Таким образом, внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода.

Обычно каналы первичной сети приходят на узлы связи и оканчиваются в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦе), откуда кроссируются для использования во вторичных сетях. Можно сказать, что первичная сеть представляет собой «банк каналов», которые затем используются вторичными сетями (сетью телефонной связи, сетями передачи данных, сетями специального назначения и т.д.). Существенно, что для всех вторичных сетей этот «банк каналов» един, откуда и вытекает обязательное требование, чтобы каналы первичной сети соответствовали стандартам.

Физический уровень (таблица 6.1.1) образован средой передачи сигналов (волоконно-оптической линией, медной линией, радиолинией) и секциями - участками, где происходит регенерация (ретрансляция) сигналов и мультиплексирование (объединение и разделение) различных сигналов. Благодаря наличию секции регенерации (ретрансляции) удается «очистить» сигнал от искажений и помех. Организация секций мультиплексирования позволяет эффективно использовать физическую среду за счет временного разделения передачи каналов. При этом можно реализовать резервирование любой секции мультиплексирования, если предусмотреть дополнительную физическую цепь, оборудование для передачи сигналов по ней и оборудование автоматического переключения. Физический уровень оптической транспортной сети имеет свою особенность, которая состоит в том, что все преобразования сигналов (усиление, ретрансляция, объединение и разделение, вывод и ввод) производятся исключительно оптическими средствами. Таким способом достигаются наивысшие скорости передачи информационных данных - от десятков гигабит до десятков терабит в секунду (Тбит/с). В физической среде, представляемой одномодовым стекловолокном, объединяются (мультиплексируются) множество оптических несущих частот от 2-х до 132 и более), каждая из которых модулирована информационным сигналом.

Уровень трактов (таблица 6.1.1). Тракты каждой транспортной сети создаются, чтобы обеспечить сквозное прохождение информационных сигналов. Тракты в сети ATM отличаются от трактов сети SDH тем, что они образуются только при наличии информационного сообщения, а в его отсутствии физические ресурсы транспортной сети отдаются для передачи других сигналов. По этой причине путь следования данных в сети ATM называют виртуальным.

Уровень каналов (таблица 6.1.1). Для любой из рассмотренных моделей транспортных сетей этот уровень выполняет функции интерфейса со вторичными сетями (коммутаторами телефонных, широкополосных, компьютерных сетей и т.д.). Как правило, на уровне каналов создаются типовые электрические и оптические интерфейсы.

Транспортные сети, построенные в соответствии с различными моделями, совместимы между собой на уровнях каналов или трактов.

Сравнивая технологию SDH с технологией PDH, можно выделить следующие особенности технологии SDH: предусматривает синхронную передачу и мультиплексирование. Элементы первичной сети SDH используют для синхронизации один задающий генератор, как следствие, вопросы построения систем синхронизации становятся особенно важными; предусматривает прямое мультиплексирование и демультиплексирование потоков PDH, так что на любом уровне иерархии SDH можно выделять загруженный поток PDH без процедуры пошагового демультиплексирования. Процедура прямого мультиплексирования называется также процедурой ввода-вывода; опирается на стандартные оптические и электрические интерфейсы, что обеспечивает лучшую совместимость оборудования различных фирм-производителей; позволяет объединить системы PDH европейской и американской иерархии, обеспечивает полную совместимость с существующими системами PDH и, в то же время, дает возможность будущего развития систем передачи, поскольку обеспечивает каналы высокой пропускной способности для передачи ATM, и так далее; обеспечивает лучшее управление и самодиагностику первичной сети. Большое количество сигналов о неисправностях, передаваемых по сети SDH, дает возможность построения систем управления на основе платформы TMN. Технология SDH обеспечивает возможность управления сколь угодно разветвленной первичной сетью из одного центра.

Все перечисленные преимущества обеспечили широкое применение технологии SDH как современной парадигмы построения цифровой первичной сети.

