Линейные тракты оптических систем передачи подразделяются на беспроводные (атмосферные) и проводные (волоконно-оптические). Беспроводный оптический тракт состоит из двух устройств, включающих в себя передатчик остронаправленного оптического излучения в инфракрасном диапазоне спектра – полупроводниковый лазер, или светодиод и приемник вышеуказанного излучения – высокочувствительный фотодиод (ЛФД или p-i-n). Между передатчиком и приемником находится атмосфера. Основным процессом, сопровождающим распространение инфракрасного оптического излучения в атмосфере, является его селективное поглощение парами воды, углекислым газом, а также рассеяние мельчайшими частицами (дым, пыль, снег, дождь, туман и т.п.).

Сильные полосы поглощения инфракрасного излучения соответствуют следующим длинам волн: 0,51; 0,7; 0,9; 1,16; 1,3 мкм и т.д. (рисунок 1.6).

Максимальная прозрачность наблюдается на длинах волн 0,95; 1,15; 1,5 ¸ 1,8 мкм. На этих длинах волн коэффициент прозрачности лежит в пределах 0,6 ¸ 0,9. Кроме случайно меняющегося затухания атмосферы в расчете линейного тракта должны быть учтены рассогласования источника излучения и приемника.

Методика расчета линейного тракта атмосферной оптической системы передачи подробно изложена в [8, 28, 58, 85]. В ее основе лежит следующий алгоритм:

• определяется мощность излучения на выходе передатчика, которая равна произведению средней мощности излучателя (светодиода или лазера) на потери в оптике передатчика;

• определяется величина потерь от рассогласования передатчика и приемника, обусловленная разными площадями излучающей и принимающей поверхностей;

• определяется максимальная мощность информационного сигнала на фотоприемнике с учетом потерь на оптике приемника, которая равна произведению величины мощности передатчика в площади приемника на величину потерь в оптике, однако это характерно для идеальной атмосферы;

• вычисляется реальный уровень мощности на приеме за счет флуктуаций в атмосфере;

• отношение максимальной мощности сигнала к минимальной чувствительности приемника в логарифмическом масштабе позволяет определить допустимый динамический диапазон линейного тракта.

Динамический диапазон должен соответствовать техническим характеристикам выпускаемых систем передачи. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность до 100 мВт, а чувствительность приемника около –50 дБм. Таким образом, реальный динамический диапазон составляет более 60 дБ.

Расчеты дальности передачи должны производиться на основе метеоданных, полученных при исследовании атмосферы в месте предполагаемого развертывания системы передачи. На рисунке 8.1 для примера приведены характеристики затухания атмосферы при различных метеофакторах.

Рисунок 8.1. Характеристики затухания атмосферы при различных метеофакторах

Примеры характеристик атмосферных оптических систем передачи приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1. Характеристики атмосферных ОСП ЛАЛ2

Вид характеристики	Модификация ЛАЛ2
	500 1000 2000 5000
Общие параметры
Стандарты сигналов	ГОСТ26886-86, G.703, G.823, IEEE802.3
Режим передачи	Дуплексный
Рабочая дальность, км	0.5 1.0 2.0 5.0
Вероятность ошибки	10-10
Наработка на отказ	Не менее 100 000 часов
Максимальная длина кабеля спуска, м	50 300
Наличие подогрева стекла	Нет Есть
Питание	~220 В±10%, 50Гц
Потребляемая мощность, Вт	6 40
Рабочий диапазон температур, град С	От -40 до +65
Исполнение аппаратуры (наружное)	Всепогодное
Характеристики передатчика
Источник излучения	GaAlAs лазер
Длина волны, нм	В диапазоне 810-860
Максимальная мощность лазера, мВт	20 40 60 100
Средняя мощность излучения, мВт	10±1 12±1 18±1 45±1
Контроль мощности	Автоматический
Расходимость луча, мрад	3±0.1 1±0.1 0.5±0.5 0.3±0.01
Характеристики премника
Детектор	p-i-n ЛФД
Поле зрения, мрад	12±1.5 5±1
Реальная чувствительность, дБм	-38 -54
Полоса пропускания оптического тракта	50±5нм
Характеристики интерфейсов Е1/4, Ethernet
Скорость передачи, Мбит/с	2.048/10 2.048, 4×2.048/10
Волновое сопротивление, Ом	120/75/100±5%
Линейный код	HDB-3, AMI
Разъём на блоке интерфейса	RG-45
Наличие системы контроля и управления	Есть
Интерфейс контроля и управления	RS-232
Наличие автоматизированного привода
Перемещение по горизонтали и вертикали	Нет 2 и 3 град
Ошибка стабилизации углового положения	Нет 30 секунд
Максимальная скорость перестройки	Нет 1 град/с

ЛАЛ – лазерная атмосферная линия.

