Практическая работа №7

«Изучение основных компонентов волоконно-оптических участков систем кабельного телевидения (СКТ).

Учебная цель:

1.Научиться анализировать принципы работы компонентов волоконно-оптических участков СКТ.

Учебные задачи:

1. Ознакомиться с основными сведениями о компонентах волоконно-оптических систем передачи.

Образовательные ресурсы, заявленные во ФГОС.

Студент должен:

Уметь:

- анализировать принципы построения волоконно-оптических участков СКТ.

Знать:

- технические требования и практические рекомендации по построению волоконно-оптических участков СКТ.

Обеспеченность занятия:

1. Учебно-методическая литература:

Катунин Г.П., Мамчев Г.В., Папантонопуло В.Н., Шувалов В.П., Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие - М.: Горячая линия-Телеком, 2010.

Зима З.А., Колпаков И.А., Романов А.А., Тюхтин М.Ф. Системы кабельного телевидения - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана,2004.

Величко В.В., Катунин Г.П., Шувалов В.Д., Основы информационных технологий – М.: Горячая линия – Телеком 2009.

2. Отчет о выполнению практической работы.

3. Карандаш простой.

4. Чертежные принадлежности: Линейка.

Краткие теоретические и учебно-методические материалы по теме практической работы:

СКТ называются системы приема и распределения значительного числа сигналов высококачественных ТВ программ большому числу абонентов по кабельным линиям связи. В районах с низкой напря­женностью электромагнитного поля, в условиях многолучевого рас­пространения радиоволн (в больших городах с разноэтажными зда­ниями, горных, холмистых районах) использование СКТ оказывается единственно возможным техническим решением, позволяющим обес­печить высококачественный прием цветных ТВ программ.

Известны три основных структуры построения СКТ: древовидная, радиальная, кольцевая. Древовидная схема распределительной сети СКТ, обеспечивающая экономное расходование кабеля, по своей структуре напоминает крону дерева. При радиальном построении распределительной сети СКТ от головной станции (ГС) к каждому абоненту прокладывается специальный кабель, по которому органи­зуется передача ТВ сигналов нескольких программ (схема подключе­ния «основная звезда»). По конфигурации распределительная сеть СКТ радиального типа аналогична телефонной сети, поэтому появ­ляется возможность их объединения. Это упростит построение и удешевит эксплуатацию таких СКТ, а в будущем позволит органи­зовать единую универсальную сеть двусторонней широкополосной связи с абонентами. Для организации двустороннего обмена между абонентами может применяться система с кольцевой схемой распре­деления ТВ сигналов. В этом случае магистральный кабель прокла­дывается по кольцевой трассе, т.е. вход и выход кабеля заводятся на ГС. При этом один и тот же магистральный кабель может использо­ваться для организации двусторонней связи. Основной недостаток СКТ кольцевого типа заключается в невозможности одновременной передачи по магистральному кабелю достаточно большого количест­ва различных ТВ сигналов.

Конкретное техническое решение СКТ во многом определяется типом используемых кабельных линий связи. В распределительныхсетях современных СКТ в основном применяются коаксиальные кабели. Однако в разрабатываемых СКТ планируется широкое использование оптических кабелей, т.е. волоконно-оптических ли­ний связи (ВОЛС). Предполагается создание как комбинированных, так и полностью волоконно-оптических СКТ. В комбинированных СКТ в качестве магистральных кабелей используются ВОЛС, а домовая распределительная сеть выполняется на коаксиальном кабеле.

В современных СКТ в основном применяется аналоговый способ передачи ТВ сигналов, так как при длине распределительной сети в пределах нескольких десятков километров обеспечивается доста­точная помехоустойчивость систем благодаря достаточно высокой помехозащищенности как коаксиального кабеля, так и ВОЛС.

Основные сведения о компонентах волоконно-оптических систем передачи.Важнейшими компонентами волоконно-оптичес­ких систем передачи являются источники и приемники оптического излучения.

В системах связи по ВОЛС широко применяются источники излу­чения двух видов: светоизлучающие (СИД) и лазерные (ЛД) диоды. Как в СИД, так и в ЛД генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок в полупроводниках, результатом которой являет­ся образование фотонов. Для СИД и ЛД характерна прямая модуляция интенсивности излучения путем изменения тока накачки I_н, проходяще­го через излучатель. Примерные зави­симости интенсивности излучения Р от значений тока накачки I_н[Р = f(I_н)], на­зываемые ватт-амперными характери­стиками излучателей, показаны на рис. 9.5 [4].