Элементы транспортной сети. Опишем основные элементы системы передачи данных на основе SDH, или функциональные модули SDH. Логика работы или взаимодействия модулей в сети определяет необходимые функциональные связи модулей - топологию, или архитектуру сети SDH [19].

Сеть SDH, как и любая сеть, строиться из отдельных функциональных модулей ограниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными задачами, решаемыми сетью.

Мультиплексор. Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам. Они являются универсальными и гибкими устройствами, т.е. кроме задачи мультиплексирования выполнять задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции SDH мультиплексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в спецификацию мультиплексора.

Терминальный мультиплексор TM является мультиплексором и оконечным устройством SDH сети с каналами доступа, соответствующим трибам доступа PDH и SDH иерархии (рисунок 6.1.1). Терминальный мультиплексор может либо вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать с линейного входа на выход трибного интерфейса. Мультиплексор ввода/вывода ADM может иметь на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор (рисунок 6.1.1). Он позволяет вводить/выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал передачи на обоих сторонах ( «восточный» и «западный») в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использовать ADM в топологиях типа кольца [1].

Рисунок 6.1.1 - Синхронный мультиплексор (SMUX): терминальный мультиплексор ТМ или мультиплексор ввода/вывода ADM

Регенератор представляет собой упрощенный мультиплексор, имеющий один входной канал - как правило, оптический триб STM-N и один или два агрегатных выхода (рисунок 6.1.2). Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH путём регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно это расстояние составляет 15 - 40 км для длины волны порядка 1300 нм или 40 - 80 км. - для 1500 нм.

Рисунок 6.1.2 - Мультиплексор в режиме регенератора

Коммутатор. Физически возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о внутреннем или локальном коммутаторе. На рисунке 6.1.3, например, менеджер полезной нагрузки может динамически изменять логическое соответствие между трибным блоком TU и каналом доступа, что равносильно внутренней коммутации каналов. Кроме этого, мультиплексор, как правило, имеет возможность коммутировать собственные каналы доступа, (рисунок 6.1.4), что равносильно локальной коммутации каналов. На мультиплексоры, например, можно возложить задачи локальной коммутации на уровне однотипных каналов доступа, т.е. задачи, решаемые концентраторами.

В общем случае приходиться использовать специально разработанные синхронные коммутаторы - SDXC, осуществляющие не только локальную, но и общую или проходную (сквозную) коммутацию высокоскоростных потоков и синхронных транспортных модулей STM-N (рисунок 6.1.5). Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других каналов при коммутации, когда коммутация одних групп TU не накладывает ограничений на процесс обработки других групп TU. Такая коммутация называется неблокирующей.



Рисунок 6.1.3 - Мультиплексор ввода/вывода в режиме внутреннего коммутатора.

Рисунок 6.1.4 - Мультиплексор ввода/вывода в режиме локального коммутатора.

Рисунок 6.1.5 - Общий или проходной коммутатор высокоскоростных каналов.

Можно выделить шесть различных функций, выполняемых коммутатором: маршрутизация виртуальных контейнеров VC, проводимая на основе использования информации в маршрутном заголовке ROH соответствующего контейнера; консолидация или объединение виртуальных контейнеров VC, проводимая в режиме концентратора; трансляция потока от точки к нескольким точкам, или к мультиточке, осуществляемая при использовании режима связи «точка - мультиточка»; сортировка или перегруппировка виртуальных контейнеров VC, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных потоков VC из общего потока VC, поступающего на коммутатор; доступ к виртуальному контейнеру VC, осуществляемый при тестировании оборудования; ввод/вывод виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексора ввода/вывода;

6.2 Основы построения топологии цифровой первичной сети

При построении топологии планируемой транспортной сети необходимо предусматривать необходимое резервирование сетевых элементов на аппаратном и сетевом уровне, резервирование трафика, увязать топологию сети с организацией ее управления и синхронизации, предусмотреть организацию соответствующих сетей доступа и их подключение к ЦПС [7].

