Сигнали цифрового лінійного тракту

Для передачі цифрових сигналів у сучасних цифрових ВОСП використовується виключно імпульсно-кодова модуляція, яка відзначається високою завадостійкістю, слабким накопичуванням шумів.

Характеристики джерел оптичного випромінювання, особливості його модуляції, особливості волоконно-оптичного тракту зумовлюють використання спеціальних лінійних цифрових сигналів (світловодних кодів).

При виборі коду лінійного сигналу ВОСП потрібно враховувати такі вимоги:

1. Спектр лінійного сигналу повинен бути досить вузьким та обмеженим за частотою. Обмеження смуги частот потребує меншої широкосмуговості приймального пристрою, що веде до зменшення потужності шумів.

Обмеження верхньої частоти спектра сигналу дозволяє використовувати більш дешеві вузькосмугові волоконні світловоди (багатомодові із ступінчастим профілем показника заломлення). Обмеження нижньої частоти спектра сигналу усуває флуктуації рівня НЧ-складових сигналу, що приймається.

Мінімальний вміст НЧ-складових дозволяє також забезпечити сталу роботу схем стабілізації вихідної потужності джерела випромінювання у ПОМ. Вузька смуга частот сигналу, що передається, спрощує вимоги до всіх електронних компонентів системи: кодера, декодера, перетворювачів сигналів, пристрою вирішування, а також спрощує процес виділення тактової частоти.

Слід зазначити, що швидкість передачі та смуга частот однозначно пов’язані співвідношенням

F_max=B, де В – швидкість передачі.

2. Код лінійного сигналу повинен забезпечувати можливість виділення коливань тактової частоти, що необхідно для пристрою тактової синхронізації, яка управляє прийняттям рішення у електронному регенераторі.

Найбільш надійно синхронізація підтримується, коли кількість переходів рівнів типу 1 ® 0 та 0 ® 1 у цифровому сигналі є досить великою, тобто відсутні довгі послідовності нулів та одиниць. В найбільш сприятливому випадку спектр лінійного сигналу вміщує спектральну лінію тактової, або кратної їй частоти, в цьому разі це коливання досить просто виділяється вузькосмуговим фільтром. Виділення частоти синхронізації безпосередньо із оптичного сигналу (перетвореного в електричний) сприяє сталій роботі системи синхронізації.

Якщо у коді бінарні посилання використовуються для передачі інформації, а символи 0 та 1 є рівноймовірними, то ймовірність появи підряд N однакових символів дорівнює 2^-N. Ряд з великої кількості N однакових символів не містить інформації про тактову частоту і приймальний пристрій може помилитися при прийманні посилань, якщо система синхронізації не є досить стабільною.

Крім того, в цифрових системах передбачається, що повинен пройти певний час для входження в синхронізм після довгої послідовності однакових посилань, за цей час інформація губиться.

3. Код лінійного сигналу повинен мати максимальну завадостійкість, яка дозволить одержати найбільшу довжину дільниці регенерації.

4. Код лінійного сигналу повинен забезпечувати можливість контролю якості передачі (коефіцієнта помилок) в процесі експлуатації. Для цього на практиці використовуються коди, в яких у вихідну інформаційну послідовність вводяться додаткові символи, що розміщуються на регулярних та логічно обґрунтованих позиціях. При цьому мінімізується або зменшується кількість можливих послідовних ідентичних символів та знижується вміст у коді низькочастотних компонентів.

5. Код лінійного сигналу повинен бути достатньо простим для схемотехнічної реалізації перетворювачів коду. Код лінійного сигналу повинен бути дворівневим.

Для лінійних сигналів ВОСП використовуються декілька кодів, які можна поділити на два різновиди: з поверненням до нуля та без повернення до нуля. На рис. 1 наведені приклади деяких лінійних кодів.

Найбільш простим є код, в якому одиниця передається імпульсом, а нуль паузою – код NRZ. Це код без повернення до нуля на тактовому інтервалі. Недоліками коду є наявність постійної складової, яка залежить від кількості нулів та одиниць в імпульсній послідовності, що передається, неможливість виявлення помилки, високий вміст низькочастотних компонентів.

Код RZ – код з поверненням до нуля на тактовому інтервалі. Одиниця передається комбінацією 10, а 0 – комбінацією 00. Повернення до нуля при передачі кожної одиниці покращує синхронізацію при наявності великої кількості одиниць, але при наявності довгих послідовностей нулів можливий зрив синхронізації.

