Исследование причин снижения достоверности передачи информации в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи

INVESTIGATION OF THE REASONS FOR THE DECREASE IN THE RELIABILITY OF INFORMATION TRANSMISSION IN HIGH-SPEED FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINES

Artur Ziatdinov

Academy of the Federal security service of the Russian Federation, Russia, Orel

Dmitry Gorrodov

Academy of the Federal security service of the Russian Federation, Russia, Orel

Аннотация. В статье рассматривается возникновение причин снижения достоверности передачи информации в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи.

Abstract. The article discusses the emergence of the reasons for the decrease in the reliability of information transmission in high-speed fiber-optic communication lines.

Ключевые слова: Волоконно-оптическая линия связи; достоверность передачи информации; оптический сигнал; дисперсия; нелинейные эффекты; межсимвольная интерференция 

Keywords: Fiber optic communication line; reliability of information transfer; optical signal; dispersion; nonlinear effects; intersymbol interference

Скорости передачи по оптическому волокну в среднем достигают 100 Гбит/с. Поэтому использование для организации связи волоконно-оптических линий является оптимальным решением для первичной сети, альтернативы которому на данном этапе развития техники нет.

Всемирное распространение интернета, цифровых коммуникаций, технологий передачи и обработки информации в режиме реального времени обуславливает постоянный спрос на увеличение пропускной способности, дальности передачи ВОЛС и повышение помехозащищенности.

Увеличить спектральную эффективность можно с помощью применения многоуровневых методов модуляции сигнала, а также путём уменьшения расстояния между соседними частотными каналами. Однако эти способы приводят к тому, что на передачу данных оказывает влияние нелинейные эффекты, и искажения сигнала.

Качество информации, переданной по таким системам зависит от характеристик среды передачи, приёмопередающих и усилительных устройств, а также от оптического сигнала.

При уплотнении в спектре на оптический сигнал оказывает влияние особенности среды передачи информации, а именно наличие нелинейных воздействий.

Влияние нелинейных воздействий на передачу информации прямо пропорционально мощности сигнала.

Причин повышения вероятности появления ошибки в ВОЛС может быть множество. Это связано с уменьшением мощности оптического сигнала, повышением мощности шума или интерференции. Все это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум. Искажение формы сигнала тоже будет уменьшать достоверность передачи информации, в волоконно-оптических линиях связи.

В линейных каналах снижение качества передачи информации из-за шумов может быть снижено за счёт повышения мощности сигнала. Однако в волоконно-оптической связи высокая мощность сигнала порождает нелинейные искажения и потерю информации. Эксплуатация современных систем связи с более плотным использованием полосы пропускания предполагает увеличение общей мощности сигнала в волокне, что приводит к растущему воздействию нелинейных эффектов передачи.

Нелинейность в волоконной оптике играет неоднозначную роль. С одной стороны, она ограничивает дальность и скорость передачи информации, с другой же их использование способно напротив улучшить характеристики линий связи. На основе нелинейных эффектов были созданы усилители сигнала, что стало следствием изучения таких эффектов, как эффект рассеяния Мандельштама-Бриллюэна, эффект Рамана и эффект четырёхволнового смешения.

Помимо физического воздействия, они также оказывают информационное влияние, которое проявляется во взаимосвязи между количеством ошибок при передаче информации и типом самой информации, так называемый эффект паттерна.

Примером паттерн-эффекта является существование битовых последовательностей, которые передаются с ошибкой намного чаще, чем другие ошибки. При высоких скоростях передачи информации паттерн-эффект становится особенно очевидным, так как на физическом уровне появляется межсимвольное взаимодействие (ISI — inter-symbol interference) и многие  другие физические эффекты, такие как дисперсионное уширение импульса, четырёхволновое взаимодействие и фазовая кроссмодуляция.

И хотя взаимодействие соседних импульсов легко объяснить полностью «линейными» соображениями, то есть по мере увеличения скорости передачи данных длительность импульса уменьшается, и перекрытие импульсов становится более вероятным. Суммарное воздействие других эффектов приводит к нелинейной зависимости информационных свойств канала от рода самой информации, передаваемой по нему.

При распространении сигнал будет сталкиваться с неоднородностями, которые будут ослаблять и отражать часть сигнала в противоположенную сторону. Появление потерь и принято классифицировать на внутреннее поглощение и макроизгибы, а также на релеевское рассеяние и френелевское отражение.

Помехи, которые оказывают большее влияние — это потери на инфракрасное поглощение и релеевское рассеяние.  Дополнительные факторы – это потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна, потери, обусловленные флюктуациями диаметра сердцевины волокна. Эти потери называют кабельными.

Оптический сигнал при распространении по оптическому волокну, ослабляется и искажается за счёт дисперсии.

Дисперсия – это зависимость фазовой скорости световых волн от частоты.

В световоде различают несколько видов дисперсии модовая или межмодовая, хроматическая (материальная, волноводная), поляризационная.

Поскольку дисперсия слишком велика, отдельные пакеты цифрового сигнала так сильно расплываются, что они появляются в соседних тактовых интервалах, становясь таким образом помехой. Этот эффект называется межсимвольной интерференцией.

Явление межсимвольной интерференции приводит к тому, что поступающий на приемное устройство сигнал представляет собой сумму нескольких передаваемых импульсов, находящихся в различных тактовых интервалах.

Следовательно, ограничения, рассмотренного явления, так же важны же, как и выполнение критерия затухания оптического сигнала. Игнорирование этого эффекта, даже когда мощность достаточна велика, то есть при малом влиянии шумов, не может точно различить нуль от единицы, что порождает ошибки на приеме, а также, затрудняет поддержание синхронизма в канале связи.

Очень важно, что даже при очень малом межсимвольным воздействии отрицательное влияние дисперсионных искажений может повлиять на качество и достоверность передаваемой информации

Волоконно-оптические линии связи на современном этапе развития техники являются наиболее совершенной средой для передачи информации за счет своих достоинств: малые потери, огромная пропускная способность, экономия цветных металлов, высокая защита от внешних и взаимных помех. ВОЛС в настоящее время используются во многих крупных системах передачи информации. Поэтому большую роль играет достоверность передачи информации в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи. К главным причинам снижения достоверности передачи данных относят возникновение нелинейных эффектов, межсимвольной интерференции, снижение отношения сигнала к шуму, а также различные макро- и микро- изгибы в ВОЛС.