Digitális optikai átviteli rendszerek LŐRINCZ E N D R E BHG
A cikk a Telecommunication Journal 1981/11. és 1982 „optical fibres" különszámaiban megjelentek alapján készült. A szobahőmérsékleten folyamatosan m ű k ö d ő fél vezető lézer 1970-ben t ö r t é n t előállítása ó t a a digi tális optikai átviteli rendszerek t ö b b generációja j ö t t létre, amelyek megalapozott a l t e r n a t í v á t kínál nak a koaxiális átviteli rendszerekkel szemben. Az 1. á b r á n szemléltetett gazdasági előny a szálvezető alacsonyabb anyagköltségéből és — a nagyobb is métlő távolságból eredő — alacsonyabb berendezés költségéből a d ó d i k . A szárazföldi rendszerek általános felépítését a 2. á b r a szemlélteti. A vég- és középállomási beren dezéseket épületekben helyezik el, az ismétlőket pedig k á b e l a k n á k b a n , t a r t á l y o k b a n vagy t a r t ó oszlopokon. A tenger alatti kábeleknél a középállo mási berendezések helyét is a végberendezések á l t a l t á v t á p l á l t és távfelügyelt ismétlők foglalják el. Az átviteli rendszer sebességét a tervezés fázisában gazdasági szempontok szerint választják k i a CCITT digitális hierarchiáiból. E z t k ö v e t i az ismétlő t á v o l ság és egyben a szálvezető t í p u s m e g h a t á r o z á s a : 30 km-ig multimódusú szálvezetőt alkalmaznak a 0,8— 0,9 jxm vagy az 1,3 \xm hullámhossz t a r t o m á n y b a n , 30 k m felett pedig egymódusú szálvezetőt az 1,3— 1,55 fjim-es t a r t o m á n y b a n (3. á b r a ) .
MOMbit/s koaxiális kábel / ,560Mbit/s koaxiális kábel -- -UOMbtt/s optikor szalvezető millimetriküs hullámvezető 550 Mbit/s optikai szólvezef 5
> 30-
l-|to-
T
S-E 3 >
üthossZilOOkm
01
30 100 300 1000 3000 éves óramkörszám növekmény
1. ábra. A különböző átviteli közegek gazdasági össze hasonlítása
ismétlők végollomSa ^
&
%rJ%% végállomás |H947-2
2. ábra. Az optikai átviteli rendszer blokkvázlata
a kromatikus es
hullámvezefo diszperzió hatása
A 0,8—0,9 jxm-es tartományban fényforrásként GaAlAs lézer diódát (LD), valamint felületsugárzó vagy élsugárzó fényemittáló d i ó d á t {LED vagy ELED) használnak. F o t o d e t e k t á l ó eszközként Si la vina fotodiódát ("APD) vagy Si p-i-n d i ó d á t alkal maznak térvezérlésű m ű v e l e t i erősítővel ( P I N —
a modalis disz perzió hátasa 10 100 1000 jelsebesség (Mbit/s)
|H947-3|
3. ábra. Az ismétlők távolságának jelsebességfüggése illesztés
-{nyatabolas Í1__ J mux/demux nfT-XÍK—i
kodoto
fényforrps meghajtó áramkör
fényforrás
vevő . áramkör
fotó detektor
• s z a l v e z e t ő fele
Kodek • s z a l v e z e t ő felöl
I
alarmok
tavfetügyjteti alrendszer
energia ellato
alrendszer
szoígplai't
beszéd alrendszer
fa 347-4 l 4. ábra. A végállomási berendezés blokkvázlata Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 3. szám
129
