Исследование и разработка волоконно-оптических систем передачи с уплотнением поднесущих и спектральным уплотнением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Варданян, Вардгес Андраникович

• Варданян, Вардгес Андраникович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Варданян, Вардгес Андраникович

Актуальность темы. В настоящее время происходит своеобразный ренессанс метода частотного разделения каналов (ЧРК), в частности, применительно к высокоскоростной волоконно-оптической связи. Это обусловлено, с одной стороны, определенной степенью завершенности эволюции цифровых волоконно-оптических систем передачи с прямым фотодетектированием, построенных по принципу временного разделения каналов (ВРК) и приближающихся к теоретическому пределу технических возможностей при современной технологии, а с другой стороны - некоторыми принципиальными преимуществами аппаратуры с ЧРК.

В последнее время в телекоммуникационной индустрии возникли проблемы внедрения новых широкополосных сетей с применением оптического волокна. Такие сети должны быть экономически эффективными, совместимыми с уже существующими системами передачи, должны иметь высокую надежность и способность легко перестраиваться при увеличении нагрузки.

Известно, что полоса пропускания одномодового оптического волокна составляет 10 и 13 ТГц в окрестности длин волн соответственно 1.3 и 1.5 мкм. Пока техника временного уплотнения не может в полной степени использовать такую огромную пропускную способность волокна. Альтернативным способом является спектральное уплотнение оптических волн (или несущих) (УОН) и уплотнение поднесущих (УПН), которое происходит в радиочастотном или в СВЧ диапазоне. Волоконно-оптические системы передачи1" (ВОСП) с использованием УПН и УОН могут обеспечить одновременную передачу десятков телевизионных (ТВ) программ в стандартном вещательном диапазоне, тысяч цифровых телефонных каналов, а также высокоскоростных каналов компьютерной связи. Преимущества таких систем по сравнению с цифровыми ВОСП - прозрачность канала передачи, т.е. независимость от формата модуляции, вида передаваемой информации, числа доставляемых каналов, а также экономичность, получаемая благодаря простой схемотехнике аппаратуры линейного тракта и отсутствию дополнительного преобразования ТВ сигналов в абонентском приемнике.

Однако, несмотря на расширяющееся внедрение ВОСП с ЧРК, вопросы проектирования указанных систем в соответствии с выбранными критериями качества, особенности оптических передатчиков, процессы распространения многоканальных сигналов (УПН и УОН) по оптическому волокну, влияние различных типов приемников, углубленный анализ искажений сигналов в настоящее время исследованы недостаточно. Поэтому наличие эффективной методики моделирования на ПЭВМ отдельных частей ВОСП с ЧРК для обеспечения требуемого качества упрощает разработку в делом и обеспечивает оптимальный выбор параметров системы. Кроме того, совместное применение УПН и УОН позволяет решать проблемы, связанные с построением широкополосных систем. Гибкость щ>и создании систем передачи и произвольное распределении трафика передаваемых сигналов (аналоговых или цифровых, а также разнообразных их комбинаций), отсутствие синхронизации, в большинстве случаев отсутствие протоколов сигнализации в системе, надежность и открытость позволяют объединять их в будущем с другими локальными и глобальными сетями различного назначения и создавать в городах взаимоувязанную информационную сеть.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка ВОСП с уплотнением поднесущих и спектральным уплотнением, анализ и разработка методов повышения помехозащищенности таких ВОСП, исследование факторов, ухудшающих отношение С/Ш на приеме, разработка высоконадежных ВОСП кольцевой топологии (КВОСП) с применением УПН и УОН.

Методы исследования. В диссертационной работе применены методы моделирования на ПЭВМ с использованием среды визуального программирования Delphi 3, языка Object Pascal и Mathcad 6.0 Plus, методы теории дифференциального и интегрального исчисления, метод гармонического анализа и быстрого преобразования Фурье (БПФ), методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. В диагёртационной работе получен ряд новых научных результатов, среди которых целесообразно выделить следующие:

1. Разработка и реализация на ПЭВМ модели для исследования нелинейных характеристик полупроводниковых инжекционных ЛД при прямой модуляции, основанная на:

- решении скоростных уравнений ЛД, позволяющих определять переходные и частотные характеристики ЛД в зависимости от их параметров и значения приложенного тока;

- спектральном представлении сигналов отечественного стандарта ТВ вещания на выходе ЛД с нелинейной ВАХ с помощью метода БПФ, позволяющего оценить мощность интермодуляционных искажений как в полосе одного канала ТВ, так и во всем диапазоне ТВ вещания.

