Глава  8.     ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ   СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

8.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ВОСП

            В настоящее время в развитых странах волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) широко внедряются на всех участках сетей связи. По сравнению с существующими системами связи на медных кабелях ВОСП обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовывать по одному волоконно-оптическому тракту необходимое число каналов с дальнейшим их наращиванием, а также предоставлять абоненту наряду с телефонной связью любые виды услуг связи (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, телематическое и справочное обслуживание, рекламу, местную связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и возможность организации регенерационных участков большой протяженности; значительная экономия меди и потенциально низкая стоимость оптического кабеля (ОК) и др.

            На передающей станции А (рис. 8.1) первичные сигналы в электрической форме поступают на аппаратуру системы передачи (СП), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. При распространении последнего по оптическому  волокну   (ОВ)   происходят  его  ослабление  и  искаже-

ние. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые или необслуживаемые станции, где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.

            На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т. д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический и обратным преобразованием на выходе. В принципе возможно построение чисто оптических промежуточных станций на основе оптических квантовых усилителей. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.

            Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационнук модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случае применяется модуляция по интенсивности оптического излучения При фиксированных пространственных координатах мгновенно» значение электрического поля монохроматического оптической излучения можно записать в виде Е (t)=E_M cos (ω₀t=φ₀), где Е_м — амплитуда поля; ω₀ и φ₀ — соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности Р_мг= = E²(t) =E²_Mcos²(ω₀t+φ₀), а усреднение по периоду T₀ = 2π/ω₀ дает величину Р=0,5Е²_м, которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р изменяется в соответствии с модулирующим сигналом c(t), т. е P(t)~c(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов — фотонов с энергией hf₀, где h — постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью (количеством в единиц  времени) потока фотонов J = P/hf₀. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) ~ с (t).

            Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции шАироком диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучении (светодиодов, лазерных диодов)   простыми техническими средствами. Для управления интенсивностью излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям обратного преобразования оптического сигнала электрический. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной то которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля

т. е. мощности   падающего   на фоточувствительную   поверхность оптического сигнала.

            Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относится к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энергетический прием). Другим методом приема является метод фотосмещения (когерентный,   гетеродинный  и  гомодинный  прием).

            Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимаемого оптического сигнала.

            Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что частоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с необходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гетеродина.

В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ВОСП используются цифровые системы передачи, т. е. ВОСП строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателями и др. Аналоговые СП пока не применяются на волоконно-оптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой помехозащищенности. Тем не менее исследования в области аналоговых ВОСП показывают их перспективность в ряде областей (оптическое кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи).

            В настоящее время ВОСП строятся как двухволоконные одно-полосные однокабельные (рис. 8.2). При таком построении передача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны X. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически отсутствуют, тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными.

К достоинствам данной схемы организации связи следует отнести однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций. Существенным недостатком является весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.

            С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости ВОСП, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности ОВ за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ) и в линии промежуточных корректирующих усилителей (ПКУ) (рис. 8.3). Особенностью данной схемы является использование ОВ для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны.

            Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информационными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рассеяния в ОВ, ответвителях, из-за отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии. Помеху обратного рассеяния можно разделить на постоянную и частотно-зависимую переменную, влияние которых на чувствительность фотоприемного устройства различно. В табл. 8.1 приведены результаты расчетов постоянной составляющей А_о переходного затухания.

            Как видно из табл. 8.1, максимальное значение А₀ = 39 дБ достигается в одномодовом ОВ (ООВ) при λ = 1,3 мкм.

            На рис. 8.4 показаны кривые зависимости переходного затухания переменной составляющей от скорости передачи информации В для многомодовых и одномодовых волокон. Значение А растет с увеличением скорости передачи информации и имеет максимальное значение в диапазоне 1,55 мкм. Уровень переменной составляющей помехи с увеличением В уменьшается, крутизна спада равна примерно 10 дБ/окт. Оптимальный режим работы двусторонней ВОСП, при котором уровень переходной помехи минимален, достигается при λ= 1,55 мкм и скорости передачи информации по ООВ более 35 Мбит/с.

            Наибольший интерес представляют ВОСП со спектральным разделением (ВОСП-СР). Такие системы строятся как одноволоконные многополосные однокабельные (рис. 8.5). На передающей станции электрические сигналы от п систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн λ₁,λ₂, λ₃... ,λ_n. С помощью мультиплексоров (МП) и демульти-плексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на передаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна. Возможность построения таких систем основывается  на  сравнительно  слабой  зависимости   коэффициента

затухания оптического кабеля в пределах используемого спектрального диапазона от частоты (или длины волны) оптической несущей.

Принцип работы мультиплексора и демультиплексора основан на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе их структуры может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.

В многослойных структурах (рис. 8.6) можно выбрать волновую зону прозрачности и ширину этой зоны. Конструктивно мультиплексор— это многослойная диэлектрическая структура, зажатая с обеих сторон двумя стержневыми линзами. Торцевые поверхности линз покрыты поглощающей пленкой диэлектрика. Оптические оси линз и волокон смещены друг относительно друга. В большинстве случаев эти устройства имеют следующие характеристики: число волн 2—6, прямые потери 2... 5 дБ, переходное затухание 20... 40 дБ, интервалы между длинами волн 30... 100 нм.

            В мультиплексорах на основе дифракционной решетки (рис. 8.7) используется зависимость угла дифракции луча, проходящего через дифракционную решетку отражательного типа, от длины волны. Следовательно, размещая ОВ в местах образования светового пятна, соответствующих различной длине волны, можно добиться разделения световых волн по длине. Конструктивно такие МП выполняются следующим образом. К одному из торцов стержневой линзы приклеена отражательная дифракционная решетка. Разделительные свойства фильтра определяются избирательностью дифракционной решетки по длине волны и диаметром сердечника входных и выходных ОВ. Ширина полосы пропускания пропорциональна диаметру сердечника, поэтому для ее расширения используются входные и выходные оптические волокна большего диаметра. Мультиплексоры на основе дифракционной решетки имеют следующие характеристики: полоса прозрачности около 20 нм, прямые потери не более 4 дБ, переходное затухание до 40 дБ.

            Относительно высокие плотности оптической энергии в ОВ вызывают заметное проявление нелинейных эффектов. В ВОСП-СР наиболее заметным из них является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с оптическими фо-

тонами вещества волокна. В результате эффекта УВКР в ОВ наблюдаются взаимодействие между оптическими сигналами различных каналов, которое выражается уменьшением мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением за счет этого мощности оптических несущих с большими длинами волн. Перекрестные помехи, вызванные эффектом УВКР в ВОСП-СР, характеризуются условным отношением сигнал-шум С/Ш = 101gP₁/P_i—Р₁ где Р₁ — мощность оптического сигнала в ОВ одной несущей при отсутствии УВКР помехи; Р₁ — то же, но при воздействии УВКР помехи. На рис. 8.8 показаны зависимости отношения сигнал-шум для двухканальной ВОСП-СР протяженностью 50 км от мощности подводимого излучения при P₁ = P₂, λ= 1,55 мкм, α₁= α₂=0,2 дБ/км для различных ∆λ и от разноса оптических несущих ∆λ при различных уровнях мощности подводимого излучения P_i.

            Анализируя зависимости, можно отметить, что заметное (более 20 дБ) подавление УВКР-помехи в ВОСП-СР может быть обеспечено даже при сравнительно больших (несколько милливатт) мощностях излучения в ОВ, если разнос спектральных несущих не превышает 10 нм. Это указывает на целесообразность использования в ВОСП-СР мультиплексоров и демодуляторов, а также излучателей с высокой разрешающей способностью по длине волны. Данное условие согласуется с рекомендациями по построению ВОСП-СР с минимальным разносом несущих, основанными на оценках энергетического потенциала и широкополосности таких систем.

            Изменение отношения сигнал/шум, обусловленное УВКР, наиболее заметно на начальном участке ОВ и практически не зависит от уровня мощности передаваемых сигналов. При длине ОВ более 15 км влияние эффектов УВКР стабилизируется.

            При использовании OB в качестве среды распространения информационных сигналов можно использовать различные методы его уплотнения: временное, пространственное, частотное и спектральное.

8.2. МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ ВОЛС

            Временное уплотнение. Данный метод предполагает объединение нескольких информационных потоков в один. Объединение может быть осуществлено на уровне электронной аппаратуры (электрических сигналов) и на уровне оптических сигналов. При объединении электрических сигналов (рис. 8.9) две серии импульсов (может быть N источников), поступающие с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал. Последний в оптическом передатчике модулирует оптическую несущую. Оптическое излучение распространяется по ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А' и В'.

            Схема объединения оптических цифровых потоков показана на рис. 8.10. Электрические цифровые потоки от V источников поступают на N оптических передатчиков, в которых осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на ∆t,2∆t,3∆t...; (N—I)∆t. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) имеем последовательность оптических импульсов. На приеме осуществляется обратное преобразование.

При временном уплотнении требуется передача коротких (10^-9с и менее) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонент приемопередающей аппаратуры ВОСП, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами оптического волокна.

К основным достоинствам временного уплотнения относятся: увеличение коэффициента использования пропускной способности оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи 8... 16 Гбит/с); возможность создания полностью оптической сети связи.

Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества оптических волокон: гибкость и малые размеры. Это позволяет создавать оптический кабель, содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе (рис. 8.11) число ВОСП равно числу ОВ в оптическом кабеле, а следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком пространственного уплотнения являются большой расход оптического волокна, значительные затраты на каблирование, а следовательно, и высокая стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 кан*км определяется в основном стоимостью кабеля, метод пространственного уплотнения не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности.

            Частотное уплотнение (гетеродинное). В системах передачи с частотным уплотнением исходным сигналам различных источников информации в линейных трактах отводятся определенные полосы частот. В этом случае для получения группового линейного сигнала требуются близко расположенные стабильные оптические несущие. Однако нестабильность линии излучения, полупроводниковых лазеров, особенно при высокоскоростной модуляции, приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных-каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного с помощью сдвига оптинеской несущей.

Оптическое излучение с выхода лазерного источника излучения (ИИ) (рис. 8.12), содержащего ряд несущих f₁,f₂,f₃…,f_N, поступает на анализатор А₁ представляющий собой призму Глана—Тейлора, а затем, пройдя четвертьволновую призму, — на фильтр первого канала Ф₁. Этот фильтр пропускает оптическую несущую первого канала f₁ к оптическому модулятору ОМ₁ где она и модулируется. Оптическое излучение с частотами f₂, f₃, … , fn (т. е. кроме f₁) отражается фильтром и возвращается к анализатору A₁, по пути к которому вторично проходит через четвертьволновую призму и попадает на анализатор А₂. Оптическая несущая первого канала, промодулированная в оптическом модуляторе ОМ₁ информационным сигналом, отражаясь от зеркала, также возвращается к анализатору А₁

            Плоскость поляризации оптического сигнала, дважды прошедшего четвертьволновую призму, поворачивается на π/2 по отношению к плоскости поляризации исходного колебания, в связи с чем световой пучок отклоняется в призме и выходит из нее. Далее общий сигнал поступает на анализатор А₂ и процесс повторяется, с той лишь разницей, что модулируется оптическое излучение с частотой f₂. Таким образом формируется оптический групповой сигнал, поступающий в оптическую линию связи.

На приеме оптический групповой сигнал, содержащий ряд промодулированных оптических несущих, поступает на анализатор А₁ (рис. 8.13), а затем после прохождения через четвертьволновую призму и фильтр первого канала — на оптический смеситель (00). Фильтр Ф₁ пропускает только оптический сигнал с частотой f₁ остальные сигналы отражаются и поступают на А₂.

Оптическая промодулированная несущая с частотой f₁ перемножается в ОС с частотой местного гетеродина, затем промежуточная частота f _Пр выделяется полосовым фильтром (ПФ) и поступает на фотодетектор (ФД). на выходе которого формируется электрический сигнал. Таким образом, прием осуществляется гетеродинным способом. Аналогично происходит детектирование сигнала во всех остальных каналах.

Достоинства метода частотного (гетеродинного) уплотнения заключаются в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 100... 200 км; значительно повышается коэффициент использования пропускной способности оптического волокна. К недостаткам относится то, что при данном методе требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также целый ряд дополнительных устройств: сдвигателей частоты, оптических вентилей, контроллеров поляризации, оптических усилителей, системы автоподстройки частоты и т. п., что значительно усложняет систему и увеличивает ее стоимость.

Что касается метода спектрального уплотнения, рассмотренного ранее, то можно отметить, что он является наиболее перспективным.

8.3. ПЕРЕДАЮЩИЕ И ПРИЕМНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МОДУЛИ

Передающие оптические модули. Оптические передатчики и приемники ВОСП выполняются в виде модулей, в состав которых входят источники и приемники оптического излучения и электронные схемы обработки электрических сигналов.

К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования: длина волны излучения должна совпадать с одним из минимумов спектральных потерь оптических волокон; конструкция источника должна обеспечивать достаточно высокую мощность выходного излучения и эффективный ввод его в оптическое волокно; источник должен иметь высокую надежность и большой срок службы; габаритные размеры, масса и потребляемая мощность должны быть минимальными; простота технологии

должна обеспечивать невысокую стоимость и высокую воспроизводимость характеристик.

Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: пленарные полупроводниковые, волоконные и объемные микрооптические (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только иланарные полупроводниковые источники — светоизлучающие (СИД) и лазерные диоды (ЛД)—широко используются в реальных системах. Они работают в диапазоне волн 0,8... 1,6 мкм, который характеризуется минимальными потерями в ОВ, и позволяют вводить в волокно достаточно большую мощность (0,05... ...2 мВт),

В СИД оптическое излучение происходит в результате спонтанной эмиссии, когда к области р—n-перехода в полупроводниковом материале с прямыми переходами приложено положительное смещение. Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Частота излучения f определяется разностью энергетических уровней E_q, т. е. шириной запрещенной энергетической зоны f = c/ λ = E_q/h, где h — постоянная Планка; с — скорость света в вакууме.

            Поскольку время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебания энергии Е_q также влияют на частотный разброс излучения. Эти флуктуации приводят к тому, что спектр излучения приобретает некоторую ширину ∆ f (рис. 8.14). Значение ∆ f используется как параметр, характеризующий монохроматичность источника излучения. Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью (некогерентное излучение).

