Системы передачи по волоконно-оптическому кабелю. Волновое уплотнение: WDM, DWDM.

Как следует из названия передача информации в таких системах по волоконно-оптическому кабелю. Кабель включает в себя несколько волокон: 8, 48, 88, 96.

В верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг, 1А), коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра. (2А) - полимерный слой. В центре кабеля помещается стальной трос (3Б). С внешней стороны кабель защищается стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Существует несколько типов оптических волокон. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. показаны три разновидности волокна (А, Б и В). А и Б - мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами. При современных технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче, что укладывать оптические кабели вдоль высоковольтных линий.

(В) помечен одномодовый вид волокна. Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода – это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне. Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение сформы сигнала. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, за то обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду, что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже. Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 m, а диаметр клэдинга составляет 30-125 m. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их наезжанию друг на друга. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Число мод n равно для волокна типа А: .

Чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это одна из причин работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне. Одномодовый режим реализуется тогда, когда длина волны света становится сравнимой с диаметром ядра волокна, такую длину волны называют пороговой. В отличие от многомодового волокна, в одномодовом - излучение присутствует не только внутри ядра. По этой причине повышаются требования к оптическим свойствам клэдинга. Для многомодового волокна требования к прозрачности клэдинга весьма умеренны.

Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла (релеевское рассеяние) с увеличением частоты растет.

Используются 3 частотных диапазона, экспериментально выяснили, что минимумы поглощения приходятся на 1300 и ~1500 нм, что и используется для целей телекоммуникаций. При длине волны 1300 нм дисперсия скоростей распространения различных длин волн минимальна. Диапазон ~850 нм характеризуется высоким поглащением, но он привлекателен тем, что как лазеры, так и электроника могут быть изготовлены из одного материала (арсенида галлия).

Для неразъёмного соединения используют: сварку, склейку: для разъёмного - торцевое или линзовое.

Перечислим основные компоненты ВОЛС:

- оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (цифрового или аналогового)сигнала в выходной оптический сигнал;

- оптический приемник осуществляет обратное преобразование входных оптических сигналов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используется p-i-n и лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность;

- повторитель состоит из оптического приемника, электрического усилителя и оптического передатчика;

- оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, как это делает повторитель или регенератор.Он, используя специальные активные среды и лазеры накачки, усиливает приходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению.

В волоконно-оптических системах передачи используется мультиплексирование с разделением по длине волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM), называемое также волновым мультиплексированием или спектральным уплотнением, напоминает хорошо известное мультиплексирование с частотным разделением каналов, но только выполняемое в оптической среде передачи. Главное достоинство технологии WDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон - для передачи в прямом и обратном направлениях).

Оптическое волокно имеет три окна прозрачности в инфракрасной области; их центральные длины волн равны 850, 1300 и 1550 нм. Для передачи на большие расстояния используются только диапазоны 1300 и 1550 нм, характеризующиеся минимальным затуханием сигналов. Ширина каждого из этих двух диапазонов составляет 200 нм, что в сумме приблизительно эквивалентно частотному интервалу в 60 ТГц. При оценке пропускной способности волоконно-оптического канала обычно принимают, что на каждые 1 Гбит/с требуется 2 ГГц полосы пропускания. При таком подходе 60 ТГц становятся эквивалентными пропускной способности 30 Тбит/с, однако приемо-передающая аппаратура накладывает ограничения, и сегодня скорость передачи по каналу дальней связи, на которую может рассчитывать пользователь, составляет около 2,4 Гбит/с, а в отдельных случаях - 10 Гбит/с. Это означает, что из 60 ТГц потенциальной полосы пропускания канала на практике используется не более 20 ГГц. Если же разделить общую полосу пропускания на множество частотных каналов, скорость передачи каждого из которых сохранится на прежнем уровне, то объем данных, передаваемых по волокну в единицу времени, увеличится. Именно этот подход реализован в технологии WDM.

На рисунке представлена модель взаимодействия основных транспортных технологий. Развитием технологии WDM стало "плотное" WDM (dense WDM, DWDM).

Долгое время в WDM-системах использовались 2-4 канала, отстоящих друг от друга на десятки и сотни нанометров. Между тем еще с середины 80-х гг. разработчики пытались радикально увеличить данный параметр. Появление технологии DWDM позволило формировать в одном волокне десятки каналов и вести передачу с суммарной скоростью более 1 Тбит/с.

Коды Рида-Малера

Код является линейным блочным кодом и задается двумя целыми числами. Параметр определяет длину кодовых комбинаций

.

(3.30)

И параметр р – это порядок кода ( ). Тогда количество информационных символов

(3.31)

а кодовое расстояние равно

(3.32)

Код Рида-Малера в общем случае не является систематическим. Если р принимает максимальное значение р=m-1, то , и он эквивалентен коду с поверкой на чётность. В другом крайнем случае р=1 имеем

k=1+m,

(3.33)

Производящая матрица G кода первого порядка строится следующим образом. Сначала записывают строку, состоящую из n единиц. Чтобы получить остальные m строк, в качестве столбцов записывают всевозможные m-разрядные двоичные числа, включая нулевое (полученные таким образом m строк называются базисными векторами первого порядка).

Чтобы получить матрицу G кода второго порядка, дописывают ещё строк, называемых базисными векторами второго порядка. Каждый из этих векторов получаем путём попарного поэлементного перемножения базисных векторов первого порядка (всего имеем различных пар).

Для кода третьего порядка дописываем базисных векторов третьего порядка путём такого же перемножения различных троек векторов g_j и т.д., пока не сформируем матрицу G нужного порядка.

Пример. Построить матрицу G для кода Рида-Малера первого порядка с параметрами m=3, р=1. Получаем

.

(3.34)

Код Рида-Малера первого порядка обладает одним примечательным свойством. Если два возможных значения каждого символа обозначить как +1 и -1, то это лучше соответствует случаю, когда их передача производится импульсами различных полярностей. Затем возьмём из кодовой таблицы два вектора-строки a и b и вычислим их скалярное произведение (суммирование обычное). В итоге получим один из двух результатов

.

(3.35)

Это значит, что для каждой кодовой комбинации в таблице есть одна комбинация, противоположная первой ( ), а остальные комбинации ортогональны ей, то есть удалены от неё на одно и то же расстояние, равное n/2 (по Xэммингу) или (по Евклиду). Система сигналов, обладающих таким свойством, называется биортогональной.

При большом значении m и малом р коды Рида-Малера имеют очень большую корректирующую способность ( ) и, соответственно, очень большую избыточность. Например, при m=8, р=1 кодовая комбинация, состоящая их 256 символов, содержит всего 9 информационных и 247 проверочных символов. Для этого кода , значит, он способен обнаруживать любые ошибки до 127-кратных и исправлять до 63-кратных. Такая способность является явно излишней в обычных условиях, поэтому коды малого порядка имеет смысл использовать лишь в экстремальных ситуациях, при очень малом отношении сигнал/помеха.

Кодирование кодом Рида-Малера удобно проводить по формуле (3.21), при этом строки матрицы G не обязательно хранить в памяти кодера. Их можно генерировать в процессе кодирования очередной кодовой комбинации при помощи m-разрядного двоичного счётчика, если на его выход подать последовательность тактовых импульсов.

Декодирование кода Рида-Малера – это зачастую довольно трудоёмкая операция. Если , то вполне возможно, что более экономным окажется способ декодирования по минимуму расстояния.