2. Исследование влияния дисперсии волокна на С/Ш при распространении многоканального сигнала поднесущих, основанное на методе гармонического анализа. Полученные результаты позволяют оценить мощность интермодуляционных и гармонических искажений в зависимости от формата, частотного диапазона, расположения, глубины модуляции поднесущих и коэффициента хроматической дисперсий волокна.

3. Исследована возможность одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом уплотненных поднесущих с использованием прямой модуляции ЛД. Предложена методика расчета характеристик тока модуляции ЛД при заданных параметрах коэффициента ошибок для цифрового потока и С/Ш для поднесущих каналов, основанная на представлении суммарного сигнала поднесущих гауссовским процессом и параболической аппроксимации клишированных импульсов, возникающих в ЛД при превышении тока модуляции уровня порога.

4. Исследована возможность совместного применения техники УПН и У ОН в ВОСП, как с оптическими демультиплексорами на приеме, так и без них.

Аппроксимация спектра излучения многомодового ЛД суммой одинарных продольных мод со спектрами Лоренца, но с разными интенсивностями, позволяет определить разнос между волн в зависимости от требования к С/Ш, ширины излучения ЛД и межмодового расстояния. Расчеты показывают, что использование многомодовых ЛД для передачи поднесущих без применения на приеме демультаплексоров возможно, если разнос длин волн будет превышать частотную область, где существует шум биения между модами разных источников излучения. Для исключения шума биения между модами необходимо использовать одномодовые источники излучения или оптические демультиплексоры на приеме, что позволяет увеличить пропускную способность ВОСП.

5. Разработаны и исследованы высоконадежные волоконно-оптические системы кольцевой топологии с использованием УПН и УОН, структурные схемы узлов, принципы функционирования при обрывах волокна или при выходе из строя узлов. Применение «двойного кольца», пассивное подключение узлов и резервирование каналов УПН обеспечивает надежность функционирования систем. Совместное применение УОН и УПН дают возможность узлам одновременно передавать и принимать разнородные информационные потоки с произвольным распределением трафика передаваемых сигналов, а отсутствие синхронизации и в большинстве случаев отсутствие протоколов сигнализации в системах, позволяют объединять их в будущем с локальными и глобальными сетями разного назначения.

Практическая ценность. Практическая ценность результатов работы заключается в следующем - проведенные исследования и разработанные методики могут быть использованы при проектировании и разработке волоконно-оптических сетей разной топологии, предназначенных для решения задач насыщения стремительно развивающегося рынка весьма емких и гибких мультисервисных информационных систем, а также физического моделирования и статистического исследования волоконно-оптических трактов и их компонентов при передаче по волокну поднесущих разного формата.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в СибГУТИ на кафедре МЭС и ОС и подтверждены актом внедрения.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения докладывались и обсуждались на НТК " Информатика и проблемы телекоммуникаций ", г.Новосибирск 1995 - 1999 гг, на межкафедральном семинаре СибГУТИ 20 сентября 1999г.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Компьютерная модель на ПЭВМ для расчета нелинейных характеристик полупроводниковых инжекционных ЛД при прямой модуляции, позволяющая определить переходные и частотные характеристики ЛД в зависимости от параметров ЛД и приложенного тока; оценка мощности интермодуляционных искажений как в полосе одного канала ТВ, так и во всем диапазоне частот ТВ вещания при модуляции ЛД сигналами отечественного стандарта ТВ вещания в зависимости от степени нелинейности ВАХ и глубины модуляции поднесущих.

2. Исследование влияния на С/Ш интермодуляционных и гармонических искажений, возникающих в дисперсионном волокне при передаче уплотненных поднесущих; разработанная методика для расчета мощности этих искажений в зависимости от коэффициента хроматической дисперсии волокна, глубины модуляции и расположения поднесущих.

3. Исследование возможностей одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом уплотненных поднесущих с использованием прямой модуляции ЛД; полученные выражения для расчета вероятности ошибок цифрового потока и С/Ш - для поднесущих каналов; сравнение полученных результатов с приведенной в зарубежной литературе экспериментальной работой. ■-■"

4. Исследование возможностей совместного использования техники УПН и УОН в ВОСП как с оптическими демультаплексорами на приеме, так и без них; полученные выражения для разноса длин волн в зависимости от С/Ш при использовании одномодовых и многомодовых ЛД.