Рис. 9.5. Изменение выход­ной оптической мощности от силы тока накачки:

1 -для СИД; 2-для ЛД

Важнейшим параметром излучателей света является эффективность ввода излучения в ОВ , где -полная мощность излучения; Р_В - мощ­ность излучения, попавшая в ОВ. При использовании типовых ОВ η_в для СИД составляет (1-5)-10^-3, а для ЛД 0,2-0,5. СИД уступают также и по ве­личине максимально допустимой частоты модуляции. Поэтому в ши­рокополосных системах связи, рассчитываемых на максимально до­пустимые расстояния между промежуточными усилительными пунк­тами, применяются исключительно ЛД. В системах передачи на ко­роткие расстояния (десятки и сотни метров), когда затухание ОВ не­велико, целесообразно применение СИД.

Прогресс в развитии СИД связан с появлением конструкций, в ко­торых осуществляется усиление спонтанного излучения без обратной связи. Подобные СИД называются люминесцентными. Они занимают по параметрам промежуточное значение между ЛД и поверхностными СИД. Спектр излучения суперлюминесцентных СИД сплошной, так же, как и у поверхностных, однако значительно уже (3...5 нм). Диа­грамма направленности излучения более узкая, чем у поверхностных СИД. Эффективность ввода суперлюминесцентных СИД в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных. Мощность излучения ле­жит в пределах 1...10 мВт, мощность, вводимая в многомодовый све­товод, составляет 0,1... 1 мВт.

Значительные перспективы использования в системах связи по ВОЛС имеют волоконные лазеры.

В качестве оптических передатчиков в СКТВ целесообразно ис­пользовать серийные передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), которые предназначены для передачи по ВОЛС цифровых сигналов.

ПОМ состоит из оптической головки и электронной схемы, основ­ным назначением которой является модуляция излучаемого света, оптической головке с СИД должны находиться полупроводниковый лазер, модулятор, фотодиод и специальная электрическая схема, с помощью которой стабилизируется режим работы ЛД. Необходимые Для стабилизации данные поступают на вход схемы от фотодиода, регистрирующего интенсивность излуче­ния ЛД.

Рис. 9.6. Принципиальная схема простейшего пере­дающего оптического модуля со светоизлучающим диодом

На рис. 9.6 приведена принципиаль­ная схема простейшего ПОМ с СИД [5]. В данном случае модулятор представля­ет собой микроэлектронную схему - пре­образователь «напряжение - код», управ­ляющую током накачки I_н в цепи питания светодиода.

Преобразование оптической мощности (при модуляции по интенсивности) в электрический сигнал осуществляется с помощью полупроводниковых фотодио­дов. На практике в основном используют­ся лавинные фотодиоды (ЛФД) и фото­диоды p-i-n типа. ЛФД получили в СКТВ на ВОЛС наиболее широкое распространение, несмотря на то, что они требуют источник высокого напряжения (около 220 В) для полу­чения необходимого напряжения смещения), а также устройства ав­томатической регулировки для стабилизации величины лавинного усиления и устранения влияния температуры. При передаче по ВОЛС цифровой информации, которая допускает малое отношение сигнал-шум, применяются только ЛФД. P-i-n фотодиоды имеют худшие зна­чения основных параметров по сравнению с ЛФД, но они относитель­но дешевы.

Рис. 9.7. Принципиальные схемы приемных оптических модулей:

а - с интегрирующим усилителем; б- с трансимпедансным усилителем

Серийный приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) представ­ляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p-i-n фотодиода или ЛФД) и малошумящего предва­рительного усилителя. На рис. 9.7 приведены принципиальные схе­мы ПРОМ двух типов - модуля с подключением фотодетектора к усилителю (схема «прямой линии») и модуля с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через рези­стор R_f [5].

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изме­нять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения (усиления) фотодиода.

В случае применения p-i-n диода в качестве фотодетектора элек­тронная схема предварительного усилителя упрощается. Она сво­дится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании ЛФД с устройством АРУ. Если в волоконно-оптической системе передачи (ВОСП) ис­пользуется многоканальная передача ТВ сигналов на отдельных поднесущих, то оптический приемник содержит в цепи нагрузки фо­тодиода 1 N последовательно соединенных модулей 2, осуществ­ляющих предварительную обработку принятых сигналов (рис. 9.8) [6]. Входная цепь каждого модуля представляет собой двухконтурную колебательную систему 3, где первый контур (L1, С1) непосред­ственно связан с фотодиодом, а второй (L2, С2, R2) - с предвари­тельным канальным усилителем 4. При такой схеме включения вто­рой контур настраивается на частоту соответствующей поднесущей f_i. Частота настройки первого контура и его индуктивная связь со вторым выбирается из условия получения более равномерной АЧХ коэффициента передачи входной цепи и обеспечения максимально возможного отношения сигнал - шум Ψ_ш на выходе канального де­модулятора 6. Для улучшения избирательности оптического прием­ного устройства по соседнему каналу перед каждым демодулятором устанавливается ПФ 5 модулированной ТВ сигналом. В зависимости от типа используемого фотодиода (ЛФД, p-i-n типа) и значения поднесущей, на которой осуществляется передача ТВ сигнала, на выходах демодуляторов обеспечивается отношение сигнал-шум, равное 35...55 дБ. Причем величина Ψ_ш может быть дополнительно увеличена на 4...9 дБ за счет специальной обработки ТВ сигнала, например с помощью бло­ка адаптивной фильтрации (БАФ) 7. Работа БАФ основана на анали­зе спектра демодулированного ТВ сигнала и коммутации частотно-ограничивающих ФНЧ с частотами среза, соответственно равными 2 и 6 МГц.

