Качество линейного тракта волоконно-оптических систем передач определяет в большинстве случаев качество доставки информационного значения. По этой причине к линейным трактам волоконно-оптических систем передач предъявляются жесткие требования:

1. Хорошая помехозащищенность и минимальное число ошибок цифровой передачи.

2. Высокая надежность (отказоустойчивость).

По доставке информационных данных линейный тракт может быть резервирован полностью (режим 1 + 1 – один рабочий и один резервный) или частично (1: n – один резервный на n рабочих n = 1, 2, …, 14). Рабочие и резервные тракты проектируются по заданным показателям качества, основным из которых является коэффициент ошибок передачи двоичного сигнала (сигнала с импульсно-кодовой модуляцией – ИКМ) на скорости шестьдесят четыре килобит в секунду на общей длине двадцать семь тысяч пятьсот километров.

Для проектирования линейных трактов используются нормативные показатели аналоговых трактов – это соотношение сигнал / шум на выходе приемника в заданной полосе частот. Если волоконно-оптический тракт цифровой - это вероятность ошибки (эталонная цепь: двадцать семь тысяч пятьсот километров – исходная норма. Большое соединение, включающее в свой состав междугородное и национальное соединение – соединение основного цифрового канала (шестьдесят четыре килобит в секунду).

Используются нормативы для национального соединения: 0,4 * 10^-6; для междугородного соединения: 0,2 * 10^-6. Согласно рекомендациям МСЭ-Т схема организации международной связи соответствует рисунку 7.8

Рисунок 7.8. Нормирование коэффициента ошибок при международном соединении

Каждый национальный участок разбивается на: местную, внутризоновую, магистральную.

Рисунок 7.9. Нормирование коэффициента ошибок в основном цифровом канале при международном соединении

На рисунке 7.8 и 7.9 обозначены: ОС – оконечная станция; МС – междугородная станция, СС – сетевая станция. Национальный участок при организации междугородного соединения в канале шестьдесят четыре килобит в секунду (основной цифровой канал – ОЦК) имеет допустимый коэффициент ошибок

К_ош = 0,4 * 10^-6.

Учитывая, что при цифровой передаче в ОЦК ошибки суммируются, можно получить условие по допустимой величине коэффициента ошибок на длине линейного тракта в один километр:

для магистрального участка К_{ош м} = 10^-7 / 10 000 = 10^-11;

для внутризонового участка К_{ош в} = 10^-7 / 600 = 1,67 * 10^-10;

для местного участка К_{ош у} = 10^-7 / 100 = 10^-9.

Указанные величины К_ош положены в основу требований к коэффициенту ошибок одиночного регенератора

К_{ош рег} = К_{ош x} * L_рег, (7.10)

где L_рег – длина участка регенерации, x = м, в, у.

К_{ош рег} определяется соотношением сигнал/помеха на входе регенератора для заданного импульсного сигнала. Для линейных трактов волоконно-оптических систем передач характерна передача однополярных импульсов.

Отношение сигнал/шум играет решающую роль в устройстве регенерации.

Решающее устройство (РУ) принимает решение о приеме импульса или паузы. Решение должно быть принято при наиболее вероятной амплитуде импульса, то есть на половине такта Т. Для этого с помощью выделителя тактовой частоты (ВТЧ) и формирующего устройства (ФУ) создается последовательность коротких стробирующих импульсов середины тактовых интервалов передачи информационных символов (единиц и нулей). При этом импульсный сигнал, искаженный при передаче в линейном тракте, восстанавливается в первоначальном виде.

Рисунок 7.10. Структурная схема регенератора

Ошибки возникают в решающем устройстве, а отношение сигнал/шум выявляет появление ошибок.

На оптимизацию отношения сигнал/шум влияют: модулятор передатчика, так как вносит искажения; канал оптической передачи (из-за дисперсии межсимвольных помех), шумы фотодиода и усилителя.

Чтобы сделать оптимальным отношение сигнал/шум, нужны меры, связанные с ограничением полосы частот с одной стороны, с другой это ограничение не должно повлиять на межсимвольные помехи.

Чтобы отношение сигнал/шум было оптимальным, надо построить корректирующую систему таким образом, чтобы убрать помехи из спектра, несовпадающим со спектром сигнала.

Рисунок 7.11. Временные диаграммы

На временной диаграмме изображены тактовые интервалы, которые строго фиксированы по длительности. Но в реальных сигналах эти такты могут отклоняться и в передатчике, и в системе выделителя тактовой частоты (джиттер – фазовые дрожания).

Напряжение на входе решающего устройства описывается нормальным законом распределения. В итоге, в случайные моменты времени могут быть выбросы.

Помехи складываются с сигналом, в результате возникают ошибки.