5. Разработанные высоконадежные ВОСП кольцевой топологии с использованием УПН и УОН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура диссертации. Диссертациястоит из введения, шести глав, заключения, библиографии и приложений. Работадержит 203 е., в том числе 148 текстарисунками, 31 приложений, библиографии из 134 наименований на

Краткое содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована научная задача, определены цели и методы исследования, указывается структура и содержание диссертации.

Первая

глава посвящена исследованию влияний характеристик оптических модуляторов на качество передачи в системах с УПН.

В разделе 1.1 исследовались возможности применения прямой модуляции инжекционных лазерных диодов (ЛД) для ВОСП с УПН. Разработана компьютерная модель на ПЭВМ для определения переходных и частотных характеристик ЛД, основанная на решении скоростных уравнений. Быстрое включение инверсной населенности приводит к появлению затухающих колебаний интенсивности излучения, как основной моды, так и боковых мод ЛД. Исследования показывают, что даже лазеры, стационарное излучение которых является одномодовым, оказываются многомодовыми в течение первых нескольких наносекунд генерирования при импульсном переходе через порог. Релаксационным колебаниям в переходной характеристике лазера .соответствует резонанс на частотной характеристике ЛД. Такие релаксационные колебания ограничивают полосу модуляции ЛД, так как приходится размещать поднесущие ниже частоты резонанса для минимизации влияния внутренней нелинейности ЛД.

Другим источником нелинейности ЛД является ватт-амперная характеристика (ВАХ). Разработана компьютерная модель на ПЭВМ для расчета мощности нелинейных и интермодуляционных искажений. В модели,

РОССКЙЙШк^ предложенная нормированная ВАХ имеет вид: 4 * Р^ТвЁЙ *i где Р - оптическая мощность на выходе лазера, Р см - оптическая мощность при приложенном токе смещения I см, I п - пороговый ток лазера, А - параметр, определяющий степень нелинейности, erf - функция ошибок. Если А-» 0 - это соответствует идеальному лазеру, а при значениях 0< А < 1, ВАХ принимает вид плавно меняющейся кривой. Отметим, что кривые, отклоняющие ВАХ от идеальной, являются касательными к последней и при необходимости могут быть разложены в ряд. При расчетах использован математический аппарат быстрого преобразования Фурье (БПФ) с прореживанием по времени.

Исследования показывают, что эффект клиширования (срезания) при превышении групповым сигналом (сумма некогерентных поднесупщх частот со случайной фазой) значения порогового тока ЛД слабее искажает поднесущие, чем при ВАХ с плавно меняющимися кривыми. Приведены количественные оценки искажений на примере отечественного стандарта ТВ вещания в качестве группового сигнала. Расчеты показывают, что для АМ-ОБП сигналов целесообразно использовать глубину модуляции до 5 - 6 %, так как с увеличением глубины модуляции увеличивается мощность нелинейных искажений в канапе и уменьшается требуемое отношение С/Ш.

Существенными факторами, влияющими на технические характеристики ВОСП с УПН, являются фазовый шум ЛД, интенсивный шум, шум модового распределения (для многомодового ЛД) и шум, обусловленный отраженным светом. Исследования показывают, что для ВОСП с УПН, использующих методы частотной модуляции (ЧМ) поднесугцих, эти шумы менее значительны, чем шумы приемника. Для систем, использующих методы амплитудной модуляции (AM) поднесущих, эти шумы могут стать доминирующими ограничивающими факторами, кроме того, исследования показывают невозможность (без специальных мер минимизации шумов интенсивности) применения прямой модуляции ЛД АМ поднесущими в гигагерцовом диапазоне.

В разделе 1.2 исследовались возможности применения внешней модуляции в ВОСП с УПН. Применяемые в системах с УПН обыкновенные модуляторы, основанные на интерферометре Маха - Цандера, в основном, создают сильные интермодуляционные искажения (ИМИ) третьего порядка. Дальнейшая линеаризация модуляторов приводит к уменьшению или исключению ИМИ третьего порядка и преобладанию составляющих ИМИ пятого порядка, что в свою очередь приводит к увеличению отношения С/Ш. Исследования показывают, что улучшение в отношении С/Ш не однозначно влияет на чувствительность приемника для систем с разными методами модуляции поднесущих. При использовании линеаризованного модулятора для систем с АМ поднесущими каналами, которые должны работать с С/Ш > 50 дБ, улучшение в чувствительности приемника составляет более чем 8.1 дБ, а для систем с частотными методами модуляции поднесущих каналов, работающих с С/Ш = 16 - 20 дБ, линеаризованный модулятор ухудшает чувствительность. Следовательно, применение линеаризованного оптического передатчика более приемлемо в системах с большим значением С/Ш, например, для передачи телевизионных АМ-ОБП сигналов по оптическому волокну, что нельзя утверждать для систем с частотными методами модуляции поднесущих, где требования к С/Ш составляют менее 25 дБ.

