова до впровадження) та 113 нм.

Рис. 5.5.3 Структурні схеми побудови систем передавання: OMUX – оптичний мультиплексор; BA (Booster Amplifier) – бустерний оптичний підсилювач; ILA – лінійний проміжний оптичний підсилювач; ODMUX – оптичний демультиплексор; PA – попередній оптичний підсилювач прийому

Таке розширення діапазону дозволило перейти до розробки WDW-систем з великою кількістю спектральних каналів. ALCATEL, PIRELLI, LUCENT TECHNOLOGIES заявили про практичне впровадження систем зі 128 каналами. Більш того LUCENT TECHNOLOGIES розробляє систему з 256 каналами.

Одним з важливих моментів при розробці систем WDWM є проблема організації каналів для керування та передавання службових повідомлень. Згідно з вимогами для організації таких каналів до сітки каналів, що регламентовані відповідними Рекомендаціями ITU-T, додається ще один канал. З цією метою рекомендується використовувати одну з двох довжин хвиль – 1510 або 1625 нм – що лежать за межами пропускання ербієвого оптичного підсилювача та відповідної сітки.

Зауважимо, що для сучасних систем WDW крок по довжині хвилі не перевищує 0.8 нм (100 ГГц). Проте в ряді країн (США, Канада, Європа, Росія) прокладена велика кількість волоконно-оптичних кабелів на основі стандартного одномодового волокна (G.652). Для таких систем передавання запропонований метод багатохвильового ущільнення CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). У цих системах крок між спектральними каналами складає 20 нм і вони використовують 2-ге та 3-тє вікна прозорості. Хоча дані системи характеризуються великими енергетичними втратами, проте вони мають знижені вимоги до спектральних характеристик випромінювачів.

 

 

Основной цифровой канал телефонной сети — 64000 бит/с. Образуется из следующих соображений. Диапазон частот, в который помещается голос человека, составляет 300—3400 Гц. Для дискретизации по теореме Котельникова необходимо удвоить частоту 3400 Гц, получаем 6800 Гц. Из-за неидеальности фильтров, имеющих полосу расфильтровки, отличную от нуля, частоту дискретизации увеличили до 8000 Гц. Сейчас диапазон частот 3400 — 4000 Гц может быть использован для передачи сигнализации (к примеру, одночастотная сигнализация на частоте 3825 Гц). В канал передаётся не сам отсчёт (величина напряжения), а двоичная кодовая комбинация, обозначающая его номер. Способ получил название ИКМ. При линейном квантовании выбирается 4096 разрешённых значений сигнала (без учёта знака). С учётом знака имеем 8192 разрешённых значения, при этом кодовая комбинация состоит из 13 разрядов. Это число можно сократить, проведя операцию компандирования сигнала. После неё у сигнала остаётся 256 разрешённых значений (без учёта знака), а с учётом знака — 512. Тогда кодовая комбинация будет состоять из 8 разрядов, и заметного снижения качества речи не произойдёт в силу особенностей человеческого слуха. В итоге получается 8000 × 8 = 64000 бит/с. Канал используется как основной в плезиохронной цифровой иерархии.