Одноволоконная оптическая линия дуплексной связи

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи. Достигаемый технический результат заключается в увеличении длины одноволоконной оптической линии дуплексной связи за счет подавления шумов обратного рассеяния. С целью получения этого технического результата в одноволоконную линию дуплексной связи введены первый и второй формирователи модулирующего сигнала, первый и второй фазовые модуляторы, первый и второй фильтры нижних частот, генератор, первый, второй, третий и четвертый фазовые детекторы, управляемый генератор, первый, второй, третий и четвертый полосно-пропускающие фильтры, управляемый фазовращатель, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой фазовращатели, первый и второй удвоители частоты, первый, второй, третий и четвертый усилители-регенераторы, первый и второй формирователи выходного сигнала, первый и второй усилители-ограничители. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи.

Известны одноволоконные оптические линии дуплексной связи. См. например, Вестник связи, 1990, N 10, с. 44-48.

Недостатком таких линий является их малая длина из-за влияния шумов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является одноволоконная оптическая линия дуплексной связи, описанная в журнале "Электросвязь", 1991, N 4, с. 28-30 (фиг. 1) и содержащая усилители мощности 1 и 4, лазерные генераторы 2 и 3, оптические разветвители 5 и 7, оптический кабель 6, фотодетекторы 9 и 10, усилители 13 и 14, фильтры сигнала 12 и 15 и видеорегенераторы 8 и 11.

Недостатком данной одноволоконной оптической линии дуплексной связи является малая длина линии из-за влияния шумов фотодетектора, первых каскадов усиления и обратного рассеяния оптического сигнала в оптическом волокне.

Техническая задача, решение которой является целью предлагаемого технического решения, заключается в увеличении длины одноволоконной оптической линии дуплексной связи за счет подавления шумов обратного рассеяния.

С целью получения этого технического результата в одноволоконную оптическую линию дуплексной связи, содержащую первый и второй усилители мощности, первый и второй лазерные генераторы, первый и второй оптические разветвители, оптический кабель, первый и второй фотодетекторы, первый и второй усилители, первый и второй фильтры сигнала, первый и второй видеорегенераторы, первый и второй входы линии, первый и второй выходы линии, выход первого усилителя мощности через первый лазерный генератор, первый оптический разветвитель, оптический кабель, второй оптический разветвитель, второй фотодетектор соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя мощности через второй лазерный генератор, второй оптический разветвитель, оптический кабель, первый оптический разветвитель, первый фотодетектор соединен с входом первого усилителя, выход первого фильтра сигнала через видеорегенератор соединен с первым выходом линии, выход второго фильтра сигнала через второй видеорегенератор соединен с вторым выходом линии, введены первый и второй модуляторы, первый и второй генераторы поднесущих частот, первый и второй сумматоры, первый и второй синхронные детекторы; первый и второй фильтры верхних частот, первое и второе устройства восстановления поднесущих частот, первый вход линии через первый модулятор соединен с входом первого усилителя мощности, второй вход линии через второй модулятор соединен с входом второго усилителя мощности, выход первого генератора поднесущей частоты соединен с вторым входом первого модулятора, выход второго генератора поднесущей частоты соединен с вторым входом второго модулятора, выход первого усилителя через первый фильтр верхних частот, первый синхронный детектор и первый сумматор соединен с входом первого фильтра сигнала, выход второго усилителя через второй фильтр верхних частот, второй синхронный детектор и второй сумматор соединен с входом второго фильтра сигнала, выход первого усилителя через первый фильтр нижних частот соединен со вторым входом первого сумматора, а через первое устройство восстановления поднесущей частоты - с вторым входом первого синхронного детектора, выход второго усилителя через второй фильтр нижних частот соединен с вторым входом второго сумматора, а через второе устройство восстановления поднесущей частоты соединен с вторым входом синхронного детектора.

