ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ Российский патент 2006 года по МПК H04B10/00 

Интерфейс представляет совокупность унифицированных устройств, связей и сигналов, посредством которых производится связь источника и приемника информации.

Изобретение представляет собой способ и устройство и относится к области систем передачи информации, измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для систем передачи дискретной асинхронной информации по оптическому волоконному кабелю или открытому оптическому каналу и касается канального уровня организации системы передачи (подуровня управления доступом к среде).

Известны интерфейсы (способы и устройства) для передачи дискретной (цифровой) информации по оптическим каналам, такие как:

- согласно ITU-T, протокол G.703;

- Ethernet (IEEE 802.3);

- Fast Ethernet (IEEE 802.3u);

- Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z);

- Fibre Channel (FC-PH);

- FDDI (IEEE 802.2);

- ATM (SONET) и др.

Суть интерфейсов заключается в том, что информация от различных источников информации оцифровывается при помощи аналого-цифровых преобразователей, объединяется временными мультиплексорами в один структурированный поток. Данные из параллельного кода преобразуются в последовательный код. Полученные последовательности бит группируют в цифровые потоки, которые могут иметь различную степень иерархии, причем цифровые потоки высшей степени иерархии объединяют потоки низшей степени иерархии. Эти цифровые потоки на передающем конце линии передачи для повышения помехозащищенности кодируют и кадрируют. Каждый кадр (блок) имеет служебные поля, поле данных, а также поля сигналов синхронизации. На физическом уровне кадры линейно кодируют (двухуровневым кодом) для передачи по оптическому каналу передачи и преобразуют при помощи передающих оптических модулей в последовательность оптических импульсов. На приемном конце линии передачи производят обратные преобразования.

Для протокола G.703, низшую степень иерархии как для американских, так и для европейских плезиохронных систем передачи информации имеет основной цифровой канал (ОЦК) - это цифровой сигнал нулевого уровня со скоростью 64 кбит/с (Digital Signal of level 0 или DS0). Более высокую степень иерархии имеют цифровые потоки первого уровня DS1 (со скоростью 1544 кбит/с) для американских систем и Е1 (со скоростью 2048 кбит/с) для европейских систем, потоки уровней 2, 3, 4, 5 (DS2, DS3, DS4, DS5 или Е2, Е3, Е4, Е5).

Для синхронных систем передачи (SDH) с интерфейсом АТМ, SONET и др. низший уровень иерархии имеет поток STM-0 (Synchronous Transport Module of level 0, соответствует SONET ОС-1). Более высокий уровень иерархии имеют потоки STM-1, STM-2 и так далее до STM-256 (для SONET соответственно STS-1, STS-2 и так далее до STS-768). Потоки разбиваются на виртуальные контейнеры (фреймы или трибы). При этом цифровой поток кодируется одним из интерфейсных кодов, обычно это трехуровневый код HDB3 (High-Density Bipolar code of order 3). Для передачи по оптическому каналу производится линейное перекодирование, как правило, двухуровневое. Обычно для оптических каналов передачи используют коды CMI, MCMI, mbnb, NRZ [1].

На приемном конце происходят обратные преобразования.

К основным недостаткам рассмотренных интерфейсов следует отнести:

- увеличенная вероятность потери достоверности передаваемых сообщений из-за многочисленных кодовых преобразований;

- сложное оборудование, включающее преобразователи параллельного кода в последовательный и обратно, контроллеры канала, быстродействующую двухпортовую оперативную память, микроконтроллеры, электронный коммутатор, другие сложные узлы.

Известно устройство и способ [2], реализующие интерфейс по протоколу G.703 согласно ITU-T, для передачи дискретной информации.

Способ заключается в том, что основные информационные потоки уровня DS0 мультиплексируют (объединяют) в информационные потоки уровня DS1, которые еще раз мультиплексируют (объединяют в один поток), преобразуют стыковой код HDB3 в линейный код, модулируют оптическое излучение, направляют это излучение в оптический канал связи, преобразуют на приемном конце канала передачи оптическое излучение в электрический ток, усиливают электрические сигналы, преобразуют линейный код в стыковой уровня DS1, демультиплексируют сигналы уровня DS1 в сигналы уровня DS0.

Устройство содержит электронные мультиплексоры основных информационных потоков уровня DS0 в информационный поток уровня DS1 в коде HDB3; электронный мультиплексор потоков уровня DS1 и преобразователь стыкового кода HDB3 в линейный код, блок согласования излучателя с выходом устройства преобразования кода, излучатель оптического сигнала (лазер или светоизлучающий диод), блок стабилизации выходной оптической мощности излучателя и стабилизации температуры, фотодетектор, источник электрического напряжения смещения для фотодетектора, широкополосный усилитель электрического сигнала, выделяемого в нагрузке фотодетектора, преобразователь линейного кода в коды DS1, демультиплексоры, преобразующие сигналы DS1 в сигналы уровня DS0, оптические разъемы и оптический кабель.

Устройство работает следующим образом.

Информационные сигналы в параллельном коде поступают на входы мультиплексоров, объединяющих их в цифровые потоки нулевого уровня иерархии DS0. Потоки DS0 мультиплексором первого уровня иерархии объединяются в потоки типа DS1, которые объединяются мультиплексором второго уровня иерархии в единый поток HDB3, поступающий на вход преобразователя стыкового кода HDB3 в линейный код. Линейный код подается на вход излучателя через согласующее устройство. Излучатель через оптические соединители направляет оптический информационный сигнал, представляющий собой линейный двухуровневый код, в волоконно-оптический тракт (ВОТ). На выходе ВОТ установлен фотоприемник, соединенный с демультиплексорами, преобразующими линейный код в коды DS1 и DS0.