Основными характеристиками источников излучения наряду с шириной спектра излучения являются ватт-амперная характерис-

тика, максимальное значение частоты модуляции, срок службы и надежность.

            Зависимость мощности излучения от тока инжекции (накачки) показана на рис. 8.15. Особенностью этих характеристик является практически линейная зависимость P = f(I_и). Это позволяет использовать аналоговые системы передачи для модуляции оптического излучения.

            На рис. 8.16 приводится спектральное распределение излучения СИД. Как правило, линия излучения для СИД с поверхностным излучением имеет примерно гауссовскую форму с шириной до 0,04 мкм при λ= 0,85 мкм, а для СИД торцевого типа ∆λ≤0,09 мкм при λ=1,3 мкм.

            Максимальная частота модуляции f_max = 1/(2πτ_иη_вн), где η_вн — внутренняя квантовая эффективность материала полупроводника; τ_и — время жизни неосновных носителей, обусловленное излучательными переходами.

            По возможности необходимо уменьшить излучательное время жизни τи. При этом возрастает как значение η_вн на низких частотах модуляции, так и высокочастотная граница. Уменьшить значение η_вн можно увеличением степени легирования и уровня инжекции. Так, в СИД торцевого типа удается получить в 4 раза большую полосу модуляции (100 МГц) по сравнению с СИД с поверхностным излучением без снижения квантовой эффективности.

            Всем параметрам СИД присуща деградация — постепенное уменьшение мощности излучения при длительной эксплуатации. Эмпирически установлено, что после некоторого начального периода «приработки» изменение мощности подчиняется обычному экспоненциальному закону Р(t)=P(0)e^-t/сл, _где t_сл=AI^-m_иe^-ε сл^(КТ) — срок службы (деградации) СИД. Здесь А и т — константы, определяемые материалом и конструкцией СИД. Обычно m ≈1...... 2 и растет с увеличением тока I_и. Активационная энергия ε_сл такова, что при возрастании температуры на 10...20°С t_cll снижается вдвое. Для использования в ВОСП срок службы СИД должен составлять 10° ч для наземных и 10⁶ ч для подводных оптических кабелей.

Полупроводниковые лазерные диоды являются когерентными источниками света. В основе их работы лежит спонтанное излучение полупроводника, охваченное объемным резонатором. Уменьшение плотности тока и улучшение других характеристик достигнуто за счет использования многослойных полупроводников- гетероструктур с односторонним (ОГС) и двусторонним (ДГС) ограничением, в которых удается снизить величину I_п до 1 ... 2 А/см².

            Если увеличить ток накачки в ЛД с ОГС или ДГС с широким контактом по всей поверхности, то генерация сначала возникает в малой области шириной 3...5 мкм. По мере увеличения тока «загораются» все больше таких областей, каждая из которых является как бы самостоятельно генерирующей. Это приводит к увеличению шума, расходимости и нестабильности излучения.

На практике желательно иметь один канал генерации. Этого можно добиться ограничением активной области узкой полоской вдоль резонатора. Такие лазерные диоды называются лазерами с полосковой геометрией. В них I_п уменьшается до 500 мА/см², излучающую поверхность можно изготовить до размеров, обеспечивающих эффективный ввод излучения в оптическое волокно с малой числовой апертурой NA, и повысить стабильность излучения.

К числу основных характеристик лазерных диодов, определяющих возможность их использования в системах связи и передачи информации, относятся: мощность излучения и ее зависимость от тока накачки, диаграмма направленности излучения, спектр излучения и срок службы.

            При малых токах накачки (рис. 8.17) происходит спонтанная излучательная рекомбинация и наблюдается спонтанное излучение. Когда потери в структуре становятся сравнимы с усилением, наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, наблюдается вынужденное излучение. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного излучения с помощью изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.

Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и соответственно выходной оптической мощности лазера. Отметим еще одну существенную особенность, присущую ЛД; при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперной характеристики. Это приводит к изменению порогового тока и выходной мощности. Для устранения .этого недостатка используются электрические схемы компенсации, а также

схемы термокомпенсации, управляющие работой  микрохолодильника.

Диаграмма излучения лазера несимметрична. Ее ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20° в плоскости,, параллельной переходу, и более 40° в перпендикулярной плоскости (рис. 8.18, а). На рис. 8.18,6 показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях θx и θy.

            Как видно, диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая расходимость генерируемого излучения препятствует ее эффективному вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.

            Спектр излучения ЛД (рис. 8.19) является дискретным, ширина линии излучения одной моды, как правило, не превышает 0,01 нм. Несмотря на использование полосковой геометрии, число генерируемых мод все-таки достаточно велико. Для селекции мод применяют специальные меры. Источники излучения, способные излучать одну моду, получили название лазеров с распределенной обратной связью — РОС (DFB) и с распределенным брегговским отражением — РБО (DBR).

            Передающий оптический модуль (ПОМ) конструктивно состоит из оптической головки и электронной схемы, основным назначением которой является модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД размещаются диод и модулятор, а в головке с ЛД — лазер, модулятор, фотодиод обратной связи и электронная схема, с помощью которой стабилизируется режим работы лазера. Одна из основных задач, которую необходимо решать при разработке ПОМ, — стабилизация выходной мощности полупроводниковых лазеров.

            Светоизлучающий диод установлен на теплоотводящем радиаторе (рис. 8.20), излучение выводится из оптической головки наружу через отрезок оптического волокна, к которому, в свою очередь, присоединяется внешнее оптическое волокно. Модулятор смонтирован в общем корпусе с оптической головкой и представляет собой микроэлектронную схему (преобразователь «напряжение— код»), управляющую током в цепи питания светодиода.

            Приемные оптические модули. Основным элементом приемных оптических модулей (ПрОМ) является фотодиод, который играет роль фотодетектора. Функция детектора ВОСП сводится к преобразованию входного оптического сигнала в электрический, который затем подвергается усилению и обработке электронными схемами фотоприемника. Фотодетектор должен точно воспроизводить форму оптического сигнала, не внося дополнительно шума, т. е. обладать требуемыми широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью, иметь небольшие, но достаточные размеры для надежного соединения с волокном, быть нечувствительным к изменениям параметров внешней среды, иметь большой срок службы и минимальную стоимость. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяют полупроводниковые фотодиоды.

            Принцип действия полупроводникового фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте. Поглощаемый фотон рождает пару новых носителей заряда — электрон и дырку. Иначе это означает, что, поглощаясь атомом, фотон возбуждает электрон и переводит его из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение) или же с примесного уровня в зону проводимости (приемное поглощение). Такие переходы изменяют электрические характеристики полупроводника, создавая условия формирования электрических сигналов. Высокое быстродействие и эффективное поглощение падающего излучения, как правило, связаны с эффектом примесного поглощения. По этой причине фотодетекторы для ВОСП в настоящее время выполняются на основе материалов с примесным поглощением. В результате поглощения кванта света с энергией hf во внешней цепи диода протекает импульс тока. Если каждый поглощенный квант рождает электронно-дырочную пару и носители тока пересекают плоскость р—n перехода, то число носителей N, определяемое отношением мощности оптического излучения Р к энергии кванта hf, умноженное на величину заряда носителя q, определит средний ток, протекающий через нагрузку R_H: I = qN = qP/hf.

Как правило, не все поглощаемые кванты света приводят к появлению импульсов тока. Этот факт необходимо учитывать коэффициентом (η), характеризующим эффективность преобразования фотонов в электрический ток. Этот коэффициент называется квантовой эффективностью (выходом) фотодетектора.

Таким образом, в общем случае средний ток, протекающий через нагрузку, определяется соотношением

На рис. 8.21 приведена зависимость квантовой эффективности для германиевого и кремниевого фотодиодов от длины волны. Для преобразования электронно-дырочной пары энергия hf поглощаемого кванта должна быть достаточной для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости, т. е. необходимо выполнение условия hf ≥ ∆ Eq.

Фотодиоды, выполненные из германия, работают при длине волны до 1,8 мкм, из кремния — до 1,2 мкм, из арсенида галлия — до 0,87 мкм.

Основными характеристиками фотодиодов наряду с квантовой эффективностью являются постоянная времени и чувствительность.

Постоянная времени фотоприемника характеризует его быстродействие и зависит от многих параметров: подвижности носителей заряда, ширины обедненной зоны, длины волны света, а также от того, движутся ли носители заряда под действием электрического поля или вследствие диффузии. Зная постоянную времени фотоприемника т, можно определить ширину пропускания фотодетектора: ∆ f _пр = 0,4/ τ. Таким образом, чем меньше т, тем больше полоса пропускания.

Постоянная времени фотодиода зависит от времени диффузии и времени перехода обедненной зоны. Поэтому важными параметрами являются толщина p-слоев и p—n-перехода. Общая тенденция заключается в уменьшении толщины n и p-областей и увеличении обедненной области. При этом возрастает также квантовая эффективность.

Толстый обедненный слой может создаваться различными способами, чаще всего слабым легированием части р- или n-области, которые делаются более толстыми в этом случае, либо введением специального слабо легированного i-слоя или слоя типа π собственно полупроводника.                                         

Чувствительность фотоприемника —это полный КПД преобразования световой мощности в электрический ток (отношение среднего значения фототока к среднему значению оптической мощности): S = I/P, А/Вт. С учетом (8.1) S = η q/(hf). Отсюда следует, что чувствительность фотоприемника тем выше, чем больше квантовый выход η, т. е. чем больше доля светового потока, поглощаемая в активной зоне.

Наибольшее распространение в волоконно-оптических системах получили фотодетекторы на основе р—i—n-фотодиодов (PIN) и лавинные (ЛФД).

На выходе ФД в зависимости от мощности оптического сигнала протекает фототок, определяемый выражением (8.1). В общем случае фототок состоит из отдельных носителей с зарядом q. Каждый носитель заряда вызывает импульс, длительность которого равна времени пробега носителя между электродами. Поэтому на постоянный либо изменяющийся с оптическим сигналом фототок накладываются нерегулярные колебания, чьи спектральные составляющие в полосе В при частоте модуляции со имеют среднеквадратическое значение 2qI|Г(ω)² | B. Множитель |Г(ω)|² описывает ослабление колебаний из-за дрейфа носителей и для времени дрейфа т_д определяется выражением

Таким образом, нерегулярные колебания приводят к дробовым шумам. Спектральное распределение этих шумов — равномерное вплоть до частоты f =1/ τ _д; только на более высоких частотах они уменьшаются из-за конечного времени дрейфа. Однако этот же эффект приводит к ослаблению сигнала в той же степени.

Дробовые шумы сопровождают не только фототок I принимаемого оптического потока, но и фототок I_Р рассеянного света, который большей частью подается одновременно в виде фонового излучения. Кроме того, дробовые шумы вызываются темновым током I_т, создаваемым термически возбужденными носителями заряда.

В целом средний квадрат флуктуации тока дробовых шумов I²_III =2q(I+Iр + Iт)|Г(ω)|²В

В лавинных фотодиодах происходит усиление тока в М раз, его флуктуации также умножаются как минимум в той же мере. В этом случае среднее значение квадрата флуктуации I²_ш=2q(I + Iр + Iт) |Г(ω) | ²В | М(ω) | ^2F. Здесь M(ω) обозначает усиление переменного тока, определяемое для лавинных фотодиодов выражением М(ω) =М₀ / (1 + i_ωτ). Коэффициент F учитывает увеличение дробовых шумов из-за нерегулярного характера умножения носителей заряда.

Усиление тока не остается постоянным во времени, а флуктуирует в зависимости от вида процесса умножения. При лавинном умножении в фотодиодах флуктуации усиления тока тем значительнее, чем больше усиление. В соответствии с этим дополни-

тельные шумы также возрастают с усилением тока. Для лавинных фотодиодов функция F(M) хорошо аппроксимируется степенным законом F — M^x. Показатель экспоненты находится в диапазоне х = 0,4... 1. Для германиевых диодов х=1, в то время как для кремниевых диодов х = 0,5, если в лавинную зону инжектируют преимущественно электроны. При инжекции дырок в лавинную зону кремниевых диодов показатель экспоненты увеличивается до x=1. Таким образом, в оптических приемниках использование фотодиодов приводит к тому, что значение шума зависит от сигнала. Эта особенность принципиально отличает приемники ВОСП от приемников классических систем передачи.

Приемный оптический модуль ПрОМ представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (р—i—n-фотодиода или лавинного фотодиода) и малошумящего предварительного усилителя. На рис. 8.22 приведены принципиальные схемы ПрОМ двух типов — с подключением фотодетектора к усилителю (схема «прямой линии») и с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через сопротивление R_o.c.

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким образом регулировать коэффициент лавинного умножения фотодиода. Это позволяет существенно расширять динамический диапазон модуля, но требует наличия в модуле блока автоматической регулировки усиления. В блоке АРУ получаемое напряжение должно сравниваться с напряжением опорного сигнала, определяющего амплитуду выходного сигнала модуля. Напряжение рассогласования должно поступать на схему, управляющую одновременно коэффициентами усиления ЛФД и усилителя.

В случае применения р—i—л-диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усиления упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании лавинного фотодиода с блоком АРУ.

В зависимости от того, в какой форме — аналоговой или цифровой— передаются данные по ОВ, требуется различная мощность оптических сигналов,  принимаемых   фотодетектором    (рис.  8.23).

8.4. ЛИНЕЙНЫЕ КОДЫ ВОСП

К линейным сигналам ВОСП предъявляются следующие требования:

спектр сигнала должен быть узким и иметь ограничение как сверху, так и снизу. Чем уже спектр сигнала, тем меньше требуется полоса пропускания фотоприемника, а соответственно уменьшаются мощность шума и его влияние. Ограничение спектра сверху снижает уровень межсимвольной помехи, а ограничение снизу— флуктуации уровня принимаемого сигнала в электрической части фотоприемника, имеющего цепи развязки по постоянному току. Минимальное содержание низкочастотных составляющих позволяет также обеспечивать устойчивую работу цепи стабилизации выходной  мощности оптического передатчика;

код линейного сигнала должен обеспечивать возможность выделения колебания тактовой частоты, необходимой для нормальной работы тактовой синхронизации;

код линейного сигнала должен обладать максимальной помехоустойчивостью, которая позволяет получать при прочих равных условиях максимальную длину участка регенерации;

код линейного сигнала должен обладать избыточностью, которая позволяет по нарушениям правила образования кота судить о возникновении ошибок;

код линейного сигнала должен быть простым для практической реализации преобразователей кода.