Блок-схема предлагаемой одноволоконной оптической линии дуплексной связи показана на фиг. 2, где первый и второй модуляторы 1, 8, первый и второй генераторы 2, 7 поднесущих частот, первый и второй усилители 3, 6 мощности, первый и второй лазерные генераторы 4, 5, первый и второй фильтры 9, 17 сигнала, первый и второй сумматоры 10, 16, первый и второй фильтры 11, 15 нижних частот, первый и второй оптические разветвители 12, 14, оптический кабель 13, первый и второй видеорегенераторы 18, 25, первый и второй синхронные детекторы 19, 24, первый и второй фильтры 20, 23 верхних частот, первый и второй фотодетекторы 21, 22, первое и второе устройства 26, 29 восстановления поднесущих частот, первый и второй усилители 27, 28.

Принцип работы предлагаемой одноволоконной оптической линии дуплексной связи заключается в следующем. Первый цифровой сигнал поступает на вход линии Вх. 1 и через модулятор 1, усилитель 3, лазерный генератор 4, оптический разветвитель 12 поступает в оптический кабель 13 и далее через второй оптический разветвитель 14, фотодетектор 22, усилитель 28, поступает на фильтр нижних частот 15 и на фильтр верхних частот 23 и далее через сумматор 16, синхронный детектор 24, второй фильтр сигнала 17 и видеогенератор 25 поступает на выход линии Вых. 2.

Второй цифровой сигнал поступает на вход линии Вх.2 и через модулятор 8, второй усилитель мощности 6, второй лазерный генератор 5, второй оптический разветвитель 14 поступает в то же самое волокно оптического кабеля 13 и далее через оптический разветвитель 12, фотодетектор 21, усилитель 27 поступает на входы фильтров нижних частот 11 и верхних частот 20 и далее через синхронный детектор 19 и сумматор 10 поступает через фильтр сигнала 9 и видеорегенератор 18 на выход линии Вых. 1.

Рассмотрим прохождение первого цифрового сигнала с входа Вх.1 на выход Вых. 2. Первый цифровой сигнал поступает на первый вход модулятора 1, на второй вход которого поступают синусоидальные электрические колебания генератора поднесущей частоты 2. На выходе модулятора 1 при передаче импульса образуется сигнал, содержащий сигнал поднесущей частоты и постоянную составляющую, равную амплитуде сигнала поднесущей частоты. При передаче паузы на выходе модулятора 2 сигнал отсутствует. Электрический сигнал с выхода модулятора 1 усиливается в усилителе мощности 3, преобразуется в оптический сигнал в лазерном генераторе 4 и через оптический разветвитель 12 поступает в одно из волокон оптического кабеля 13. Оптический сигнал из оптического кабеля 13 через оптический разветвитель 14 поступает на фотодетектор 22, в котором он преобразуется в электрический сигнал, усиливается усилителем 28 и разделяется на два канала фильтрами нижних 15 и верхних 23 частот. В первый канал поступает низкочастотная составляющая передаваемого сигнала, выделенная фильтром нижних частот 15. Во второй канал поступает высокочастотная составляющая передаваемого сигнала, выделенная фильтром верхних частот 23, которая синхронным детектором 24 преобразуется в видеосигнал. Для работы синхронного детектора используются синусоидальные колебания поднесущей частоты, выделенные из передаваемого сигнала с помощью устройства выделения поднесущей частоты 29. Сигналы, прошедшие по двум каналам, складываются в сумматоре 16 и через фильтр сигнала 17, формирующий сигнал в шум с максимальным отношением мощностей, поступают на видеорегенератор 25 и далее на выход линии.

Прохождение второго цифрового сигнала с входа Вх.2 на выход Вых. 1 аналогично рассмотренному выше прохождению первого цифрового сигнала.

На фиг. 3 показаны временные диаграммы сигналов на выходе блоков предлагаемой и известной линии связи (фиг. 1): а) лазерных генераторов 4 и 5 Р; б) усилителей 13 и 14 U_y, т.е. на входе фильтров сигналов 12 и 15, и предлагаемой линии связи (фиг. 2); в) лазерных генераторов 4 и 5 Р, г) усилителей 27 и 28 U_y, д) фильтров нижних частот 11 и 15 U_нч, е) фильтров верхних частот 20 и 23 U_вч, ж) синхронных детекторов 19 и 24 U_сд, з) сумматоров 10 и 16 U_c, т.е. на входе фильтров сигналов 9 и 17.