Рассмотренные способ и устройство имеют следующие недостатки:

- при каждом преобразовании кодов увеличивается вероятность появления битов, пораженных ошибками;

- для передачи информации необходимо сложное оборудование, включающее мультиплексоры и демультиплексоры уровней DS0 и DS1, другие сложные узлы.

Известны другой способ и устройство для передачи дискретной информации по оптическому каналу связи [3, рис.1], реализующие интерфейс АТМ (SONET).

Способ заключается в том, что параллельные дискретные данные преобразуют в последовательный код, в этот код замешивают синхроимпульсы, преобразуют этот код в линейный, модулируют кодом излучение лазерного диода, направляют в оптический канал передачи, детектируют на приемном конце, усиливают и ограничивают по уровню преобразованные в электрическую форму сигналы, восстанавливают сигналы синхронизации и дискретные данные, преобразуют последовательность битов в параллельный вид представления информации.

Устройство содержит фотодиод, трансимпедансный усилитель, усилитель-ограничитель, узел восстановления синхронизации и данных, последовательно-параллельный преобразователь, параллельно-последовательный преобразователь с синтезатором синхроимпульсов, драйвер лазера, лазерный диод.

Устройство работает следующим образом.

Информация, подготовленная для передачи по оптическому каналу, поступает в виде параллельного кода на параллельно-последовательный преобразователь со встроенным синтезатором синхроимпульсов, который преобразует параллельный код в последовательный и смешивает образовавшийся цифровой поток с сигналами синхронизации. Лазерный диод преобразует электрический цифровой поток в оптический сигнал и направляет его в оптический канал передачи. Параллельно-последовательный преобразователь со встроенным синтезатором синхроимпульсов выполнен на микросхеме типа МАХ3691, а драйвер лазера на микросхеме МАХ3667. Микросхема МАХ3691 содержит 4-разрядный параллельный регистр данных, фазовый детектор, регистр сдвига, выходной согласующий усилитель [4]. Преобразование параллельного кода в последовательный осуществляется при помощи регистра сдвига, в который переносится информация из входного регистра. Сдвиг информации в регистре сдвига производится сигналами с выхода фазового детектора, выделяющего сигналы синхронизации. Драйвер лазера обеспечивает стабильность рабочей точки лазера, осуществляет мониторинг мощности лазерного излучения. С выхода лазера информация поступает в оптический канал передачи.

На выходе канала передачи устанавливается фотодиод, выходные сигналы которого усиливаются трансимпедансным усилителем, затем усилителем ограничителем и передаются на схему восстановления синхронизации и данных (СВСД). Усилитель-ограничитель со встроенной СВСД реализован в микросхеме типа МАХ 3675 [5]. С выхода МАХ3675 сигналы синхронизации и данных подаются на входы микросхемы МАХ3681.

Микросхема МАХ3681 представляет собой последовательно-параллельный преобразователь [6]. Микросхема содержит два регистра: 4-разрядный регистр сдвига и 4-разрядный параллельный регистр. Данные поступают на вход регистра сдвига, а с его выходов по сигналам синхронизации записываются в первый порт параллельного регистра. С выходов второго порта параллельного регистра информация поступает потребителю.

Недостатками устройства и способа являются:

- сложная система синхронизации, даже небольшой джиттер (колебания фазы импульсов синхронизации) может привести к потере информации;

- ненадежные схемы преобразования параллельного кода в последовательные и обратно, подверженные воздействию импульсных помех;

- схемы преобразования не могут быть использованы в устройствах телеметрии подвижных объектов с высоким уровнем электромагнитных наводок от силовых агрегатов, подверженных воздействию таких внешних факторов, как перепады температуры, влажности, давления, ударов и вибраций.

Известны еще один способ и устройство, реализующее интерфейс АТМ (SONET) синхронных систем передачи (SDH), для передачи дискретной информации по оптическому каналу, описанные в [7 и 8].

Способ заключается в формировании оптических импульсов путем синхронизации лазера эталонным таймером SDH, усилении оптических импульсов, разветвлении их в N каналов, модуляции оптических импульсов в каждом канале линейным кодом технологии SDH, задержке оптических импульсов в каналах передачи на время T·N/I, где Т - период импульсной последовательности, N - количество каналов, I - номер канала (I=1÷N), объединении импульсов в единый поток, усилении группового сигнала, направлении потока в канал передачи информации, временном демультиплексировании оптического сигнала и выделении частоты синхронизации.

Устройство содержит лазер с синхронизацией мод, синхронизируемый эталонным таймером систем SDH, направляющий оптические импульсы через оптический усилитель в оптический разветвитель с матрицей передачи 1Х8. Выходы разветвителя соединены с входами оптического объединителя с матрицей передачи 8Х1 через последовательно подключенные оптические модуляторы и оптические линии задержки, причем управляющие входы модуляторов соединены с выходами эталонного таймера систем SDH. Выход объединителя соединен с оптическим каналом передачи через оптический усилитель, на выходе оптического канала передачи установлен временной демультиплексор, синхронизируемый устройством синхронизации.

Устройство работает следующим образом.

