Передача сигнала. Цифровые оптоволоконные системы

МИР ЦИФРЫ И СТЕКЛА

ВВЕДЕНИЕ

За последнюю четверть века оптоволоконная связь стала широко распространенным методом передачи видео- и аудиосигнала, других аналоговых сигналов и цифровых данных. У оптоволоконной связи много хорошо известных преимуществ над витой парой и коаксиальными кабелями, например, невосприимчивость к электрическим помехам и непревзойденно широкая полоса пропускания. По этим и многим другим причинам волоконно-оптические системы передачи информации все глубже проникают в самые разные области информационных технологий.

Однако, несмотря на эти преимущества, в оптоволоконных системах до недавнего времени использовались те же самые аналоговые технологии передачи сигнала, что и в их медных предшественниках. Сейчас, когда появилось новое поколение аппаратуры, основанное исключительно на цифровых методах обработки сигналов, оптоволоконная связь вновь выводит телекоммуникации на совершенно новый уровень. Цифровые системы обеспечивают очень высокую производительность, гибкость и надежность, и стоят при этом не больше, чем аналоговые решения, на смену которым они приходят.

В этом пособии рассматривается техника цифровой передачи сигнала по оптоволоконным кабелям и ее экономические и технологические преимущества.

АНАЛОГОВАЯ ПЕРЕДАЧА ПО ОПТОВОЛОКНУ

Чтобы в должной мере оценить преимущества цифровых технологий, давайте вначале рассмотрим традиционные методы передачи аналоговых сигналов по оптоволокну. Для передачи аналоговых сигналов используют амплитудную (АМ) и частотную (ЧМ) модуляцию. В обоих случаях на вход оптического передатчика поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Делается это по-разному.

В системах с амплитудной модуляцией оптический сигнал – это световой поток с интенсивностью, меняющейся в соответствии с изменениями входного электрического сигнала. В качестве источника света используются либо светодиоды, либо лазеры. К сожалению, и те и другие нелинейны, то есть в полном диапазоне яркостей от отсутствия излучения до максимального значения не соблюдается пропорциональность между входным сигналом и интенсивностью света. Тем не менее, именно такой способ управления используется в системах с амплитудной модуляцией. В результате возникают различные искажения передаваемого сигнала:

• снижение отношения сигнал/шум по мере роста длины кабеля;
• нелинейное дифференциальное усиление и фазовые ошибки при передаче видеосигнала;
• ограничение динамического диапазона аудиосигнала.

Для улучшения качества работы оптоволоконных систем передачи сигнала было предложено использовать частотную модуляцию, при которой источник света всегда либо выключен полностью, либо включен на полную мощность, а частота следования импульсов изменяется в соответствии с амплитудой входного сигнала. Для тех, кто знаком с частотной модуляцией сигналов в радиотехнике, применение здесь этого термина может показаться необоснованным, поскольку в контексте оптоволоконных систем это воспринимается как метод управления частотой самого светового излучения. Это не так, и в самом деле более правильно было бы использовать термин «фазоимпульсная модуляция» (ФИМ), но в области оптоволоконной техники устоялась именно такая терминология. Следует всегда помнить, что слово «частотная» в названии метода модуляции означает частоту следования импульсов, а не частоту несущих их световых волн.

При амплитудной модуляции уровень входного сигнала представляется интенсивностью светового луча

При частотной модуляции уровень входного сигнала представляется частотой следования световых импульсов
Рис. 1. Сравнение амплитудной и частотной модуляции

Хотя частотная модуляция устраняет многие проблемы управления яркостью излучателя, свойственные системам с АМ, у нее есть и свои трудности. Одна из них – известные в ЧМ-системах перекрестные помехи. Они наблюдаются, в частности, при передаче нескольких сигналов с частотной модуляцией по одному оптоволокну, например, при использовании мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в передатчике или приемнике как результат нестабильности настройки важных схем фильтрации сигнала, предназначенных для разделения несущих частот. Если фильтры настроены некачественно, то частотно-модулированные несущие взаимодействуют друг с другом и искажаются. Инженеры, специализирующиеся на оптоволоконных системах, могут создать ЧМ-системы, в которых вероятность возникновения перекрестных помех сведена к минимуму, но любое усовершенствование конструкции влечет за собой возрастание стоимости приборов.