Линейные тракты волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) могут быть устроены для одноволновой и многоволновой передачи.

Одноволновой линейный тракт может быть устроен по одной из схем, изображенных на рисунке 8.2.

В точках S (передача) и R (прием), обозначенных на рисунке 8.2, определены характеристики стыков (интерфейсов) аппаратуры и линии (приложение 1, 2). Расстояние между точками S и R одной линии зависит от характеристик оптоволокна (затухания и дисперсии), передатчика и приемника (мощность передачи, ширина спектра излучения, минимальная чувствительность приемника и другие). Кроме указанных устройств в состав линии могут входить: промежуточные регенераторы, промежуточные и оконечные оптические усилители, преобразователи линейного кода передачи и приема, разъемные и неразъемные соединители, компенсаторы дисперсии. Благодаря различным характеристикам передатчиков и приемников могут быть выбраны подходящие длины участков передачи при требуемом качестве. При этом промежуточные регенераторы или усилители могут быть исключены или размещены в удобных местах (на охраняемых территориях с гарантированным энергообеспечением и возможным обслуживанием).

Многоволновый линейный тракт имеет более строгое устройство, чем одноволновый. Это обусловлено необходимостью уменьшения взаимных помех в параллельно работающих волновых каналах. Помехи появляются из-за ряда нелинейных оптических эффектов, возникающих в волоконных световодах при определенной плотности мощности оптического излучения в длинной линии[61].

Рекомендациями Международного Союза Электросвязи (G.692) предложено три типа организации линейных трактов многоволновых ВОСП с оптическими усилителями:

• тип 1 обозначается индексом L и имеет протяженность до 80 км с затуханием 22 дБ;

• тип 2 обозначается индексом V и имеет протяженность до 120 км с затуханием 33 дБ;

• тип 3 обозначается индексом U и имеет протяженность до 160 км с затуханием 44 дБ.

Индексы имеют следующий смысл:

• L, long – длинная линия;

• V, very – очень длинная линия;

• U, ultra – сверхдлинная линия.

Рисунок 8.2. Варианты построения линейного тракта ВОСП с одноволновой передачей

В линии типа L могут использоваться до 7 промежуточных усилителей при общей длине линии до 640 км (рисунок 8.3 а).

В линии типа V могут использоваться до 4 промежуточных усилителей при общей длине линии до 600 км (рисунок 8.3 б).

В линии типа U передача осуществляется без промежуточных устройств усиления на расстояние до 150 км (рисунок 8.3.в).

Указанные ограничения расстояния многоволновой передачи определены для 41 спектрального канала и обусловлены не только необходимостью восстановления мощности, но и необходимостью регенерации сигналов в каждом волновом канале. Применение широкополосных компенсаторов дисперсии может позволить увеличить длину многоволнового линейного тракта [74]. Реальные разработки многоволновых трактов содержат от 4 до 320 волновых каналов в диапазонах C, L,S (приложение 3). При этом частотный интервал между каналами может быть: 1000 ГГц (4 канала); 600 ГГц (6 каналов); 400/500 ГГц (8 каналов); 400 ГГц (9 каналов); 200 ГГц (18 каналов); 100 ГГц (41 канал); 50 ГГц (более 64 каналов); 25 ГГц (более 132 каналов). Для указанных частотных интервалов принята система обозначений [26]:

WDM, Wavelength Division Multiplexing – волновое мультиплексирование (с разделением по длине волны);

DWDM, Dense WDM – плотное волновое мультиплексирование;

HDWDM, High Dense WDM – высокоплотное волновое мультиплексирование;

CWDM, Coarse Wavelength Division Multiplexing – грубое (расширенное) волновое мультиплексирование для каналов в различных окнах прозрачности стекловолокна с интервалом между каналами не менее 20 нм.