Лазер с синхронизацией мод синхронизируется от эталонного таймера мультиплексируемых эталонных систем SDH. Поток оптических импульсов с длительностью τ и периодом следования Т через оптический усилитель подается на оптический разветвитель, пространственно разделяющий световой поток на восемь равных частей, каждая из которых поступает на оптические модуляторы. С выхода каждого из модуляторов излучение проходит через соответствующие отрезки оптических волокон, играющих роль оптической линии задержки. При этом время задержки с выхода 1-го модулятора выбирается очень малым, будем считать его равным нулю. После выхода 2-го модулятора оптические импульсы задерживаются на 1/8 Т, и т.д., а после восьмого модулятора - на время 7/8 Т. С выхода всех модуляторов потоки поступают на входы сумматора, с выхода которого объединенный групповой поток после усиления в оптическом усилителе подается в линию передачи (т.е. в оптический канал). Для компенсации потерь (если это необходимо) в линию может быть применен промежуточный оптический усилитель. С выхода линии оптический групповой сигнал усиливается усилителем и подается на оптический временной демультиплексор, синхронизируемый с помощью устройства синхронизации. В устройстве использованы полностью оптические элементы - лазер, оптические разветвители, модуляторы, выполненные на основе электрооптических кристаллов из LiNbO₃, оптические усилители и оптические линии задержки.

Недостатки способа и устройства связаны с тем, что сигналы синхронизации связаны с алгоритмами кодирования. Без кодирования при передаче группы логических "0" синхронизация будет потеряна из-за отсутствия оптических импульсов на приемном конце линии передачи. В связи с этим, неспособность работать в условиях подвижных объектов для передачи телеметрической информации, так как система становится чувствительной к импульсным электромагнитным помехам, джиттеру фазы синхронизации, зависимости задержек в электронных узлах схем синхронизации от изменения внешней температуры.

Кроме того, необходимость замешивать сигналы синхронизации в структурированный цифровой поток, необходимость уравнивания передаваемых единиц и нулей, чтобы не потерять синхронизацию, ведет к повышению избыточности и, следовательно, к уменьшению скорости передачи полезной информации.

Многочисленные перекодировки приводят к повышению стоимости оборудования, особенно для высокоскоростных каналов передачи.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому способу и устройству является способ и устройство, описанное в [9] и реализующее интерфейсы PDH и SDH.

Способ заключается в следующем.

Информация от М различных источников (телевизионных камер, микрофонов, датчиков и др.) аналого-цифровыми преобразователями представляется в параллельном коде. При помощи цифрового коммутатора и специальных кодеров, осуществляющих помехоустойчивое кодирование, N-разрядные цифровые данные от М источников в параллельном коде преобразуются в битовую последовательность - структурированный цифровой поток. Этот поток при помощи блока временного группообразования разбивается на отдельные блоки (фреймы/трибы) PDH требуемого уровня иерархии, которые блоком мультиплексирования SDH формируются в модули STM-N (с заголовком, с секционным, мультиплексным, путевым и интерфейсным кодированием). Модули STM-N линейно кодируются и модулируют источник оптического излучения. При необходимости параллельной передачи нескольких модулей STM-N оптическое излучение мультиплексируется по длине волны при помощи волнового оптического мультиплексора. Групповой оптический сигнал направляется в волоконно-оптический канал передачи. На выходе канала передачи оптические сигналы демультиплексируют, фотодетектируют, преобразуют физическую последовательность STM-N в логическую импульсную последовательность, выделяют из нее композитные сигналы (трибы) требуемого уровня PDH. Групповые сигналы (трибы) PDH разбирают до требуемого уровня, выделяют нужные тайм-слоты, декодируют и восстанавливают сигналы в исходном виде, в виде байт информации в параллельном коде.

Устройство содержит М передающих блоков, соединенных с М приемными блоками через последовательно установленные оптический объединитель с матрицей передачи М Х 1 (волновой мультиплексор), оптические усилители, волоконно-оптический канал передачи, оптический спектрально-селективный разветвитель с матрицей передачи 1 Х М (волновой демультиплексор).

Каждый из М передающих блоков содержит каналообразующий блок, блок временного группообразования, блок согласования уровней, мультиплексор SDH, преобразующий физическую импульсную последовательность в логическую последовательность STM-N, блок линейного кодирования, оптический передающий модуль.

Каждый из М приемных блоков содержит приемный оптический модуль, преобразователь физической последовательности в логическую импульсную последовательность, демультиплексор SDH, блок разборки группового сигнала (триба) PDH, декодер, преобразующий ИКМ-последовательность в выходной сигнал.

Устройство работает следующим образом.

Каналообразующий блок объединяет данные, поступающие на его входы (каналы), и кодирует их. Для объединения сигналов используется временной мультиплексор, основным узлом которого является коммутатор. Коммутатор последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (тайм-слот) к выходу. Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов для повышения помехозащищенности кодируется и направляется в канал связи. На приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора, фильтров нижних частот и декодера выделяет отдельные выборки из группового сигнала и распределяет их по соответствующим каналам. Важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы.

Процесс синхронизации сводится к вставке или дополнительного (синхронизирующего или выравнивающего) бита, или группы бит, после m выборок, либо организации более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей m выборок и k полей определенной длины или выравнивающих бит. Эта структура фиксирована и носит название кадр, или фрейм, или "цикл". Несколько фреймов могут объединяться в еще более общую структуру, называемую "сверхцикл".

На верхних уровнях иерархии используется внутренняя побитовая синхронизация, при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем добавления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями передачи. Эти биты затем удаляются при демультиплексировании на приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс передачи получил название плезиохронного (т.е. почти синхронного), а цифровая иерархия соответственно название плезиохронной цифровой иерархии ПЦИ (PDH).