F E T ) . A z 1.3—1,55 jum-es tartományban fényforrás k é n t InGaAsP lézer dióda vagy fényemittáló dióda szolgál, fotodetektorként pedig Ge lavina fotodióda vagy InGaAs p-i-n dióda ( I — I I . t á b l á z a t ) . A 4. á b r á n l á t h a t ó végállomási berendezés illesz tés u t á n multiplexeli a különböző sebességű csator n á k a t , majd kialakítja a vonali kódot ( I I I . t á b l á z a t ) . A 8 és 34 Mbit/s sebességű rendszerekben k o r á b b a n a HDB3 kódot a l k a l m a z t á k , a 140 Mbit/s-os rendsze rekben pedig a számjegy invertáló CMI kódot. Ú j a b b a n a kiegyensúlyozott nB/n + l/B bináris blokk kódot használják: a 34 és 140 Mbit/s-os rendszerek ben alkalmazott 5B6B kód biztosítja a legkedvezőbb a r á n y t a kódolás bonyolultsága és a járulékos redun dancia k ö z ö t t , a 7BSB kód pedig nagyon egyszerű h i b a a r á n y d e t e k t á l á s t tesz lehetővé az ismétlőkben. Igen nagy sebesség esetén (560'Mbit/s felett) a rész leges átvitel-technikájával'alakítják-Jri a vonali k ó dot. ... ' A kódolt digitális jelsorozat a m e g h a j t ó á r a m k ö r ö n á t vezérli a fényforrást. A k é t fényforrástípus k ö zül a lézerhez viszonyítva a fényemittáló diódának kisebb a modulációs sebessége, nagyobb a spektrum vonal szélessége és kisebb az e m i t t á l t fényenergiája, viszont nagyobb az é l e t t a r t a m a és egyszerűbb meg hajtó á r a m k ö r t igényel. A LED bináris meghajtó á r a m k ö r é t a lézer esetében egy szabályozó á r a m k ö r rel egészítik k í , amely a moduláló á r a m vezérlésével csúcshatárolja az e m i t t á l t fényenergiát, és megszün teti a rezonancia áramküszöbének hőmérséklet-füg gését. A fotodetektorok közül a Si lavina fotodiódát a 0,8— 0,9 \im hullámhossz t a r t o m á n y b a n előnyben része sítik a Si P I N — F E T - t e l szemben nagyobb vételi érzékenysége m i a t t — annak ellenére, hogy magas tápfeszültséget (200—400 V ) igényel, é s nagy a h ő érzékenysége. Az 1,3—1,55 [xm-es t a r t o m á n y b a n a l k a l m a z h a t ó Ge lavina fotodiódának m á r jóval kedvezőtlenebbek a paraméterei, ezért ebben a tar t o m á n y b a n i n k á b b az InGaAs P I N — F E T - e t használ ják. A kis sebességű rendszerekben a P I N diódát egy kis bemenő impedanciájú visszacsatolt erősítő ter heli, a nagy sebességű rendszerekben viszont egy nagy bemenő impedanciájú n y í l t h u r k ú erősítő. A dióda k a p a c i t á s á n a k és az erősítő bemenő k a p a c i t á s á n a k e g y ü t t e s integráló h a t á s a elhanyagolhatóvá teszi a termikus zajt. A hasznos jelek nem k í v á n a t o s integrálódását a regenerátor egy differenciáló h a t á r sú digitális szűrővel egyenlíti k i , majd a bitsebességre hangolt erősítő jitter-simítást végez a visszanyert hullámformán. A dekódoló á r a m k ö r a vonali k ó d o t a d a t k ó d d á alakítja á t , amely demultiplexelés u t á n az illesztő á r a m k ö r ö n á t hagyja el a végállomási berendezést. :
I.
Hul lám hossz (nm)
Anyag
Lézer
850 1300 1550
GaAlAs InGaAsP InGaAsP
1—3 0,1—2 0,1—2
3 8 10
500 500 500
ELED
850 1300
GaAlAs InGaAsP
1—1,5 0,5—1,5
40 60
100 200
LED
900 1300
GaAs InGaAsP
0,5—0,8 0,1—0,5
40 110
50—150 • 50—150
Fényforrástípus
•foto detektor
erósito
kiegyen lítő - ,
Fotódetektor típus.