Во второй главе исследовались влияния дисперсии волокна при передаче уплотненных поднесущих в ВОСП с прямым фотодетектированием. В разделе 2.1 рассматривалось влияние на поднесущие преобразованных фазовых шумов лазера в шум интенсивности при распространении по дисперсионному волокну. Исследования показывают, что с увеличением коэффициента хроматической дисперсии волокна или ширины спектра излучения лазера увеличивается мощность шума интенсивности в поднесущем канале, что вынуждает при проектировании таких систем ограничивать длину волокна несколькими десятками километров.

В разделе 2.2 рассматривалось влияние гармонических искажений (ГИ) и ИМИ на распространение поднесущих из-за дисперсии волокна. Разработанная методика расчета ГИ и ИМИ основана на разложении группового многоканального сигнала в ряд Фурье. Предполагается, что существует некая частота со н такая, что все поднесущие кратны ей, т.е. со т ^ = к • ш н , где множитель к может принимать любое целочисленное значение и зависит от расположения поднесущих. Следовательно, если за независимую переменную выбрать а , то, учитывая вышесказанное, групповой сигнал становится периодическим со стандартным периодом 2п.

На приемной стороне принятый фототок (1ф) будет пропорционален интенсивности и определяется:

1Ф ~ |£(0Г = С0 + £ С, соз[/й>„/- /<*>, + .9,

Коэффициенты С! характеризуют уровни составляющих спектра сигнала на частотах <о ] = 1 • © н и находятся в зависимости от коэффициента хроматической -дисперсии.

Исследования показывают, что для поднесущих частот, не перекрывающих спектральный диапазон более одной октавы, суммарные составляющие ИМИ сравнимы с ГИ того же порядка, в то время как разностные составляющие ИМИ могут на один или два порядка быть ниже. Анализ показывает, что если держать под контролем гармонические и суммарные интермодуляционные составляющие, то разностные интермодуляционные составляющие не влияют на работу системы. При передаче поднесущих, перекрывающих диапазон более одной октавы, появляется необходимость определенного выбора частот поднесущих в частотной области (касающаяся в основном АМ поднесущих из-за их низкой помехоустойчивости) для минимизации влияния ГИ и ИМИ в зависимости от формата, частотного диапазона, глубины оптической модуляции поднесущих и коэффициента хроматической дисперсии.

В третьей главе исследованы параметры системы с УПН для оптимального фотодетектирования поднесущих, приводятся количественные оценки изменения чувствительности при использовании на приемной стороне p-i-n и лавинных фотодиодов (ЛФД). Анализ показывает, что доя ВОСП с АМ поднесущими предпочтительно использование p-i-n фотодиодов, так как использование ЛФД приводит к ухудшению чувствительности приемника более чем на 0.5 дБ и является источником дополнительных нелинейных : искажений. Для ВОСП с 4M поднесущими предпочтительно использование на приемной стороне ЛФД, что приводит к увеличению чувствительности.

Другим важным параметром ВОСП с УПН является оптимальный выбор глубины оптической модуляции поднесущих каналов - m. Увеличение m приводит к увеличению мощности сигнала, что в свою очередь ведет к росту уровня шумов и генерации нелинейных искажений, связанных с нелинейностью оптического модулятора, передающей среды и оптического приемника, следовательно, выбор оптимального значения m от зависит от реальных характеристик системы. В качестве примера анализируются ВОСП сигналов стандартного ТВ вещания с АМ-ОБП поднесущими и 20-и канальная ВОСП с ЧМ-поднесущими со скоростью передачи в каждом канале 100 Мбит/с. Расчеты показывают, что для систем ТВ с АМ-ОБП поднесущими необходимо поддерживать глубину оптической модуляции на один канал около значения 0.05. Для систем с цифровыми поднесущими каналами, значение m опт находится около значения 0.1, но при соответствующем выборе поднесущих частот возможна минимизация ИМИ второго порядка или их полное исключение (если полоса частот не превышает одну октаву), что дает возможность увеличения глубины модуляции на канал до 0.2. Расчеты показывают, что при требовании С/Ш à 50 дБ (например, для поднесущих с АМ-ОБП), система функционирует ближе к пределу клиппирования и дальнейшее улучшение линейности ВАХ ЛД не дает ощутимых результатов в увеличении С/Ш. Основным способом увеличения С/Ш является обеспечение большой выходной мощности ЛД и низкого уровня интенсивного шума, чего можно достичь используя внешнюю модуляцию.