Рис. 9.8. Структурная схема многоканального оптического приемника

Особенности модуляции и демодуляции телевизионных сиг­налов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи.В современных ВОСП ТВ сигналы могут передаваться как в цифровой, так и в аналоговой форме. Цифровой способ передачи требует ана­лого-цифрового и цифроаналогового преобразований и значительно более широкой полосы пропускания (более 100 МГц на один ТВ сиг­нал). В настоящее время цифровой способ практически может быть применен только на магистральных линиях распределительной сети.

Непосредственная модуляция мощности оптического излучения или модуляции интенсивности представляет собой наиболее простой в реализации способ передачи при использовании полупроводниковых оптических излучателей. Однако при передаче ТВ сигналов по ВОЛС методом непосредственной модуляции оптической несущей по интен­сивности трудно обеспечить низкий уровень нелинейных искажений (менее 2 %) ТВ сигнала при большом (более 50 дБ) отношении сиг­нал-шум, которое, в первую очередь, зависит от глубины модуляции. С ростом глубины модуляции возрастают и нелинейные искажения.

Способом модуляции, обеспечивающим эффективное использование частотного спектра, является амплитудная модуляция с частично подав­ленной боковой полосой (АМ-ЧПБ). При таком способе модуляции сиг­налы представлены в виде, в котором они обрабатываются абонентски­ми телевизорами без каких-либо дополнительных устройств.

ЧМ несущей с последующей модуляцией мощности оптического излучения обеспечивает повышение отношения сигнал - шум по срав­нению с AM, но требует более сложной аппаратуры (ЧМ модуляторов и демодуляторов). При этом снижаются требования к линейности мо­дуляционной характеристики, благодаря чему может допускаться большая глубина модуляции, чем при AM, а следовательно, увеличи­ваться предельная дальность передачи. Системы с ЧМ ТВ сигналов в основном применяются на магистральных линиях. В распредели­тельных сетях СКТ системы передачи с ЧМ ТВ сигналов использо­вать нецелесообразно из-за их сложности. В этом случае абонентские телевизоры дополнительно оборудуются специальными селекторами ЧМ сигналов, осуществляющими демодуляцию, т.е. преобразование ЧМ ТВ сигналов в AM сигналы. Частотный разнос между передавае­мыми ТВ сигналами составляет 40 МГц. Многоканальные системы передачи ТВ сигналов с ЧМ также не являются перспективными для СКТ на ВОЛС, так как им присущи практически те же недостатки, что и системам с АМ-ОПБ.

Более перспективно в СКТВ применять сложные виды модуляции с использованием импульсного режима работы оптических излучате­лей, при котором допускается большая глубина модуляции. Поэтому представляет интерес использование в СКТВ помехоустойчивых аналого-импульсных методов модуляции, к числу которых, в первую оче­редь, относятся широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

Среди аналого-импульсных модуляторов и демодуляторов ТВ сиг­налов к наиболее освоенным в настоящее время относятся частот­ные. Известно, что ЧМ при больших индексах модуляции обеспечива­ет высокое качество передачи ТВ сигналов в условиях нелинейных характеристик тракта связи. Поэтому очень перспективным является применение ЧИМ, приближающейся по своим параметрам к ЧМ. Пе­реход от ЧМ к ЧИМ достаточно просто осуществляется с помощью амплитудного ограничителя и формирователя импульсов постоянной длительности, частота повторения которых меняется по закону моду­лирующего сигнала. В спектре ЧИМ сигнала его низкочастотные ком­поненты несут информацию о модулирующем сигнале.

Непосредственное выделение низкочастотных компонент (линей­ного спектра частот) из ЧИМ сигнала осуществляется фильтром низ­ких частот. Предварительно с помощью усилителя-ограничителя (по­рогового устройства) производится регенерация переданных импуль­сов постоянной длительности.