Anyag
130
Hullámhossz tartomány (nm)
táblázat
A vett teljesít mény minimuma Kvantum 140 Mbit/shatásfok nálPe=10-»% re vonat koztatva (dBm)
APD
Si Ge
800—900 1300—1550
c*80 c*70
PIN/PIN FET
Si . InGaAs
800—900 1300—1550
^90—95 - 4 5 0*40—70 - 4 4 . -
-50 -40
III. Kategória
Diszparitás
táblázat
Példa
Kiegyensúlyozott nB(n+ 1)B (kötött diszparitás) Alfabetikus Kiegyensúlyozatlan (kötetlen diszpari tás),
Optikai rendsze rekben nem hasz nálatos
Kiegyensúlyozott (kötött .diszparitás) Noinulíhbrtikus KiegyeAsúlyozátlan Paritásvizsgálat (kötetlen. diszparP " - kompletrieiiter bit hozzáadásával tás)
regene• rátör hiba detektor
5.' ábra. A z i s m é t l ő k
Maximális moduláló frekvencia (MHz)
II.
Speciális
szalvezeto-
Tipikus kimenő ; Tipikus teljesít modu mény lált az spekt rum 50/125 imx vonal átmérőjű széles fokozatos ség indexű (nm) szálvezető felé (nW)
táblázat
—
fényforrás meghajtó áramkör
fényforrás
Részleges átvitel
-szalvereto
"tavfeldgyeletr alrendszer fele
blokkvázlata
Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 3. szám
optikai szalvezető mag
kötőanyag
p o l i é s z t e r szalag
szalvezeto bevonat 0.14" _____ (3.56mm) S z a l a g keresztmetszet n a g y s ű r ű s é g ű külső polietilén
köpeny
köpeny m e r e v í t ő tagok
o p t i k a i szalvezeto szalag m á t r i x p o l i é s z t e r szalag h ó elleni vedelem nagysűrűségű belső poliet'ilen köpeny
(12 mm ) Kábel keresztmetszet köpeny merevítő t a g o k nagysűrűségű belső polietilén köpeny
csavart , o p t i k a i szalvezeto szalagok n
nagysűrűségű külső
polietilén
p o l i é s z t e r szalag ho elleni vedelem szalag r e n d e z ő csatlakozó
Fényvezető
kábel H 3/J7-6
6. ábra. A Bell System FT3 rendszerének 144 szálvezetős optikai kábele
szalvezeto szalag polietilén \köpeny alumínium köpeny hezagkitdlto érnégyes 6 optikai szálvezető merevitő tag polietilén bevonat LAP köpeny
10szalvezetos tag
merevíti tag
70 szalvezef ó's kabei
spirális ;_| p
ya
műgyanta mag
10 szálvezetös egység H917-8
7. ábra. Az N T T 24 szálvezetőt t a r t a l m a z ó kábele Kawasaki helyi h á l ó z a t á b a n Híradástechnika
XXXV.
optikai
évfolyam 1984. 3. szám
8. ábra. A Francia P T T 70 szálvezetőt t a r t a l m a z ó op t i k a i kábele Párizs t r ö n k h á l ó z a t á b a n
131
IV.