Для формирования линейных сигналов ВОСП используются блочные коды вида пВтВ, где п означает число кодируемых цифровых разрядов, В определяет двоичное основание системы счисления исходного кода, т — число передаваемых по ОВ двухуровневых сигналов, соответствующих п разрядам. Например, 1В2В обозначает, что один цифровой разряд передается двумя сигналами по ОВ и относительная скорость передачи в линейном тракте в 2 раза выше скорости входных символов.

Наиболее простыми линейными кодами являются так называемые NRZ-коды (без возвращения к нулю) и RZ-коды (с возвращением к нулю). В NRZ-коде «1» передается импульсами, а «0» — паузой (рис. 8.24, а). В RZ-коде «1» передается последовательностью из импульса и паузы, причем имеет в 2 паза меньшую длительность, а «0», как и раньше, передается паузой (рис. 8.24, б). Нормированные спектры кодов NRZ и RZ показаны на рис. 8.25. Недостатком кода RZ по сравнению с NRZ является необходимость использования более широкой полосы передачи из-за применения импульсов меньшей длительности, а преимуществом его является то, что источник оптического излучения в этом случае работает в течение меньшего времени и соответственно степень

деградации его параметров снижается. Согласно принятому определению RZ-код является примером 1В2В-сигнала. Недостаток рассмотренных кодов заключается в том, что они не удовлетворяют перечисленным требованиям (за исключением последнего пункта), поэтому такие коды могут быть рекомендованы лишь на линиях небольшой  протяженности  при отсутствии регенерационных участков.

Для снижения содержания в спектре сигналов низкочастотных компонент применяют манчестерский, или бифазный, код BIF, в котором «0» передается последовательностью из паузы и импульса, а «1» — последовательностью из импульса и паузы, причем длительность импульса в 2 раза меньше длительности «1» (рис. 8.24, в). В данном коде отсутствуют подряд более чем два идентичных символа, что определяет снижение в спектре низкочастотных компонент. Такой код также целесообразен при передаче в линиях малой протяженности без регенераторов и является примером 1В2В-сигнала. Пример кода 2В3В приведен на рис. 8.24, г. Алгоритм образования следующий: разряды 00 заменяются на 001; 01 на 010; 10 на 100 и 11 на 011. Такой код обеспечивает возможность снижения скорости передачи в линии по сравнению с 1В2В-сигналами.

К общим недостаткам рассмотренных кодов относятся следующие: невысокая помехозащищенность, сложности с выделением тактовой частоты, а также с обнаружением ошибки. По этой причине коды не могут быть рекомендованы для организации линейного тракта ВОСП большой протяженности. Введение корреляционных связей между амплитудами передаваемых двухуровневых сигналов позволяет устранять отмеченные недостатки.

Примером сигнала с корреляционными связями является код CMI или код с поочередной инверсией токовых сигналов, временные диаграммы и энергетический спектр которого показаны на рис. 8.24, д и рис. 8.25. Введение корреляционных связей в CMI позволяет обнаруживать ошибки,  приводящие к сбою чередования комбинаций 11 и 00 при передаче двоичной 1.

Одной из разновидностей сигналов  1В2В является код Миллера (М). Этот код, в котором кодовой посылке 0 бинарного сигнала ставится в соответствие кодовое слово 11 или 00, а кодовой посылке 1. — 01  или 10, причем последовательность нулей исходного бинарного сигнала  передается  чередованием  кодовых слов 11 или 00. При других комбинациях посылок бинарного сигнала первая кодовая посылка кодового слова должна быть такой же, как последняя предыдущего кодового слова  (рис. 8.24, е и 8.25). Например, бинарная последовательность 01100 передается в линейном   тракте   последовательностью   1110011100.   В  результате соседние переходы вида 10 или 01 в линейном сигнале будут находиться не ближе, чем на тактовый интервал Т, и не дальше, чем на 2Т, вследствие чего основная часть энергетического спектра линейного сигнала сосредоточена   в    области   ниже тактовой частоты f _т и низкочастотная составляющая энергетического спектра оказывается частично   подавленной   (составляет   30%  низкочастотной  составляющей   бинарного   сигнала  в  формате   NRZ). Контроль за появлением переходов с частотой, большей 1/Т, позволяет просто осуществлять оперативный контроль за появлением ошибок в регенераторе.

В качестве перспективных для использования в цифровых волоконно-оптических системах связи МККТТ предлагает двухуровневые коды 1В2В, 2ВЗВ, 5В6В. 6В8В и ЛШР, где символ IP обозначает добавление одной балансовой посылки к М бинарным (например, таким образом, чтобы число единиц и нулей в кодовом слове всегда было четным или нечетным).

В цифровых ВОСП для первичной ступени ИКМ иерархии целесообразно использовать код CMI; для вторичной — CMI и BIF; для третичной — BIF и код Миллера; для более высоких ступеней— код Миллера и скремблированный бинарный сигнал в формате NRZ.

Использование многоуровневых кодов по сравнению с двух уровневыми на городских, зоновых и магистральных сетях связи приводит к снижению энергетического потенциала системы на 15... 20 дБ. Поэтому многоуровневые коды рекомендуется использовать во внутриобъектовых линиях связи специального назначения.

8.5. ОПТИЧЕСКИЙ РЕТРАНСЛЯТОР

Передача информации по ОВ ограничивается максимальной мощностью излучения передатчика, затуханием и дисперсией ОВ, а также чувствительностью приемника. Эти обстоятельства накладывают ограничения на дальность передачи и объясняют необходимость установки ретрансляторов сигнала через участок определенной длины. Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием оптических сигналов в электрические, 190 с последующей регенерацией электрических сигналов и обратным преобразованием.

Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают световые сигналы непосредственно, не преобразуя их в электрические. Они содержат лазерный усилитель (оптический квантовый усилитель) и нелинейный поглотитель для частичной регенерации световых импульсов. Усилитель компенсирует потери передачи сигнала в световоде и нелинейном поглотителе, т. е. возвращает световым импульсам их первоначальную интенсивность. Нелинейный поглотитель сужает импульсы и тем самым частично компенсирует расширение импульсов и их перекрытие, которое происходит в ОВ из-за дисперсии материала и разброса времени пробега. Помимо этого он уменьшает уровень шумов и других интерференционных помех, находящихся в стороне от пиков импульсов. В настоящее время ретрансляторы на основе оптических квантовых усилителей находятся в стадии проектирования и опытной эксплуатации.

Наибольшее применение в технике оптической связи получили ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами (рис. 8.26). Оптический ретранслятор отличается от регенераторов проводных ЦСП только наличием оптических модулей (ПрОМ и ПОМ). Электронный регенератор (ЭР) содержит решающее устройство (РУ), устройство тактовой синхронизации (УТС) и формирователь сигналов (ФС).

Процесс регенерации в ЭР происходит следующим образом. Значения передаваемых символов (0 или 1) оцениваются решающим устройством, которое анализирует поступающий сигнал и принимает решение о том, какой символ передается по ОВ. В регенераторах при оценке значений символов используется прием методом однократного отсчета, что позволяет при относительно простой реализации получать высокую помехоустойчивость. Временные диаграммы (рис. 8.27) приведены для случая, когда с оконечной ВОСП передается в оптическую линию двухуровневый код с пассивной паузой (рис. 8.27, а). При этом в решающем устройстве периодически с тактовой частотой f_T=1/T производится стробирование сигнала на выходе ПрОМ и сравнение полученно-

го отсчета с порогом. При превышении порога в формирователе сигнала формируются импульсы прямоугольной формы с определенной амплитудой и длительностью (рис. 8.27, в). Стробирование сигнала осуществляется с помощью узких импульсов, которые вырабатываются устройством тактовой синхронизации (оис 8.27,6).

При передаче сигналов по ОВ величина ослабления и искажений    зависит    от    длины участка регенерации l_уч. При увеличении l_уч уровень оптического сигнала р_пр падает плавно на строительных отрезках ОВ и скачком в точках их соединений (рис. 8.28). Для восстановления сигнала необходимо, чтобы на входе ЭР уровень сигнала p_пр ≥ p_npmin, где р_{пр min} — минимальный уровень приема оптического излучения при котором происходит полное восстановление сигнала, т. е можно записать р_пер— α_в—n_р α_р—n_нα_н—аl_уч ≥ р_пр, где р_пер — уровень передачи на выходе станции или регенератора; а„ — потери при вводе и выводе излучения в волокно; α _Р, α _н — потери в разъемных и неразъемных соединениях на длине регенерационного участка. Это выражение удобно записать в виде

где Q=p_nep—а_в—P_npmin — энергетический потенциал ВОСП. Из (8.2) можно получить значение l_уч по затуханию: l_уч ≤ (Q—n_Р α _Р—n_H α_H)/ α.

Кроме затухания ОВ длина участка регенерации ограничивается за счет дисперсионных потерь. Для уменьшения межсимвольной интерференции необходимо выполнение неравенства

где В — скорость передачи информации; о — среднеквадратическая ширина импульсной характеристики в кабеле длиной 1_уч. Из (8.3) следует, что 1_yч ≤ 0,25/( σ₀В), где σ_с — среднеквадратическое уширение импульса в ОВ длиной 1 км. Следовательно, для определения максимальной длины регенерационного участка необходимо решить систему неравенств

            Расчеты по определению l_уч показывают существенные преимущества оптических систем передачи, где регенерационные расстояния превышают 100 км. При использовании коаксиальных кабелей длина 1_уч составляет 1,5... 6 км.

Следует отметить возможность создания ВОСП, не содержащих регенераторы, что объясняется значительным прогрессом в технологии производства активированных оптических волокон и мощных полупроводниковых лазеров. Так, к концу столетия Должна быть сдана в эксплуатацию трансатлантическая ВОСП протяженностью более 6000 км, не содержащая ретрансляционных станций.

8.6. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Аппаратура ВОСП для ГТС. Волоконно-оптические системы передачи, как и СП, работающие по металлическому кабелю, подразделяются на городские, внутризоновые и магистральные. К системам передачи, работающим по оптическому кабелю на линиях ГТС, относятся «Соната-2», ИКМ-120-4/5 и «Сопка-Г» (ИКМ-480-5), технические данные которых приведены в табл. 8.2.

В состав ВОСП «Соната-2» (рис. 8.29) входят: оборудование аналого-цифрового преобразования из состава ИКМ-30 или ИКМ-30-4; комплект оборудования вторичного временного группообразования (КВВГ) из состава ИКМ-120; комплекты стоек оборудования линейного световодного тракта оконечной. (КОЛСТ-0-2) и промежуточной (КОЛСТ-П-2); устройство стыка станционного и линейного оптического кабелей (УССЛК); линейный оптический кабель; станционный оптический кабель; шнуры световодные соединительные (ШСС).

Стойка СОЛСТ (рис. 8.30) предназначена для преобразования сигналов ,на стыке между аппаратурой вторичного временного группообразования к линейным световодным трактом, компенсации затухания участка кабельной линии, стоечного контроля, организации телеконтроля и служебной связи (СС). Оконечная    (СОЛСТ-О)    и   промежуточная    (СОЛСТ-П)    стойки   выполняют-

ся в виде функционально законченных узлов — кассет (комплектов)  оборудования линейного световодного тракта (КОЛСТ-О и КОЛСТ-П).

Каждая кассета содержит следующие блоки: ПК — преобразователь кода, выполняющий функции преобразования линейных кодов HDB-3 в коды CMI и обратно; РЛ — регенератор линейный, выполняющий функции передачи, приема оптических сигналов и регенерации электрических сигналов, передаваемых в коде CMI; KT — блок контроля тракта, выполняющий функции контроля ошибок для передаваемого по тракту сигнала в коде CMI, обнаружения сигнала системы обслуживания, преобразования последнего в сигнал со скоростью 64 кбит/с и передачи его в систему обслуживания (блок КТ-2), а также формирования вторичного сигнала обслуживания на основе принятой информации от блока КТ-2, который поступает на приоритетный вход передающей части РЛ; КК — блок контроля кассеты, выполняющий функции первичного сбора информации о состоянии оборудования кассеты и передачи этой информации в кассету оборудования обслуживания стойки (КООС), а также выдачу контрольного слова по команде оператора с целью самопроверки подсистемы контроля стоечного оборудования; СН-1 — стабилизатор напряжения, обеспечивающий два питающих напряжения: 5 и 12 В. В каждую кассету входит два блока СН-1; ВУ— входное устройство, выполняющее функцию обнаружения и сигнализации о неисправном блоке СН-1, а также обеспечивающее фильтрацию напряжения— 60 В.

            Входной информационный сигнал от аппаратуры ВВГ поступает на блок ПК в коде HDB-3. Здесь происходит преобразование кода линейного сигнала из HDB-3 в CMI. Далее сигнал в коде CMI поступает в блок РЛ, где электрическая последовательность оптических импульсов через выходной оптический соединитель поступает в оптический кабель.

            Принимаемая последовательность оптических импульсов через приемный оптический соединитель попадает на лавинный фотодиод, оптические импульсы преобразуются в последовательность электрических импульсов, которые после усиления, коррекции и регенерации поступают в блок ПК- После обратного преобразования линейного сигнала из кода CMI в код HDB-3 информационный сигнал поступает на стойку вторичного временного группообразования (СВВГ). Отрегенерированный принятый сигнал в коде CMI поступает также в блок КТ, где определяется коэффициент ошибок и анализируется на предмет обнаружения комплексного сигнала системы обслуживания (СО). В случае обнаружения последнего сигнал СО выделяется и преобразуется в сигнал 64 кбит/с, который передается в КООС (в блок КТ-2). Кроме того, блок КТ вырабатывает сигнал автоматического включения системы телеконтроля.

            В случае неисправности оконечной (промежуточной) аппаратуры или световодного линейного тракта на исправном участке примыкающем к КОЛСТ-О, автоматически организуется тракт системы контроля и служебной связи.

            Сигналы контроля работоспособности блоков РЛ, ПК, СН-1 поступают на блок КК, откуда передаются в КООС по соответствующему запросу.

Кассета КОЛСТ-П включает в себя следующие устройства: РЛ — регенератор линейный; КТ—блок контроля тракта; КК—блок контроля кассеты; СН-1—-стабилизатор напряжения; ВУ — вводное устройство.