Сигналы ПЦИ поступают через блок согласования уровней в мультиплексор SDH.

Мультиплексоры SDH (SONET) рассчитаны на поддержку только тех каналов доступа, скорость передачи которых соответствует объединенному стандартному ряду иерархий PDH, а именно: 1,5; 2; 6; 34; 45; 140 Мбит/с, или T1, E1, T2, Е3, Т3, Е4. Цифровые потоки сигналов, скорость передачи которых соответствует этому ряду, называются трибами PDH или компонентными сигналами, а сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей SONET/SDH, - трибами SONET/SDH.

Трибы PDH упаковываются в модуль STM-N так, чтобы их можно было вывести в нужном месте. Для этого модуль должен иметь вид контейнера стандартного размера, имеющего заголовок, где собраны все необходимые для его управления и маршрутизации сведения. Внутренняя емкость модуля должна быть достаточна для размещения полезной нагрузки - однотипных контейнеров меньшего размера, которые также должны иметь заголовок и полезную нагрузку и т.д. (по принципу последовательных вложений или инкапсуляции). Контейнер используется для переноса информации, т.е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его называют виртуальным контейнером. Итак, одна из функций мультиплексора SDH упаковка трибов в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются уровнем триба в иерархии PDH.

Виртуальные контейнеры объединяются в группы. Контейнеры нижних уровней мультиплексируются и используются в качестве полезной нагрузки контейнеров верхних уровней, которые, в свою очередь, служат полезной нагрузкой контейнера самого верхнего уровня - фрейма STM-1. Такое группирование осуществляется по жесткой синхронной схеме, при которой место отдельного контейнера в поле для размещения нагрузки строго фиксировано. Из нескольких фреймов могут быть составлены новые (более крупные) образования - мультифреймы. В результате возможных различий в типе составляющих контейнеров и временных флуктуации в процессе загрузки фрейма положение контейнеров внутри мультифрейма может изменяться, что может привести к ошибке при вводе/выводе контейнера. Для устранения этого факта на каждый виртуальный контейнер заводится указатель, содержащий фактический адрес начала виртуального контейнера на карте поля, отведенного под полезную нагрузку. Указатель дает контейнеру некоторую степень свободы, т.е. возможность "плавать" под действием непредвиденных временных задержек, но при этом гарантирует, что он не будет потерян.

Мультиплексор SDH присваивает контейнерам указатель, позволяющий устранить противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной нагрузки. Хотя размеры контейнеров различны, а емкость контейнеров верхних уровней достаточно велика, может оказаться так, что она все равно недостаточна, либо под нагрузку лучше выделить несколько контейнеров меньшего размера. Для этого в SDH технологии предусмотрена возможность сцепления или стыковки контейнеров (составление нескольких контейнеров вместе в одну структуру, называемую составным контейнером или сцепкой). Составной контейнер рассматривается (с точки зрения размещения нагрузки) как один большой контейнер.

Контейнеры являются первыми элементами в номенклатуре элементов иерархии SDH. К контейнеру добавляется маршрутный (или трактовый) заголовок. В результате он превращается в виртуальный контейнер VC уровня n, т.е. VC-n. Существуют следующие виртуальные контейнеры: VC-1, VC-2 - виртуальные контейнеры нижних уровней 1 или 2 и VC-3, VC-4 - виртуальные контейнеры верхних уровней 3 или 4, формат которых определяется формулой: РОН + PL, где РОН - маршрутный заголовок; PL - полезная нагрузка. Виртуальные контейнеры VC-1, VC-3 уровней 1, 3 разбиваются на виртуальные контейнеры подуровней nm, т.е. VC-nm, а именно: VC-1 разбивается на VC-11 и VC-12, VC-3 разбивается на VC-31 и VC-32.

Сформированная в результате мультиплексирования цифровая двоично-кодированная ИКМ последовательность подается в канал связи, на входе которого используется устройство сопряжения и передатчик (оптический передающий модуль). Учитывая, что канал передачи оптический, полученную последовательность приходится еще по крайней мере дважды перекодировать для оптимизации ее прохождения через линию связи. Для этого в устройстве используется блок линейного кодирования.

Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодификации), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но не пригоден для передачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

- выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи и синхронизацию,

- спектр сигнала имеет низкочастотные составляющие, которые могут интерферировать с такими же составляющими передаваемого сигнала,

- спектр сигнала содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию напряжения сети питания.

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называемое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте,

- легкое выделение тактовой частоты передаваемого сигнала на фоне непрерывной части спектра,

- непрерывный спектр должен быть достаточно узкополосньм для передачи через канал связи без искажений,

- малую избыточность,

- минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "0") и диспаритетность (неравенство числа элементов "1" и "0" в кодовых комбинациях).

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m=2, а число уровней выходного сигнала n может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным или симметричным (+1, -1); трехуровневое - однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1). Оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования. Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11...11" или "00...00" используется инверсия ("обращение" или незапланированное (преднамеренное) изменение) полярности импульсов регулярной кодовой последовательности. Наряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной полярности), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации. Алгоритмы кодирования описываются направленным графом состояний, отражающим множество всех возможных состояний и переходов из одного состояния в другое.

Оптические импульсы с выхода передающего оптического модуля направляются на входной оптический полюс волнового мультиплексора, представляющего собой оптический объединитель с матрицей передачи N Х 1, где N - количество объединяемых цифровых потоков, сформированных рассмотренным выше способом.

