Методы мультиплексирования ВОСП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство связи

ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Реферат на тему:

«Методы мультиплексирования ВОСП»

Выполнил:

Макс Мартинес

Новосибирск, 2013

Введение

Мультиплексирование - процесс уплотнения и передачи двух или более сигналов (каналов) через один и тот же тракт (физическую линию) без взаимного влияния. Это достигается разделением сигналов во времени или по частоте, или с помощью кодирования сигнала таким образом, чтобы его мог принимать только назначенный получатель.

В настоящее время существует несколько способов мультиплексирования. Большинство из них сводится к одному из методов уплотнения компонентных информационных потоков в один групповой, который передается по линии связи.

Для наращивания информационной емкости систем передачи широко применяется сочетание одновременно двух или более методов.

Применительно к волоконно-оптическим системам методы уплотнения групповых информационных потоков можно разделить на два типа: электронное уплотнение и оптическое уплотнение.

Целью данной работы является ознакомление с основными методами мультиплексирования, а именно:

- временного мультиплексирования;

- частотного мультиплексирования;

- модового мультиплексирования;

- мультиплексирования по поляризации;

- многоволнового мультиплексирования оптических несущих;

- оптического временного мультиплексирования.

1. Необходимость мультиплексирования в ВОСП

Длительный период времени в истории связи господствовало положение, при котором потребность в увеличении пропускной способности опережала возможности, предоставляемые средствами связи.

Такая ситуация была стимулом для развития систем передачи информации. До конца 60-х годов прошлого столетия одним из основных методов повышения пропускной способности кабельных систем связи был метод частотного уплотнения аналоговых телефонных каналов. Производилась аппаратура частотного уплотнения, на основе которой до сих пор работают некоторые линии.

С середины 60-х годов начал развиваться цифровой метод передачи информации и параллельно с ним методы временного уплотнения. До середины 90-х годов синхронный метод временного уплотнения был основным для повышения пропускной способности кабельных систем передачи информации.

К середине 90-х годов электронные методы временного уплотнения достигли своего предела - 40 Гбит/с. Для дальнейшего повышения пропускной способности систем ВОСП необходимо было реализовывать новые методы мультиплексирования.

2. Методы временного мультиплексирования (TDM)

В настоящее время метод временного уплотнения информационных потоков (TDM - Time Division Multiplexing) является наиболее распространенным.

При временном мультиплексировании каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи информации. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй -- другого и т. д. Таким образом, информация каждого канала передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно. Каждому каналу отводится свой временной интервал или временное окно. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис. 1 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием.

Рисунок 1

Использование технологии временного мультиплексирования в настоящее время обеспечило ввод в широкую эксплуатацию одноканальных волоконно-оптических линий передачи (один источник -- одно волокно -- один фотоприемник) со скоростями передачи 10 Гбит/с. ВОЛС с такими скоростями передачи постепенно замещают линии со скоростями 2,5 Гбит/с. В стадии практической реализации находится сейчас ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.

На первых этапах создания гигабитных ВОЛС с целью подавления дисперсии в качестве источников излучения было предложено применять узкополосные полупроводниковые лазеры с длиной волны излучения, близкой (но не равной) длине волны, на которой в волокне имеет место нулевая дисперсия. Это должно было бы позволить также избежать четырехволнового смешения в волокне, приводящего к перекрестным помехам в ВОЛС. Однако оказалось, что при прямой модуляции лазеров по току питания кроме амплитудной происходит и частотная модуляция, то есть изменяется длина волны излучения лазера. Это явление, известное как “чирпинг”, приводит к достаточно сильному разбросу генерируемых импульсов по спектральному составу оптического излучения и, следовательно, к проявлению таких нежелательных эффектов, как упомянутые выше четырехволновое смешение и хроматическая дисперсия.

Но даже если и удается каким-либо способом компенсировать хроматическую дисперсию волокна на скоростях передачи c 10 Гбит/с и более, начинает проявляться поляризационно-модовая дисперсия (ПМД), которая также приводит к ограничению скорости передачи информации в линии. ПМД есть следствие различия скоростей распространения двух основных ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в одномодовом волокне, которое, в свою очередь, может быть вызвано целым рядом факторов, влияющих на величину двулучепреломления волокна и на взаимодействие (или смешение) мод.