Для усунення вказаних недоліків кодів NRZ та RZ використовується скремблювання цифрового сигналу.

Скремблювання – це таке перетворення бінарного цифрового сигналу, внаслідок якого без зміни швидкості передачі сигнал набуває якостей випадкової послідовності символів 1 та 0 незалежно від статистичних властивостей джерела повідомлення.

В цьому разі у перетвореному цифровому сигналі символи 1 та 0 передаються на усіх тактових інтервалах незалежно та рівноймовірно, а ймовірність передачі послідовності однакових символів довжиною m дорівнює (1/2)^m, тобто вона тим менша, чим більша довжина m.

Рис. 1

Скремблювання цифрового сигналу поліпшує роботу пристрою тактової синхронізації, але потребує встановлення на кінцевих станціях ВОСП спеціальних пристроїв – скремблера та дескремблера.

Незважаючи на вказані недоліки коди NRZ та RZ через свою простоту використовуються у цифрових ВОСП з відносно великою швидкістю передачі інформації.

Досить простим кодом є двопозиційний код типу L (манчестерський код). В цьому коді символ 0 представляється послідовністю 01, а символ 1 – послідовністю 10.

В разі використання такого коду гарантується відсутність послідовних підряд більш, ніж двох однакових символів. Це призводить до наявності високого рівня сигналу синхронізації в спектрі повідомлення, що передається.

Недоліком цього коду є збільшення тактової частоти у два рази, отже, й смуги пропускання та обмеження можливості виявлення помилки. Наприклад, послідовність одиниць може бути прийнята за послідовність нулів через "проковзування" сигналу синхронізації на 1 біт (1/2 початкового тактового інтервалу). Цього недоліку не мають коди з інверсією груп символів, але ці коди більш складні.

В коді АМІ вхідні символи 0 кодуються як 01, а вхідні символи 1 кодуються парами 00 та 11, що чергуються. В цьому разі підвищується зміст інформації про синхросигнал, збільшується ймовірність виявлення помилок, тому що приймач може слідкувати за порушеннями у групі 01, а група 10 є забороненою.

Приймач також слідкує за порушеннями правил чергування 00-11. Недоліком коду АМІ є подвоєння кількості біт у вихідному сигналі, тобто він має велику надлишковість.

В кодах DMI та СМІ 1 передається за інтервал часу Т групами 00 та 11, що чергуються, а 0 – групами 01 та 10, вибір яких визначається значенням рівня попереднього посилання. В коді DMI передача 0 починається з рівня, протилежного рівню попереднього посилання, а в коді СМІ – з того ж рівня.

Код DMI забезпечує зниження низькочастотних компонентів спектра сигналу, що передається, а при коді СМІ звужується увесь спектр повідомлення, що передається. У табл. 1 наведені значення ширини смуги частот (при 90% енергії) для різних кодів.

Таблиця 1 – Значення ширини смуги частот кодів

Найбільше застосування у цифрових ВОСП знайшли блокові коди. В перетворювачах коду кожній групі початкового цифрового потоку, що складається з m символів ставиться у відповідність новий блок, що складається з n символів, n>m.

Якщо перетворюється бінарний код у бінарний, то одержаний код зветься кодом mВnВ-типу. При перетворенні троїчного коду в бінарний використовується позначення mTnB.

Перша літера m характеризує кількість рівнів первинного сигналу, друга n – відноситься до одержаного коду. У ВОСП з відносно низькими швидкостями передачі (до 140 Мбіт/с) використовуються коди 1В2В, 1Т2В. Код типу "манчестер" відповідає коду 1В2В. Код 1Т2В одержується при перетворенні троїчного (або квазітроїчного) коду в один з світловодних двофазних кодів. На рис. 2 наведені зразки перетворення початкових сигналів у коді HDB-3 (біполярний код з підвищеною щільністю), що застосовується у ЦСП з імпульсно-кодовою модуляцією у двофазні коди.

Застосування блокових кодів mВnВ збільшує тактову частоту (швидкість передачі) в n/m разів.

Рис. 2

Для систем з високими швидкостями передачі (більш, ніж 140 Мбіт/с) можуть бути використані блокові коди із збільшеними розмірами блоків (7В8В, 34В36В), в яких зростання тактової частоти та розширення спектра є незначними але великі розміри блоків викликають затримки при кодуванні, ускладнення синхронізації.

Тому для високошвидкісної передачі слід використовувати відносно прості коди. Для швидкостей передачі понад 400 Мбіт/с розроблено лінійний код mВ1С.