Мощный оптический усилитель (бустер), оптический линейный усилитель и оптический предусилитель необязательные блоки, осуществляющие усиление оптической цифровой последовательности до уровня, требуемого для создания необходимого общего бюджета мощности в оптическом канале передачи.

На выходе канала передачи установлен волновой демультиплексор или спектрально-селективный разветвитель. Цифровые оптические потоки, выделенные демультиплексором, обрабатываются в обратном порядке.

Оптический фотоприемник осуществляет прием сигнала.

Преобразователь физической последовательности в логическую импульсную последовательность, эквивалентную модулю STM-N, выполняет все необходимые обратные преобразования по декодированию интерфейсного кода и интерпретации заголовков: секционного, мультиплексного и путевого (трактового).

Демультиплексор SDH осуществляет логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH.

Блок разборки группового сигнала (фрейма/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например Е1, выделяет нужные тайм-слоты.

Декодер преобразует ИКМ-последовательность в выходной сигнал, для этого производится помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала.

Недостатки рассмотренных способа и устройства связаны с многочисленными перекодировками. Это:

- низкая помехозащищенность,

- сложность и дороговизна,

- низкая скорость передачи полезной информации,

- повышенная избыточность сообщений.

Предложенные способ и устройство решают задачи повышения помехозащищенности и достоверности передаваемой информации, упрощения и понижения стоимости, повышения скорости передачи полезной информации, сокращения избыточности передаваемых сигналов.

Сущность изобретения заключается в том, что

1. В способе для передачи дискретной информации по оптическому каналу, заключающемся в том, что М N-разрядных цифровых данных в параллельном коде мультиплексируют (объединяют) в групповую битовую последовательность, преобразуют в оптические импульсы, направляют в оптический канал связи, на другом конце канала связи преобразуют в электрические импульсы и демультиплексируют (разуплотняют), мультиплексирование (объединение) и демультиплексирование (разуплотнение) производят в оптическом диапазоне путем задержки на фиксированные промежутки времени и преобразования длины волны оптического излучения.

2. В устройство, содержащее М передающих блоков, соединенных с М приемными блоками через последовательно установленные оптический объединитель с матрицей передачи М Х 1, оптический соединитель, волоконно-оптический тракт, второй оптический соединитель, оптический спектрально-селективный разветвитель с матрицей передачи 1 Х М, причем каждый из М передающих блоков содержит N передающих оптических модулей, а каждый из М приемных блоков содержит N приемных оптических модулей,

- введены М приемопередающих оптических модулей, связывающих выходные оптические полюса М передающих блоков и входные оптические полюса оптического объединителя, М приемопередающих оптических модулей, связывающих выходные оптические полюса спектрально-селективного разветвителя и входные оптические полюса М приемных блоков;

- в передающие блоки введены входной буферный N разрядный регистр, на входной порт которого подаются информационные биты (данные), управляющий вход которого связан с устройством синхронизации, выходной порт буферного регистра связан с управляющими входами N передающих оптических модулей, (N+1)-й передающий оптический модуль, управляющий вход которого подключен к выходу устройства синхронизации, оптический объединитель с матрицей передачи (N+1)Х1, входные оптические полюса которого подключены к выходным оптическим полюсам передающих оптических модулей через волоконно-оптические линии задержки, а выходной оптический полюс является выходом передающего блока;

- в приемные блоки введены оптический разветвитель с матрицей передачи 1Х(N+1), входной оптический полюс которого является входом приемного блока, а выходные оптические полюса соединены с оптическими входными полюсами фотоприемных модулей через волоконно-оптические линии задержки, выходной буферный N разрядный регистр, D-триггер, формирователь импульсов, устройство временной задержки, причем входной порт буферного регистра подключен к выходам N первых фотоприемных модулей, вход управления регистра подключен к выходу формирователя импульсов и входу устройства временной задержки, соединенного своим выходом с входом сброса D-триггера, вход данных D-триггера соединен с уровнем логической единицы, тактовый вход D-триггера соединен с выходом (N+1)-го фотоприемного модуля, а выходной порт буферного регистра соединен с приемником информации.

На фиг.1 изображена структурная схема передающего блока устройства, реализующего предложенные способ и устройство.

Передающий блок состоит из:

- входного буферного двухпортового N-разрядного регистра 1,

- устройства синхронизации 2,

- (N+1)полупроводниковых лазерных передающих модулей 3,

- (N+1)волоконно-оптических линий задержки 4,

- оптического объединителя 5 с матрицей передачи (N+1)X1.

Передающий блок работает следующим образом:

Цифровые данные, подготовленные для передачи по волоконно-оптическому каналу передачи в виде N-разрядного слова, подаются на входной порт входного буферного регистра 1. Запись данных, вывод сохраненных данных в выходной порт и отключение состояния высокого импеданса выходного порта регистра 1 производится выходным сигналом устройства синхронизации 2, причем запись производится по переднему фронту импульса, отключение третьего состояния и вывод данных по уровню сигнала синхронизации.

Выводы выходного порта регистра 1 и выход устройства синхронизации 2 подключены к управляющим входам полупроводниковых лазерных передающих модулей 3. Первые N модулей передающих модулей 3 управляются данными выходного порта регистра 1. (N+1)-й модуль управляется устройством синхронизации. Все полупроводниковые лазерные передающие модули могут работать на одной и той же длине волны оптического излучения.