Для решающего устройства создается порог различения информационных единиц и нулей. Если учесть, что помеха имеет гауссовский вероятностный закон распределения, то уровень порога равен половине амплитуды единичного импульса. При этом вероятность ошибочного приема обозначается

P_ош = p(0) * p(1/0) + p(1) * p(0/1), (7.11)

где p(0) и p(1) априорные вероятности появления единицы и нуля, p(1/0) и p(0/1) – вероятности ложного приема. Величины p(0) = p(1) = 0,5, что обеспечивается линейным кодом ВОСП, а вероятности ложного приема определяются через гауссовское распределение

, (7.12)

где – интеграл вероятности, табулированный и приводимый в математических справочниках, U_ед – напряжение единичного импульса, σ - дисперсия напряжения шума (помехи).

Самый низкий порог отношения сигнал/шум служит нормативом для определения минимального уровня оптического сигнала на входе

фотоприемного устройства. Даже небольшое отклонение от этого норматива может повлечь резкое увеличение числа ошибочно принятых символов. Это нужно учитывать при определении длины регенерационного участка.

Заметное повышение соотношения сигнал/шум может дать фильтр – корректор (ФК), если он согласован с импульсным сигналом по полосе частот и оптимизирован по межсимвольной помехе. Согласование по полосе частот позволяет сгладить импульсные помехи, то есть устранить шумы вне основной части полосы сигнала.

Полоса пропускания фильтр – корректора: , где B – скорость передачи двоичных импульсов. Если полоса пропускания фильтр – корректора выбрана меньше, чем B/2, то это приведет к отсечке шумов вне полосы сигналов и к дополнительным межсимвольным помехам.

Необходимо найти оптимальную характеристику фильтр – корректор, которая уменьшит величину помех вне полосы сигнала, не увеличит межсимвольные помехи, и не будет способствовать накоплению фазовых дрожаний.

Оптимизация по межсимвольной помехе позволяет добиться устойчивого выделения тактовой частоты и формирования стробирующих импульсов с минимальными фазовыми дрожаниями.

Наилучшие результаты дает фильтр – корректор косинусного типа. Его передаточная характеристика подчиняется следующему

(7.13)

где f – текущая частота, B – скорость передачи двоичных импульсов.

Графическое изображение этой характеристики выглядит так

Рисунок 7.12. Передаточная характеристика косинусного фильтра – корректора

Это необходимо для того, чтобы на входе решающего устройства оптимизировать отношение сигнал/шум.

Для практической реализации применяется глаз-диаграмма, которая наблюдается на экране прибора – это наложение множества реализаций за тактовый интервал.

Рисунок 7.13. Глаз-диаграмма

На него накладываются помехи.

Идеальный фильтр нижних частот дает такой раскрыв глаз-диаграммы.

Чем больше глаз раскрыт, тем меньше ошибок. Таким образом, глаз-диаграмму можно нормировать.

Сигнал/шум глаз-диаграммы применяют при настройке реальных систем передачи, работающих на оптических, электрических, радиорелейных линиях.

Контроль сигнал/шум можно осуществлять с помощью Q – фактора, чтобы осуществлять непрерывный контроль за качеством системы.

С помощью Q – фактора может непрерывно контролироваться качество передачи по коэффициенту ошибок.

Q – фактор является точной оценкой соотношения сигнал/шум.

Выпускаются измерительные приборы для контроля Q – фактора.

Особенности обработки линейных сигналов в тракте приема.

Оптический линейный сигнал преобразуется в фотоприемном устройстве в линейный электрический сигнал. Заметим, что в общем случае эти сигналы являются аналоговыми. Затем сигнал вместе с помехами, возникающими, в основном, в фотоприемном устройстве, подаются в регенератор (рисунок 7.10),состоящий из решающего устройства, выделителя тактовой частоты, формирующего устройства. Решающее устройство в течение тактового интервала T стробирует линейный сигнал и сравнивает его с некоторым пороговым напряжением U_пор. Если U U_пор, U_с = 1; если U < U_пор, U_с = 0. Здесь U – мгновенное значение напряжения на входе решающего устройства, U_с – напряжение на выходе решающего устройства. Из приведенного алгоритма работы следует, что кодовая комбинация импульсов может быть воспроизведена с ошибкой.

Действительно, если бы пик помехи во втором тактовом интервале пришелся на момент стробирования, была бы принята единица вместо нуля. Ошибочный прием оценивается вероятностью ошибки:

Назначение корректора.

Известно, что электрический сигнал на выходе фотоприемного устройства не является цифровым. Из-за дисперсии в оптическом волокне импульсы обладают последействием: один предыдущий влияет на несколько последующих, что приводит к интерференционным помехам, которые часто называют межсимвольными. В результате ухудшается возможность различения импульсов решающим устройством. Кроме того, ошибочное срабатывание решающего устройства может вызвать помеха W_э (t), поступающая на его вход с выхода фотоприемного устройства. Поэтому возникает необходимость включения перед решающим устройством корректора, который решает такие задачи:

• уменьшает длительность входного импульса таким образом, что межсимвольные помехи становятся минимальными;

• уменьшает воздействие помехи на решающее устройство.