Кроме этого, разработка TDM-систем, обеспечивающих дальнейшее (за пределы 10 Гбит/с) повышение скорости передачи информации, также требует разработки и применения новых сверхбыстрых электронных систем модуляции, коммутации и приема лазерного излучения в ВОЛС. Подобные проблемы неизбежно возникают и при создании систем коррекции ошибок в ВОЛС с такими скоростями.

Таким образом, можно сказать, что TDM-технологи, даже при значительном усовершенствовании, могут быть практически использованы в ВОЛС со скоростями передачи информации в десятки Гбит/с, при этом также остается открытым вопрос экономической целесообразности таких решений. Для создания более широкополосных ВОЛС необходимо было либо прокладывать новые волоконно-оптические линии, либо искать новые решения, позволяющие мультиплексировать отдельные TDM-каналы и передавать их по одному волокну одновременно.

3. Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном методе уплотнения (FDM - Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте - поднесущей f_пн. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение - оптическая несущая, то она модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. Частота поднесущей каждого канала выбирается исходя из условия f_пн >= 10_вчп, где f_пн - частота поднесущей, f_вчп - верхняя частота спектра информационного потока. Частотный интервал между поднесущими f_пн выбирается из условия f >= f_вчп.

Для уменьшения перекрестных помех при модуляции оптического излучения групповым сигналом передаточная характеристика электронного устройства частотного уплотнения и ватт-амперная характеристика лазера должны иметь повышенную линейность в широком диапазоне уровней. При этом коэффициент модуляции (коэффициент экстинкции) оптического излучения зависит от количества уплотняемых каналов и обычно не превышает 10%.

На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема поступает на входы узкополосных фильтров, центральная час юта пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

В качестве компонентных потоков могут выступать как цифровые, так и аналоговые сигналы. В настоящее время в кабельных системах передачи частотное уплотнение применяется в многоканальном кабельном телевидении, где для этой цели отведен диапазон частот от 47 до 860 МГц, т.е. как метровый, так и дециметровый диапазоны ТВ.

4. Модовое уплотнение (MDM)

В некоторых системах передачи, основанных на использовании многомодового оптического волокна, находит применение, так называемое, модовое уплотнение (Mode Division Multiplexing).

Процесс распространения оптического излучения в многомодовом оптическом волокне может быть рассмотрен с позиций геометрической оптики. В соответствии с этим, если на входной торец многомодового волокна под углом ₁ < _кр падает оптический луч, то, войдя через этот торец в волокно и распространяясь вдоль этого ОВ по строго определенной для него траектории, он выходит из выходного торца под таким же углом ₁. Это справедливо и для остальных лучей, вводимых в ОВ под своим углом _к при условии ₁ < _кл

Применяя модовые селекторы на входе и выходе волокна, можно осуществлять передачу независимых информационных потоков на соответствующих модах, которые в этом случае играют роль каналов.

Модовое уплотнение может работать только в случае отсутствия перемешивания или взаимного преобразования мод. Это условие может быть выполнено для таких многомодовых ОВ, в которых полностью исключается наличие локальных неоднородностей, в том числе изгибов. Обычно метод модового уплотнения применяется в некоторых системах автоматики, в которых информация передается на небольшие расстояния порядка единиц - десятков метров.

5. Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение потоков информации с помощью оптических несущих, имеющих линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM - Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под своим углом.

Мультиплексирование осуществляется с помощью специальных оптических призм, например, призмы Рошона. Этот метод аналогичен модовому уплотнению, хотя может быть использовано одномодовое волокно. Однако, как и для MDM. поляризационное уплотнение может работать только тогда, когда в среде передачи (ОВ) отсутствует оптическая анизотропия, т.е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, где используется в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

6. Многоволновое уплотнение оптических несущих (WDM)

Многоволнового уплотнения оптических несущих - WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть этого метода состоит в том, что m информационных цифровых потоков, переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств - оптических мультиплексоров (ОМ) - объединяются в один оптический поток, после чего он вводится в оптическое линейное волокно, входящее в состав оптического кабеля. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования.