            Кассета оборудования обслуживания стойки оконечной и , промежуточной (КООС) обеспечивает контроль состояния до четырех контролируемых КОЛСТ* формирование первичного сигнала телеконтроля на основе данных о состоянии контролируемого оборудования, а также принятой информации ТК, организацию телеконтроля и служебной связи по линейному световодному тракту, введенному в режим СО автоматически при появлении сигналов «авария>, приеме информации СО либо принудительно. При этом кассеты синхронно объединяют сигналы ТК и СС, образуя передаваемый первичный сигнал СО, а также разделяют последний на сигналы ТК и СС. Кроме того, кассета ООС обеспечивает анализ принятой информации ТК, отображение номеров аварийного пункта, тракта и вида аварии.

            Система обслуживания линейных световодных трактов аппаратуры «Сона-та-2» работает следующим образом. При полном заполнении стойка СО рассчитана на обеспечение восьми линейных трактов с числом контролируемых пунктов в каждом тракте не более 10.

В СО входят связанные и взаимодействующие между собой подсистемы: КС —контроля стоечного оборудования; ОС — общестоечной сигнализации; Кт — контроля оборудования трактов; СС — служебной связи.

            Подсистема контроля стоечного оборудования при полном заполнении стойки состоит из блоков контроля кассет КК (от одного до восьми по числу контролируемых КОЛСТ) и двух блоков КС

            Блоки КК устанавливаются в КОЛСТ-О(П), а КС —В КООС-О(П). Они обмениваются двумя четырехразрядными сигналами передачи данных (о работе оборудования двух направлений передачи линейного сигнала) и связаны шиной управления и взаимодействия.

            Блоки КК осуществляют первичный сбор информации с датчиков работоспособности контролируемых устройств, установленных в каждом блоке; При исправности контролируемого устройства датчик состояния (ДС) на своем выходе вырабатывает сигнал логического «нуля», а в случае неисправности — логической «единицы».

            Сигналы неисправности с ДС поступают на блок КК, где обрабатываются по приоритету и в виде четырехразрядного слова выставляются на шину данных по запросу с блока КС. Обработка сигналов с КС по приоритету означает, что, например, при пропадании питания будет индицироваться только данная неисправность и не будут индицироваться все остальные, вызванные этой неисправностью.

Датчик коэффициента ошибок конструктивно размещен в блоке КТ и осуществляет анализ линейного сигнала одного направления передачи.

            Блок КС является вторичным звеном сбора информации о состоянии контролируемого оборудования. Каждый КС взаимодействует с блоками КК и осуществляет сбор, хранение и отображение информации о состоянии контролируемого оборудования данной стойки и взаимодействует с системой контроля трактов.

            Подсистема общестоечной сигнализации состоит из блока ОС и табло аварийной сигнализации стойки. Блок ОС вырабатывает сигналы включения общестоечной, рядовой и станционной сигнализации. На. входы блока поступают следующие сигналы: «Авария-1» от блока КС; «Авария-2» от блока КТ-3; о пропадании сигнала +5 В в КООС; сигнал вызова по служебной связи от блока СС. Блок ОС формирует сигналы включения реле: аварийной сигнализации,, служебной связи, звонка.

            Подсистема контроля оборудования линейных световодных трактов включает в себя блоки КТ-1, КТ-2, КТ-3, КТ и РЛ.

            Блок КТ-1 взаимодействует с блоком КС (путем обращения к ОЗУ). На основе принятой из блока КС информации блок КТ-1 формирует сигнал телеконтроля в последовательном двоичном коде. Режим работы блока КТ-1 обеспечивает: самостоятельную циклическую выдачу групп ТК в направлении, с которого не принят сигнал ТК; выдачу сформированного сигнала ТК в дополнение к принятой с соседних станций информации. Кроме того, блок КТ-1 формирует ряд сигналов, организующих работу блоков КТ-3.

            Блок КТ-2 вырабатывает все необходимые для работы КООС и блока КТ тактовые импульсы, принимает из блока КТ информацию о включении режима ТК в каком-либо тракте, выдает команды в блок КТ-1 на формирование сигнала ТК и в блок КТ для включения ТК в соответствующем тракте. Кроме того, КТ-2 осуществляет: прием из блока КТ комплексного первичного сигнала СО и разделение его на сигналы ТК и СС; прием информации ТК и СС из блоков КТ-1 и ДК; объединение ее в комплексный первичный сигнал СО и выдачу последнего в блок КТ    для формирования вторичного сигнала СО    со скоростью 8,448 Мбит/с.

            Блок КТ-3 входит в состав КООС только на оконечных станциях и осуществляет: прием информации ТК о состоянии линейных трактов; запись информации в ЗУ; анализ и отображение аварийных ситуаций с указанием номера аварийного тракта, пункта и вида неисправности.

            Подсистема служебной связи обеспечивает переговоры обслуживающего персонала (при работающих линейных световодных трактах) между оконечными пунктами с использованием служебного канала на оборудовании ВВГ, а между оконечными и промежуточными — по линиям ГТС.

            В состав КООС входит блок СС (служебной связи), имеющий два режима: СС-1 и СС-2. Первый предназначен для организации СС по свободным металлическим проводам, имеющимся на ГТС. В этом режиме выходы блоков «Линия» постоянно подключены к выделенной паре проводов. Режим. СС-2 служит для ведения служебных переговоров по линейному световодному тракту с перерывом связи. Аналоговые сигналы СС преобразуются в цифровые сигналы с помощью блока «дельта-кодек» (ДК) и передаются по линейному тракту совместно с сигналом контроля тракта в виде комплексного сигнала обслуживания.

            Конструкция и комплектация СОЛСТ-0 и СОЛСТ-П идентичны. Каркасы стоек предназначены для размещения восьми кассет оконечного оборудования линейного световодного тракта и двух кассет оборудования обслуживания стойки.

Стык станционного и линейного световодных кабелей осуществляется в устройстве стыка станционного и линейного световодных кабелей (УССЛК), которое представляет собой плату размерами 650x194x16 мм, защищенную кожухом, с устройством для ввода одного линейного световодного кабеля емкостью 4 или 8 оптических волокон и четырех двухволоконных станционных кабелей. Сращивание волокон линейного и станционного кабелей осуществляется методом сварки.

            В качестве линейного используются, кабели ОК-50-2-5-8 и ОК-50-2-5-4, предназначенные для прокладки в телефонной канализации ГТС.

            Аппаратура вторичной цифровой системы передачи ИКМ-120-4/5 относится к четвертому, а блоки световодного линейного тракта — к пятому поколению средств связи. Аппаратура предназначена для организации межузловой и межстанционной связи ГТС и позволяет организовывать соединительные линии между АТС всех типов, а также между АТС и АМТС всех типов.

            В состав оборудования оконечной станции ИКМ-120-4/5 (рис. 8.31) входят: оборудование световодных переключений (ОСП),'обеспечивающее ввод оптического линейного и переход к станционному ОК; оборудование линейного тракта (ОЛТ), обеспечивающее прием и преобразование оптического линейного сигнала в электрический сигнал, его регенерацию, коррекцию, передачу и преобразование

его в линейный оптический сигнал. Для организации двух линейных световодных трактов используется блок ОЛТ-24 с двумя комплектами КЛТ-2С.

            Для системы ИКМ-120-4/5 разработаны четыре типа комплектов КЛТ-2С, параметры которых приведены в табл. 8.3.

            Оборудование вторичного группообразования (ОВГ-21) объединяет четыре цифровых потока 2,048 Мбит/с в один групповой поток со скоростью 8,448 Мбит/с на передаче и производит обратное преобразование на приеме; аналого-цифровое оборудование (АЦО-11) преобразует каналы ТЧ в цифровой поток 2,048 Мбит/с; согласующее оборудование межстанционных линий АТС,  АМТС (ОСА) обеспечивает согласование оборудования ИКМ с оборудованием АТС всех типов. При включении ИКМ трактов в электронные АТС непосредственно вводятся цифровые потоки со скоростью 2,048 Мбит/с с блока ОВГ-21. При этом блоки ОСА-13 и АЦО-11 не устанавливаются.

            Система ИКМ-120-4/5 содержит оборудование ТК и СС, выполненное в виде блоков УСО и ТСО. Оборудование ТК ИКМ-120-4/5 работает в одном из трех следующих режимов: контролирующем, контролируемом и промежуточном. В соответствии с этим система ТК включает в себя: контролирующую станцию (ТТ), главную по телеконтролю; контролируемую станцию (ОТ), оконечную по телеконтролю; промежуточную контролируемую станцию (ПТ); промежуточную контролируемую станцию с ретрансляцией дистанционного питания цепи ТК для увеличения дальности ТК.

            Блоки аппаратуры ИКМ-120-4/5 устанавливаются на унифицированные стоечные каркасы СКУ с размерами 2600x600x225 и 2150x600x225.

            В состав оборудования системы передачи «Сопка-Г» (ИКМ-480-5) входят {рис. 8.32): оборудование линейного тракта ОЛТ-01, в котором могут быть установлены два комплекта линейного тракта КЛТ-31  (КЛТ-32)  для организации

двух линейный световодных трактов третичной ЦСП ИКМ-480-5 на оконечной станции. Блок также предназначен для организации электропитания и передачи сигналов аварийной информации в блок УСО-01.

            Для аппаратуры разработаны два типа КЛТ, работающих на длине волны оптического излучения 1,3 мкм и отличающихся режимом работы лазерного излучающего диода (одномодовый и многомодовый). В КЛТ происходит преобразование цифрового сигнала из станционного кода HDB-3 в линейный код \В2В (MCMI) и затем преобразование в оптический сигнал на выходе тракта передачи и обратное преобразование оптического сигнала в электрический на входе тракта приема оконечного оборудования и РП.

            Блок ОСП служит для перехода с линейного оптического кабеля к станционным. Предусмотрено подсоединение одного 16-волоконного, либо двух 8-воло-конных, либо четырех 4-волоконных линейных ОК и 16 станционных одноволо-конных ОК. При использовании многомодовых ОК соединение может быть разъемным, но с дополнительным затуханием до 6 дБ либо сварным. При использовании одномодовых линейного и станционного ОК соединение выполняется только сварным способом.

            Система сигнализации и обслуживания ИКМ-480-5, ИКМ-120-4/5 и ИКМ-30-4 унифицирована. Основным блоком системы является УСО-01, на который поступает информация о состоянии блоков с локализацией места неисправности с точностью до платы. В системе использована организация обмена информацией между УСО-01 и другими блоками. Предусмотрена возможность подключения к одному блоку УСО-01 до 99 блоков любого типа, а также резервирование УСО-01 блоками другого ряда. Аварийные состояния блоков фиксируются загоранием световода на передней панели УСО-01.

            Система телеконтроля осуществляет дистанционное определение аварийных состояний рабочих блоков промежуточных и оконечных станций. Скорость передачи служебной информации совместно с информационным сигналом по рабочей паре ОК составляет 64 кбит/с. По назначению станции подразделяются на главную (контролирующую), контролируемую оконечную и промежуточную. Для организации ТК на главной станции имеется блок ТСО-01 (см. рис. 8.31), который совместно с УСО-01 обеспечивает передачу на контролируемую станцию сигналов запроса, приема аварийных сигналов и передачу их в блок УСО-01 на устройство отображения. С помощью одного блока ТСО-01 с пятью комплектами

плат, каждая из которых работает по своему каналу со скоростью 64 кбит/с, организуется пять направлений ТК. В каждом направлении передачи контролируются несколько последовательно расположенных друг за другом станций. Общее число контролируемых на этих станциях блоков не превышает десяти.

На контролируемой (оконечной и промежуточной) станциях блок ТСО-02 вырабатывает команду запроса о состоянии блоков контролируемых станций, происходят сбор и передача (транзит) по каналу ТК совместно с информационным сигналом аварийной информации. Один блок ТСО-02 может обслуживать три направления ТК, содержит три комплекта плат, каждый из них имеет индивидуальный стык с каналом 64 кбит/с контролируемого направления. Вместо канала ТК предусмотрена организация цифрового канала СС.

            Аппаратура цифровых ВОСП для зоновых и магистральных линий связи. Для уплотнения зоновых и магистральных ОК разработаны системы передачи «Сопка-2», «Сопка-3», «Сопка-ЗМ», «Сопка-4», «Сопка-4М», «Сопка-5» и «Соп-ка-5 ТСЛ», основные технические данные которых приведены в табл. 8.4.

            Системы «Сопка-2» и «Сопка-3» предназначены для организации вторичных и третичных цифровых потоков на первичных сетях и передачи различной информации в дискретном виде. В состав оборудования (рис. 8.33) входят стойки: стойка аналого-цифрового оборудования (САЦО), входящая в состав ИКМ-30 (ИКМ-30-4); стойка вторичного временного группообразования из состава оборудования ИКМ-120 (СВВГ); стойка третичного временного группообразования из состава оборудования ИКМ-480 (СТВГ); стойка оборудования линейного тракта оконечная (СОЛТ-О); стойка телемеханики и служебной связи оконечная (СТМСС-О).

            Стойка САЦО в полном составе формирует четыре цифровых потока с» скоростью передачи 2,048 Мбит/с. В СВВГ формируются цифровые потоки, соответствующие 120 каналам ТЧ со скоростью передачи 8,448 Мбит/с. В СТВГ формируются потоки, соответствующие 480 каналам ТЧ со скоростью передачи 34,368 Мбит/с. Эти сигналы в стыковочном, коде HDB-3 поступают на СОЛСТ-О, которая обеспечивает: формирование, передачу и прием линейного сигнала; по-

этапное преобразование цифрового электрического сигнала из кода HDB-3 в линейный код 5В6В; преобразование электрического сигнала в оптический линейный сигнал; преобразование информационного оптического сигнала в электрический; контроль линейного оборудования и линейного тракта; организацию служебной связи.

На качество передачи оказывает влияние тип линейного кода. В аппаратуре «Сопка-2» и «Сопка-3» используется блочный сбалансированный код 5В6В, удовлетворяющий основным требованиям, предъявляемым к линейным оптическим кодам. Для семейства систем «Сопка» расчетный коэффициент ошибок для одиночного регенератора составляет 10~¹⁰.