Как видно из рисунка 7.14,

Рисунок 7.14. Характеристика импульсов с ошибкой

Решение первой задачи возможно, если максимальная длительность импульса τ_и на выходе корректора меньше длительности двух тактовых интервалов

(7.14)

Тогда в моменты срабатывания решающего устройства (моменты стробирования) межсимвольные помехи отсутствуют.

Чтобы решить вторую задачу, необходимо ограничить спектр помехи сверху, то есть корректор должен обладать свойствами фильтра нижних частот. Известно, что чем меньше полоса пропускания фильтра нижних частот, тем слабее воздействие помехи на решающее устройство.

Чтобы уменьшить и межсимвольные помехи, и полосу пропускания корректора, частотную характеристику (ЧХ) корректора аппроксимируют такими функциями, которые удовлетворяют критерию:

(7.15)

то есть, произведение длительности импульса τ_и на выходе корректора на его (корректора) полосу пропускания Δf_к должно стремиться к некоторой минимальной постоянной величине (константе). Критерию (7.15) удовлетворяет аппроксимация частотной характеристики корректора гауссовой кривой, либо "приподнятым" косинусом. Соответственно на выходе корректора формируются импульсы либо гауссовой, либо косинусквадратной формой.

Но полоса пропускания такого корректора вдвое шире, чем у корректора типа идеального ФНЧ. Тем не менее, корректор косинусного типа близок к оптимальному. Оптимальным корректором называют электрический фильтр, который при минимально возможной полосе пропускания формирует из входных импульсов с длительным последействием выходные импульсы такой формы, что межсимвольные помехи между ними отсутствуют.

Заметим, что часто фотоприемное устройство и корректор конструктивно объединяют в одном блоке – приемном оптическом модуле (ПРОМ), полоса пропускания которого определяется полосой пропускания корректора.

Назначение выделителя тактовой частоты (ВТЧ).

Выделитель тактовой частоты восстанавливает тактовую частоту линейного сигнала из последовательности сигналов, сформированных на выходе корректора. Если в дискретном спектре линейного сигнала содержится тактовая частота, то она может быть выделена узкополосным фильтром (например, из линейного сигнала в коде CMI). В других случаях тактовая частота выделяется путем нелинейной обработки сигнала. Например, линейный сигнал в формате NRZ не содержит в своем дискретном спектре линейного сигнала. В выделителе тактовой частоты этот сигнал дифференцируется и выпрямляется. Полученная последовательность импульсов содержит тактовую частоту.

Выводы по главе:

Качество линейного тракта волоконно-оптических систем передач в большой степени определяет качество доставки информационных данных в сети связи. Для выполнения высоких требований по доставке информационных данных линейный тракт может быть резервирован полностью или частично. Рабочие и резервные тракты проектируются по заданным показателям качества, основным из которых является коэффициент ошибок передачи двоичного сигнала на скорости шестьдесят четыре килобит в секунду на общей длине двадцать семь тысяч пятьсот километров.

Национальный участок при организации международного соединения в канале шестьдесят четыре килобит в секунду имеет допустимый коэффициент ошибок K_ош = 0,4 * 10^-6. Учитывая, что при цифровой передачи в основном цифровом канале ошибки суммируются, можно получить условие по допустимой величине коэффициента ошибок на длине линейного тракта в один километр.

Величины K_{ош x} (x = магистральный, внутризоновый, местный участок) положены в основу требований к коэффициенту ошибок одиночного регенератора, который определяется соотношением сигнал/шум на входе регенератора для заданного импульсного сигнала.

Решающее устройство принимает решение о приеме импульса или паузы. Решение должно быть принято при наиболее вероятной амплитуде импульса, то есть на половине такта T. Для этого с помощью выделителя тактовой частоты и формирующего устройства создается последовательность коротких стробирующих импульсов середины тактовых интервалов (единиц и нулей). При этом импульсный сигнал, искаженный при передаче в линейном тракте, восстанавливается в первоначальном виде.

Заметное повышение соотношения сигнал/шум может дать фильтр-корректор, если он согласован с импульсным сигналом по полосе частот и оптимизирован по межсимвольной помехе. Согласование по полосе частот позволяет сгладить импульсные помехи, то есть устранить шумы вне основной части полосы сигнала. Оптимизация по межсимвольной помехе позволяет добиться устойчивого выделения тактовой частоты и формирования стробирующих импульсов с минимальными фазовыми дрожаниями. Наилучшие результаты дает фильтр-корректор косинусного типа.

Настройка фильтр-корректора оценивается глазковой диаграммой, формируемой для одного тактового интервала импульса.

Контрольные вопросы:

1. Какие требования предъявляются к линейным трактам волоконно-оптических систем передач?

2. Какие нормативные показатели используются для проектирования линейных трактов?

3. Основной критерий эффективной работы устройства регенерации.

4. Зачем на вход решающего устройства включают фильтр-корректор?

5. Какой вид помех существует в оптическом линейном тракте?

6. Сущность метода глаз-диаграммы как меры качественной оценки оптического линейного тракта.