Ток накачки лазера при передаче импульса, формируемый на выходе усилителя мощности, содержит постоянную составляющую и составляющую поднесущей частоты, которая в несколько раз превышает тактовую частоту и определяется из требования подавления помех из-за обратного рассеяния в оптическом волокне, т.е. составляет 100 - 200 мГц в зависимости от диапазона волн излучения и типа оптического кабеля. При передаче паузы ток накачки лазера равен пороговому току, а излучение отсутствует. Поэтому при передаче импульсов и пауз, вероятности появления которых равны, среднее значение излучаемой лазерами мощности в известной линии (фиг. 3а) и в предлагаемой линии (фиг. 3в) одинаковы и равны Pc = 0,5 P'n = 0,25 P''n На выходе фотодетекторов 21 и 22, а следовательно, и линейных усилителей 27 и 28 образуются электрические сигналы, которые при передаче импульса содержат постоянные составляющие и составляющие поднесущих частот, амплитуды которых примерно равны постоянным составляющим (фиг. 3г).

В предлагаемой линии связи амплитуда сигнала 2А на входе фильтра сигнала (фиг. 3з) в два раза больше, чем в известной линии связи (фиг. 3б) при одинаковой средней мощности на выходе лазерных генераторов (фиг. 3а, в).

Спектральная плотность шума на выходе усилителя в известной линии связи (фиг. 3б) и на выходе фильтра нижних частот в предлагаемой линии связи (фиг. 3д) кроме основной составляющей шума приемника (Шо) содержит дополнительную составляющую - шум обратного рассеяния (Шор). Спектральная плотность шума на выходе фильтра верхних частот (фиг. 3) в предлагаемой линии связи не содержит шума обратного рассеяния.

После синхронного детектора спектральная плотность шума (2Шо) возрастает в два раза, так как средний квадрат любого сигнала на выходе такого детектора в два раза больше среднего квадрата сигнала на его входе. Уменьшение шума в два раза за счет подавления фазовой составляющей компенсируется увеличением шума из-за большей полосы, занимаемой сигналом на поднесущей частоте. Поэтому на входе фильтра сигнала в предлагаемой линии спектральная плотность шума 3Шо + Шор является суммой шумов, прошедших по двум каналам, на выходе сумматора (фиг. 3).

Для оценки положительного эффекта от использования предлагаемой линии связи рассмотрим аналитические выражения для отношения сигнала/шум на выходе оптимального фильтра, используемого в качестве фильтра сигнала в известной (Su) и предполагаемой (S) линиях связи


где
T - тактовый интервал цифрового сигнала.

В этом случае положительный эффект от использования предлагаемой линии связи определяется отношением

Рассмотрим пример. При скорости передачи 34 Мбит/с ухудшение помехоустойчивости одноволоконной оптической линии дуплексной связи из-за обратного рассеяния в оптическом волокне составляет 1,2 дб. Откуда следует, что Шор/Шо = 0,312. Поэтому S/Su = 1,584, что соответствует повышению энергетического потенциала предлагаемой линии связи по сравнению с известной на 2 дб. В случае, когда затухание в оптическом волокне α = 0,7 дб/км, затухание в неразъемных соединениях α_нс= 0,1 дб, а строительная длина оптического кабеля l_c = 2 км, увеличение длины предлагаемой линии по сравнению с известной

составляет 2,7 км.

Экономический эффект от исполнения предлагаемой линии связи можно оценить на примере развития транспортной сети связи г. Москвы.

Отечественные оптические кабели, выпускаемые для применения на городских сетях, имеют затухание 1,5 дб/км, 1 дб/км и 0,4 дб/км, что для системы со скоростью передачи 34 Мбит/с при энергетическом потенциале 38 дб с учетом энергетического запаса (6 дб), затухания в разъемных (2 дб на все) и неразъемных (0,1 дб на одно) соединениях и строительной длины (2 км) гарантирует длину участка линии без регенерации не более 20 км, 30 км и 40 км соответственно. При наращивании мощности транспортной сети связи г. Москвы могут быть использованы в некоторой пропорции оптические кабели с указанными выше затуханиями, так как средний диаметр Москвы составляет примерно 40 км.