Еще один тип искажений называется интермодуляцией. Как и перекрестные помехи, интермодуляция возникает в системах, предназначенных для передачи сразу нескольких сигналов по одному оптоволокну. Интермодуляционные искажения возникают в передатчике чаще всего как результат нелинейности в цепях, общих для различных ЧМ-несущих. Как следствие, до объединения нескольких несущих в один оптический сигнал они действуют друг на друга, снижая точность передачи исходного сигнала.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ

Как и в аналоговых системах, на передатчики цифровых систем поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или цифровые данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Приемник получает оптический сигнал и выдает электрический сигнал исходного формата. Различие состоит в том, как сигналы обрабатываются и передаются от передатчика к приемнику.

Рис. 2. Цифровая система передачи аналогового сигнала

В чисто цифровых системах входной низкочастотный сигнал сразу поступает на аналого-цифровой преобразователь, который входит в состав передатчика. Там сигнал преобразуется в последовательность логических уровней – нулей и единиц, называемую цифровым потоком. Если передатчик многоканальный, то есть рассчитан на работу с несколькими сигналами, то несколько цифровых потоков объединяются в один, и он управляет включением и выключением одного излучателя, которое происходит с очень высокой частотой.

На приемном конце происходит обратное преобразование сигнала. Из комбинированного цифрового потока выделяются индивидуальные потоки, соответствующие отдельным передаваемым сигналам. Они поступают на цифро-аналоговые преобразователи, после чего выдаются на выходы в исходном формате (рис. 2).

Чисто цифровая передача сигнала имеет массу преимуществ над традиционными АМ- и ЧМ-системами – от универсальности и более качественного сигнала до меньшей стоимости монтажа. Давайте рассмотрим некоторые из преимуществ более подробно и попутно обсудим выгодные как для установщика систем, так и для их пользователя экономические показатели.

ТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

В аналоговых системах с амплитудной модуляцией сигнал теряет качество пропорционально пути, пройденному по оптоволокну. Этот факт в сочетании с тем, что АМ-системы работают только с многомодовыми световодами, ограничивает применение таких систем сравнительно небольшими расстояниями передачи. ЧМ-системы работают несколько лучше: в них качество сигнала хотя и снижается, но в не очень длинных линиях остается примерно постоянным, резко снижаясь лишь при достижении некоторой предельной длины. Только в полностью цифровых системах гарантируется сохранение качества сигнала при передаче по оптоволоконной линии связи независимо от расстояния между передатчиком и приемником и количества передаваемых каналов (конечно, в пределах возможностей системы).

Точность воспроизведения передаваемого сигнала представляет значительную проблему при разработке систем для организации нескольких каналов передачи по одному оптоволокну (мультиплексоров). Например, в аналоговой системе, рассчитанной на передачу четырех каналов видео- или аудиосигнала, для того, чтобы уложиться в полосу пропускания системы, приходится ограничивать полосу, отводимую отдельным каналам. В цифровых системах не приходится идти на такой компромисс: по одному световоду можно передавать один, четыре и даже десять сигналов без снижения качества.

БОЛЕЕ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Рис. 3

Передача аналоговых сигналов в цифровой форме обеспечивает более высокое качество, чем чисто аналоговая. Искажение сигнала при таком способе передачи может происходить только при аналого-цифровом и обратном цифро-аналоговом преобразовании. Хотя никакое преобразование не идеально, современные технологии настолько совершенны, что даже недорогие АЦП и ЦАП обеспечивают гораздо более высокое качество видео- и аудиосигнала, чем можно достичь в аналоговых АМ- и ЧМ-системах. Это легко видно из сравнения отношений сигнал-шум и нелинейных искажений (дифференциальной фазы и дифференциального усиления) цифровых и аналоговых систем, предназначенных для передачи сигналов одного формата по оптоволокну одинакового типа на одной и той же длине волны.