            Оборудование телемеханики и служебной связи, размещенное в стойке СТМСС, предназначено для сбора, передачи и отображения на каждом оконечном пункте информации сигналов извещения с датчиков и схем контроля, установленных на каждом НРП и ОРП. На ОРП обеспечиваются сбор и отображение информации только с НРП, входящих в секцию обслуживания данного ОРП. Оборудование ТМ ОП обслуживает 33 пункта с нумерацией от 0 до 32. Секция обслуживания ОРП включает в себя данный ОРП и до четырех НРП, прилегающих к каждой из сторон с отображением общего порядкового номера НРП в системе ТМ. Информация со среднего НРП поступает на два соседних ОРП одновременно. Система ТМ обеспечивает циклический опрос всех промежуточных пунктов с помощью 16 сигналов извещения, передаваемых с каждого НРП, ОРП и ОП.

            В аппаратуре используется метод централизованного адресно-циклического опроса с передачей контрольных сообщений с опрашиваемых НРП, ОРП, ОП на оба ОП и все ОРП. Любой из ОП может выполнять функцию ведущего и по запросу оператора представить информацию о состоянии датчиков на каждом из контролируемых пунктов. Ведущий ОП последовательно осуществляет опрос всех пунктов с указанием адреса опрашиваемого пункта в команде. Опрашиваемый пункт формирует и передает контрольное сообщение, которое содержит код номера сигнализирующего датчика, информацию о состоянии оборудования и наличии сообщений в памяти этого пункта. На ОРП выделяется информация, относящаяся к данной секции обслуживания. Сообщения с НРП и ОРП передаются одновременно на оба ОП и выводятся на табло по команде «Вывод».

            Для передачи сигналов ТМ используется канал с частотной модуляцией, использующий низкочастотную часть спектра линейного сигнала в коде 5В6В. Между контролируемым оборудованием по данному каналу осуществляется дуплексная связь.

Оборудование служебной связи, работающее по одной паре оптического кабеля, предназначено для организации СС персонала ОП, ОРП и НРП. Цифровые сигналы СС передаются на низкочастотной части спектра совместно с информационным сигналом методом адаптивной дельта-модуляции с последующим компандированием и скоростью передачи 0,032 Мбит/с. В направлении передачи сигнал СС подается на вход кодера, где преобразуется в дельта-модулированный цифровой сигнал, затем преобразуется в цифровой линейный сигнал СС в коде CMI и вместе с информационным сигналом поступает на вход КОЛСТ-О, где с помощью ПОМ формируется линейный оптический сигнал.

            На входе тракта приема в ПрОМ осуществляется обратное преобразование линейного оптического сигнала в электрический сигнал, представляющий собой смесь информационного сигнала в коде 5В6В и цифрового сигнала СС в коде

CMI. Фильтр НЧ выделяет цифровой сигнал СС, имеющий скорость 0,032 Мбит/с, который затем поступает на вход регенератора, где происходит полное восстановление его параметров, и после преобразования кода CMI в двоичный поступает на декодер. С выхода декодера тональный сигнал СС подается на приемное

устройство сигналов СС.

            Для  связи  с  НРП  предусмотрено  переговорное устройство  с  автономным

питанием.

            Аппаратура «Сопка-4» применяется на магистральных соединительных линиях с использованием одномодового кабеля с коэффициентом затухания менее 0,7 дБ/км при длине волны излучения 1,3 мкм. Аппаратура позволяет организовывать 1920 каналов ТЧ (или ОЦК) и передавать любую информацию в дискретном виде.

            Комплекс аппаратуры «Сопка-4» состоит из типового цифрового каналооб-разующего оборудования первичного, вторичного, третичного и четверичного группообразования, которое на каждом ОП обеспечивает транзит либо ответвление четверичного (139,264 Мбит/с), третичного (34,368 Мбит/с) и первичного (2,048 Мбит/с) цифровых потоков. На каждом ОП осуществляется транзит четверичного цифрового потока без аппаратуры временного группообразования.

            Аппаратура «Сопка-4» включает в себя: стойку оборудования линейного тракта четверичную оптическую (СОЛТ-4-О) с устройством стыка станционного и линейного кабеля (УССЛК). Стойка СОЛТ-4-0 предназначена для эксплуатации не только на OTI, но и на транзитном регенерационном пункте (ТРП), а также на ОРП с возможностью ответвления цифрового потока со скоростью, меньшей   139,264 Мбит/с.   Оборудование стойки   СОЛТ-4-0   выполняет   следующие функции:

            прямое и обратное преобразование информационного сигнала в коде CMI в линейный сигнал в коде 10B1P1.R. В качестве символов кода 10В1Р1Й помимо десяти информационных символов присутствуют еще два дополнительных Р и R. Функции символа R заключаются в передаче дополнительной информации, а именно: къда синхронизации, сигналов СС,- символов ТМ, резервных цифровых потоков. Функции символа Р заключаются в организации процесса компенсации дрейфа постоянной составляющей кода 10B1P1.R. Частота следования дополнительных символов Р и R составляет 27,85 МГц при скорости передачи сигналов в линии 167,1168 Мбит/с;

            преобразование электрического сигнала в оптический и обратно;

            ввод (вывод)  в структуру линейного сигнала информации от оборудования ТМ, СС и дополнительного тракта со скоростью передачи сигналов 2,048 Мбит/с

для спецпотребителя;

            контроль и измерение коэффициента ошибок линейного сигнала;

            контроль качества работы узлов линейного оборудования;

            формирование   и   распознавание сигнала индикации   аварийного   состояния

(СИАС).

            В состав ЗИП включены устройства затухания. Это объясняется тем, что допускается проектирование укороченных участков регенерации на секции ОП-ОП (ОРП). Разброс длин участков регенерации компенсируется оптическими аттенюаторами и системой АРУ в приемных оптоэлектронных устройствах (УПРО-О) оборудования СОЛТ-4-0 или АРП-4-О. Минимальная длина участка регенерации составляет 12 км. Для компенсации длин укороченных участков на входе приемного оптического модуля  СОЛТ-4-0 устанавливаются нерегулируемые устройства затухания (НУЗ). В процессе настройки оборудования линейного тракта используют регулируемые устройства затухания (УЗ).

            Аппаратура ТМ состоит из оборудования, устанавливаемого на ОП линий передачи, стоек ТМ (ОТМ) и блоков ТМ (БТМСС), устанавливаемых на НРП.. Аппаратура ТМ рассчитана на обслуживание оптических линий передачи, содержащих 28 пунктов контроля, пять из которых могут быть обслуживаемыми. Одной системой ТМ обслуживается четыре цифровые ВОСП «Сопка-4». Стойка телемеханики (СТМ) предназначена для автоматизированного контроля за состоянием аппаратуры линейных трактов ОК с восемью ОВ и состоянием станционных помещений всех типов. Функции участковой и магистральной связи в аппаратуре «Сопка-4» совмещены. Сигналы ТМ передаются совместно с информационными сигналами. Канал ТМ формируется ь основном линейном тракте и передается по двум трактам передачи одновременно. Ввод сигналов ТМ осуществляется как в информационный сигнал, так и в сигнал, передаваемый при пропадании основного, так назывемый сигнал индикации аварийного состояния (СИАС). Как отмечалось, сигналы ТМ передаются за счет введения в цифровой поток дополнительных информационных символов в коде.

            Документирование и отображение информации производятся электронным телеграфным аппаратом и видеоконтрольным устройством.

            Система СС предназначена для организации оперативной телефонной связи эксплуатационно-технического персонала между ОП, ОРП и НРП по оптическому кабелю. Оборудование СС состоит из аппаратуры, устанавливаемой на ОП, стоек СС (ССС) и блоков СС (БТМСС), устанавливаемых в НРП. Для обеспечения нормальной эксплуатации линейного оборудования и линейно-кабельных сооружений используется два вида СС: постанционная (ПСС), предназначенная для организации связи между ОП, и участковая (УСС) — для организации связи между смежными ОП и связи их с НРП.

            Цифровые сигналы СС передаются одновременно с информационном сигналом за счет введения в цифровой поток дополнительных символов. Каналы ПСС дублируют друг друга. Передача и прием сигналов по каналам УСС ведутся по-двум системам одновременно. Сигналы СС вводятся, в основной цифровой поток на этапе формирования сигнала передачи, где происходит увеличение скорости передачи, за счет чего образуются дополнительные места для записи сигналов-ПСС и УСС. На приеме сигналы ПСС и УСС выделяются устройством коммутации и синхронизации стойки СОЛТ-4-О. Ввод и выделение этих сигналов не зависят от другой сервисной информации, которая дополнительно может вводиться в линейный сигнал. Предусмотрен ввод и вывод сигналов УСС в любом НРП.

            Особенности развития ВОСП на данном этапе заключаются в следующем. Во-первых, это переход к более длинноволновому диапазону, превышающему длину волны излучения 1,3 мкм. Осваивается серийный выпуск электрооптических элементов и кабелей, работающих в диапазоне длин волн 1,55 мкм. В этом диапазоне коэффициент затухания кабеля уменьшается до 0,3 дБ/км, что позволяет увеличивать- длину участка регенерации до 100 км. В более длинноволновом диапазоне (до 10 мкм) за счет снижения коэффициента затухания кабеля длина регенерационного участка может быть увеличена до 500 км. Во-вторых, это увеличение скорости передачи информации до нескольких гига-бит в секунду, применение спектральных методов уплотнения. В-третьих, это применение   более  эффективных  методов  модуляции   оптического  излучения  и

когерентных методов приема сигнала, что позволит повышать чувствительность цифровых ВОСП на 5... 20 дБ по сравнению с системами с прямым фотодетектированием.

            На стадии экспериментальных исследований находятся системы, в которых используются нелинейные свойства оптических волокон с целью создания соли-тонового режима распространения. В таком режиме скорость передачи может достичь нескольких десятков гигабит в секунду при длине регенерационного участка до 100 км.

            К новому поколению ВОСП можно отнести такие системы передачи, как «Сопка-Г» (городская связь), «Сопка-3М» (зоновая связь), «Сопка-4М» и «Сопка-5» (магистральная связь). Отличительная особенность аппаратуры зоновой «вязи «Сопка-3М» — более высокий диапазон волн (1,55 мкм). В этом диапазоне коэффициент затухания уменьшается до 0,3 дБ/км, р. длина участка регенерации достигает 70 км.

Для организации магистральной связи применяются новые системы «Сопка-4М» и «Сопка-5». Они также работают на длине волны излучения 1,55 мкм, длина участка регенерации составляет 70... 100 км. В системе «Сопка-5» используется аппаратура ЦСП ИКМ-7680. Система «Сопка-5 ТСЛ» разрабатывается для использования на транссибирской линии, оптической связи, которая замкнет глобальное цифровое кольцо связи.

Глава 9.    РАДИОРЕЛЕЙНЫЕ И СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

9.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

            Радиорелейная система передачи (РРСП)—радиосистема, в которой сигналы электросвязи передаются порредством радиоволн в открытом пространстве с помощью наземных ретрансляционных станций.

            Существуют два вида РРСП: радиорелейная система передачи прямой видимости (РРСППВ), станции которой размещаются на расстоянии прямой видимости, и тропосферная радиорелейная система передачи (ТРРСП), в которой используются рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении станций за пределами прямой видимости.

            Спутниковая система передачи (ССП) — космическая система передачи, осуществляющая электросвязь между .земными станциями этой системы с помощью установленных на искусственных спутниках Земли ретрансляционных станций или пассивных спутников.

            Структурная схема РРСП (рис. 9.1) содержит радиорелейные станции трех типов: оконечную (ОРС), промежуточную (ПРС) и узловую   (УРС). Многоканальный сигнал от междугородной те-

лефонной станции (МТС), где находится аппаратура преобразования (АП), или телевизионный сигнал от междугородной телефонной аппаратной (МТА) поступает по кабелю на ОРС. В аппаратуре линейного тракта (АЛТ), которая размещена в оконечной стойке (телефонной или телевизионной), происходит преобразование многоканального или телевизионного сигнала в сигнал, передаваемый по РРСП. На второй ОРС осуществляется обратное преобразование. Одна цепочка приемопередатчиков (ПрПер) образует сверхвысокочастотный (СВЧ) симплексный ствол. Два СВЧ симплексных ствола, работающие во встречных направлениях, образуют дуплексный СВЧ ствол. В зависимости от передаваемых сигналов СВЧ стволы называют телефонным или телевизионным рабочим стволом.

            Для увеличения пропускной способности РРЛС на каждой радиорелейной станции устанавливают несколько комплектов приемопередающей аппаратуры, подключаемых к общей антенне. Комплекты приемопередатчиков входят в состав СВЧ стоек. Магистральные РРЛС могут иметь до восьми дуплексных СВЧ стволов (из них шесть-семь рабочих и два-один резервный).

            Промежуточные станции предназначены для приема сигналов СВЧ предыдущей станции, преобразования СВЧ сигналов в сигналы промежуточной частоты (ПЧ), их усиления, обратного преобразования сигналов ПЧ в сигналы СВЧ и передачи их в направлении следующей станции. На ПРС соединение приемников и передатчиков осуществляется по промежуточной частоте (без демодуляции сигнала в приемнике и модуляции в передатчике). На ПРС используют две антенны, расположенные на одной опоре. Каждая антенна — приемопередающая, т. е. используется для приема и передачи. СВЧ сигналов с одного направления.

            На УРС выделяют и вводят часть каналов ТЧ через аппаратуру выделения (АВ), т. е. в телефонных стволах производится демодуляция сигнала в приемнике и модуляция в передатчике. В телевизионном стволе на УРС можно сменить телевизионную программу. Узловая станция может быть началом новых РРЛС (на ответвление).

            Выбор диапазона СВЧ для работы радиорелейных и спутниковых СП определяется необходимостью передавать сигналы с широким  спектром  частот  и  использовать  помехоустойчивые виды модуляции, например ЧМ-или ФМ, требующие увеличения поло-

сы пропускания ствола. По телевизионному рабочему стволу следует передавать сигнал с верхней частотой F_B = 6 МГц, в случае передачи многоканального сигнала F_B зависит от числа телефонных каналов N в линейном спектре (табл. 9.1).