táblázat
IV. táblázat. Néhány kísérleti optikai átviteli rendszer eredményei J a p á n b a n Fokozatos indexű niultimódus
Szálvezető-típus
100
Jelsebesség (Mbit/s) Lézertípus Fényforrás
Szálvezető
400
Egymódus
100
400
InGaAsP/InP GaAlAs
Hullámhossz (nm)
1295
850
Spektrális szélesség (nm) Kibocsátott energia (dBm)
1 -5.3
3 -6.5
Átlagos csillapítás (dB/km)
0,6
2,6
Diszperzió
InGaAsP/InP 1510 1 —7.8 0,5
Si—APD 65% 0,3
Megvalósított ismétlő távolság (km)
52,6
8
58
A vett teljesítmény átlaga P = 10~ -re vonatkoz tatva (dBm)
-38,7
-38,0
-39,5
u
e
Az 5. á b r á n l á t h a t ó ismétlő t á p l á l á s á t szárazföldi rendszereknél helyileg oldják meg (pl. napelemekkel), vagy pedig — a tenger alatti kábelekhez hasonlóan — a kábel e célra szolgáló vörösréz vezetékein keresz tül. A kábel vagy az ismétlő hibájának b e h a t á r o lását a távfelügyeleti alrendszer a h i b a a r á n y figyelé sével végzi. A végállomási alrendszerhez az ismétlők riasztójelzései többféleképpen is visszacsatolhatok: — vörösréz vezetőkkel, — külön szálvezetőkkel, — az átvitelre h a s z n á l t szálvezetőkön á t hullám hossz multiplexeléssel ( W D M ) , a vonali kód redundanciájával, a vonali kód órafrekvenciá j á n a k m o d u l á l á s á v a l , vagy egy járulékos modu lált vivő beékelésével. A hibaelhárításhoz szükséges szolgálati torna a következőképpen b i z t o s í t h a t ó :
beszédcsa
— vörösréz vezetőkkel, — az acél merevítőtagok vagy az alumínium védő réteg felhasználásával (csak kis távolságú rend szerekben) — az átvitelre h a s z n á l t szálvezetőkön á t a vonali kód redundanciájával (csak vég-vég között) — rádiótelefonnal. Az optikai szálvezetőket elsőként a városi t r ö n k hálózatban a l k a l m a z t á k . Az USA-ban az első FT3 rendszert Atlanta városi t r ö n k h á l ó z a t á b a n helyez t é k üzembe 1980-ban: 45 k m hosszúságú optikai ká bellel k ö t ö t t é k össze a város 4 főközpontját, és 5 ismétlőt alkalmaztak 6,5 km-es maximális távolság mellett. A Bell System által ü z e m e l t e t e t t 20 darab 45 Mbit/s-os átviteli összeköttetést a 0,82 jxni hul lámhosszon GaAlAs k e t t ő s heteroszerkezetű lézer rel, 50/125 jxm-es m u l t i m ó d u s ú fokozatos indexű
132
3 -4,0 0,6
16 ps/km/nm
1,3 GHz-km
Típus Kvantumhatásfok Többletzaj tényező
1310
3 -4,7
Ge—APD 40—70% 0,8—1,0
Fotódetektor
800
2 ps/km/nm
Ge—APD 40 - 70% 0,8—1,0 40
20
-29,0
szálvezetővel, és Si lavina fotodiódával valósították meg. Az alkalmazott kábel csak optikai szálvezetőket tartalmaz, tekintettel az ismétlők helyi táplálására, és a szomszédos kábelek segítségével megvalósított távfelügyeletre. A távfelügyeleti alrendszer 10~ h i b a a r á n y esetén automatikusan kiiktatja a kérdé ses összeköttetést, és csak 10~ nél jobb h i b a a r á n y esetén helyezi újra üzembe. A 6. á b r á n l á t h a t ó kábel szalag szerkezetű m á t r i x a 12x12 szálvezető befo gadására alkalmas, azonban kisebb kapacitás esetén sem változik a k á b e l á t m é r ő . Az NTT 1980-ban Kawasaki város 3 főközpontját k ö t ö t t e össze egy 11,5 km-es földkábellel és egy 6,3 km-es légkábellel. A rendszerben háromféle jelsebes séget (6,3; 32 és 100 Mbit/s-ot) alkalmaznak, ezen kívül egy analóg videó c s a t o r n á t is t o v á b b í t a n a k . A kisebb sebességeket a 0,85 [xm hullámhosszon való sítják meg GaAlAs lézerrel, 50/125 pim-es m u l t i m ó d u s ú fokozatos indexű szálvezetővel és Si lavina fotodiódával; a 100 Mbit/s sebességet pedig az 1,3 6
7
optikai s z a l v e z e t o tápvezeték alarm vezetek m e r e v í t ő tag /acél h u z a l / m e r e v í t ő tag bevonat szolgalati érpár alumínium es j e t e g e l t p o l i e t i l é n köpeny polieti lén köpeny