Полупроводниковые лазерные передающие модули 3 преобразуют электрические сигналы в оптические и направляют эти сигналы на входные полюса набора волоконно-оптических задержек 4. Оптический сигнал синхронизации (I_с) задерживается (N+1)-й линией задержки и имеет минимальную, определяемую длиной соединительных кабелей, задержку. Будем считать ее равной 0. Оптический сигнал, промодулированный первым (младшим) битом информации (I₁) задерживается первой линией задержки на время Δt, второй бит информации задерживается второй линией задержки - на время 2Δt и так далее. Оптический сигнал, промодулированный последним (самым старшим) N-м битом информации, задерживается на время · NΔt.

Выходные полюса набора волоконно-оптических линий задержки 4 подключены к входным полюсам оптического объединителя 5. Объединитель формирует групповой оптический сигнал, направляемый на выход передающего блока.

На эпюрах, представленных на фиг.2, проиллюстрирован процесс формирования группового оптического сигнала на примере передачи 4-разрядного шестнадцатеричного числа 0АН=1010В с помощью предложенного передающего блока.

Электрические информационные сигналы (D₁...D₄) и сигнал синхронизации (U_c) на входах передающих лазерных оптических модулей 3 представлены на эпюрах "а". Оптические информационные сигналы (I₁...I₄) и оптический сигнал синхронизации (I_с) на выходах набора задержек 4 представлены на эпюрах "b". Сигнал синхронизации (I_с) имеет минимальную задержку, ее можно принять равной 0. Первый бит информации (I₁) задерживается на время Δt. Второй бит информации (I₂) задерживается на время 2Δt, третий - на время 3Δt, четвертый - на время 4Δt. На эпюре "с" представлен групповой оптический сигнал на выходном полюсе объединителя 5. Все сигналы формируются на одной и той же длине волны оптического излучения.

На фиг.3 изображена структурная схема приемного блока рассматриваемого устройства.

Приемный блок состоит из оптического разветвителя 6 с матрицей передачи 1 Х N, набора волоконно-оптических линий задержки 7 из (N+1) линий задержки, набора из (N+1) фотоприемных модулей 8, выходного двухпортового N-разрядного буферного регистра 9, D-триггера 10, формирователя импульсов 11, устройства временной задержки 12.

Приемный блок работает следующим образом:

Групповой оптический сигнал попадает на входной оптический полюс разветвителя 6 с матрицей передачи 1X(N+1).

Выходные полюса разветвителя 6 подключены к входным оптическим полюсам набора волоконно-оптических линий задержки 7, состоящего из (N+1) линий задержки. Набор линий задержки 7 конструктивно аналогичен набору 4, находящемуся в передающем блоке, но в канале синхронизации задержка максимальна и равна (Δt·N-τ), где τ - интервал времени, учитывающий быстродействие используемой компонентной базы. В канале передачи первого бита информации (I₁) задержка равна Δt·(N-1), второго - Δt·(N-2) и так далее. Старший бит информации имеет минимальную задержку, принимаем ее равной 0. Выходные полюсы линий задержки 7 подключены к оптическим входам набора фотоприемных модулей 8, состоящего из (N-1) модулей. Электрические выходы фотоприемных модулей (1÷N) соединены с линиями входного порта буферного регистра 9. Выход (N+1)-ого фотоприемного модуля подключен к тактовому входу D-триггера 8, вход данных которого подключен к напряжению с уровнем логической единицы. По фронту сигнала на тактовом входе на выходе триггера 8 появляется ступенька напряжения. Эта ступенька подается на формирователь импульсов 11, который по переднему фронту сигнала на своем входе вырабатывает импульс, длительностью равный длительности сигнала синхронизации. Этот импульс направляется на вход синхронизации, управления выходом и отключения высокоимпендансного (третьего) состояния выходов выходного порта регистра 9 и на устройство временной задержки 12.

По конструкции регистр 9 аналогичен регистру 5, находящемуся в передающем блоке. Запись информации в регистр 9 производится по переднему фронту импульса, вырабатываемого формирователем 11, а отключение третьего состояния выходного порта и вывод в выходной порт записанных данных по его уровню.

В момент наличия сигнала синхронизации с выхода формирователя 11 на управляющем входе регистра 9 на его выходах устанавливаются данные, которые считываются потребителями информации.

Импульс с выхода устройства временной задержки 12 спустя интервал времени больший, чем N(2Δt+t_c), где t_c - длительность импульса синхронизации, сбрасывает триггер 10 в исходное состояние, для приема нового блока информации.

Прием информации приемным блоком иллюстрируется на примере передачи 4-разрядного слова данных, который рассмотрен выше, с помощью эпюр, представленных на фиг.4.