Существует базовый набор стандартных топологий:

Топология «точка-точка». Сегмент сети, связывающий два узла A и B, или топология «точка - точка», является наиболее простым примером базовой топологии SDH сети (рисунок 6.2.1). Она может быть реализована с помощью терминальных мультиплексоров ТМ, как по схеме без резервирования канала приёма/передачи, так и по схеме со стопроцентным резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный электрические или оптические агрегатные выходы (каналы приёма/передачи).

Рисунок 6.2.1 - Топология «точка-точка», реализованная с использованием ТМ.

Топология «последовательная линейная цепь». Эта базовая топология используется тогда, когда интенсивность трафика в сети не так велика и существует необходимость ответвлений в ряде точек линии, где могут вводиться каналы доступа. Она может быть представлена либо в виде простой последовательной линейной цепи без резервирования, как на рисунок 6.2.2, либо более сложной цепью с резервированием типа 1+1, как на рисунке 6.2.3. Последний вариант топологии часто называют «упрощённым кольцом».

Рисунок 6.2.2 - Топология «последовательная линейная цепь», реализованная на ТМ и TDM.

Рисунок 6.2.3 - Топология «последовательная линейная цепь» типа «упрощённое кольцо» с защитой 1+1.

Топология «кольцо». Эта топология (рисунок 6.2.4) широко используется для построения SDH сетей первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с). Основное преимущество этой топологии - лёгкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах SMUX двух пар оптических каналов приёма/передачи: восток - запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками.

Рисунок 6.2.4 - Топология «кольцо» c защитой 1+1

Архитектура сети SDH. Архитектурные решения при проектировании сети SDH могут быть сформированы на базе использования рассмотренных выше элементарных топологий сети в качестве её отдельных сегментов. Например, радиально-кольцевая архитектура SDH сети фактически строится на базе использования двух базовых топологий: «кольцо» и «последовательная линейная цепь». Другое часто используемое в архитектуре сетей SDH решение - соединение типа «кольцо-кольцо». Кольца в этом соединении могут быть либо одинакового, либо разного уровней иерархии SDH.

Линейная архитектура для сетей большой протяженности. Для линейных сетей большой протяженности расстояние между терминальными мультиплексорами больше или много больше того расстояния, которое может быть рекомендовано с точки зрения максимально допустимого затухания волоконно-оптического кабеля. В этом случае на маршруте между ТМ (рисунок 6.2.5) должны быть установлены кроме мультиплексоров и проходного коммутатора ещё и регенераторы для восстановления затухающего оптического сигнала. Эту линейную архитектуру можно представить в виде последовательного соединения ряда секций, специфицированных в рекомендациях ITU-T G.957 и ITU-T G.958.

Блоки MUX и LT (рисунок 6.2.5) конструктивно образуют единый модуль, основой которого является мультиплексор (МТ). Упрощённая структура трактов и секций сети SDH приведена на рисунке 6.2.5.

Рисунок 6.2.5 - Структура трактов и секций

Организация взаимодействия элементов транспортной сети, а также управления сетью достигается использованием определённых интерфейсов (рисунок 6.2.5)

SPI - физический интерфейс STM-N, точка подключения оптического волокна.

PI - физический интерфейс компонентных потоков в PDH, либо SDH, сюда же можно включать и неоктетные цифровые потоки, например, каналы цифрового ТВ, и так далее. Этот интерфейс может быть как электрическим, так и оптическим.

Т - интерфейс, предназначенный для передачи и приёма сигналов синхронизации.

Q - интерфейс сети управления, точка подключения соединительных линий для двухсторонней передачи информации от узлов управления.

F - интерфейс контроля. В эту точку подключается персональный компьютер (ПК), программное обеспечение которого позволяет контролировать состояние не только своей станции, но и станции своей сети [21].