В четвертой главе исследуется возможность одновременной передачи цифрового потока вместе с групповым сигналом УПН при прямой1 модуляции ЛД. Разработана методика расчета характеристик тока модуляцйи ЛД, что позволяет выбрать параметры системы дгм обеспечения требуемого значения коэффициента ошибок для цифрового сигнала и С/Ш для поднесущих каналов. Для цифровых данных вероятность ошибок выражается: где В - скорость передачи цифровых данных бит/с; ):а и ^ - соответствуют нижней и верхней частоте группового сигнала УПН; ст 2 - мощность группового сигнала УПН; I о - смещение тока модуляции по отношении к пороговому току ЛД при передаче логического 'О'; I а - амплитуда тока модуляции при передаче логической 'Г; у - коэффициент, характеризующий качество тракта.

Для аналоговых поднесущих каналов отношение С/Ш уменьшается из-за эффекта клиппирования в ЛД и присутствия цифрового потока. Это уменьшение выражается формулой:

С / ШГ = (с / Ш):: + {(С / Ш)ш -

§[£ / (101 а)]-1}, где К = (/„ + у1а)I <у , (С/Ш)а- представляет собой С/Ш аналоговых систем передачи с учетом всех нелинейных процессов й интенсивного шума ЛД, а также термического и квантового шума приемника, но не учитывающий передачу цифрового потока, (С / Ш)т - отношение сигнала к шуму клиппирования, возникающему при превышении током модуляции значения порога; при параболической аппроксимации клиппированных импульсов

С /Ш)ы выражается равенством:

С/Ш)л = -¿(/0 /о-)3ехр(702/2^)., где Ха и хь - нормированные параметры, соответствующие частотам fa и ^ , а нормированная функция у(х) характеризует зависимость спектральной плотности мощности юхиппированных импульсов от частоты.

В качестве примера были рассчитаны параметры тока модуляции ЛД для системы с одновременной передачей 2 Гбит/с цифрового потока в коде N112 вместе с 10 ТВ сигналами непосредственного спутникового вещания в диапазоне «С». Сравнение полученных результатов с приведенными в зарубежной литературе экспериментальными данными подтверждает эффективность данной методики.

В пятой главе исследуются возможности совместного применения УПН и УОН в ВОСП. При проектировании таких систем важен выбор расстояния между оптическими каналами и мощности в каждом канале. В общем случае расстояние между волнами является функцией от нескольких параметров, таких как: частотная характеристика мультиплексора/демультиплексора оптических волн; отношение СУШ; ширина излучения и стабильность излучения ЛД; частотные характеристики волокна и оптических фильтров и т.д. В системах с УПН и УОН количество оптических волн, вводимых в волокно, ограничивается расстоянием между волнами и граничной оптической мощностью в волокне, связанной с появлением нелинейных явлений - вынужденного Рамановского и Бриллюэновского рассеяния (ВКР и ВРМБ).

В разделе 5.1 исследуется влияние оптической интерференции на поднесухцие без применения оптических демультиплексоров на приемной стороне. Выведена общая формула для определения С/Ш для поднесущих при передаче N оптических несущих с одинаковыми лоренцовыми спектрами: с /ш - ХЩ&У- < т? »/ (£±±- *)(1 + (^Щ^Г)

10 о к=11=о ¡»о ¿V где 8 ,., - относительные уровни интенсивности мод, т - количество мод; Дf - частотная полоса моды; 5/ - расстояние между оптическими несущими по оси частот; В - полоса полезного сигнала; < > /2 - детектированная средняя мощность; А - межмодовое расстояние.