Оптический групповой сигнал на входе разветвителя 6 повторяет сигнал на выходе объединителя 5 (см. эпюру "с" на фиг.2) и изображен на эпюре "а" см. фиг.4. Форма выходных сигналов разветвителя 6 повторяет форму группового оптического сигнала на его входе. Выходные полюса оптического разветвителя 6 оптически связаны с входными оптическими полюсами набора волоконно-оптических линий задержки 7. Выходные оптические полюса линий задержки 7 соединены с оптическими входными полюсами набора фотоприемных модулей 8. Оптические групповые сигналы с выхода разветвителя преобразуются фотоприемньми модулями в электрическую форму. Эпюры электрических сигналов на выходе фотоприемных модулей представлены на эпюрах "b" и "с". На эпюрах "b" изображены сигналы в информационных каналах, на эпюре "с" - сигналы в тракте синхронизации. В канале передачи первого бита информации сигналы задерживаются на время 3Δt, второго бита - 2Δt, третьего бита - Δt. В канале передачи четвертого бита информации сигналы практически не задерживаются. Сигналы в тракте синхронизации задерживаются на время (4Δt-τ). Первым в групповом сигнале следует импульс синхронизации, этот импульс передним фронтом устанавливает на выходе триггера 10 сигнал логической единицы. Форма этого сигнала приведена на эпюре "d". Выходной сигнал триггера 10 запускает своим фронтом формирователь импульсов 11, управляющий записью данных в регистр 9 и состоянием выходных линий этого регистра. Форма выходного импульса формирователя 11 представлена на эпюре "е". Время срабатывания триггера 10 и формирователя импульсов 11 учитывается составляющей времени задержки в тракте синхронизации - τ.

Как следует из эпюр "b" и "е" импульс на выходе формирователя 11 "защелкивает" в регистре 9 полубайт информации, см. эпюру "f". Этот полубайт устанавливается на выходных линиях регистра и может быть считан. Как следует из эпюр, выходные данные буферного регистра 9, полученные по оптическому каналу передачи, совпадают с отправленными (см. эпюру "а" на фиг.2).

Импульс, задержанный устройством временной задержки 12, после окончания группового оптического сигнала сбрасывает триггер 10 в исходное состояние.

На фиг.5 изображена структурная схема всего устройства, реализующего предложенные способ и устройство (интерфейс).

Устройство состоит из М передающих блоков 13, рассмотренных выше, первой группы из М приемопередающих оптических модулей 14, оптического объединителя 15 с матрицей передачи М Х 1, выходной оптический полюс которого через соединитель 16 подключен к входному оптическому полюсу волоконно-оптического тракта 17, выходной оптический полюс которого соединен с входным оптическим полюсом спектрально-селективного разветвителя 18с матрицей передачи 1 Х М при помощи оптического соединителя 19, второй группы из М приемопередающих оптических модулей 20, М приемных блоков 21, рассмотренных выше.

Устройство работает следующим образом.

Групповые цифровые оптические потоки информации от М передающих блоков 13 поступают на входные оптические полюса М приемопередающих полупроводниковых оптических модулей 14. Работа передающих блоков была рассмотрена выше. Каждый приемопередающий модуль состоит из приемного и передающего оптических модулей, причем выход приемного оптического модуля соединен с входом передающего оптического модуля. Принимается оптический сигнал с одной длиной волны излучения, а передается с другой, характерной для каждого из М потоков данных. Выходные оптические полюса приемопередающих модулей соединены с входными оптическими полюсами оптического объединителя 15, объединяющего их в единый информационный поток. Спектр этого потока состоит из М спектральных каналов, соответствующих стандартному ряду. Единый информационный поток направляется через оптический соединитель 16 в волоконно-оптический тракт 17, и далее через оптический соединитель 19 на входной оптический полюс спектрально-селективного разветвителя 18. Спектрально-селективный разветвитель 18 выполняет роль коммутатора, распределяющего единый информационный поток между потребителями (абонентами) в зависимости от длины волны оптического сигнала. Локальные оптические информационные потоки направляются на входы М приемо-передающих модулей 20, необходимых для восстановления требуемого отношения сигнал/шум (восстановления энергетического баланса). Выходные оптические полюса приемопередающих модулей 20 соединены с входными оптическими полюсами М приемных блоков 21, работа которых рассмотрена выше. Выходное излучение модулей 20 может быть с одной и той же длиной волны.

Рассмотренное устройство, реализующее предложенные способ и устройство, имеет следующие преимущества по сравнению с устройством-прототипом.

1. Лучшая помехозащищенность при наличии импульсных помех, так как в устройстве минимальное количество электронных узлов, отсутствуют узлы электронного преобразования параллельного кода в последовательный и обратно с использованием сдвиговых регистров, подверженных импульсным помехам.

2. Простота конструкции электронных узлов по сравнению с устройствами прототипами меньше и они более простые, следовательно, более низкая стоимость всего устройства.

3. Более высокая скорость передачи информации за счет возможности параллельной передачи нескольких байт информации и меньшей избыточности сообщений.

Рассмотрим пример для сравнения скорости передачи полезной информации с помощью предложенного интерфейса и интерфейса Fibre Channel (FC).

Пусть дискретная информацию передается по оптическому каналу передачи с одной из стандартных скоростей для интерфейса FC - 1,06 Гбит/с.

FC предусматривают следующую структуру:

Маркер начала кадраЗаголовокДополнительный заголовок (необязательное поле)Данные (полезная нагрузка)CRC код (проверка паритета)Маркер конца кадра4 бита24 бита512 битМаксимум - 2048 бит32 бита32 бита

Только часть битов кадра несет полезную информацию, с учетом этого обстоятельства, скорость передачи полезной информации F_u можно найти по формуле

где F_k - скорость канала, определяемая быстродействием приемных и передающих оптических модулей (F_k=1,06 Гбит/с),

N - разрядность передаваемого слова (в рассматриваемом примере N=8, 128, 256),

L₁ - длина в битах маркера начала (L₁=4);

L₂ - длина в битах заголовка (L₂=24);

L₃ - длина в битах дополнительного заголовка (L₃=0);

L₄ - длина в битах CRC кода (L₄=32);

L₅ - длина в битах маркера конца (L₅=32);

Предположим, что эта же информация передается при помощи предлагаемого интерфейса. С учетом того, что информация с различными длинами волн передается параллельно с минимальной избыточностью, скорость передачи полезной информации F_u можно найти по формуле

где N - разрядность передаваемого слова (в рассматриваемом примере N=8),

М - количество обслуживаемых абонентов (источников информации), М=1, 16, 32;

F_k - скорость канала, (F_k=1,06 Гбит/с).