            Согласно Регламенту радиосвязи часть шкалы электромагнитных колебаний (рис. 9.2) (ультракороткие волны УКВ) содержит следующие диапазоны: 8-метровых волн (очень высокие частоты); 9-дециметровых волн (ультравысокие частоты); 10-сантиметровых волн (сверхвысокие частоты). Для работы современных РРСП выделены полосы частот в диапазонах 2; 4; 6; 8 и 11 ГГц. Это в основном сантиметровые волны, которые распространяются в пределах прямой видимости. Расстояние прямой видимости для гладкой сферической поверхности Земли с учетом нормальной (стандартной) рефракции R = 4,12(√ h₁+ √ h₂), где h₁ и h₂ — высоты подвеса передающей и приемной антенн, м. Реально протяженность пролетов РРЛС зависит от рельефа местности и при h= 15... 120 м R= 40 ...60 км.

Применение РРЛС можно рассматривать как способ примирения противоречия между способностью СМВ передавать широкополосные сигналы и ограниченной дальностью их распространения.

К достоинствам диапазона СВЧ относится отсутствие промышленных и атмосферных помех и возможность применения остронаправленных антенн, что позволяет ограничивать мощность передатчиков единицами ватт (0,1... 10 Вт).

В аналоговых РР и ССП для передачи многоканальных сигналов с ЧРК и сигналов телевизионного вещания применяется ЧМ, которая позволяет обеспечивать высокую помехоустойчивость передачи сообщений. При ЧМ мгновенная частота радиосигнала f(t)=f₀+ ∆ f(t)'=f₀ + K_чми(t), где f₀ — частота несущей; ∆ f(t) — девиация частоты (максимальное отклонение частоты под действием   модулирующего   сигнала);    K_чм— коэффициент    передачи

(крутизна характеристики) частотного модулятора; u(t)—модулирующий сигнал. Девиация частоты зависит только от уровня модулирующего сигнала и не зависит от модулирующей частоты.

Эффективная девиация частоты на канал (т. е. эффективная девиация частоты на выходе модулятора, соответствующая измерительному сигналу мощностью 1 мВт на входе любого канала ТЧ) согласно рекомендациям МКК.Р составляет: ∆ f _K = 200 кГц при N<1000; ∆ f к=140 кГц при N>1000.

Эффективная девиация частоты

где P_cp — средняя мощность группового сигнала, мBт; р_cp — измерительный уровень средней мощности группового сигнала в точке с нулевым относительным уровнем, дБм0.

Уровни средней  мощности  группового сигнала  определяются нормами МККР:

Квазипиковая девиация частоты, соответствующая вой мощности группового сигнала P_пик (0,1%), превыц чение0,1% времени,

где х(0,1%) = 10,5 дБ — пик-фактор группового сигнала при N>240. Эффективное и квазипиковое значения индекса частотной модуляции m_эф= ∆ f _эф/F_в; m_ПИк(0,1 %) = ∆ f _Пик(0,1 %)/F_B.

Ширина спектра ЧМ радиосигнала определяет необходимую "^полосу пропускания СВЧ ствола. При определении необходимой полюсы частот телефонного ствола задаются достаточно малой мощностью переходных помех (1... 10 пВт), возникающих в верхнем телефонном канале из-за ограничения—полосы СВЧ ствола. Тогда полоса пропускания телефонного ствола по правилу Карсона ПП_Тлф=2[F_В+ ∆ f пик(0,1%) ]=2 (F_B + 3,33∆f _эф).

            При передаче телевизионного сигнала полоса пропускания телевизионного ствола ПП_тв=2(F_в+∆fтв), где F_B=6 МГц, ∆f_тв = 4 МГц — соответственно верхняя частота и девиация частоты телевизионного сигнала. При организации телевизионного ствола по ССП для повышения отношения сигнал-шум девиацию частоты значительно увеличивают (∆f_Тв=15 МГц).

Для каждой РРСП в выделенной полосе частот разрабатывается план распределения частот. В РРСП под этим понимают распределение частот приема и передачи в каждом стволе (по пролетам) и по стволам многоствольных РРСП. На ПРС антенны расположены рядом, и во избежание влияний меж-

ду ними влияния передатчика на вход приемника) прием и передача СВЧ сигналов производятся на разных частотах. Дальность действия каждой станции РРЛС ограничивается расстоянием прямой видимости, поэтому для передачи сигналов по симплексному стволу (в одном направлении) достаточно использовать две частоты. Для передачи сигналов в обратном направлении (организации дуплексного ствола) могут быть использованы те же две частоты (двухчастотная система), либо две другие частоты (четырехчастотная система).

Двухчастотная система экономичнее по использованию диапазона частот, но требует применения антенн с высокими защитными свойствами. Рабочие частоты приемников и передатчиков повторяются через одну станцию. Из-за этого при повышенной рефракции (искривлении направления распространения электромагнитной энергии) на ПРС₃ (рис. 9.3) может быть принят сигнал и от станции, стоящей через три пролета от нее. Интерференция (сложение) этого сигнала с сигналом от соседней ПРС (на одинаковых частотах) вызовет искажения и ухудшение качества связи. Для устранения этого явления трассу РРЛС выбирают так, чтобы мешающий сигнал был ослаблен за счет направленного действия антенн (рис. 9.4). Направления главных лепестков антенн у станций, расположенных через три пролета, не совпадают. Разнести надо так, чтобы угол между направлением на соседнюю станцию и направлением на станцию через три пролета был больше ширины главного лепестка диаграммы направленности антенн.

Распределение частот по стволам многоствольных РРСП осуществляется методом группирования (разнесения) частот (рис. 9.5), когда частоты приема всех стволов размещаются (группируются) в одной половине отведенной полосы частот, а частоты, передачи всех стволов — в   другой   половине.

На рис. 9.5 показан план распределения частот для нечетной подгруппы стволов. В каждом из стволов принят двухчастотный план распределения  частот  приема  и  пере-

дачи. В каждом стволе частоты приема и передачи отличаются на частоту сдвига /_Сд_В. Для дополнительной селекции поля сигналов приема и передачи различаются по направлению поляризации (вектору напряженности электрического поля Е₁ и ↑Е₂).

            Структурная схема ПРС с разнесением частот приема, и передачи приведена на рис. 9.6.

            На станциях РРЛС применяются приемопередающие антенны. Помехи приемникам со стороны передатчиков устраняются полосовыми фильтрами (ПФ) и использованием волн разной полярности, а объединение (разделение) стволов обеспечивается разделительными фильтрами (РФ).

9.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ САНТИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

Радиорелейные и спутниковые системы передачи относятся к радиосистеме передачи, в которой сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Открытое пространство — безграничная однородная среда, где отсутствуют потери излучаемой мощности. Распространением радиоволн в .открытом пространстве называют идеальный случай распространения, когда отсутствует влияние земли и тропосферы. Такое распространение сантиметровых радиоволн наблюдается на спутниковых линиях связи и в отдельные периоды на пролетах радиорелейных линий.

Если в открытом пространстве поместить изотропный излучатель (точечный излучатель, равномерно излучающий радиоволны во всех направлениях) с излучаемой мощностью P_пер (рис. 9.7), то плотность потока мощности на расстоянии г от изотропного излучателя равномерно распределится по поверхности сферы: П = P_пер/ (4πr²), Вт/м².

В РРСП надо знать поле направленного излучения с учетом коэффициента усиления антенн

где л—площадь раскрыва антенны (апертура); А,— длина рабочей волны.

            В диапазоне сантиметровых радиоволн принято.характеризовать условия распространения мощностью, создаваемой на входе приемника Р_пр. Для определения Р_пр рассмотрим структурную схему пролета РРЛС (рис. 9.8).

            С учетом направленных свойств передающей антенны G_ne;>, приемной антенны G_np и коэффициентов полезного действия антен-но-фидерных трактов —передающего  п„_ер и приемного Лпр

            Величину V²₀ — λ²/16π²r² называют ослаблением радиоволн в открытом пространстве, а обратную величину L₀=1/V²₀ — основными потерями при передаче в открытом пространстве. С учетом (9.5) L₀ = Pnep/Pnp= 16π²r²/(λ²G_nepG_npη_nepη_np). Потери при передаче в реальных условиях с учетом дополнительных потерь L_i = 1/Vi²

где V_i = E_i/E_i0 — множитель ослабления на i-м пролете (отношение напряженности поля в точке приема к напряженности поля в этой же точке в условиях открытого пространства). Тогда ослабление радиоволн в реальных условиях

Рассмотрим влияние Земли на V_t, считая тропосферу однородной и непоглощающей средой (рис. 9.9). В точке приема наблюдается интерференция двух волн — прямой и отраженной от поверхности Земли. Тогда по отношению к полю открытого пространства Vi = √1 + | Ф|²+ 2|Ф|cos(2π∆r/λ+β), где |Ф|— модуль коэффициента отражения от Земли; Аг — разность хода между прямым и отраженным лучами; 0 — фаза коэффициента отражения.

Можно показать, что при |Ф| = 1 и β = π (последнее выполняется при условии h₁<<r и h₂<<r) множитель ослабления Vi =  2 sin (π∆r/λ) и меняется в пределах 0≤Vi≤2.

            Напряженность поля равна напряженности поля открытого пространства Ei = Ei₀, a V_i = l при ∆r = λ/6. Просвет, при котором выполняется это условие, обозначают через Н_о (рис. 9.10). Реально поверхность Земли неровная, что существенно влияет на условия распространения УКВ. Плоская вершина препятствия (самая высокая точка профиля пролета) тоже может сформировать отраженный луч. На формирование поля в точке приема влияет область пространства, ограниченная эллипсоидами вращения с фокусами в точках расположения передающей и приемной антенн (зоны Френеля). Поэтому для получения E_i = E_iO(Vi=1) необходима не просто геометрическая видимость, а свободная от препятствий минимальная зона Френеля, которая определяется радиусом минимальной зоны Френеля: H₀ = √ (1/3)rλ K(1—К), где r —длина пролета; λ — длина рабочей волны; K=r₁/r — относительная координата препятствия; r₁ — расстояние до препятствия.

Для классификации пролетов РРЛС сравнивают реальный просвет Н (между прямой, соединяющей точки размещения передающей и приемной антенн, и наивысшей точкой профиля пролета) с просветом Н_о.

Пролет открытый, если Н = Н₀, тогда Ei = E_io,  Vi—1, или H>H₀, тогда Ei = E_max и   V_i = 2 или Ei — E_min и   V_i = 0.

            Пролет полуоткрытый (полузакрытый), если 0<H<H₀, тогда Ei<E_i0,0<Vi<1.

Пролет закрытый, если Н<0, тогда E_i<<E_i0, 0≤V_i<<1,

Классификация пролетов дана без учета атмосферной рефракции. С учетом изменения атмосферной рефракции реальный просвет Н меняется в широких пределах и один и тот же пролет РРЛС может оказаться любым.

Одной из причин изменения множителя ослабления является изменение просвета, который определяется высотой подвеса антенн. Другая причина изменения Vi (при постоянной высоте подвеса антенн)—изменение метеорологических условий (влажности, давления, температуры) и связанное с ними изменение диэлектрической проницаемости воздуха е с высотой, что приводит к рефракции радиоволн в тропосфере (искривлению траектории волн).

В зависимости от значения вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха g — dε /dh различают два вида тропосферной рефракции; отрицательная (субрефракция), при которой g>0 и траектория волны обращена к Земле выпуклостью иниз (рис. 9.11), и положительная, при которой g<0 и траектория волны обращена к Земле выпуклостью вверх.

Для учета влияния рефракции радиоволн на РРЛС вводят понятие эквивалентного радиуса Земли. Введение R_э (вмеcто реального радиуса Земли R = 6370 км) меняет реальный просвет на пролете Н до значения H(g)=H + ∆H(g) с учетом рефракции (рис. 9.12). При g<0 R_э>R, H(g)>H.

            Для большинства климатических районов России средние значения эффективного вертикального /градиента диэлектрической проницаемости воздуха g известны, и нетрудно определить изменение  просвета  из-за  рефракции   ∆Н(g) =—r²g(1—K)K/4.

            Причинами дальнего тропосферного распространения УКВ являются переизлучение электромагнитной энергии (рассеиванием или отражением) объемными и слоистыми неоднородностями в тропосфере и отражение (рассеяние) от всей толщи тропосферы. В переизлучении радиоволн участвует объем тропосферы, заключенный между лепестками диаграмм направленности антенн станций (рис. 9.13).

Длина пролета ТРРСП при нормальной (стандартной) рефракции  может превышать  1000  км. Особенностями  распростра-

нения сантиметровых радиоволн на пролетах ТРРСП являются весьма существенные потери при передаче (до 250 дБ) и замирания сигналов. Различают быстрые замирания сигнала, обусловленные интерференцией множества волн в точке приема, и медленные замирания, вызванные медленным изменением параметров неоднородностей в объеме переизлучения (интенсивности, размеров и количества). Сезонные замирания сигнала особенно сказываются при переходе от зимы к лету.

Особенности распространения сантиметровых радиоволн на двух участках спутниковой линии связи Земля — спутник и спутник— Земля заключаются в больших потерях на каждом участке, поглощении в газах тропосферы и дождях (при f>6 ГГц), рефракции радиоволн в тропосфере и ионосфере.

9.3. АНТЕННО-ВОЛНОВОДНЫЕ ТРАКТЫ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

Антенна — устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитных волн. Сигнал СВЧ от передатчика к антенне и от антенны к приемнику передается через волноводный тракт. В радиорелейных и спутниковых СП в диапазоне сантиметровых волн используются круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы. Кроме того, волноводный тракт содержит волноводные элементы, позволяющие многократно использовать антенно-волноводный тракт (АВТ) для организации приема и передачи сигналов нескольких СВЧ стволов. Требования, предъявляемые к АВТ, заключаются в минимальных потерях при передаче энергии и минимальных отражениях.

Все антенны радиорелейных и спутниковых систем передачи приемопередающие. Поэтому антенна вместе с волноводным трактом должна обладать высоким переходным затуханием между трактами приема и передачи. Переходное затухание А_п= 10 lgР_и/ Р_пр (Р_и — излучаемая мощность; Р_пР — мощность, попадающая на вход приемника) должно составлять 80 дБ для рядом стоящих антенн и 120 дБ для антенн, стоящих «спиной». Для увеличения переходного затухания антенна передает и принимает волны с различными поляризациями (вектор нгпряженности электрического поля вертикальный или горизонтальный).

            В заданном диапазоне частот антенна должна быть хорошо согласована с волноводным трактом. Степень согласования влияет на уровень переходных шумов в телефонных каналах. Для оценки степени согласования применяют коэффициент бегущей волны КБВ=(1—р)/(1+р), р — коэффициент отражения от антенны.