В интерфейс Т включен сетевой элемент (СЭ), которым могут управлять или сигнал от первичного эталонного генератора (ПЭГ); или от ведомого задающего генератора (ВЗГ), или сигнал компонентного потока (КП), или линейный сигнал (ЛС). Кроме того, сигналы синхронизации могут быть поданы на сетевые элементы других систем. С выходов СЭ управляющие сигналы поступают в тракты передачи (Вых.2) и приёма (Вых.1).

Контрольные вопросы

1. Дайте понятие первичной сети. Назовите основные функции транспортной сети связи.

2. Рассмотрев структуры многоуровневых моделей транспортных сетей, дайте сравнительную оценку сетей, указав их общие черты и отличия.

3. Каковы особенности технологии SDH?

4. Охарактеризуйте физический уровень транспортной сети.

5. Перечислите основные функциональные модули SDH.

6. В чём состоят функции мультиплексора ввода-вывода?

1. 7.Выделите основные функции, выполняемые коммутатором.

7. Перечислите стандартные топологии транспортной сети.

8. Какие схемы построения транспортных сетей используются для повышения их надёжности и живучести?

9. Для чего используется интерфейс F?

7. Особенности построения волоконно-оптических систем передач

7.1 Основные положения

Внедрение ВОСП на местных сетях началось в 1986 году вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городах сооружены линии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало- и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 году начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (ОК) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или 1,3 мкм. Разработана ВОСП «Сопка-Г», предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368 Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для городской сети [9].

Таким образом, на ГТС ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для которых характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи (смотри раздел 5).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рисунок 7.1.1). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Рисунок 7.1.1 - Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной - код HDB-3, для четверичной - код CMI и так далее. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта [10].

7.2 Линейные коды ВОСП на ГТС

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во- первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во-вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В-третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В-четвертых, код не должен накладывать каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и должен обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В-пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта [8].

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех, что положительно сказывается на устойчивости работы ВОСП.

Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рисунке 7.2.1). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ -1 -в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 7.2.1 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами [15]. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00.

Рисунок 7.2.1 - Принцип построения кода CMI из HDB-3

7.3 Источники оптического излучения, фотоприёмники ВОСП

Источники света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например, СИД - светоизлучающий диод), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции [10].

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Детекторы ВОСП. Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор (ФД) должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, ФД должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД) [10]. Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно, фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры.

Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5, «Соната».

Оптические кабели ВОСП. Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод - это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 - 150 мкм.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода.

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность [9].

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0.02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сети отечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

1. Необходимы оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

2. Для монтажа оптических волокон требуется дорогое технологическое оборудование.

3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят применение одноволоконные ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением.

7.4 Передающие и приёмные устройства ВОСП

На рисунке 7.4.1 представлена структурная схема оптического передатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термокомпенсации (СТК), поддерживающая внутри ПОМ постоянную температуру с заданным отклонением от номинального значения. Современные микрохолодильники позволяют получать отклонения не более тысячных долей градуса [9].

Рисунок 7.4.1 - Структурная схема оптического передатчика

Оптический приемник. Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рисунке 7.4.2. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код [9].

Рисунок 7.4.2 - Структурная схема оптического приёмника

Контрольные вопросы

1. Для чего между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода?

2. Что влияет на выбор кода оптической системы передачи?

3. Для чего в приёмнике нужна информация о тактовом синхросигнале?

4. Принцип построения кода CMI?

5. Какие типы источников излучения используются в ВОСП?

6. Назовите основные требования, предъявляемые к фотодетектору.

7. Перечислите достоинства лавинных фотодиодов.

8. От чего зависит тип модового режима?

9. В каком режиме передаваемый сигнал искажается меньше и почему?

10. Для чего в оптическом передатчике вводится отрицательная обратная связь?

11. Поясните принцип работы оптического приёмника.

