Структура ВОЛС

Рис. 1.1. Структура волоконно-оптической линии связи

Единичный волоконный световод может быть использован как для одноканальной, так и для многоканальной связи в одном и двух направлениях. Для передачи нескольких каналов связи применяется мультиплексирование или уплотнение каналов. Наличие закрытой линии передачи (волокна) кроме преимуществ имеет, конечно, свои недостатки, так как ограничивает спектр применяемых источников излучения, фотоприемников и соответствующих устройств. Однако эти недостатки вполне компенсируются теми преимуществами, которые были перечислены выше.

Информация по ВОЛС может передаваться в двух видах – это непосредственно в аналоговом виде, когда аналоговым сигналом (телевизионным, звуковым, телеметрическим) модулируется оптическая несущая, например, модулируется ток питания лазера и, соответственно, модулируется мощность излучения, передаваемого по волокну и поступающего на фотоприемник, где излучение регистрируется и затем демодулируется. Второй способ передачи – это предварительная дискретизация сигнала (преобразование аналогового сигнала в цифровой) и затем передача цифрового сигнала на фотоприемник также при помощи оптической несущей. Наиболее широко в ВОЛС применяется цифровой способ передачи информации. Одной из самых важных ВОЛС является информационная пропускная способность.

Информационная пропускная способность канала или скорость передачи информации есть характеристика, показывающая количество информации в бит/сек, которую способен передать канал без искажений. 1 бит/с представляет собой 1 двоичную цифру (0,1)

Согласно теореме Шенона (Котельникова) для передачи информации аналогового сигнала с полосой частот , при заданной величине отношения сигнал/шум (S/N) необходима пропускная способность В равная:

[бит/с]. (1.1)

- полоса частот в Гц.

Т.о., информационная пропускная способность канала определяется шириной полосы частот, в которой передается сигнал и отношением сигнал/шум в приемнике. В свою очередь, полоса частот передаваемого оптического сигнала определяется допустимой скоростью модуляции источника излучения, характеристиками среды, передающей сигнал (среда может обладать дисперсией) быстродействием фотодетектора и электронных элементов схемы.

В цифровых линиях связи качество передаваемой информации характеризуется коэффициентом битовых ошибок. Чем больше величина битовых ошибок, тем больше вероятность принять 0 за единицу и тем больше вероятность ошибок при передаче информации. Вероятность ошибок возрастает с уменьшением амплитуды импульсов и увеличения их ширины. Уширение импульсов в ВОЛС обусловлено дисперсией оптических волокон. Дисперсия также является и и причиной уменьшения амплитуды импульсов, так как уширение импульсов неизбежно сопровождается уменьшением их амплитуды. Но в значительно большей степени уменьшение амплитуды импульсов (затухание) обусловлено потерями мощности излучения в волокне. Таким образом, потери мощности оптического излучения и дисперсия являются основными характеристиками оптических волокон.

В отличие от электрических линий связи, где потери мощности зависят от частоты передаваемых сигналов, в оптических волокнах потери мощности света не зависят от скорости передачи данных (или от полосы частот передаваемых сигналов). Поэтому, при низких скоростях передачи информации предельно допустимое расстояние между передатчиком и приемником (или между ретрансляторами) ограничивается затуханием света, обусловленным потерями в волокне, а при высоких скоростях в основном дисперсией и в меньшей степени потерями.

В настоящее время в большинстве магистральных ВОЛС (ВОЛС дальней связи) применяются оптические усилители, и в этих линиях расстояние между ретрансляторами, ограничивается только дисперсией в оптических волокнах. В наземных ВОЛС это расстояние это расстояние может достигать 1000 км, а в подводных – до 10000 км. Скорость передачи данных в большинстве таких ВОЛС составляет 10 Гбит/с (стандарт STM-64) и 40 Гбит/с (стандарт STM-256).

С внедрением оптических усилителей в ВОЛС стало экономически целесообразным осуществлять передачу информации сигналов по одному волокну одновременно на нескольких длинах волн, используя технологии спектрального уплотнения или уплотнения по длинам волн (DWDM – Dence Wavelength Division Multiplexing технологии). В этом случае пропускная способность ВОЛС увеличивается в число раз равное числу этих длин волн. Одним из последних рекордов является передача по одному волокну информации со скоростью 10,2 Тбит/с (1Тбит/с= 1терабит/сек=10¹²бит/с). При этом общее число длин волн, передаваемых по 1 каналу составляло 273, а скорость передачи в каждом канале равнялась 40 Гбит/с.

По оптическому волокну могут передаваться и непосредственно аналоговые сигналы, например, телеметрические, сигналы от оптических датчиков и преобразователей, телевизионные сигналы. Так как волокно является дисперсионной средой и ведет себя как фильтр нижних частот, частота среза которого обратно пропорциональна длине волокна, то при передаче аналоговых сигналов возникают фазовые искажения. В этом случае волокно может характеризоваться таким параметром как произведение ширины полосы пропускания на расстояние – МГц/км. При этом качество канала передачи в аналоговых ВОЛС определяется отношением сигнал/шум (С/Ш или S/N в английской аббревиатуре).

При анализе и расчете параметров ВОЛС удобно выражать значения различных уровней мощности оптического сигнала в относительных единицах, в частности, в ВОЛС этой относительной единицей является ДБМ, которая характеризует уровень мощности по отношению к 1мВт (10^-3 Вт). Это общепринятое отношение в технике связи.

Пример: в волокно Ø50 мкм можно ввести, уровень мощности составляет

Например, величина введенной в волокно мощности равная50 мкВт соответствует относительному уровню 13 ДБМ .