Обозначения на рисунке 8.3: λ _П – волновой канал; ОМХ – оптический мультиплексор; ODMX – оптический демультиплексор; ОЦ _ПЕР – оптический усилитель передачи; ОЦ _ПР – оптический усилитель приема (предусилитель); ОУЛ – оптический усилитель линейный.

Кроме многоволновой передачи в линейном тракте может применяться передача с оптическим временным уплотнением (OTDM) и уплотнением по поляризации (PDM). Однако эти способы пока не получила заметного применения.

Рисунок 8.3. Варианты построения линейного тракта с многоволновой передачей

Примеры характеристик линейных трактов ВОСП с одноволновой или многоволновой передачей приведены в приложении учебного пособия. Согласование одноволновых и многоволновых линейных трактов осуществляется через устройство, которое определено как транспондер.

Транспондер обеспечивает формирование требуемой для многоволнового линейного тракта несущей частоты и устраняет фазовые дрожания импульсов. На рисунке 8.4 представлена схема стыка передатчика одноволновой системы с транспондером многоволновой системы.

Рисунок 8.4. Стык линейных трактов одноволновой и многоволновой систем передачи

На рисунке 8.4 обозначено:

S – точка стыка, соответствующая рекомендации G.957 МСЭ-Т;

Sn – точка стыка, соответствующая рекомендациям G.692, G.694.1, G.694.2 МСЭ-Т;

λ _х – длина волны из диапазонов 1260 ¸ 1335 нм и 1480 ¸ 1580 нм;

λ _n – длина волны, соответствующая сетке частот многоволновой системы передачи, например, как показано на рисунке 8.5;

о-э-о – обозначение функций транспондера, как преобразователя оптического сигнала с длиной волны λ _х в электрический сигнал, его обработки и последующего преобразования в оптический сигнал с длиной волны λ _n (n = 1, 2, 3, ...160 и т.д.). Ниже приведены примеры сеток частот последней стандартизации для использования в транспондерах.

Сетка частот CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing), грубое мультиплексирования с разделением по длине волны, определена рекомендацией ITU-T G.694.2, где предусмотрен волновой интервал между оптическими несущими 20 нм и определены длины волн передачи: 1271 нм, 1291 нм, 1311 нм, 1331 нм, 1351 нм, 1371 нм, 1391 нм, 1411 нм, 1431 нм, 1451 нм, 1471 нм, 1491 нм, 1511 нм, 1531 нм, 1551 нм, 1571 нм, 1591 нм, 1611 нм.

Допустимая вариация любой из волн составляет ± 6-7 нм от центральной волны.

Сетка частот DWDM (Dense WDM) – плотного мультиплексирования с разделением по длине волны определена рекомендацией ITU-T G.694.1, где предусмотрены различные волновые интервалы между оптическими несущими: 12,5 ГГц, 25 ГГц, 50 ГГц, 100 ГГц. Эти несущие определены для диапазонов C и L. Значения несущих частот (волн) можно вычислить по следующим формулам:

а) для интервала 12,5 ГГц

193,1 + n ´ 0,0125 [ТГц];

б) для интервала 25 ГГц

193,1 + n ´ 0,025 [ТГц];

в) для интервала 50 ГГц

193,1 + n ´ 0,05 [ТГц];

г) для интервала 100 ГГц

193,1 + n ´ 0,1 [ТГц].

Кроме приведенных сеток частот CWDM и DWDM сохраняются возможности по использованию стандартов G.692, G.695 по распределению частот и интерфейсов ранней стандартизации.

λ ₁ = 1558,98 нм; λ ₂ = 1557,36 нм λ ₃ = 1555,75 нм; λ ₄ = 1554,13 нм; λ ₅ = 1552,52 нм; λ₆ = 1550,92 нм; λ ₇ = 1549,32 нм; λ ₈ = 1547,72 нм; λ ₉ = 1542,94 нм; λ ₁₀ = 1541,35 нм; λ ₁₁ = 1539,17 нм; λ ₁₂ = 1538,19 нм; λ ₁₃ = 1536,61 нм; λ ₁₄ = 1535,04 нм; λ ₁₅ = 1533,47 нм; λ ₁₆ = 1531,90 нм

Частотный шаг между оптическими несущими частотами составляет 200 ГГц.

Рисунок 8.5. Пример распределения несущих оптических частот в линейном тракте системы Alcatel1686 WM