8. Оценка экономической эффективности от внедрения разработанного электронного пособия

8.1 Расчёт себестоимости web-документа

Разработка любого программного обеспечения, в том числе и WEB - сайтов (документов), является одной из самых трудных задач, что приводит к большим затратам при их создании. Поэтому необходимо выбирать варианты, ведущие к снижению себестоимости программного обеспечения на всех этапах разработки программ. Для расчета себестоимости разделим всю работу на два этапа:

1 Подготовительное время, которое необходимо потратить, чтобы приступить к написанию web-документа и его отладке, определяется в человеко-днях. Время, затраченное разработчиком, разделяется на:

- разработку требований при подготовке материалов для последующей публикации на web-странице (t₁);

- составление структуры необходимых html-файлов (t₂);

2 Время, затраченное на создание web-документа и его отладку (t₃), определяется в человеко-днях.

При расчете себестоимости следует учитывать, что за создание web-документа и его отладку надо заплатить заработную плату web-мастеру и учесть затраты на машинное время, поэтому переменная t₃ присутствует в формуле два раза.

Полная себестоимость разрабатываемого web-документа [29]:

, (8.1)

З - среднемесячная заработная плата разработчика web-документа с учетом районного коэффициента, определяется в рублях;

Т- количество рабочих дней в месяце;

К - коэффициент, учитывающий отчисления во внебюджетные фонды;

К_Н - коэффициент, учитывающий накладные расходы по организации;

8 - количество рабочих часов в дне, позволяет человеко-дни перевести в человеко-часы;

t₃ - время, затраченное на разработку программы с использованием машинного времени, определяется в человеко-днях;

С_М - стоимость одного часа машинного времени. Примем значение данных составляющих себестоимости:

3 = 3000 рублей;

Т == 21 день;

С_М= 10 рублей.

К определяется из следующей формулы:

, (8.2)

К_ПФ - процент отчислений в пенсионный фонд, 28%;

К_МС - процент отчислений на медицинское страхование, 3.6%;

К_СС - процент отчислений на социальное страхование, 4%;

К_ТНС - процент отчислений на травмы и несчастные случаи, 0.3%.

Величина К, определенная по формуле 8.2 будет равна:

.

Для расчета себестоимости создания web-документа необходимы затраты времени. Для их определения применяется метод экспертной оценки. Он заключается в том, что несколько экспертов проводят оценку затрат времени, используя свой опыт и знания.

В качестве экспертов выступают автор данного проекта и руководитель проекта. На основе экспертных оценок определяется средняя оценка, которая вычисляется по формуле:

, (8.3)

где t_Р - оценка, данная руководителем проекта;

t_а - оценка, данная автором проекта.

Оценка затрат времени идет для трех ситуаций:

1- Наименее возможная величина затрат (самые лучшие условия).

2 - Наиболее вероятная величина затрат (средние условия).

3 - Наиболее возможная величина затрат (самые плохие условия). Результаты расчетов представлены в таблице 8.1. Далее определяются ожидаемая величина затрат времени для каждого этапа и ожидаемое отклонение этой величины для каждого этапа по формулам:

, (8.4)

где a_i,m_i,b_i - средние оценки из таблицы 8.1,

, (8.5)

Оценка затрат на разработку программного обеспечения и стандартное отклонение этой оценки определяются по формулам:

, (8.6)

, (8.7)

Результаты расчет представлены в таблице 8.2.

