Оптические линии связи

В настоящее время в качестве оптических линий связи используют:

а) волоконно-оптические линии связи (ВОЛС);

б) оптические линии связи с использованием лазерной “пушки”;

в) оптические линии связи с использованием инфракрасных излучателей и приемников;

г) оптические линии связи с использованием кремнийорганического оптического волокна.

Структурная схема волоконно-оптической линии связи приведена на рис.4.2.

Рис.4.2. Структурная схема ВОЛС.

Электрический сигнал поступает на передатчик – трансивер, который преобразует электрический сигнал в световой импульс, который через оптический соединитель подается в оптический кабель. В месте приема оптический кабель с помощью оптического соединителя подключатся к приемнику – трансиверу, преобразующему пучок света в электрический сигнал.

В зависимости от назначения ВОЛС, ее протяженности, качества используемых комплектующих структурная схема может изменяться. При значительных расстояниях между пунктами передачи и приема вводится ретранслятор – усилитель сигналов. При малой длине оптического кабеля (если хватает строительной длины оптического кабеля) сварка кабеля не нужна. Под строительной длиной понимают длину цельного куска кабеля, поставляемого заводом – изготовителем.

Волоконно-оптические линии связи имеют следующие достоинства:

1. Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных помех и от межканальных взаимонаводок.

2. Широкий диапазон рабочих частот позволяет по такой линии связи можно передавать информацию со скоростью 10¹²бит/с = Тбит/c.

3. Защищенность от несанкционированного доступа: излучения в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отводов оптической энергии без разрушения кабеля практически не возможно. А всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы с помощью мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.

4. Возможность скрытой передачи информации.

5. Потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой дорогостоящих цветных металлов (медь) материалами с неограниченными сырьевыми ресурсами (двуокись кремния).

6. Автоматически обеспечивается гальваническая развязка сегментов линии.

Однако в оптоволоконной технологии имеются и свои недостатки:

1. Высокая стоимость аппаратуры.

2. Требуется дорогое технологическое оборудование, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации. При обрыве оптического кабеля затраты на его восстановление значительно выше, чем на восстановление медного кабеля.

3. Относительно малая долговечность. Время жизни + сохранение им своих свойств в определенных допустимых пределах – оптического кабеля 25 лет. Заметим, что до настоящего времени в Москве эксплуатируются телефонные линии проложенные в начале века (см. Hard & Soft,1998,N11).

4. Оптические кабели не стойки к воздействию радиации.

Основу ВОЛС составляют оптические кабели, изготавливаемые из отдельных световодов – оптических волокон.

Передача оптической энергии по оптическому волокну обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения. Оптическое волокно представляет собой двухслойный цилиндрический световод (рис.4.3.)

Рис.4.3. Распространение излучения и изменение и изменение показателя преломления в оптоволокне

Материал внутренней жилы имеет показатель преломления n₁, а материал внешнего слоя n₂, при этом n₁>n₂, т.е. материал внутренней жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в цилиндр под малыми углами по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях; в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще имеется полное внутреннее отражение, определяется выражением A₀=sin y₀=.

Величина A₀ называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углами y>y­₀ (внеапертурные лучи), при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и преломляются; часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многкратных встреч с границей жила-оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.

Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В таких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии (см.рис.4.4).

Рис.4.4. Распространение излучения и изменение показателя преломления в селфоке.

Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки.

Эти световоды называют селфоками (self – сам, focus – фокус).

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство оптического волокна сосредоточено в основном в США. Для передачи сигналов применяются два вида оптоволокна: одномодовое и многомодовое. В одномодовом волокне световодная жила имеет диаметр 8-10 мкм. В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм.

Оптоволокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Количественно затухание определяется по формуле

B=10lg, где

Pвх – мощность входного оптического сигнала;

Pвых – мощность выходного оптического сигнала;

l – длина световода.

Единицей измерения затухания служит децибелл на километр (дБ/км).

Затухание определяется потерями на поглощение и рассеяние излучения в оптоволокне. Потери на поглощение зависят от частоты материала, а потери на рассеяние – от неоднородности его показателей преломления. Зависит затухание и от длины волны излучения, вводимого в оптоволокно. В настоящее время передача сигналов по волокну осуществляется в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Оптоволокно характеризуется очень малым затуханием. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км при длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Оптоволокно фирмы Sumitoto (Япония) имеет затухание 0.154 дБ/км при длине волны 1.55мкм. Имеются сообщения о разработке так называемых фторцирконатных оптоволокон с затуханием порядка 0.02 дБ/км, что позволит обеспечить скорость передачи порядка 1 Гбит/с с регенераторами через 4600 км.

Дисперсия, т.е. зависимость скорости распространения сигнала от длины волны излучения, - другой важнейший параметр оптического волокна. Поскольку при передаче информации светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке дисперсии пользуются термином “полоса пропускания” - величина, обратная величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км.

Измеряется полоса пропускания в мегагерцах на километр (МГц _* км). Дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнее значение частоты передаваемых сигналов.

Величина затухания и дисперсии различаются для разных типов оптических волокон.

Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и полосе пропускания. Однако одномодовые источники излучения (диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм) в несколько раз дороже многомодовых (светоизлучающий диод, функционирующий на длине волны 0.85 мкм). Сращивание одномодовых волокон, монтаж оптических разъемов на концах одномодовых кабелей обходится дороже. Однако полоса пропускания многомодовых волокон достигает 1000 МГц _* км, что приемлемо только для локальных сетей связи.