Цифровые технологии предоставляют инженерам невиданную ранее гибкость при создании оптоволоконных систем. Теперь для различных рынков, задач и бюджетов легко подобрать нужный уровень производительности. Например, меняя разрядность аналого-цифрового преобразователя, можно влиять на необходимую для передачи сигнала полосу пропускания системы, и, как следствие, общую производительность и стоимость. При этом другие свойства цифровой системы – отсутствие искажений и независимость качества работы от длины линии – сохраняются вплоть до максимального расстояния передачи. При разработке аналоговых систем инженеры всегда находятся в клещах между стоимостью системы и ее техническими характеристиками, пытаясь сбалансировать их без ущерба для критически важных параметров передаваемых сигналов. В цифровых системах масштабирование систем и управление их производительностью и стоимостью – гораздо менее сложная задача.

НЕОГРАНИЧЕННОЕ РАССТОЯНИЕ ПЕРЕДАЧИ

Другое преимущество цифровых систем над аналоговыми предшественниками – их способность восстанавливать сигнал, не внося в него дополнительных искажений. Такое восстановление выполняется в специальном приборе, называемом репитером или линейным усилителем.

По мере прохождения света по оптоволокну его интенсивность постепенно снижается и, в конце концов, становится недостаточной для детектирования. Если же немного не доходя до того места, где свет становится слишком слабым, установить линейный усилитель, то он усилит сигнал до его исходной мощности, и его можно будет передавать дальше на такое же расстояние. Важно отметить, что в линейном усилителе восстанавливается цифровой поток, что не оказывает никакого влияния на качество закодированного в нем аналогового видео- или аудиосигнала независимо от того, сколько раз выполнялось восстановление в линейных усилителях на пути следования сигнала по длинной оптоволоконной линии.

Преимущество, предоставляемое цифровыми системами, очевидно. В них сигнал может быть передан на расстояния, значительно превосходящие возможности АМ- и ЧМ-систем, при этом разработчик может быть уверен, что принятый сигнал точно совпадает с переданным и соответствует требованиям технического задания.

МЕНЬШАЯ СТОИМОСТЬ

Оценивая те многочисленные преимущества, которыми обладают цифровые оптоволоконные системы, можно предположить, что они должны стоить гораздо дороже традиционных аналоговых систем. Однако это не так, и пользователи цифровых систем, напротив, экономят свои деньги.

Стоимость цифровых компонентов существенно снизилась за последние годы, и изготовители оборудования смогли разработать и предложить к продаже изделия, которые стоят так же или даже дешевле, как и аналоговые приборы предыдущего поколения. Конечно, некоторые фирмы хотят убедить общественность в том, что превосходное качество цифровых систем можно получить только за дополнительную плату, но на деле они просто решили не делить сэкономленное со своими клиентами. Но на конкурентном рынке всегда найдется производитель, предлагающий цифровое качество по цене аналоговой системы.

На стоимость установки и эксплуатации оптоволоконной системы влияют и другие факторы. Наиболее очевидный из них — затраты на кабель. Цифровые системы позволяют по одному кабелю передавать больший объем информации, тем самым снижая потребность в нем. Преимущество особенно хорошо заметно там, где надо одновременно передавать сигналы различных типов, например, видео и звук или звук и данные. Без особых проблем инженеры смогут сконструировать цифровую систему с приемлемой стоимостью, в которой по одному оптоволокну будут передаваться сигналы различных типов, например, два канала видео и четыре канала звука. При использовании аналоговых технологий, скорее всего, пришлось бы делать две отдельные системы, или, как минимум, использовать два раздельных кабеля для передачи аудио- и видеосигналов.