Таблица 8.1 - Оценка затрат времени

Вероятностная величина затрат, человеко-дни		Этапы разработки программы,
		1 Разработка требований	2 Составление структура документа	3 Написание и отладка
Наименее возможная, аi	Оценка руководителя	1	3	13
	Оценка автора	2	2	15
	Средняя оценка	1,4	2,6	13,8
Наиболее вероятная, mi	Оценка руководителя	2	5	15
	Оценка автора	3	3	18
	Средняя оценка	2,4	4,2	16,2
Наиболее возможная, bi	Оценка руководителя	3	7	19
	Оценка автора	4	6	21
	Средняя оценка	3,4	6,6	19,8

Таблица 8.2 - Ожидаемая величина затрат времени и отклонение этой величины

Этапы разработки программы, i	Средняя величина затрат времени по этапам	Оценка затрат времени, MOi, человеко-дни	Стандартное отклонение, Gi, человеко-дни
	ai человеко-дни	mi человеко-дни	bi человеко-дни
1 Разработка требований	1,4	2,4	3,4	2,4	0,33
2 Составление алгоритма	2,6	4,2	6,6	4,3	0,67
3 Написание и отладка	13,8	16,2	19,8	16,4	1,00
Итого	МО=23,1	G=1,25

Из таблицы 8.2 следует, что наибольшие затраты времени приходятся на написание web-документа и его отладку. Это связано с тем, что для создания электронного варианта учебного пособия необходимо учесть все требования, предъявляемые к созданию web-документа, а также владеть необходимыми программными пакетами и редакторами. На это требуется время, так как нужно, чтобы учебный материал был максимально доступен пользователю и его загрузка занимала минимальное время.

Определим себестоимость разрабатываемого web-документа по формуле (8.1):

С = 3000/21 ? 1.359? (2.4+ 4,3 + 16,4) ? (1+2) + 8? 16,4? 10 = 14766,1 рублей.

С целью снижения себестоимости можно предложить уменьшить время, затрачиваемое на написание web-документа и его отладку за счет использования уже существующих стандартных вариантов для некоторых частей документа.

8.2 Оценка эффективности от внедрения web-документа

Экономический эффект от внедрения проекта посчитать сложно, имеет смысл говорить о социальной значимости проекта, так как web-документ является основой дистанционного обучения. Эффективность от внедрения проекта состоит в следующем:

1. В данном учебном пособии представлен необходимый материал для изучения основ построения многоканальных систем передач. Материал представлен с учётом тенденций развития многоканальных телекоммуникационных систем, что очень важно, учитывая темпы развития связи, а также то, что недостаточно новых учебных материалов. Таким образом, эффективность электронного учебного пособия состоит в том, что позволяет одновременно с нововведениями обучаться по специальности, а также использовать дополнительно новые издания, приведённые в библиографии web-документа.

2. Данное пособие может быть использовано для студентов третьих курсов очного и заочного отделений, и в центре переподготовки специалистов на курсах повышения квалификации.

В полной мере документ может быть использован для желающих обучаться дистанционно с помощью Интернета. Дистанционная форма обучения предоставляет возможность любому человеку обучаться в любом образовательном учреждении у любого преподавателя вне зависимости от места его жительства и места расположения образовательного учреждения. В этой форме сводятся к минимуму переезды, уменьшаются затраты сил, средств и времени; Таким образом, возможность интенсивного общения между обучающимся и преподавателем, индивидуализация учебного материала и темпов обучения, выводят эту форму на качественно новый уровень в системе образования в целом.

3. Также следует отметить, что электронное учебное пособие позволяет гибко изменять и дополнять содержание материала, что может оказаться полезным преподавателям, желающим усовершенствовать материал с учётом новых стандартов и появления новых технологий в коммуникациях.

4. Электронное учебное пособие пригодно для многократного использования, что является очевидным преимуществом перед печатным изданием.

5. И, наконец, экономический эффект можно извлечь, продавая данный теоретический материал, как в распечатанном, так и в электронном виде.

9. Безопасность жизнедеятельности

9.1 Общие положения и области применения

Целью данного раздела является рассмотрение правил и норм, касающихся работы с видеодисплейными терминалами и электронно-вычислительными машинами для определения санитарно-гигиенических требований.

Настоящие санитарные правила и нормы (далее - Санитарные правила) предназначены для предотвращения неблагоприятного воздействия на человека вредных факторов, сопровождающих работы с видеодисплейными терминалами (далее - ВДТ) и персональными электронно-вычислительными машинами (далее - ПЭВМ) и определяют санитарно-гигиенические требования к обеспечению безопасных условий труда пользователей ВДТ и ПЭВМ.