Для связи приемника и передатчика используется волоконно-оптический кабель (ВОК), в котором оптические волокна дополняются элементами повышающими эластичность и прочность кабеля.

Основными показателями ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность.

Связь корректирующей способности кода с кодовым расстоянием

Степень различия любых двух кодовых комбинаций характеризуется расстоянием между ними по Хэммингу или просто кодовым расстоянием.

Расстояние Хэмминга d выражается числом позиций, в которых кодовые комбинации отличаются одна от другой.

Чтобы подсчитать кодовое расстояние между двумя комбинациями двоичного кода, необходимо сложить по модулю два эти комбинации, а затем подсчитать число единиц в сумме. Поясним примерами.

Пример 1. Найти расстояние Хэмминга d между кодовыми комбинациями 10101011 и 11111011.

Произведем сложение по модулю два:

Å
	01010000	.

При сложении по модулю два переносов нет, сложение производится поразрядно по правилам: 0Å0=0; 0Å1=1; 1Å1=0.

Сосчитав число единиц, в сумме получаем d=2.

Пример 2. Найти расстояние Хэмминга между кодовыми комбинациями 10101111 и 00111100. Аналогично предыдущему примеру:

Å
	10010011	, d=4.

Для всех возможных комбинаций многоразрядного двоичного кода вводится понятие минимального кодового расстояния. Минимальное расстояние Хэмминга, взятое по всем парам возможных кодовых комбинаций данного кода, называется минимальным кодовым расстоянием. Поясним примером.

Для трехразрядного двоичного кода имеем комбинации: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Подсчитаем расстояние Хэмминга для всех пар (см.

таблицу):

Таблица 1

Å

Å

Å

Å

Å

Å

Å

d=1

d=1

d=2

d=1

d=2

d=2

d=3

Å

Å

Å

Å

Å

Å

Å

d=2

d=1

d=2

d=1

d=3

d=2

d=1

Å

Å

Å

Å

Å

Å

Å

d=2

d=3

d=1

d=2

d=3

d=2

d=2

Å

Å

Å

Å

Å

Å

Å

d=1

d=1

d=1

d=2

d=2

d=1

d=1

Отсюда d_min=1.

Минимальное кодовое расстояние d_min определяет способности кода обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие при передаче данных.

Для рассмотренного трехразрядного двоичного кода d_min=1. Если для передачи использовать все комбинации, то любая одиночная ошибка трансформирует переданную комбинацию в другую разрешенную кодовую комбинацию, поэтому возможности обнаружения ошибок не имеется.

Для создания возможности обнаружения ошибок при передаче поступим следующим образом. В трехразрядном коде для передачи исходной информации будем использовать два разряда, а третий передаваемый разряд для передачи будем формировать по правилу: его значение равно нулю, если число единиц в информационных разрядах, четно, и равно единице, если число единиц в информационных разрядах нечетно. Поясним этот процесс таблицей:

Исходные кодовые комбинации
Помехоустойчивый код

В результате такого кодирования все множество двоичных трехразрядных кодовых комбинаций разбивается на две группы:

- разрешенные – 000, 011, 101, 110;

- запрещенные – 001, 010, 100, 111.

При передаче формируются и передаются помехоустойчивые кодовые комбинации, в которых число единиц четно. Если принята кодовая комбинация, содержащая нечетное число единиц (одна из запрещенных комбинаций), то можно утверждать, что при передаче произошла ошибка.

Для разрешенных кодовых комбинаций нашего примера d_min=2, т.к.

Å		Å		Å		Å		Å		Å
	d=2		d=2		d=2		d=2		d=2		d=2

Таким образом, при d_min=2 обнаруживаются все однократные ошибки.

Хэммингом доказано, что в общем случае для возможности обнаружения ошибок кратности r минимальное расстояние Хэмминга d_min должно быть по крайней мере на единицу больше r, т.е. d_min³r+1.

В рассмотренной ситуации, при появлении ошибки можно лишь сказать, что она произошла, но нельзя сказать, в каком разряде она произошла.

Для создания возможности исправления однократной ошибки поступим следующим образом.

В трехразрядном коде под информационный символ отведем один разряд, а два других отведем под избыточные контрольные символы (алгоритм формирования контрольных символов пока не важен). Из всех трехразрядных кодовых комбинаций выберем разрешенными 000 и 111. Тогда при передаче и приеме информации могут возникать следующие ситуации (при возможности возникновения только одной ошибки):

Видно, что все искаженные однократной ошибкой кодовые комбинации можно исправить. Расстояние Хэмминга между разрешенными кодовыми комбинациями для данного случая d_min=3.

Хэммингом доказано, что в общем случае для обеспечения кода возможностью исправления ошибок кратности S минимальное расстояние Хэмминга d_min должно находится из условия d_min ³ 2S+1.

Для кода, позволяющего обнаруживать ошибки кратности r и исправлять ошибки кратности S (r³S), минимальное расстояние Хэмминга выбирается из условия d_min ³ r+S+1.

Если код должен обнаруживать двукратные ошибки и исправлять однократные, то d_min должно быть равно 4. Поэтому код Хемминга с d_min=3 может либо исправлять однократные ошибки, либо только обнаруживать однократные и двукратные ошибки.

Приведенные формулы не позволяют определить требуемое количество контрольных (избыточных) символов и используются лишь для теоретической проверки разработанных кодов.