🗊Презентация Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы

Цифровые многоканальные телекоммуникационные системы Бакалавриат

Принцип организации волоконно-оптической связи

Мировые системы PDH

Операция ввода/вывода потока в PDH

К недостаткам PDH следует, также, отнести слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. К недостаткам PDH следует, также, отнести слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных.

Цели и задачи разработки SDH. Основные понятия. Желание преодолеть указанные недостатки PDH привели к разработке в США иерархии синхронной оптической сети (SONET), а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии (SDH), предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи. Целью разработки, в обоих случаях, было создание иерархии, которая позволила бы: вводить/выводить исходные потоки без необходимости производить сборку разборку; разработать структуру кадров, позволяющую осуществлять развитую маршрутизацию и управление сетями с произвольной топологией; загружать и переносить в кадрах новой иерархии кадры PDH иерархии и других типов трафика (АТМ, IP); разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

Мировые системы SDH

Многоуровневая модель SDH

Самый низкий — физический уровень, представляющий передающую среду. Самый низкий — физический уровень, представляющий передающую среду. Секционный уровень отвечает за сборку синхронных модулей STM-N и траспортировку их между элементами сети. Он подразделяется на регенераторную и мультиплексорную секции. Маршрутный уровень отвечает за доставку сигналов, предоставляемых сетью для конечного пользователя (PDH, ATM и др.), и упакованных в полезной нагрузке STM-N. Согласно терминологии SDH, эти сигналы называют компонентными или трибутарными сигналами, а предоставляемые пользователю интерфейсы доступа к сети — трибутарными интерфейсами. Передача сигнальной информации для каждого уровня в SDH осуществляется при помощи механизма заголовков. Каждый STM-N кадр имеет секционный заголовок SOH (Section OverHead), состоящий из двух частей: заголовка регенераторной секции RSOH (Regenerator Section OverHead) и мультиплексорной секции MSOH (Multiplex Section OverHead).

Для упаковки и транспортировки в STM-N трибутарных сигналов предложена технология виртуальных контейнеров. Виртуальный контейнер состоит из поля полезной нагрузки — контейнера, на которое отображается трибутарный сигнал, и маршрутного заголовка POH (Path OverHead), который указывает тип контейнера и служит для сбора статистики о прохождении контейнера по сети. Для упаковки и транспортировки в STM-N трибутарных сигналов предложена технология виртуальных контейнеров. Виртуальный контейнер состоит из поля полезной нагрузки — контейнера, на которое отображается трибутарный сигнал, и маршрутного заголовка POH (Path OverHead), который указывает тип контейнера и служит для сбора статистики о прохождении контейнера по сети.

Схема мультиплексирования SONET/SDH

Схема организации волоконно-оптической линии передачи

Передающие оптические модули Оптические передатчики ВОСП реализуются в форме единого передающего оптического модуля (ПОМ) - электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические сигналы. ФМС — формирователь модулирующего сигнала; ОМ – оптический модулятор; ИОИ — источник оптического излучения; ОР – оптический разветвитель; СОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения; ОС – линейный оптический сигнал; СВД – схема встроенной диагностики; СУ и ОС – согласующее устройство и оптический соединитель; ОВ – оптическое волокно.

Источники оптического излучения Требования к источникам оптического излучения: - длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна: - достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно; - возможность модуляции оптического излучения различными способами; достаточно большой срок службы; минимальное потребление электрической энергии или высокая эффективность; - минимальные габариты и вес; простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик. Известны три класса источников оптического излучения для ВОСП: планарные полупроводниковые; волоконные; объемные микрооптические источники (микролазеры). Все они в той или иной мере удовлетворяют изложенным выше требованиям, однако только планарные полупроводниковые источники – светоизлучающие диоды и лазеры – широко используются в реальных системах. (непосредственное преобразование энергии электрического тока в оптическое излучение с высокой эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры.)

Механизмы оптического излучения Спонтанное оптическое излучение возникает при переходе любого электрона с одного энергетического уровня на другой. Так как время перехода всех электронов не совпадает, то происходит наложение излучения и возникают оптические волны одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие колебание энергии Eq тоже, пусть и не в такой мере, влияют на частотный разброс излучения. (некогерентный источник оптического излучения) Индуцированное (вынужденное) излучение Суть вынужденного излучения состоит в том, что если на электрон, находящийся в зоне проводимости падает свет с частотой f0, примерно равной частоте f, определяемой то возникает излучение с частотой f0 и направлением падающего света. (когерентный источник оптического излучения)

Когерентные и некогерентные источники оптического излучения Некогерентные источники оптического излучения

Когерентные источники оптического излучения

Спектр колебаний лазерного диода

Светоизлучающие диоды

Светоизлучающие диоды.

