Инвариантная волоконно-оптическая система передачи и её характеристики

В подавляющем большинстве случаев в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) для передачи информационного сигнала используется классическая амплитудная модуляция.

Вероятность ошибочного приема регенераторов составляет 10–10 в соответствии с рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ) (ITU-T G.707. Network node interface for the Synchronous Digital Hierarchy 2004). В более поздних рекомендациях МСЭ (ITU-T G.975. Forward error correction for submarine systems. 1996) предлагается использовать устройства защиты от ошибок (УЗО), работа которых основана на специальном кодировании сигнала передачи с помощью циклических кодов.

При скорости передачи 10 Гбит/с и выше создать устройства защиты от ошибок, работающие в реальном масштабе времени, сложно.

Между тем уменьшение вероятности ошибки можно достичь другими способами. Один из них предлагается ниже.

Постановка задачи. Имеем ВОСП (рис. 1). В качестве передатчика используется лазер. В качестве приемника используется фотоприемное устройство. Для передачи информационного сигнала используется второе окно прозрачности.

Необходимо синтезировать алгоритм передачи информационного сигнала, основанный на инвариантном способе обработки информации.

Решение поставленной задачи. Структура ВОСП включает в себя передающие и приемные устройства и ВОЛП.

Следует заметить, что сквозной тракт ВОСП во втором окне прозрачности [1] является линейным при условии, что мощность на выходе передатчика не превышает допустимую величину 1 мВт. Z -преобразование сигналов приема Y ( Z ) на выходе ФПУ (на i -м блоке обработки) определится по формуле:

Y ( Z) = [ G ( Z) ■ H o ( Z) )H i ( Z) )H 2 ( Z) ] i , (1) где G i (Z) – Z-преобразование сигнала передачи на i-м блоке обработки; H 0 (Z) – передаточная характеристика формирователя сигналов на -м блоке; H 1 (Z) – передаточная характеристика волоконно-оптической линии передачи на -м блоке; H₂ (Z) – передаточная характеристика приемника (ФПУ) на -м блоке.

В работе [2] приведено инвариантное равенство, справедливое для любого линейного четырехполюсника:

G ( Z ) = Y ( Z ) G , - i ( Z )    Y -1 ( Z ) .

Равенство (2) справедливо для физически реализуемых систем, когда знаменатели не равны нулю.

Любая ВОСП является консервативной системой, характеристики которой разделены на интервалы стационарности.

Таким образом,

H Σ( – 1) ( Z ) ≈ H Σ ( Z ) ≈ H Σ( + 1) ( Z ) ≈ …,       (3)

где H _y ( Z) = H _o i ( Z)• H 1 i ( Z) H _{2 i} ( Z) - передаточная характеристика сквозного тракта ВОСП на i -м блоке.

При подстановке выражения (3) в (2) с учетом (1), равенство (2) переходит в тождество.

При переходе от Z -изображений к амплитуднофазовым спектрам имеем:

G ( jk © i ) = ^Y ( jk © i ) G i -i ( jk © i ) ^Y -i ( jk © i ) .

Равенство (4), в свою очередь, распадается на равенство отношений амплитудных спектров и равенство разности цифровых спектров:

G i ( k © i ) = Y ( k © i ) G i - i ( k © i )    ^Y -i ( k © i ) ,

Ф , ( k © i ) "Ф ₍ -1 ( k © i ) = > = Ф , ( k © i ) -V z -i ( k © i ) ,

где G i ( k © 1 ) и G_i- 1 ( k © 1 ) - амплитудные спектры на входе формирователя сигналов на i -м и ( i –1)-блоках; Y i ( k © 1 ) и Y_i- 1 ( k © 1 ) - амплитудные спектры на выходе ФПУ сигналов на i -м и ( i -1)-блоках; ф i ( k © 1 ) и ф _i- 1 ( k © 1 ) -фазовые спектры сигналов на входе формирователя сигналов на i -м и ( i -1)-блоках; ф i ( k © 1 ) и ф _i- 1 ( k © 1 ) -фазовые спектры на выходе ФПУ сигналов на i -м и ( i –1)-блоках.

Первое равенство (5) повторяет принцип относительной амплитудной модуляции (ОАМ), а второе – принцип относительной фазовой модуляции (ОФМ). Таким образом, для достижения минимальной вероятности ошибки в ВОСП необходимо модулирующий параметр «вложить» в отношение Z -изображений сигнала передачи на соседних блоках обработки, а на приемной стороне модулирующий параметр извлечь, путем сравнения соседних блоков.

Формирование информационных сигналов в такой системе осуществляется на входе формирователя сигналов, а демодуляция – на выходе ФПУ. Будем далее называть такую систему «инвариантной волоконнооптической системой передачи» (ИВОСП).

Процесс формирования сигналов будет выглядеть следующим образом:

^ = S мо_Д1 ( ^Z ) ^ G 1 ( ^Z ) = G 0 ( ^Z ) ■ S мо_Д1 ( ^Z ) ;

G ²^ = S мод2 ( Z ) ^ ^G 2 ( Z ) =

= ^G 1 ( Z ) ■ ^S мод2 ( Z ) = ^G 0 ( Z ) ■ ^S мод1 ( Z ) ■ ^S мод2 ( Z ) ;

N

Gn ( Z ) = G o ( Z УП S мо„ ( Z ) ,         (6)

i =1

где G 0 ( Z ) – Z -изображение информационного сигнала на начальном блоке (сигнал обучения).