Ответственность за выполнение настоящих санитарных правил возлагается на должностных лиц, осуществляющих производство, закупку, реализацию и применение ПЭВМ и ВДТ, производственного оборудования на базе ВДТ, а также занимающихся проектированием, строительством и реконструкцией помещений, предназначенных для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ.

Запрещается утверждение нормативной и технической документации на новые ВДТ и ПЭВМ, и использование в учебных процессах и быту, а также их закупка и ввоз на территорию Российской Федерации без гигиенической оценки их безопасности для здоровья человека; согласования нормативной и технической документации на эти виды данной продукции с органами Госсанэпиднадзора России; получение гигиенического сертификата в соответствии с установленными требованиями.

В соответствии со статьями 9 и 34 Закона РСФСР «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», в органах должен осуществляться производственный контроль за соблюдением требований санитарных правил и проведении гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий, направленных на предупреждение возникновения заболеваний у людей, использующих ВДТ и ПЭВМ. Руководители предприятий, организаций и учреждений вне зависимости от форм собственности и подчиненности в порядке обеспечения производственного контроля обязаны привести рабочие места пользователей ВДТ и ПЭВМ в соответствие с требованиями настоящих Санитарных правил.

Ввод в эксплуатацию помещений, предназначенных для работы с ВДТ и ПЭВМ, должен осуществляться при обязательном участии представителей государственного санитарно-эпидемиологического надзора Российской Федерации [32].

9.2 Требования к видеодисплейным терминалам и персональным электронно-вычислительным машинам

Все ВДТ должны иметь гигиенический сертификат, включающий, в том числе, и оценку визуальных параметров.

Конструкция ВДТ должна обеспечивать возможность фронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси в пределах плюс-минус 30 градусов и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси в пределах плюс-минус 30 градусов с фиксацией в данном положении.

Дизайн ВДТ должен предусматривать окраску корпуса в спокойные мягкие тона с диффузным рассеиванием света. Корпус ВДТ и ПЭВМ, клавиатура и другие блоки и устройства ПЭВМ должны иметь матовую поверхность одного цвета с коэффициентом отражения 0.4-0.6 и не иметь блестящих деталей, способных создавать блики.

На лицевой стороне корпуса ВДТ не рекомендуется располагать органы управления, маркировку, какие-либо вспомогательные надписи и обозначения. При необходимости расположения органов управления на лицевой панели они должны закрываться крышкой или быть утоплены в корпусе.

При работе с ВДТ для студентов и профессиональных пользователей необходимо обеспечивать значения визуальных параметров в пределах оптимального диапазона, для профессиональных пользователей разрешается кратковременная работа при допустимых значениях визуальных параметров.

В технической документации на ВДТ должны быть установлены требования на визуальные параметры, соответствующие действующим на момент разработки ГОСТ или признанным в РФ международным стандартам. При отсутствии в технической документации на ВДТ данных об оптимальных и допустимых диапазонах значений эргономических параметров эксплуатация ВДТ не допускается.

Конструкция ВДТ должна предусматривать наличие ручек регулировки яркости и контраста, обеспечивающих возможность регулировки этих параметров от минимальных до максимальных значений.

В целях защиты от электромагнитных и электростатических полей допускается применение приэкранных фильтров, специальных экранов и других средств индивидуальной защиты, прошедших испытания в аккредитованных лабораториях и имеющих соответствующий гигиенический сертификат.

Конструкция ВДТ и ПЭВМ должна обеспечивать мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0.05 м, от экрана и корпуса ВДТ при любых положениях регулировочных устройств не должно превышать 7.74 мбэр/час (100 мкР/час).