Даже в случаях, когда по одному оптоволокну надо передавать несколько однотипных сигналов, цифровые системы предпочтительнее, поскольку работают более надежно и обеспечивают более высокое качество сигнала. Например, в цифровом видеомультиплексоре можно передать десять каналов с одинаково высоким качеством, а в аналоговой системе такое вообще невозможно.

Следует учитывать и неизбежные за годы эксплуатации оптоволоконных систем расходы на техническое обслуживание и ремонт. И здесь преимущество за цифровыми системами. Во-первых, для них не требуется первоначальная настройка после монтажа – передатчик и приемник просто соединяются оптоволоконным кабелем, и система готова к работе. Аналоговым системам, как правило, требуется подстройка под параметры конкретной линии передачи, учитывающая ее длину и интенсивность сигнала. Дополнительное время на регулировку влечет за собой дополнительные затраты.

Из-за меньшего количества компонентов, которые могут со временем выйти из строя, цифровые системы гораздо более стабильны и надежны. Для них не потребуется повторная на- стройка, а поиск неисправности займет гораздо меньше времени, поскольку в них нет перекрестных искажений, дрейфа параметров и других недостатков, свойственных традиционным аналоговым системам.

Подведем итог. Передатчики и приемники для цифровых систем стоят дешевле, расход кабеля меньше, эксплуатационные расходы ниже. Цифровые оптоволоконные системы обеспечивают очевидное экономическое преимущество на всех уровнях.

ВЫВОДЫ

Как оптоволоконная технология имеет много преимуществ по сравнению с традиционными медными проводами и коаксиальными кабелями, так и цифровая передача информации продвигает оптоволоконную технологию на несколько ступеней вверх, давая пользователям целый набор новых полезных качеств. Цифровые системы обладают уникальными характеристиками: точностью передачи сигнала на всей длине линии связи, минимальными вносимыми искажениями (в том числе отсутствием перекрестных искажений и интермодуляции), возможностью многократного восстановления цифрового потока при его передаче по длинной линии без ущерба для качества закодированного в нем аналогового сигнала. Это гарантирует уровень верности воспроизведения аналогового сигнала, недостижимый для аналоговых систем.

Цены на компоненты цифровых и аналоговых оптоволоконных систем сопоставимы, а с учетом затрат на монтаж, эксплуатацию и техническое обслуживание цифровые системы дают очевидную экономическую выгоду.

Разрабатывая новую оптоволоконную систему, не тратьте время на анализ преимуществ и недостатков цифровых и аналоговых систем, поскольку выбор совершенно очевиден: цифровые системы лучше с любой точки зрения. Гораздо полезнее будет ограничиться только ими и подобрать те изделия, которые наилучшим образом соответствуют вашим потребностям. Даже среди цифровых систем существует огромное разнообразие решений. Вот некоторые вопросы, которые помогут вам при их оценке:

• насколько проста установка системы?
  • если передатчик и приемник настраиваются пользователем, то насколько просто это сделать и какие существуют проблемы?
• компактна ли, прочна и надежна конструкция приборов?
• выпускаются ли приборы в настольных корпусах или предназначены для установки в стойку? Существуют ли варианты в обоих типах корпусов?
  • пригодны ли приборы для использования как с одномодовыми, так и многомодовыми световодами?
  • обладает ли изготовитель достаточным опытом и репутацией на рынке предлагаемых им изделий?
  • как соотносится цена изделия с ценой традиционных аналоговых систем? (Цифровые приборы в производстве не дороже аналоговых и их стоимость не должна быть выше).

Анализ рынка и сравнение характеристик аналогичных изделий позволит вам в итоге подобрать элементы цифровых оптоволоконных систем, которые верой и правдой будут служить вам в течение многих лет.