Однако реализовать алгоритм модуляции согласно выражению (6) нельзя, так как при длинных сеансах связи N → ∞ и нерекурсивный фильтр будет физически нереализуемым. Структура формирователя сигналов при N = 4 (рис. 2) содержит четыре блока задержки, ключ, умножитель БПФ и ОБПФ. Количество отводов может быть любым.

Модулирующий параметр S мод ( nT ) в блоке БПФ преобразуется в S мод ( Z ).

Процесс формирования сигналов передачи в каждом блоке содержит 2 этапа. На первом этапе ключ K1 замкнут. В точке «б» сигнал определится формулой

^Gi ( Z ) = ^G 0 ( Z ) - П S мод(- k ) ( Z ) .        (7)

k =0

На втором этапе ключ K1 разомкнут. В точке «б» сигнал (рис. 3) определится как

^G '( Z ) = ^G o ( Z ) - П ^S моде- k ) ( Z ) .      (8)

k =0

В соответствии с законами цифровой фильтрации на приемной стороне каждый блок умножается на передаточную характеристику сквозного тракта. Представим Z -изображения сигналов приема в виде

Y i -i ( Z ) = G -1 ( Z ) ■ H z i -i ( Z ) ,

Y '-i ( Z ) = G '-i ( Z ) ■ H E i -i ( Z ) , Y ( Z ) = G i ( Z ) ■ H E i ( Z ) , Y ' i ( Z ) = G ' i ( Z ) ■ H e , ( Z ) .

Процесс демодуляции заключается в делении первой части G i ( Z ) на G i ' ( Z ). Тогда

G 0 ( Z Ш S M0d( i - k ) ( Z У H U Z )

S Lg i ( Z ) = ---------.----------------------- .    (10)

G 0 ( Z Ш ^S Mog( i - k ) ( Z ) ■ H E i ( Z )

k =0

Справедливость выражения (10) основана на свойствах относительности среды распространения сквозного тракта ИВОСП и справедливости выражения (3).

Структура приемной части ИВОСП приведена на рис. 4.

Следует заметить, что в данном алгоритме производится компенсация АЧИ и ФЧИ сквозного тракта ИВОСП. Это в свою очередь приводит к компенсации дисперсионных свойств ВОЛП, к увеличению отношения сигнал/шум и уменьшению вероятности ошибки.

Технические характеристики метода. Необходимо указать достоинства и недостатки разработанного метода.

К неоспоримым достоинствам можно отнести компенсацию АЧИ и ФЧИ среды распространения. Это позволяет увеличить длину регенерационного участка при сохранении вероятности ошибочного приема либо существенно уменьшить вероятность ошибки при заданной длине участка регенерации.

К недостаткам можно отнести увеличение скорости передачи информационного сигнала. По-существу, в сигнал передачи введена избыточность, что и позволило улучшить качественные показатели.

Однако наряду с компенсацией АЧИ и ФЧИ наблюдается увеличение аддитивных шумов.

_G ( _Z )             _{H 0}( _Z )                           H 1 ( Z )                       H 2 ( Z )              Y ( Z )

Рис. 1. Структура ВОСП

Рис. 2. Структура модулятора ИВОСП

1 G' i– 1( Z )      G i– 1( Z ) 1 1	1                              1 G' i ( Z )        G i ( Z ) 1                              1 1                              1	1                              1                                     1 G' i+ 1( Z )     G i+ 1( Z ) 1                              1                                     1 1                              1                                     1
( i– 1)-блок	( i )-блок	( i+ 1)-блок

Рис. 3. Представление сигнала передачи

Рис. 4. Структура демодулятора ИВОСП

Оценим величину собственных шумов, используя известное соотношение [3]:

Л2 ю            Л2 N ^

Q 2 = A 0 V h ²( nT ) + ^W h , ²( nT ) ,     (11)

¹² n =0             ¹² j =1 n =0

где A o - шаг квантования входного слова; h ( nT) - импульсная реакция цифрового фильтра; h j ( nT ) – импульсная реакция усеченного цифрового фильтра от j -го источника шума; A - шаг квантования обработки сигнала в ЦФ; N – число отводов ЦФ.

Обычно в расчетах принимают h ( nT ) = h j ( nT ) и A _o= A . Тогда выражение (11) упрощается.

Величина дополнительного собственного шума на передаче для N = 4 определится формулой

Л2     ” „ 5Л2

^ 2обст _вл рд = —5 ■ ! h² ( nT ) = —,     (12)

¹²      n =0              ³

а величина дополнительного собственного шума на приеме – формулой

Q

собств.ПРМ

4A2

A2

Выражения для общей величины дополнительного

шума запишется как

^Q v собств = ^Q v собств.ПРД + ^ Хсобств.ПРМ = ^{2 A} .

При поступлении шума канала связи (фотонный шум) величина его на выходе блока ОБПФ будет [2]:

да

^ до.кс =q Kc v h ² ( nT ) = 2 q Kc ,     (15)

n =1

где g ²kc - мощность шума канала связи.

Таким образом, разработана структура ИВОСП, позволяющая компенсировать АЧИ и ФЧИ среды распространения. Определены технические характеристики. Разработанный метод может найти широкое применение в волоконно-оптических системах передачи.