            Антенна обеспечивает двухчастотный план распределения частот на пролетах РРЛС, для чего должна обладать высоким коэффициентом защитного действия К₃ = Gо⁰—G₁₈₀°≥6O дБ, который характеризует уровень приема  антенны  в  противоположном  на-

правлении относительно уровня приема в главном  направлении.

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз можно уменьшить подводимую мощность к ненаправленной антенне при замене ее направленной, сохранив неизменной напряженность поля в точке приема: G — ηD. Здесь η— коэффициент полезного действия (КПД) антенны, который равен отношению мощности излучаемой к мощности, подводимой к антенне (для большинства применяемых антенн КПД близок к единице); D — коэффициент направленного действия (КНД) антенны, характеризующий способность антенны концентрировать излучение в заданном направлении. Численно коэффициент усиления равен коэффициенту направленного действия антенны и одинаков при передаче и приеме.

На СВЧ в основном используются аппаратурные антенны, излучение которых определяется возбужденной поверхностью. Для таких антенн G = 4πSKи/λ², где S — площадь раскрыва (апертура) антенны; I — длина рабочей волны; K_и = 0,5 ...0,65—коэффициент использования апертуры, который учитывает распределение поля в раскрыве, затенение раскрыва, точность выполнения поверхности зеркала, утечку энергии за зеркало, потери в защитном колпаке антенны. Если известен диаметр зеркала антенны d, то G = π₂d₂dK_и/λ².

Коэффициент направленного действия антенны характеризуют диаграммой направленности, которая определяет угловое распределение поля излучения антенны, а численно оценивают шириной главного лепестка диаграммы направленности на уровне половинной мощности;

В радиорелейных и спутниковых СП используются апертурные одно- и двухзеркальные антенны и перископические антенные системы.

Параболическая антенна (ПА) состоит из рупорного облучателя и отражателя (в форме параболоида вращения), который преобразует сферический фронт волны (у рупора) в плоский фронт волны в раскрыве антенны (рис. 9.14). К. недостаткам антенны относится низкий К₃, так как облучатель и фидер затеняют отражающее зеркало.

            Рупорно-параболическая антенна (РПА) состоит из рупорного облучателя, объединенного в единую конструкцию с отражающим зеркалом, которое является частью параболического зеркала (рис. 9.15). Здесь облучатель и фидер не затеняют отражающее зеркало.

            Антенна двухзеркальная с гиперболическим вторым зеркалом (АДГ) состоит из основного параболического зеркала, второго гиперболического и рупорного облучателя, помещенного за основным зеркалом (рис. 9.16). В раскрыве антенны тоже образуется волна с плоским фронтом. Достоинством АДГ по сравнению

с  ПА  является  большее значение  Кз  и лучшее согласование с фидером.

            Антенна двухзеркальная с эллиптическим конусом (АДЭ) состоит из основного параболического зеркала и конуса в качестве второго зеркала (рис. 9.17). Наличие конического острия на эллиптическом конусе устраняет реакцию второго зеркала, улучшает согласование антенны, позволяет сокращать расстояние между облучателем и вторым зеркалом, уменьшать утечку энергии за зеркало и повышать коэффициент использования раскрыва антенны.

            Перископические антенные системы (ПАС) бывают двухэлементными (рис.-9,18) и трехэлементными (рис. 9,19). Первая состоит из ПА в качестве излучателя, расположенного у основания опоры, и плоского зеркала — переизлучателя (ПЗ). Конструкция не требует длинного фидера для передачи энергии.

            Вторая содержит рупорный облучатель, расположенный в нижнем фокусе эллипса, нижнее переизлучающее зеркало в форме части эллипсоида вращения и верхнее переизлучающее плоское зеркало, расположенное в верхнем фокусе эллипса. К недостаткам ПАС относится низкий коэффициент защитного действия, что не позволяет использовать их при двухчастотном плане распределения частот приема и передачи.

            Для многократного использования антенно-волноводного тракта (АВТ) применяют три вида селекции:

            частотную — с помощью разделительных фильтров (чаще всего полосовых);

            поляризационную — с помощью поляризационных селекторов, разделяющих поля сигналов приема и передачи по направлению поляризации поля (вектору напряженности электрического поля);

            по направлению распространения волн в волноводе —с помощью ферритовых циркуляторов.

            В зависимости от числа используемых видов селекции различают двух- и трехступенчатые схемы уплотнения. Рассмотрим схемы уплотнения на примере шестиствольной системы   (рис. 9.20).

            Первая ступень двухступенчатой схемы (рис. 9.21)—разделительные фильтры: РФ, —фильтр сложения сигналов трех передатчиков, РФ₂ — фильтр разделения сигналов трех приемников. Каждый фильтр состоит из трех ячеек (по числу стволов), основным элементом селекции которых являются полосовые фильтры, на строенные на частоты своего ствола.

            Вторая ступень уплотнения — поляризационный селектор (ПС), который совмещает сигналы приема и передачи одной подгруппы, стволов (в примере — подгруппу нечетных стволов) для распространения в общем волноводе круглого сечения. До совмещения

сигналы приема и передачи распространяются в прямоугольных волноводах.

            В случае трехступенчатого уплотнения АВТ (рис. 9.22)- третьей ступенью, которая совмещает в одном АВТ сигналы приема и передачи обеих подгрупп стволов   (имеющих одинаковый вектор

            напряженности электрического поля \Е_Х или £₂), являются фер-ритовые циркуляторы (ФЦ).

9.4. АППАРАТУРА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ

            Структурная схема приемопередающей аппаратуры симплексного СВЧ ствола промежуточной станции с общим гетеродином приведена на рис. 9.23. Принимаемый сигнал на частоте f₁ через разделительный фильтр и входной полосовой фильтр (преселектор) поступает на вход смесителя приемника (См_Пр), на который одновременно поступает сигнал с частотой гетеродина приемника fг.пp. С выхода смесителя сигнал промежуточной частоты fпч =  70 МГц подается на предварительный усилитель промежуточ-

ной частоты (ПУПЧ), который должен обеспечить наименьший уровень теплового шума и предварительное усиление сигнала ПЧ. Основное усиление сигнала ПЧ происходит в многокаскадном основном усилителе ПЧ (ОУПЧ), который имеет систему автоматической регулировки усиления для поддержания выходного напряжения сигнала ПЧ постоянным при изменении сигнала на входе приемника из-за замираний.

            С выхода ОУПЧ сигнал ПЧ поступает на мощный усилитель промежуточной частоты (МУПЧ) передатчика, где происходит дальнейшее усиление сигнала ПЧ для обеспечения необходимого режима работы смесителя передатчика (См_пер), который работает при большом уровне сигнала.

            На См_пер одновременно поступает сигнал с частотой гетеродина передатчика f_г.пе_Р от общего генератора (Г). В См_пер осуществляется преобразование сигнала ПЧ в сигнал с частотой передатчика fпер(СВЧ). Поскольку на выходе См_пер появляются сигналы двух частот: f_г.пер=±70 МГц, то с помощью фильтра боковой полосы (ФБП) выделяют нижнюю боковую и получают сигнал f₇ = =f_г.nep—70 МГц, который усиливается в усилителе СВЧ (УСВЧ) и через РФ поступает в антенну.

            Общий гетеродин (Г) генерирует сигнал с частотой f_г.пер. Частота гетеродина приемника f_г._Пер образуется за счет сдвига частоты fг.пер на частоту f_СДв = 213 (266) МГц, для чего на смеситель сдвига (См_сдв) подаются сигналы двух частот: f_г.пер от общего гетеродина и f_Сдв от генератора сдвига (Г_сдв). На выходе См_сдв появляются сигналы двух частот: f_г.пер±f_сДв, поэтому для получения сигнала с частотой f_г._пр включают фильтр узкой полосы, который в  зависимости  от  настройки   выделит  сигнал  с  частотой  f_г._пр =

⁼f_г.пер—/сдв  или  fг.пр ⁼ f_г.пер +f_сдв.

            В зависимости от настройки ФБП на выходе См_Пр сигнал ПЧ

f_ПЧ = fг.пр—fl = (fг.пер—fсдв)—l    или    fПЧ =fг.пр—h = (fг.пер + f_сдв) —f₁. Тогда   рабочая   частота   передатчика f7=f_г.пД—f_пч =fг._пд—(fг.пд—f_сдв) +fi =fl +fс_Дв или f₇ = fг.пд—fПЧ = fг.пер— (fг.пер +fсдв) +fl =fl — fсдв. Сдвиг сигналов гетеродинов приемника и передатчика на f_сдв обеспечивает и сдвиг сигналов частот приемника и передатчика на f_сдв. Сдвиг можно осуществлять как на стороне приема, так и на стороне передачи.

Применяется схема построения приемопередающей аппаратуры и с двумя гетеродинами (приемника и передатчика).

            В приемнике оконечной станции (рис. 9.24) сигнал ПЧ с ОУПЧ поступает на демодулятор ЧМ сигналов, который включает в себя амплитудный ограничитель (АО) и частотный детектор (ЧД). В зависимости от назначения ствола демодулированный групповой сигнал поступает на групповой усилитель (ГУ) или демодулированный видеосигнал поступает на видеоусилитель (ВУ).

            В передатчике оконечной станции (рис. 9.25) усиленный групповой сигнал (или видеосигнал) поступает на модулятор (ЧМПЧ), где осуществляется частотная модуляция сигнала ПЧ. Усилитель СВЧ часто выполняется на лампе бегущей волны: Используя ее широкополосность, УСВЧ иногда применяют для усиления одновременно двух сигналов — гетеродина передатчика и передатчика. В передатчике УСВЧ может отсутствовать, тогда выходным сигналом передатчика является выходной сигнал С_мпер.

            Образование линейного спектра телефонного ствола происходит в оконечной стойке (рис. 9.26). Групповой сигнал от МТС по кабелю поступает на групповой усилитель (ГУ), предыскажаю-щий контур (ПК) и сумматор 2, который осуществляет сложение группового сигнала с сигналами служебной связи (СС). Для пе-

редачи СС отводится низкочастотная часть линейного спектра телефонного ствола (рис. 9.27). Линейный сигнал поступает на ЧМ, где осуществляется частотная модуляция сигнала промежуточной частоты fпч = 70 МГц. Соединение оконечной стойки с передатчиком и приемником стойки СВЧ осуществляется по ПЧ.

            При ЧМ помехоустойчивость по отношению к тепловому шуму зависит от эффективного значения индекса модуляции m_э = ∆fэ/F_в, а для конкретного канала ТЧ — от средней частоты канала в линейном спектре F_K. Мощность теплового шума в канале ТЧ имеет наибольшее значение в верхних по частоте каналах. Для выравнивания мощности шумов в каналах применяют предыскажение группового сигнала, чтобы повысить уровень передачи верхних каналов. Это приводит к увеличению девиации частоты на верхних каналах за счет уменьшения девиации частоты на нижних. На приемной стороне после ЧД включают восстанавливающий контур (ВК) с обратной частотной характеристикой, что обеспечивает выравнивание уровней сигналов всех каналов.

Сигналами телевизионного вещания являются сигнал изображения и звуковой сигнал. В радиорелейной СП эти сигналы передаются в одном телевизионном стволе (рис. 9.28).

Передача звуковых сигналов телевидения (иногда и сигналов звукового вещания) осуществляется с помощью частотной модуляции поднесущих частот F_п1 и F_п2. Промодулированные сигналы поднесущих складываются с сигналом изображения, и полученный линейный сигнал телевизионного ствола поступает на вход ЧМ оконечной стойки телевизионного ствола (рис. 9.29). Сигнал изображения и звуковой сигнал поступают с телецентра (ТЦ), сигнал звукового вещания — из аппаратной   звукового   вещания.

Сигнал черно-белого телевидение (рис. 9.30) состоит из двух сигналов: сигнала изображения и сигнала синхронизации. Номинальное напряжение телевизионного сигнала U=1 В. Сигнал изображения определяется как размах сигнала от уровня белого до уровня черного. Сигнал синхронизации составляет 30% телевизионного сигнала. Размах сигнала от уровня черного до уровня гасящих импульсов называют защитным промежутком. Полный телевизионный сигнал цветного телевидения включает в себя еще сигнал цветности.

            Телевизионный сигнал в оконечной стойке усиливается и пре-дыскажается. Необходимость предыскажения связана с особенностями сигнала изображения: асимметрией и наличием постоян-

ной составляющей. По своей природе — это униполярный сигнал, имеющий постоянную (среднюю) составляющую. Его значения лежат по одну сторону от уровня, соответствующего черным деталям изображения. Изменение постоянной составляющей сигнала изображения при переходе от передачи белой строки к передаче черной строки с белым пятном составляет 0,5U_Р (рис. 9.31).

Видеоусилитель не пропускает постоянной составляющей, и на его выходе сигналы будут иметь вид, показанный на рис. 9.32. Разность Постоянных составляющих равна нулю (линии постоянных составляющих совпадают с осью времени), а полный размах телевизионного сигнала на входе модулятора увеличивается в 1,5 раза. Следовательно, должен быть расширен линейный участок модуляционной характеристики. И если полному размаху телевизионного сигнала (1 В) должен соответствовать размах изменения частоты 2∆f_TB = 8 МГц, то пришлось бы увеличивать линейный участок до 12 МГц.

Для уменьшения размаха телевизионного сигнала на входе модулятора ставят предыскажающий контур (ПК), который ос-

лабляет уровень составляющих нижних частот (до 1,5 МГц) и делает сигнал симметричным.

На приемной стороне происходят, демодуляция принятого сигнала, разделение и демодуляция сигналов поднесущих частот. Для восстановления формы телевизионного сигнала после ЧД включают восстанавливающий контур.

В каналах РРЛС появляются помехи и шумы, которые по своей природе могут иметь внешнее и внутреннее происхождение. Источники шума, которые определяют суммарный шум в каналах, показаны на рис. 9.33. Часть шумов вносится аппаратурой с ЧРК, но большая часть возникает в радиорелейном оборудовании.

На входе антенны приемника кроме мощности сигнала Р_с присутствуют внешние мешающие помехи Р_м, обусловленные радиоизлучениями космоса, атмосферы, Земли и другими радиосистемами передачи. На входе приемника всегда присутствуют тепловые шумы Р_т, вызванные тепловым движением электронов во входных цепях приемников.