Число m вказує розмір блока початкового сигналу. До блока з m символів додається ще один додатковий символ С, протилежний останньому інформаційному. Цей символ зменшує вплив довгих послідовностей нулів або одиниць, що покращує синхронізацію. На рис. 3 наведені зразки сигналів, що кодуються кодами mB1C.

Для оцінки та порівняння блокових кодів mВnВ, що перетворюють бінарне слово довжиною m (а₁, а₂ . . . а_m) у кодове слово довжиною n (b₁, b₂ . . . b_n) використовують параметри.

Рис. 3

1. Середнє значення символів , яке доцільно вибирати мінімальним, аби зменшити середню оптичну потужність випромінювача та дробовий шум фотодетектора. Якщо кількість одиниць дорівнює кількості нулів, то =0,5.

2. Кількість станів кодера S_k. Цей параметр співпадає з кількістю можливих значень, що їх становить цифрова сума на кінці кожного кодового слова. Значення S_k визначає складність кодера та декодера. Цифрова сума кодового слова а₁, а₂ . . . а_N дорівнює

,

де а_k - середнє значення символів а_k.

3. Кількість значень S_m, яке може мати поточна цифрова сума в кожний момент. Її розмір визначає складність схеми контролю помилок, що використовується у лінійному регенераторі. Поточна цифрова сума визначається

.

4. Максимальна кількість послідовних 0 та 1 (K_{0 max} та K_{1 max}), яке може мати лінійний сигнал. Ці параметри бажано вибирати мінімальними, аби спростити пристрій виділення тактової частоти.

5. Безперервна частина спектральної щільності D₁ та D₂ (в процентах), що розміщується відповідно в інтервалі (0 ¸ 0,3)/Т та (0 ¸ 0,1)/Т, де Т – тактовий інтервал.

6. Відношення між швидкістю передачі по лінії лінійних символів та швидкістю джерела бінарних сигналів (n/m), що характеризують збільшення швидкості передачі для даного блокового коду.

7. Диспаритетність – перевищення кількості одиниць над кількістю нулів. Зниження диспаритетності спрощує систему синхронізації та зменшує вміст у спектрі низькочастотних компонентів.

В кожному регенераторі передбачається пристрій для контролю помилок. Коли частота повторення помилок перевищує фіксований поріг, на прикінцеву станцію на лінії посилається аварійний сигнал.

Робота контрольного пристрою заснована на визначенні поточної цифрової суми s. Ця сума має фіксовані межі в кінці символьного періоду за умови, що в переданому сигналі помилки відсутні. Якщо з’являється помилка, цифрова сума перевищує нормальні межі, що фіксується контрольним пристроєм.

При виборі коду слід зважити на те, що зростання потрібної потужності оптичної енергії в залежності від швидкості передачі може складати 3,5 дБп на октаву (наприклад, для коду СМІ – 3,5 дБп, а для кода 2В3В – 2 дБп).

Використання багаторівневих кодів, наприклад, HDB3, замість дворівневих недоцільно, бо призводить до зниження енергетичного потенціалу системи на 15 – 20 дБ.

Використання багаторівневих кодів у ВОСП ускладнюється також нелінійністю ват-амперної характеристики лазерного випромінювача та його часовою та температурною деградацією.

Властивості лінійних кодів характеризуються їх енергетичним спектром. Енергетичний спектр являє собою залежність спектральної щільності потужності (СЩП) від частоти. Спектр сигналу складається з двох складових: дискретної та безперервної.

Наявність дискретних складових у вигляді d-функцій на тактовій частоті свідчить про можливість виділення f_Т вузькосмужним фільтром. Наявність дискретної складової на нульовій частоті свідчить про наявність постійної складової.

Безперервна частина спектра залежить не тільки від алгоритму побудови коду але й від форми поодинокого посилання. На рис. 4 наведені безперервні складові спектрів лінійних кодів у нормованому вигляді [13], де W(f) – спектральна щільність потужності, Т – тактовий інтервал, U – амплітуда імпульсу. Як випливає з рис. 4, найменшу ширину спектра має код NRZ. Коди NRZ та RZ мають максимуми СЩП на низьких частотах.

Спектр двопозиційного коду з поверненням до нуля є зміщеним до високих частот, а його СЩП на низьких частотах відносно невелика.

Оскільки коди складаються з посилань оптичної потужності, яка є завжди позитивна, усі вони мають постійну складову.

Рис. 4