Расчеты показывают, что с увеличением разницы между центрами оптических волн увеличивается С/Ш, а на определенных расстояниях между волнами, где некоторые моды от разных источников излучения имеют одинаковые длины волн, имеем шум в виде биения. Расчеты показывают, что прием аналоговых ТВ каналов при N = 10 без применения демультиплексоров возможен, если выбрать разнос между десятью волнами не менее 5 нм при использовании одномодового ЛД с шириной спектра ( на уровне 3 дБ) 10 ГГц и не менее 7 нм при использовании многомодового ЛД с шириной спектра 5 нм для обеспечения С/Ш > 50 дБ. Однако ситуация становится благоприятной для передачи цифровых поднесущих при помощи одномодовых ЛД, где требование к С/Ш > 16.5 дБ. Так, например, для передачи цифровых 100 Мбит/с потоков на поднесущих с 10 УОН необходимо выбрать разнос волн не менее 0.3-0.4 нм при М = 10 ГГц. Выбор разноса волн 8/ (ДА.) при использовании многомодовых ЛД для передачи цифровых поднесущих аналогичен системе с аналоговыми сигналами, так как, в широком диапазоне АХ имеем максимум шумов биения мод.

В разделе 5.2 исследуется влияние оптической интерференции на поднесущие с применением оптических демультиплексоров на приемной стороне, что позволяет исключить шум биения при использовании многомодовых ЛД на передающей стороне, уменьшить интерференцию соседних оптических каналов и увеличить пропускную способность ВОСП.

В разделе 5.3 исследуется влияние характеристик демультиплексора на появление в системе шумов модового распределения. Увеличение крутизны зависимости затухания от длины волны и мощности излучения ЛД могут привести к значительному приросту шумов модового распределения.

Стремление выбирать затухание демультиплексора ближе к идеальному приводит к резкому уменьшению шумов модового распределения.

В разделе 5.4 исследуется влияние нелинейных явлений в волокне на передачу многоканального сигнала с УОН. Дана оценка влияния ВКР на каналы при помощи дифференциального уравнения, описывающего изменение мощности канала по мере распространения сигнала по волокну. Расчеты показывают, что передача 10 уплотненных каналов с мощностями в каждом не более 10 мВт по оптическому волокну возможна на расстояние до 90 км, где потери из-за ВКР не будут превышать 1 дБ. Увеличение количества оптических каналов приводит к серьезным потерям по мощности, так например, увеличение числа каналов в два раза (И = 20) при тех же условиях, приводит к ограничению длины тракта до 20 км.

Другим нежелательным нелинейным процессом в волокне является ВРМБ. Оно проявляется в виде генерации стоксовой волны, распространяющейся в обратном направлении, но анализ показывает, что удержание мощности в волокне ниже порога ВКР для ВОСП с УПН и УОН, обеспечивает слабую генерацию стоксовой волны.

Шестая

глава посвящена разработанным высоконадежным кольцевым волоконно-оптическим системам передачи (КВОСП) с применением технологии УПН и УОН. Применение «двойного кольца» и пассивного подключения узловых станций, двукратной модуляции и резервирования каналов УПН обеспечивают надежность функционирования при обрывах волбкна и / или при выходе из строя узлов. Разработаны структурные схемы узлов и описывается функционирование систем.

В разделе 6.1 рассматривается высоконадежная частично-пассивная КВОСП с коммутацией поднесущих (рис.1). Система состоит из центральной станция (ЦС), которая нарушает непрерывность волоконного кольца и пассивно подключенных N узлов. Все узлы имеют физический доступ к волоконному коЯьцу через пассивные оптически-избирательные ответвители, настроенные на определенные волны.

Фотодиод

V , »1» ч[« X ^ ^ / мих ПЕМЧХ оших мих

Полосовой фильтр

Оптический переключатель

Оптический мультиплексор

Оптический демультиплексор

1 .* !г X 2 ФД ПФ »

1.^.Ь

В КВОСП используется принцип соединения «каждый узел с каждым» при помощи коммутации поднесущих каналов, которая происходит на ЦС. Все электронные элементы узловых станций идентичны и настроены на одни и те же поднесущие частоты @ ¡, ^.^./ыХ что удешевляет систему. Так как узлы передают и могут принимать информацию и по часовой (ПЧС) и против часовой стрелки (ПрЧС), система является надежной и самовосстанавливающейся при повреждениях волокна. Разработана структурная схема ЦС (рис.2).