1H94 7- 9 9. ábra. Az ASST 18 szálvezetőt tartalmazó optikai kábele R ó m a t r ö n k h á l ó z a t á b a n Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 3. szám
Franciaország
-tengeralatti
optikai kábel
köpeny
szigetelő
, >, t , , -túlnyomásos haz
elektronika _ • .vezeték' optikánlleszto optikai szalvezeto egység elektronika i t rugózás csukló
polietilén szigetelés
Japán / N T T /
kábeles atotas
rugozo csatlakozás •
Japán /KDO/
optikai •irápszaiag opti kai ismétlő' áramkörök i túlnyomásos
hajlékony optikai kábel illesztő kamra
kabelcsatolas i csuklós csatlakozó
tápvonal
ház
hajlékony szalvezeto
tengeralatti optika'i kábel
opt i kai s z a l v e z e t ő táplálás
tengeralatti optikai kábel h 5 17-10
10. ábra. Tenger alatti optikai kábelek ismétlőinek mechanikai felépítése [xm hullámhosszon m ű k ö d ő InGaAsP lézerrel és LED-del, 50/125 u.m-es szálvezetővel és Ge lavina fotodiódával. A 7. á b r á n l á t h a t ó 24 m m átmérőjű kábelben 24 szálvezető és 6 vörösréz érnégyes talál h a t ó , de létezik egy k e t t ő s hengeres szerkezetű vál tozat is, amely 48 szálvezetőt tartalmaz. J a p á n né h á n y kísérleti optikai rendszerének e r e d m é n y e i t mutatja be a I V . t á b l á z a t . Ugyancsak 1980-ban helyezte üzembe a francia PTT az első 34 Mbit/s-os optikai rendszerét P á r i z s k é t főközpontja között. A 0,85 [ím hullámhosszon m ű ködő rendszer 8. á b r á n l á t h a t ó kábele 7 darab olyan egységet tartalmaz, amelyek mindegyike 10 szálve zetőt foglal m a g á b a n a spirálisan csavarodó m ű gyanta mag hornyaiban. Az ASST és SIP 1981-ben helyezett üzembe R ó m a 7 főközpontja k ö z ö t t egy 16 k m összhosszúságú optikai rendszert. A 0,85 és 0,9 u.m hullámhosszon üzemelő rendszerben a 34 és 140 Mbit/s sebességet GaAlAs lézerrel és LED-del, 62/125 jxm-es m u l t i m ó dusú fokozatos indexű szálvezetővel és Si lavina fo t o d i ó d á v a l valósították meg. A 9. á b r á n l á t h a t ó kon centrikus szerkezetű k á b e l 18 szálvezetőt tartalmaz, t o v á b b á t á p á r a m v e z e t é k e k e t , szolgálati é r p á r a k a t és vízbehatolást jelző alarmvezetékeket. A Német Szövetségi Posta első optikai rendszerét Nyugat-Berlin k é t főközpontja k ö z ö t t helyezte üzem be 1979-ben. A 4,5 k m hosszúságú összeköttetés a 0,85 u.m hullámhosszon üzemel 34 Mbit/s sebesség gel. Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 3. szám
A British Telecom 8 és 34 Mbit/s sebességű opti kai rendszereket alkalmaz a t r ö n k h á l ó z a t á b a n . A ko r á b b i összeköttetésekhez a 0,85—0,9 u.m hullámhossz t a r t o m á n y b a n üzemelő GaAlAs lézert és LED-et, valamint Si lavina fotodiódát h a s z n á l t fel, ú j a b b a n az 1,3 \j.m hullámhosszon üzemelő InGaAsP LED-et és InGaAsP PIN—FET-et alkalmaz 16 km-es is métlő távolsággal. Az optikai szálvezetők felhasználási területének bővülését jelentik a szálvezetős tenger alatti kábelek. A tervcélok szerint a 8000—10 000 k m hosszúságú k á beleknek — amelyek 6000—8000 m mélységben halad nak az óceán szintje alatt — 8 — 15 éves MTBF ér tékkel kell rendelkezniük, amelyet a 25 — 50 km-es ismétlő távolság mellett tartalékolással k í v á n n a k biz tosítani. A tervezett MTBF értékből kiindulva az is métlők m e g b í z h a t ó s á g á n a k 15 — 150 fit*-nek kell lennie, ezért igen magas integráltsági szintet alkal maznak az elektronikus egységekben (5 chip/egyi r á n y ú egység), t o v á b b á a lézer diódákból 1 — 3 tar t a l é k o t képeznek. A tenger alatti kábel szakítószilárdságának 75— 100 kN-nak kell lennie, hogy kibírja a fektetéssel j á r ó igénybevételt és a víz 80 MPa nagyságú hidrosztatikus n y o m á s á t . A 10. á b r á n bemutatott t ú l n y o m á s o s há zakban helyezik el az ismétlőket, amelyek m é r e t e és szerkezete hasonló a h a g y o m á n y o s rendszerekéhez.