Рисунок 2

Многоволновые системы передачи работают в 3- м окне прозрачности ОВ, т.е. в диапазоне длин волн 1530…1565 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот от 196,1 ТГц до 192,1 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) с интервалами 100 ГГц и длины волн: от 1528,77 нм до 1560.61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е. рассчитан на 41 спектральный канал. На практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM.

Важным моментом при разработке WDM систем является проблема организации каналов для передачи сигналов телеконтроля, управления и служебной связи. Для таких систем было принято решение для передачи этих сигналов использовать отдельный спектральный канал. При этом длина волны не должна входить в полосу пропускания эрбиевого волоконно-оптического усилителя. С этой целью была рекомендована одна из двух длин волн - 1510 или 1625 нм.

7. Оптическое временное уплотнение (OTDM)

Для передачи информации о быстро протекающих процессах в реальном масштабе времени нужны полосы с высокой скоростью передачи. Со временем потребность именно в таких системах растет. Так, если для передачи 1-го телефонного сообщения в цифровом виде достаточно скорости 64 кбит/с, то для передачи 1-го канала телевидения высокой четкости необходимая скорость передачи без сжатия составляет 994,3 Мбит/с (со сжатием 135 Мбит/с).

Рисунок 3

Была предложена схема для реализации этого метода уплотнения. Лазер с синхронизацией мод 1 синхронизируется от эталонного таймера мультиплексируемых электрических систем SDH -- STM-N. Поток оптических импульсов с длительностью и периодом следования Т через оптический усилитель 2 подается на оптический разветвитель 3, пространственно разделяющий световой поток на восемь равных частей, каждая из которых поступает на оптические модуляторы 4--8. С выхода каждого из модуляторов излучение проходит через соответствующие отрезки оптических волокон, играющих роль оптических линий задержки. При этом время задержки с выхода 1-го модулятора 4 выбирается очень малым, таким, что его можно считать равным нулю, после выхода 2-го модулятора 5 оптические импульсы задерживаются на 1/8 Т и т.д., а после модулятора 8 -- на время 7/8 Т.

После этого с выхода всех модуляторов потоки поступают на входы сумматора 9. Для компенсации потерь в линии может быть применен промежуточный оптический усилитель 11. С выхода линии оптический групповой сигнал усиливается усилителем 12 и подается на оптический временной демультиплексор 13, синхронизируемый при помощи устройства 14. Таковым образом, в описанной системе способом оптического временного уплотнения (OTDM) передается восемь цифровых информационных потоков по 10 Гбит/с.

Заключение

Рассмотрев принцип работы каждого способа уплотнения каналов связи, я пришел к выводу, что наиболее распространенным является метод временного мультиплексирования. Данный метод предоставляет достаточно высокую скорость передачи данных. Уже в стадии практической реализации находится ВОЛС следующего поколения с информационной емкостью канала 40 Гбит/с. Кроме того, исследуются возможности создания TDM-систем на скорости передачи 100 Гбит/с.

Но, стремясь получить все более высокую скорость передачи информации, возникают новые трудности. Информация, переданная через подобные каналы связи, может подвергаться искажению в силу определенных свойств распространения света. Соответственно нужна более совершенная система проверки и корректировки ошибок.

Совсем скоро могут появиться системы с ещё более высокими скоростями передачи данных. Так, японская корпорация NEC провела испытания экспериментальной системы ВОЛС DWDM в рамках метода многоволнового уплотнения оптических несущих. Была получена рекордная пропускная способность канала - 10.92 Тбит/с.

связь оптический мультиплексирование многоволновой

Библиография

1. Скляров О. К. Волоконно-оптические сети и системы связи. -М.: Солон-Пресс, 2004. -272с.

2. Скляров О. К. Современные волоконно-оптические системы передачи. Аппаратура и элементы. -М.: Солон-Р, 2001. -237с.

3. Шмалько А. В. Цифровые сети связи. Основы построения и планирования. -М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001.

4. Методы мультиплексирования оптических каналов связи. (Дата обращения: 16.03.2013)

Размещено на Allbest.ru