В разделе 6.2 рассматривается высоконадежная КВОСП, использующая переприем поднесущих в промежуточных узлах. По сравнению с предыдущей системой, здесь отсутствует ЦС и функции ЦС равномерно распределены между N узлами, что намного поднимает живучесть системы.

Узловые станции имеют физический доступ к волоконному кольцу с помощью оптических коммутаторов (ОК) (рис.3). В каждом узле поднесущие частоты выбираются таким образом, что, делая многократные прыжки через другие узлы, они достигают точки назначения. Разработан алгоритм выбора поднесущих частот, при котором реализация переприема через промежуточные узлы упрощается.

Отметим, что КВОСП работает с одной оптической волной, т.е. каждая пара узловых приемников и передатчиков настроена на одну и ту же волну. Узловые ОК, не имеющие селективности по длине волны, управляются приложенным напряжением II, и имеют коэффициент ответвления:

1 при нормальном функционировании узла «(У) = < „

О при выходе из строя узла матрицы М

СтрокаТТ матрицы Мт

Строка матрицы Мт

Рт,и1=<*(0)Р.Х / Строка

РА ^матрицы М

Циркулягор РЧ ии СВЧ

Регулируемый аттенюатор

При нормальном функционировании системы каждый ОК на приеме поглощает всю оптическую мощность из волокна и передает к фотодетектору, а при передаче вся оптическая мощность лазерного диода (ЛД) вводится в волокно и передается соседним узлам. При выходе из строя узловой станции принадлежащие этому узлу ОК переключаются с помощью управляемого напряжения так, что коэффициент ответвления а(и) = 0 и вся оптическая мощность с входа узла передается соседним узлам ПЧС и ПрЧС, минуя неисправный узел.

Для структурного анализа системы использовано определение структурной матрицы и некоторые операциями над ней. В нашем случае, структурной матрицей М КВОСП с N узлами будем называть квадратурную матрицу порядка Ы, в которой каждому узлу \ соответствует 1 - я строка 1 - й столбец: м = |л здесь 1, ] = 1,2, .К Вхождения ^ определяются по следующему правилу:

1 при £ , если есть поднесущий канал от узла 1 к узлу.); О, если такого канала нет.

Отметим, что в системе существует N(N-1) поднесущих, и что частотный диапазон разделен на N поддиапазонов (столбцы матрицы М), в каждом из которых находятся (N-1) поднесущих (см. рис.4). столбец 1 М г2.1 ' ■ • ■ столбец к М fl.lt столбец N М ftK-D.1T • fN.lt

Полученная структурная матрица определяет те собственные поднесущие частоты узлов, которые в дальнейшем будут смодулированы информационными данными, сформировав, таким образом, собственные поднесущие каналы узлов.

Данные поднесущие каналы после распространения по оптическому волокну должны приниматься соответствующими узлами, для чего воспользуемся транспонированной матрицей Мт порядка N. в которой каждому узлу 1 соответствует 1 - я строка 1 - й столбец: мТ=Ы\.

Строки матрицы Мт соответствуют тем поднесущим каналам, которые принимаются узлами. Так, например, узел 1 принимает поднесущие каналы, находящиеся на строке 1 матрицы Мт, следовательно, надо так выбрать полосу •пропускания электрических фильтров узла 1 , чтобы в нее входили только вышеуказанные поднесущие на строке 1, и, так как они расположены в одном поддиапазоне (см. рис.4), то реализация такого приемника не представляет особого труда.

Что касается переприема поднесущих каналов, то он реализуется автоматически, при помощи специального выбора элементов матрицы М и схемного решения приемников и передатчиков узлов (рис.3).

В разделе 6.3 рассматривается высоконадежная кольцевая волоконно-оптическая система коммутации (КВОСК) с применением УПН и УОН (рис.5). По сравнению с системой 6.1, здесь приемники узлов находятся под контролем ЦС и имеют возможность, согласно управляющим командам идущим от ЦС, выбрать из потока, входящих в узел оптических волн, произвольную комбинацию, более того, даже не находящихся по соседству друг с другом волн.

Эта селекция осуществляется при помощи акустооптических перестраиваемых фильтров (АОПФ). Выбранные волны без дальнейшего разуплотнения детектируются одним оптическим детектором и, с помощью электронных полосовых фильтров, выбираются необходимые поднесущие каналы, предназначенные этому узлу. Переданные каждым узлом и, сделавшие один полный цикл по кольцу остатки оптического сигнала, поглощаются в узлах согласующей нагрузкой.