Мощность тепловых шумов на входе приемника пропорциональна коэффициенту шума приемника и обратно пропорциональна мощности сигнала. Из-за замираний сигнала на пролете мощность сигнала на входе приемника изменяется, вследствие чего изменяется и мощность тепловых шумов.

При передаче многоканального сигнала с ЧРК возникают переходные помехи вследствие нелинейных искажений, вызывающих появление гармоник и комбинационных составляющих час-

тот спектра многоканального сигнала. Эти составляющие, могут оказаться внутри полосы F_B...F_H (см. рис. 9.27) и вызывать внятные переходные помехи (при N<60) или переходные (нелинейные) шумы (при N>60).

В зависимости от места возникновения переходные шумы подразделяются на: переходные шумы группового тракта P_п._г (из-за нелинейности характеристик частотных модуляторов и демодуляторов, а также амплитудных характеристик групповых усилителей); переходные шумы СВЧ тракта Р_а._в (из-за неравномерности амплитудной характеристики и нелинейности фазовой характеристики, что приводит к нарушению соотношений амплитуд и фаз составляющих спектра ЧМ сигнала); переходные шумы из-за отражений в АВТ Р_{п авт}.

            Суммарная мощность шумов в канале ТЧ на выходе РРЛС, состоящей из п пролетов и т_с станций (ОРС и УРС) с переприемом по групповому спектру (т_с — число модемов)

            В табл. 9.2 приведены основные технические данные аналоговых РРСП.

            Практически лишены этого недостатка (накопления шумов, характерного для аналоговых РРЛС) цифровые радиорелейные линии при использовании регенераторов на каждой станции. Цифровые РРСП — радиорелейные системы передачи с ВРК и цифровыми методами передачи. Основной их недостаток — более широкая требуемая полоса частот для организации одинакового числа каналов ТЧ.

            Развитие цифровых РРЛС шло по двум направлениям: использованию аналоговых РРСП и созданию цифровых РРСП.

            При организации аналого-цифровых стволов передача первичного цифрового потока (ПЦП) со скоростью 2048 кбит/с (ИКМ-30) осуществляется методом ФМ сигнала поднесущей частоты, расположенной в верхней части линейного спектра телефонного или телевизионного ствола.

            Рассмотрим схему передающей части аналого-цифрового ствола ОРС  (рис. 9.34). Пройдя через регенератор импульсов  (РИ)

и преобразователь кода (ПрК), первичный цифровой поток поступает на ФМ, где модулируется сигнал поднесущей частоты, поступающий от генератора. С помощью фильтра (Ф) происходит ограничение спектра сигнала, и он подается на сумматор. Суммарный сигнал аналого-цифрового ствола (рис. 9.35) поступает на ЧМ, а промодулированный по частоте сигнал ПЧ — на вход передатчика СВЧ стойки. На первом этапе развитие цифровых радиорелейных СП осуществлялось на базе аналоговых РРСП путем установки на оконечных станциях дополнительной оконечной цифровой аппаратуры.

            Передача вторичного цифрового потока (ВЦП) со скоростью 8448 кбит/с (ИКМ-120) в аналоговых РРСП требует отдельного СВЧ ствола и специального оконечного цифрового оборудования. Стойка ОЦФ-8 предназначена для образования цифрового сигнала линейного тракта в СВЧ стволах аналоговых радиорелейных линий и обеспечивает: сопряжение оконечной аппаратуры аналоговых РРСП с аппаратурой временного ггруппо-образования цифровых сигналов; преобразование цифровых сигналов в линейный код; сложение цифрового сигнала с сигналами служебной связи и телемеханики; контроля качества передачи цифрового сигнала.

            В зависимости от варианта исполнения стойки могут устанавливаться на ПРС, ОРС, а также рядом с цифровой каналообразующей аппаратурой в случае расположения последней на расстоянии до нескольких километров от станции.

Для увеличения пропускной способности разработана оконечная цифровая аппаратура ОЦФ-17, которая дает возможность организовывать передачу двух синхронных цифровых потоков (8448,2 кбит/с), что соответствует 240 каналам.

            Создание цифровых РРСП для передачи только цифровых потоков любой ступени иерархии происходит с использованием различных методов модуляции СВЧ несущей (табл. 9.3).

            Структурная схема цифрового ствола ОРС показана на рис. 9.36. Цифровой сигнал от аппаратуры ИКМ-4»и по кабельной соединительной линии поступает на регенератор импульсов (РИ) в квазитроичном коде. Регенератор (ретранслятор цифровых сигналов) работает в импульсном (ключевом) режиме (в отличие от ретранслятора аналоговых сигналов, который работает в усилительном режиме) и не должен воспроизводить входной сигнал (выходной сигнал регенератора должен соответствовать входному в информационном смысле). В преобразователе кода (ПрК) цифровой сигнал из квазитроичного кода преобразуется в бинарный

или относительно бинарный. Этот сигнал называют двоичным цифровым.

            Двоичный ЦС проходит через скремблер (Скр) и поступает на модулятор (М), в котором изменяются амплитуда, частота или фаза СВЧ сигнала. В зависимости от вида модуляции (манипуляции) говорят о передаче по цифровой радиорелейной линии ИКМ-АМ, ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ и ИКМ-ОФМ сигналов. Различие фазовой модуляции (ФМ) и относительной фазовой модуляции (ОФМ) связано с видом кода, поступающего на ФМ. В первом случае на модулятор поступает ЦС в бинарном коде, во втором — в относительном бинарном. Применяются и многоуровневые методы модуляции для увеличения емкости цифрового ствола без расширения полосы частот СВЧ ствола (ИКМ-20ФМ, ИКМ-40ФМ).

            Цифровой сигнал подвергается специальному преобразованию (скремблированию) в связи с тем, что в спектре радиосигнала на выходе передатчика появляются СВЧ интенсивные дискретные частотные составляющие, которые оказывают мешающее воздействие на соседние стволы РРСП и другие СП, например спутниковые. Для рассеяния интенсивных дискретных составляющих и равномерного распределения энергии сигнала по всей отведенной полосе перед модулятором устанавливают скремблер, а на приёмной стороне после демодулятора—дескремблер (Дек), который восстанавливает сигнал.

            Скремблеры и дескремблеры содержат генераторы (Г) псевдослучайной последовательности импульсов, которые складываются по модулю 2 с последовательностью импульсов, поступающих с ПК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

            Техника связи в нашей стране развивается в направлении создания цифровой сети на основе использования цифровых АТС, связанных между собой каналами и трактами цифровых систем передачи, работающих по проводным, радиорелейным, спутниковым и оптическим линиям связи. Кроме привычных услуг телефонной и телеграфной связи абоненты получают возможность обмениваться документами (электронная почта, телефакс) и данными для работы ЭВМ разных типов.

            Основное направление развития магистральных цифровых систем передачи связано с использованием оптических линий связи, имеющих километрическое затухание порядка десятых и сотых долей децибела, что позволит резко уменьшить или полностью исключить использование промежуточного регенерационного оборудования. Кроме того, развиваются спутниковые системы связи для диапазона частот 20...30 ГГц с многостанционным доступом и временным разделением стволов, что обеспечит получение линейных трактов шириной до 2500 МГц и решение вопросов электромагнитной совместимости, так как с ростом частоты происходит сужение диаграммы направленности спутниковых антенн.

            Необходимость эффективного использования абонентских линий обусловливает создание цифровых систем передачи, работающих на этих линиях. Здесь перспективным является применение адаптивной дельта-модуляции, что позволяет получать цифровой поток со скоростью 32 кбит/с для передачи телефонного сообщения, или дельта-модуляции с предсказанием на основе использования вокодерных систем при скорости цифрового потока 16 кбит/с на один канал.

            Многие вопросы развития систем передачи связаны с совершенствованием элементной базы, технологии, и в частности с применением микропроцессорной техники. Это позволит широко внедрить сложные алгоритмы обработки сигналов, связанные с использованием помехоустойчивых блочных кодов, создать системы эксплуатации сети связи, обеспечивающие ее гибкость, надежность и живучесть.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Белецкий А. Ф. Теория линейных электрических цепей. - М: Радио и связь, 1986. - 544 с.

2.  Бутлицкий И. В. Устройства АРУ многоканальных систем связи, - М.: Связь, 1980. - 182 с.

3.  Зингеренко А. М., Баева Н. Н„ Тверецкий М. С. Системы многоканальной связи. -М: Связь, 1980.-439 с.

4.  Строительство кабельных сооружений связи/ Д. А. Барон, И. И. Гроднев, В. Н. Евдокимов и др. - М.: Радио и связь, 1988. - 768 с.

5.  Аппаратура сетей связи/ М. И. Шляхтер, Э. Н. Дурбанова, М И. Полякова, Ш. Г. Галиул-лин; Под ред. М. И. Шляхтера. - М.: Связь, 1980. - 440 с.

6.  Берганов И. Р., Гордиенко В. Н„ Крухмалев В. В. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи. - М: Радио и связь, 1989. - 272 с.

7.  Баева Н. Н. Многоканальная связь и РРЛ. - М.: Радио и связь, 1988. - 312 с.

8.  Системы электросвязи/ В. П. Шувалов, Г. П. Катунин, Б. И. Крук и др.; Под ред. В. П. Шувалова. - М: Радио и связь, 1987. - 512 с.

9.  Левин Л. С, Плоткин М. А. Цифровые системы передачи информации. - М: Радио и связь, 1982.-216 с.

10. Ситняковский И. В., Порохов О. Н., Нехаев А. Л. Цифровые системы передачи абонентских линий. - М.: Радио и связь, 1987. - 216 с.

П. Скалин Ю. В., Бернштейн А. Г., Финкевич А. Д. Цифровые системы передачи. -М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

12.  Гитлиц М. В., Лев А. Ю. Теоретические основы многоканальной связи. - М.: Радио и связь, 1985.-245 с.

13.  Теория передачи сигналов/ А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, М В. Назаров, Л. М. Финк. -М.: Связь, 1980.- 288 с.

14.  Носов Ю. Р. Основы оптоэлектроники. - М: Радио и связь, 1989. - 360 с.

15.   Волоконно-оптические системы передачи и кабели/ И. И. Гроднев, А. Г, Мурадян, I М. Шарафутдинов и др. - М: Радио и связь, 1993. - 264 с.

16.  Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ./ Под ред. А. И. Ларкина. - М.: Радио и связь, 1989.-504 с.

17.  Оптика и связь: Пер. с франц./ А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо; Под ред. В. К. Соколова.— М.: Мир, 1984. - 468 с.

18. Шереметьев А. Г. Когерентная волоконно-оптическая связь. - М.: Радио связь, 1991. — 192 с.

19.  Волоконно-оптические линии связи/ Л. М. Андрушко, В. А. Вознесет В. Б. Каток и др.; Под ред. С. В. Свечникова и Л. М. Андрушко. - Техника, 1988. - 240 с.

20.  Волоконная оптика и приборостроение/ М. Н. Бутусов, С. Л. Галкин, И. П. Оробинский, Б. П. Пал. -Л.: Машиностроение, 1987. - 328 с.

21. Маковеева М. М. Радиорелейные линии связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 312 с.

22.  Системы спутниковой связи/ А. М. Бонч-Бруевич, В. Л. Быков, Л. Я. Кантор и др.; Под ред. Л. Я. Кантора. - М.: Радио и связь, 1992. - 224 с.

23.  Справочник по спутниковой связи и вещанию/ Г. Б. Ашкинази, В. Л. Быков, Г. В. Водопьянов и др.; Под ред. Л. Я. Кантора. - М.: Радио и 1983. - 288 с.

24.  Системы спутниковой и космической связи. Тематическая подборка// Электросвязь. -1993.- № 1.-С. 7-60.

'Г.

Дополнительный список литературы ко 2-му изданию

1. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов/ Н. Н. Баева, В. Н. Гордиенко, С. А. Курицын и др.; Под ред. Н. Н. Баевой и В. Н. Гордиенко. - М.: Радио и связь, 1997. - 560 с.

2.  Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учебное пособие для вузов/ В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, В. И. Иванов и др.; Под ред. В. Н. Гордиенко и В. В. Крухма-лева. - М.: Радио и связь. - 1996. - 344 с.

3. Оптические системы передачи: Учебник для вузов/ Б. В. Скворцов, В. И. Иванов, В. В. Крухмалев и др.; Под ред. В. И. Иванова.-М.: Радио и связь. - 1994.-224 с.

4. Крук Б. И., Попандопуло В. И., Шувалов В. П. Телекоммуникационные системы и сети. Т.1: Учебное пособие. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. — 648 с.

5.  Слепов Н. Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь, 2000.

6. Гордиенко В. Н., Ксенофонтов С. Н., Кунегин С. В., Цыбулин М. К. Современные высокоскоростные цифровые телекоммуникационные системы. 4.1. Синхронная цифровая иерархия: Учебное пособие. - М.: МТУСИ, 1998. - 30 с.

7. Гордиенко В. Н., Ксенофонтов С. Н., Кунегин С. В., Цыбулин М. К. Современные высокоскоростные цифровые телекоммуникационные системы. Ч.З. Группообразование в синхронной цифровой иерархии: Учебное пособие. -- М.: МТУСИ, 1999. - 76 с.

8.  Гордиенко В. Н., Кунегин С. В., Тверецкий М. С. Современные высокоскоростные цифровые телекоммуникационные системы. 4.4.  Проектирование высокоскоростных синхронных сетей СЦИ: Учебное пособие. - М.: МТУСИ, 2001. - 30 с.

9. Алексеев Е. Б. Особенности технической эксплуатации волоконно-оптических систем и сетей синхронной цифровой иерархии. Учебное пособие. - М.: ИПК при МТУСИ, 1999. - 183 с.

10.  Алексеев Е. Б. Принципы построения и технической эксплуатации фотонных сетей связи. Учебное пособие. - М.: ИПК при МТУСИ, 2000. - 70 с.

11. Алексеев Е. Б. Основы технической эксплуатации современных волоконно-оптических систем передачи. Учебное пособие. - М.: ИПК при МТУСИ, 1998. - 195 с.

12. Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети SDH. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1997. - 140 с.

13. Кашин М. В., Муштаков Е. А. Основы SDH / Учебное пособие. Министерство РФ по связи и информатизации. Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики. Самарский региональный телекоммуникационный трейнинг центр. - Самара, 2001. - 80 с.