Рассмотрим модель сети связи, в которой вероятности появления длины соединительной линии (СЛ) в интервале 10 - 40 км равны, а общая длина СЛ, не соответствующих этому интервалу, мала и не влияет на результаты расчета. В этом случае затраты на оптический кабель.

где
N - общее количество проложенных СЛ;
C_n, l_n - стоимости 1 км ОК и средние длины СЛ (n = 1, 2, 3) для интервалов длин СЛ: 10 - 20 км, 20 - 30 км и 30 - 40 км соответственно. Поэтому 15 км, 25 км, 35 км.

Уменьшение затрат в качестве СЛ вместо известной линии

где ΔC₁₂=C₂-C₁;
ΔC₂₃=C₃-C₂;
Δl_Σ1,Δl_Σ2- - суммарная длина СЛ, в которых используется более дешевый ОК с затуханием 1,5 дб/км вместо 1 дб/км и 1 дб/км вместо 0,7 дб/км соответственно;
ΔЭ- - увеличение энергетического потенциала предлагаемой линии связи по сравнению с известной (2 дб);
Э¹ - затухание в ОК СЛ (30 дб);
Δl_Σ- - величина интервала разброса длин СЛ в модели сети (30 км);
l₁ = 20 км, l₂ = 30 км.

Относительное уменьшение затрат на ОК в случае, когда ΔC₁₂=ΔC₂₃=ΔC_ОК составляет

где
C_ОК = C₂ - средняя цена ОК ( α== 1 дб/км).

Если цены на ОК составляют 2000-2500 долларов США за 1 км, то C_ОК = 2250 долларов США, а ΔC_ОК=250 долларов США. Откуда ΔC_Σ/C_Σ=0,012. В абсолютном выражении экономический эффект от использования предлагаемой линии связи при годовых капитальных затратах на ОК, предназначенных для развития транспортной сети связи 1-10 млн долларов США составляет 12-120 тыс. долларов США.

Формула изобретения

Одноволоконная оптическая линия дуплексной связи, содержащая первый и второй усилители мощности, первый и второй лазерные генераторы, первый и второй оптические разветвители, оптический кабель, первый и второй фотодетекторы, первый и второй усилители, первый и второй фильтры сигнала, первый и второй видеорегенераторы, первый и второй входы линии, первый и второй выходы линии, причем выход первого усилителя мощности соединен с входом первого лазерного генератора, выход которого соединен с входом первого оптического разветвителя, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом оптического кабеля, вход-выход которого соединен с входом-выходом второго оптического разветвителя, выход которого соединен с входом второго фотодетектора, выход которого соединен с входом второго усилителя, выход второго усилителя мощности соединен с входом второго лазерного генератора, выход которого соединен с входом второго оптического разветвителя, выход первого оптического разветвителя соединен с входом первого фотодетектора, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход первого фильтра сигнала соединен с входом первого видеорегенератора, выход которого соединен с первым выходом линии, выход второго фильтра сигнала соединен с входом второго видеорегенератора, выход которого соединен с вторым выходом линии, отличающаяся тем, что дополнительно включены первый и второй модуляторы, первый и второй генераторы поднесущих частот, первый и второй сумматоры, первый и второй синхронные детекторы, первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй фильтры верхних частот, первое и второе устройства восстановления поднесущих частот, причем первый вход линии соединен с первым входом первого модулятора, выход которого соединен с входом первого усилителя мощности, второй вход линии соединен с первым входом второго модулятора, выход которого соединен с входом второго усилителя мощности, выход первого генератора поднесущей частоты соединен с вторым входом первого модулятора, выход второго генератора поднесущей частоты соединен с вторым входом второго модулятора, выход первого усилителя соединен с входом первого фильтра верхних частот, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом первого фильтра сигнала, выход второго усилителя соединен с входом второго фильтра верхних частот, выход которого соединен с первым входом второго синхронного детектора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом второго фильтра сигнала, выход первого усилителя соединен с входом первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход первого усилителя соединен с входом первого устройства восстановления поднесущей частоты, выход которого соединен с вторым входом первого синхронного детектора, выход второго усилителя соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, выход второго усилителя соединен с входом второго устройства восстановления поднесущей частоты, выход которого соединен с вторым входом второго синхронного детектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3