В данном случае выделенный линейный сигнал U(t) можно пред­ставить в виде суммы следующих сигналов:

где U_0i - амплитуда соответствующей несущей частоты при отсутст­вии AM; т_i - коэффициент глубины модуляции; F_i - частота моду­лирующего сигнала; f_0i - частоты соответственно несущих ТВ (яркостного) сигнала (f₀₁ = f_из), сигнала цветности (f₀₂ = f_цв), сигнала звуко­вого сопровождения (f₀₃= f_зв).

Амплитуды данных несущих частот имеют следующие уровни при отсутствии AM: U₀₁ = 0 дБ; U₀₂= -8 дБ; U₀₃= -2 дБ.

После детектирования ЧИМ сигнала осуществляется его частотное преобразование на несущую частоту выбранного ТВ радиоканала.

ЧИМ позволяет использовать наиболее дешевые элементы воло­кно-оптической техники, устройства цифровой техники и обеспечивает качество передачи, мало уступающее цифровым методам, но превосходит их по простоте и стоимости. В будущем системы переда­чи с ЧИМ полностью перейдут на применение цифровой техники.

В настоящее время цифровой способ применяется на супермаги­стральных волоконно-оптических линиях, связывающих, например, две ГС различных СКТ или ГС с местным телецентром. Примером цифровой волоконно-оптической системы передачи для СКТ явля­ется аппаратура «Телебит-4», предназначенная для передачи со ско­ростью 486 Мбит/с по ОВ на длине волн 1,3 мкм четырех ТВ сигналов с использованием восьмиразрядного композитного кодирования сиг­налов системы SECAM-III с частотой дискретизации 13,5 МГц и девя­ти стереосигналов звукового сопровождения с использованием че­тырнадцатиразрядного кодирования с частотой дискретизации 48 кГц [7]. Для улучшения качественных характеристик СКТ предусмотрено использование десятиразрядного композитного кодирования видео­сигнала с частотой дискретизации до 20 МГц и шестнадцатиразрядно­го кодирования звуковых сигналов с частотой дискретизации 96 кГц.

Перспективы развития СКТ.Современные СКТ рассматрива­ются как этап на пути их трансформации в высокоскоростные интег­рированные сети общего пользования, способные передавать сигна­лы речевой и видеоинформации, электронной почты, факсимильных сообщений, данных в цифровом виде.

Подобные системы позволят каждому абоненту связаться с другим абонентом в любой точке земного шара, например в видеотелефон­ном режиме за счет выхода через связной ИСЗ в единую всемирную телесеть. СКТ нового поколения - это в большинстве случаев будут волоконно-оптические системы на 500 и более интерактивных кана­лов с использованием цифровых методов передачи и сжатия спектра ТВ сигналов. Главным достоинством будущих кабельных систем ста­нет представление абонентам большого количества новых услуг. К таким можно отнести:

- подачу видеопрограмм по запросу абонентов («видео по заявке»);

- проведение видео- и аудиоконференций, телереферендумов, голосования, различных аукционов, определение рейтинга ТВ программ;

- заказ покупок на дому;

- передачу абонентских сообщений о различных экстремальных ситуациях в органы правопорядка;

- телеигры;

- передачу информации и справок по запросу (содержание газет и журналов, результаты игр, Телетекст, реклама, информация местного значения, сводки погоды и т.п.);

передачу каталога программ вещания и сведений об их содержании по запросу;

- введение по заказу субтитров в ТВ изображение;

- альтернативный выбор источника программ при многоканальной передаче, например положений передающей ТВ камеры при наблюдении спортивных состязаний;

- управление дополнительной информацией или данными, относящимися к передаваемой программе;

- подачу объявлений по обратным каналам.

К СКТ нового поколения каждый абонент сможет подключить компьютеризированный комплекс устройств интерактивной обработки и воспроизведения аудио и визуальной информации, получившей общее название «Мультимедиа». Центральным элементом этого ком­плекса является персональный компьютер, заменяющий совокупность таких отдельных устройств обработки информации, как телевизор, видеомагнитофон, проигрыватель компакт-дисков, акустическая сис­тема, факсимильный аппарат, телефонный и видеотелефонный ап­параты. Таким образом, под термином «Мультимедиа» понимается компьютеризированная система со многими средами, т.е. обрабаты­вающая самые различные виды информации. Мультимедиа основы­вается на совокупности технологий, причем ни одна из них не доми­нирует над другими.

На первом этапе абонентов СКТ, владеющих только обычными телевизорами, можно будет снабжать индивидуальными приставка­ми, которые обеспечат доступ к различным информационным банкам в интерактивном режиме и дадут возможность пользоваться всеми видами информационных услуг.