Согласующие устройства светодиод - волокно

Гетероструктуры с ОГС (а) и ДГС (б)

Характеристики СИД

Спектральное распределение СИД

Характеристики СИД

Лазерные диоды

Лазеры с полосковой геометрией

Характеристики ЛД

Диаграмма направленности

Спектр излучения лазера

Основные характеристики СИД, ПЛ(ЛД)

Приемные оптические модули ОК — оптический кабель; ОС — оптический соединитель; ФД — фотодиод или фотодетектор; ПМШУ — предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ — мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК — фильтр-корректор.

Фотодетекторы

Структурная схема p-i-n-фотодиода

Лавинные фотодиоды (ЛФД)

Лавинное усиление или лавинное умножение При воздействии оптического излучения мощностью W на i-слой образуются пары «электрон-дырка», называемые первоначальными носителями. Затем происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам батареи смещения. При попадании свободных электронов из i- cлоя в р- слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокой напряженности электрического поля n+-р — перехода. Ускоряясь в зоне проводимости р- слоя, такие «быстрые» электроны накапливают кинетическую энергию достаточную, чтобы «выбить» (возбудить) два «медленных» электрона из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляются свободные носители, называемые вторичными. В зоне проводимости р- cлоя происходит их повторное ускорение до получения кинетической энергии, соответствующей «быстрому» электрону, который снова порождает ударной ионизацией пару «медленных» электронов из валентной зоны. Этот процесс называется лавинным усилением или лавинным умножением.

Р-i-n- фотодиоды. Лавинные фотодиоды (ЛФД). Основные характеристики.

Шумы фотодиодов

Эквивалентная схема ФД

Можно показать, что для эквивалентной схемы ширина полосы пропускания или предельная частота равна , Можно показать, что для эквивалентной схемы ширина полосы пропускания или предельная частота равна , здесь Rн - сопротивление нагрузки ФД (как правило, входное сопротивление предварительного малошумящего усилителя фототока).

В состав тока Iфд на выходе схемы входят: фототок Iф, темновой ток Im, а также токи шумов различного происхождения, являющиеся естественным ограничением чувствительности фотодиодов. Среднеквадратическое значение тока фотодиода определяется следующей формулой: В состав тока Iфд на выходе схемы входят: фототок Iф, темновой ток Im, а также токи шумов различного происхождения, являющиеся естественным ограничением чувствительности фотодиодов. Среднеквадратическое значение тока фотодиода определяется следующей формулой: .

Дробовые шумы Обусловленные дискретной природой фотонов и генерируемых ими пар «электрон-дырка». Фототок не является непрерывным и однородным потоком, а представляет поток отдельных дискретных электронов. Фототок флуктуирует в зависимости от того, насколько много или мало пар «электрон-дырка» возникает в данный момент времени. Дробовые шумы присутствуют и тогда, когда свет не падает на фотодиод. Даже в отсутствие оптического сигнала малые флуктуации фототока генерируются за счет темнового тока и температурных колебаний,

Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробный шум) фотодиода равно: , Среднеквадратическое значение тока дробовых шумов (дробный шум) фотодиода равно: , где q — заряд электрона; F(М) — коэффициент избыточного шума лавинного умножения (усиления), учитывающий увеличение дробовых шумов ЛФД из-за нерегулярного характера процесса умножения; для некоторых типов ЛФД коэффициент F(M) вблизи напряжения пробоя может быть представлен в форме: где показатель степени х для кремниевых ЛФД лежит в пределах 0,2...0,5 и для германиевых — 0,9...1, для ЛФД на основе гибридного соединения вида InGaAs — 0,7...0,8; Fф — ширина полосы пропускания фотодиода.

Темновой ток Среднеквадратическое значение темнового тока определяется по формуле: Здесь: Im — среднее значение темнового тока; его величина для кремниевых р-i-n — фотодиодов лежит в пределах (1...8)10 А, а для германиевых — на два порядка выше. Темновой ток возрастает примерно на 10% с ростом температуры на 1˚С.

Тепловые шумы (или шумы Джонсона-Найквиста) обусловленных флуктуациями отдельных электронов в проводнике, создающих на его концах напряжение случайного характера. Электроны в пространстве между электродами фотодиода ведут себя непостоянно. Их тепловая энергия позволяет им случайным образом смещаться. В каждый момент времени суммарный поток случайного движения электронов может быть направлен к одному либо к другому электроду. Таким образом, появляется постоянно меняющийся случайный ток. Он накладывается на полезный сигнал и изменяет его.

Среднеквадратическое значение тока тепловых шумов определяется выражением: Среднеквадратическое значение тока тепловых шумов определяется выражением: где К=1,38х10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; T— абсолютная температура по шкале Кельвина; Дж/К Fф — ширина полосы пропускания фотодиода (фотодетектора); Rн — сопротивление нагрузки.

Помехозащищенность