* 1 fit = 1 hiba/10 óra x az alkatrészek száma. 9
133
központ
-végberendezés
— kapcsoló béren—«-L_átviteli--.» dtviteli»»elöfizedezés Lbéren dezes . — L _ sossze,r^,« t• «o•i •i l l e s z•"-> to k áttétes e g y s é g Rádio , Rádió kapcsoló Rádióműsorok • mátrix TV , kapcsoló TV musorokRqdioTV ; mátrix Képtelefon Vezérlés Telefon 1
|—Processzor 4-
-
i/i 1/1 P. O, o N 0Í CL"5 N O-O
Tavhivo hálózat
m-s* £
Tavhivo > hálózat ~S Integrált,g^-g s z ö v e g , é s S io N á d a t hálózat" a-a
Képtelefon kapcsoló ' atrix Vezérlés
terminálok
5ö]>aRádió
+ jelzése I ^ J ^
5 Q TV
iptikai szálve-| 7 Telefon Képtelefon
Képtelefon
. , jelzések
Billentyűs telefon Telex Teletex Telefax (interaktív videotex stb.)
A d
a +
Processzor KeskenyKeskenysávú sávú , j
1H947-1 1 | 11. ábra. A Német Szövetségi Posta B I G F O N hálózatának egyik változata Az első 10 k m hosszúságú 140Mbit/s-os tengeralatti k á b e l t N a g y - B r i t a n n i á b a n helyezték üzembe 1980 februárjában, ezt J a p á n k ö v e t t e 1980 októberében egy szintén 10 k m hosszúságú kábellel, amelyet t ö b b m á s optikai szálvezetős rendszer k ö v e t e t t világszerte. A széles sávú integrált szolgáltatás megvalósításá hoz az optikai szálvezetőket az előfizetői h á l ó z a t b a n is alkalmazni kell. Az előfizető és a helyi k ö z p o n t közötti t á v o l s á g valamint a szolgáltatás függvényében a különböző csillapítású és sávszélességű szálvezető ket gazdasági szempontok szerint választják k i . Az előfizetői készülékek (rádió, t v , telefon, képtelefon, telex, fakszimile, teletex, i n t e r a k t í v videotex stb.) energiaellátását a kizárólag szálvezetőket tartal m a z ó kábelek esetében helyileg kell megoldani (há lózat + a k k u m u l á t o r , napelem stb.).
134
A francia PTT Biarritzban helyezi üzembe kí sérleti optikai szálvezetős előfizetői h á l ó z a t á t 1983ban, amely a telefon és képtelefon mellett k é t egy idejű tv-programot és egy hifi sztereó programot is t o v á b b í t . A kanadai Elie rurál h á l ó z a t b a n a 4 mellék állomásos party-line telefon mellett egy F M sztereó c s a t o r n á t , egy analóg t v - c s a t o r n á t és egy 56 kbit/s-os szinkron a d a t c s a t o r n á t is t o v á b b í t a n a k az előfizetői kábeleken. A Német Szövetségi Posta BIGFON hálózata 1986-ra készül el 7 városban, amely egyidejűleg 2 vagy t ö b b integrált keskeny sávú csatornát, 2...4 v á l a s z t o t t t v - c s a t o r n á t , 24 egyidejű vagy 4 válasz t o t t F M sztereó c s a t o r n á t és 1 képtelefon c s a t o r n á t tartalmaz (11. á b r a ) .
Híradástechnika
XXXV.
évfolyam 1984. 3. szám