Конструкция клавиатуры должна предусматривать: исполнение в виде отдельного устройства с возможностью свободного перемещения; опорное приспособление, позволяющее изменять угол наклона поверхности клавиатуры в пределах от 5 до 15 градусов; высоту среднего ряда клавиш не более 30 мм; расположение часто используемых клавиш - в центре, внизу и справа, редко используемых - вверху и справа; выделение цветом, размером, формой и местом расположение функциональных групп клавиш; минимальный размер клавиш - 13 мм, оптимальный - 15 мм; клавиши с углублением в центре и шагом - 19 плюс-минус 1 мм; расстояние между клавишами не менее 3 мм; одинаковый ход для всех клавиш с минимальным сопротивлением - нажатию 0.25 Н и максимальным - 1.5 Н; звуковую обратную связь от включения клавиш с регулировкой уровня звукового сигнала и возможностью ее отключения.

9.3 Требования к помещениям для эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

Помещения с ВДТ и ПЭВМ должны иметь естественное и искусственное освещение.

Расположение рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ для взрослых пользователей в подвальных помещениях не допускается, размещение рабочих мест с ВДТ и ПЭВМ во всех учебных заведениях не допускается в цокольных и подвальных помещениях.

Площадь на одно рабочее место с ВДТ и ПЭВМ для взрослых пользователей должна составлять не менее 6,0 кв.м., а объем - не менее 20,0 куб.м. Во всех учебных и дошкольных учреждениях площадь на одно рабочее место должна составлять не менее 6.0 кв.м., а объем - не менее 24 куб.м.

При строительстве новых и реконструкции действующих высших учебных заведений помещения для ВДТ и ПЭВМ следует проектировать высотой (от пола до потолка) не менее 4.0 м.

При входе в учебные помещения следует предусмотреть встроенные или пристенные шкафы (полки) для хранения портфелей, сумок учащихся и студентов.

Производственные и учебные помещения, в которых для работы преимущественно используется ВДТ и ПЭВМ, не должны граничить с помещениями, в которых уровни шума и вибрации превышают нормированные значение.

Звукоизоляция отражающих конструкций помещений с ВДТ и ПЭВМ должны отвечать гигиеническим требованиям раздела 5 настоящих Санитарных правил.

Помещения с ВДТ и ПЭВМ должны оборудоваться системами отопления, кондиционирования воздуха или эффективной приточно-вытяжной вентиляцией. Расчет воздухообмена следует проводить по теплоизбыткам от машин, людей, солнечной радиации и искусственного освещения. Нормируемые параметры микроклимата, ионного состава воздуха, содержания вредных веществ в нем должны отвечать требованиям раздела 4 настоящих Санитарных правил.

Учебные кабинеты вычислительной техники или дисплейные аудитории должны иметь смежное помещение - лабораторию площадью не менее 18 кв.м. с двумя входами: в учебное помещение и на лестничную площадку или в рекреацию.

Для внутренней отделки интерьера помещений с ВДТ и ПЭВМ должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка - 0.7-0.8; для стен - 0.5-0.6; для пола - 0.3-0.5.

Полимерные материалы, используемые для внутренней отделки интерьера с ВДТ и ПЭВМ, должны быть разрешены для применения органами и учреждениями Государственного санитарно-эпидемиологического надзора.

Во всех учебных заведениях запрещается для отделки внутреннего интерьера помещений с ВДТ и ПЭВМ применять полимерные материалы, выделяющие в воздух вредные химические вещества.

Поверхность пола в помещениях с ВДТ и ПЭВМ должна быть ровной, без выбоин, нескользкой, удобной для очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами.

9.4 Требования к микроклимату, содержанию аэроионов и вредных химических веществ в воздухе помещений эксплуатации ВДТ и ПЭВМ

В производственных помещениях, в которых работа на ВДТ и ПЭВМ является вспомогательной, температура, относительная влажность и скорость передвижения воздуха на рабочих местах должны соответствовать действующим санитарным нормам микроклимата производственных помещений.