На рис.6 показана структурная схема узла ¡. Оптические усилители предназначены обеспечить требуемое усиление для эффективного функционирования приемников узла и для компенсации затухания в системе. Показанные на рис.6 акустооптические перестраиваемые фильтры идентичны. АОПФ 1 узла 1 предназначен для приема контрольных сигналов (А, ; ; Г •/) ,идущих от ЦС с последующей передачей к местному контроллеру (МК), а также, для ввода в волокно на волне к ; , контрольных сигналов для ЦС (состояние поднесущих частот на приеме , ответ на требование и т. д.) и информации для других узлов с помощью модуляции лазерного диода групповым выходным сигналом формирователя поднесущих. Остатки информационных поднесущих,

ИНФОРМАЦИЯ поднесущик; положит/отриц. УЗПЙ \ ответ на требование вание поянесущих ! ИНФОРМАЦИЯ ОТ! газнькизгюв]

Рис.б переданные узлом 1 на волне X ; , и сделавшие один полный цикл по кольцу, поглощаются на приеме согласующей нагрузкой (СН) (рис. 6).

АОПФ 2 узла 1 предназначен для приема информации, идущей от разных узлов на разных оптических волнах и имеет возможность выбора из этого потока произвольной комбинации оптических волн в соответствии с сигналами управления от МК. Выбранная АОПФ г груша волн впоследствии расщепляется в ответвителе 1x2. Одна ветвь 1 х 2 заворачивается на другой вход АОПФ г , в результате чего на выходе узла 1 в волоконном кольце восстанавливается весь спектр переданных оптических волн, которые несут информацию также для других узлов. А со второй расщепленной ветви 1 х 2 после фотодетектирования, узел 1 принимает ему адресованные поднесущие с помощью полосовых фильтров.

Переданные каждым узлом оптические волны, распространяясь по волоконному кольцу, попадают на вход ЦС, где с помощью DEMUX разделяются. После фотодетектирования, ЦК выбирает (с помощью ПФ) поднесущие f т, которые содержат контрольные сигналы о требованиях узлов, а остальные поднесущие, которые предназначены для других узлов, с помощью циркуляторов, передаются сумматорам, где суммируются с поднесущими fTr, содержащими контрольные сигналы от ЦК, предназначенные для перестройки соответствующих АОПФ % узлов. После модуляции ЛД этими групповыми сигналами, оптические волны вводятся в волокно с помощью MUX и распространяются по кольцу.

Для более ясного понимания работы системы, проиллюстрируем очередность контрольных сигналов при установлении соединения между узлом j и узлом i, которая показана на рис.7;

- узел j передает ЦС требование на установление соединения с узлом 1 . Это требование реализовано на поднесущей £ т на волне А.}, которое обозначим (А j

- после обработки этого требования ЦС передает на (А ,; т 1) контрольный сигнал для перестройки АОПФ % узла 1. Этот сигнал принимается АОПФ 1 узла { и после детектирования и фильтрации поднесущей £ ' передается к МК (рис.6). Отметим, что АОПФ 1 узла 1 постоянно настроен на прием волны А ¡, следовательно, рециркуляция данной волны по кольцу невозможна. МК узла 1 перестраивает АОПФ г на прием волны А у Если, по крайней мере, одна из поднесугцих свободна, то МК узла 1 передает ЦК положительный ответ на требование ( А ;; Г т ) с помощью формирователя поднесухцих с указанием частоты свободной поднесущей. В свою очередь, ЦС передает сигнал разрешения на (А^? ) узлу^ в противном случае, требование на соединение отклоняется, появляется блокировка в системе, узел j принимает сигнал занятости от ЦС на (А j; Гт ).

- после перестройки АОПФ г узла 1 на прием оптической волны А ¡, соединение считается установившимся. Узел j может передавать узлу 1 информацию без дальнейшего вмешательства со стороны ЦК

В предложенной КВОСК, при увеличении нагрузки узла, обслуживается весь трафик, но с некоторой вероятностью блокировки. Дана оценка верхнего предела вероятности блокировок в зависимости от нагрузки на узел и количества поднееущих каналов. Так, например, при увеличении нагрузки узла На 50 % с А=1 по А=1.5 в системе с т = 20 поднесугцими, верхний предел вероятности блокировки увеличивается с РбЛ=Ю "7 до РбЛ=Ю Л ,что может быть вполне допустимым при определенных требованиях к системе.