В таблице представлены результаты расчетов, проведенных по формулам (1) и (2) для рассматриваемого примера.

Количество источников информацииСкорость передачи полезной информации (при скорости канала передачи 1060 Мбит/с), Мбайт/сДля интерфейса FCДля предложенного интерфейса110,662,31677,1997,63297,51995,3

Из таблицы видно, что предложенный интерфейс имеет преимущества по скорости передачи полезной информации по сравнению с интерфейсом FC.

Так как и остальные рассмотренные интерфейсы, а это интерфейс по протоколу G.703; Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, FDDI, ATM (SONET), преобразуют параллельный код в битовую последовательность, кодируют ее, объединяют в пакеты (фреймы, трибы, кадры), имеющие служебные поля не несущие полезной информации, то можно показать, что предложенный интерфейс будет обеспечивать более высокую скорость передачи полезной информации при той же предельной скорости канала и по сравнению с этими интерфейсами.

Источники информации

1. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи, М.: Радио и связь, 2000 г., 467 с.

2. Информация с сайта "ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ: справочная система"^ТМ: http://www.opticovolokno.narod.ru/list/chastl.html.

3. А.Шитиков Оптоволоконные линии и связь, "Chip News" №4, 2002 г.

4. Описание микросхемы МАХ3691 на сайте http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3691.pdf.

5. Описание микросхемы МАХ3675 на сайте http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3675.pdf.

6. Описание микросхемы МАХ3681 на сайте http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3681.pdf.

7. Скляров O.K. Волоконно-оптические сети и системы связи, М.: Солон-пресс, 2004 г., 266 с.

8. К.Yonenaga, A.Hirano, S.Kuwabara. Temperature - independent 80 Gbit/s OTDM transmission line. ECOC'99, Nice, 1999.

9. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы - Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н., АО "Волоконно-оптическая техника", изд-во "Connect", 2000 г.

Изобретение "Интерфейс для передачи дискретной информации по оптическому каналу" предназначено для систем передачи дискретной асинхронной информации по оптическому волоконному кабелю или открытому оптическому каналу и касается канального уровня организации системы передачи (подуровня управления доступом к среде). Технический результат - повышение помехозащищенности в условиях воздействия импульсных помех Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что передаваемые байты информации преобразуют в оптические сигналы по числу передаваемых бит информации. Эти сигналы мультиплексируют в оптическом диапазоне путем задержки на фиксированные промежутки времени и изменения длины волны и направляют групповой оптический сигнал в канал передачи. На приемном конце канала передачи оптический сигнал демультиплексируют, задерживают составляющие сигнала на фиксированные промежутки времени и детектируют. Переданные байты информации заносятся в выходной буферный регистр при помощи сигнала синхронизации, передаваемого параллельно с информационными битами. В отличие от известных интерфейсов в предложенном интерфейсе отсутствуют многочисленные кодирования и декодирования, группирование передаваемых сообщений в кадры, фреймы, трибы и т.д. За счет этого увеличивается скорость передачи полезной информации, улучшается помехозащищенность, особенно в условиях воздействия импульсных помех и внешних механических и климатических факторов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ для передачи дискретной информации по оптическому каналу, заключающийся в том, что MN-разрядных цифровых данных в параллельном коде мультиплексируют (объединяют) в групповую битовую последовательность, преобразуют в оптические импульсы, направляют в оптический канал связи, на другом конце канала связи преобразуют в электрические импульсы и демультиплексируют (разуплотняют), отличающийся тем, что MN-разрядных цифровых данных в параллельном коде преобразуют в М Х N оптических сигналов, а мультиплексируют (объединяют) и демультиплексируют (разуплотняют) их в оптическом диапазоне путем задержки на фиксированные промежутки времени и преобразования длины волны оптического излучения.2. Устройство для передачи дискретной информации по оптическому каналу, содержащее М передающих блоков соединенных с М приемными блоками через последовательно установленные оптический объединитель с матрицей передачи М Х 1, оптический соединитель, волоконно-оптический тракт, второй оптический соединитель, оптический спектрально-селективный разветвитель с матрицей передачи 1 Х М, причем каждый из М передающих блоков содержит передающий оптический модуль, а каждый из М приемных блоков содержит приемный оптический модуль, отличающееся тем, что

в него введены М приемопередающих оптических модулей, связывающих выходные оптические полюса М передающих блоков и входные оптические полюса оптического объединителя, М приемопередающих оптических модулей, связывающих выходные оптические полюса спектрально-селективного разветвителя и входные оптические полюса М приемных блоков;

в передающие блоки введены входной буферный N-разрядный регистр, N передающих оптических модулей, оптический объединитель с матрицей передачи (N+1)Х1, (N+1) волоконно-оптических линий задержки, причем входной порт буферного регистра связан с источником информации, управляющий вход регистра связан с выходом устройства синхронизации, который одновременно соединен с управляющим входом (N+1)-го передающего оптического модуля, выходной порт буферного регистра связан с управляющими входами остальных передающих оптических модулей, оптические выходы передающих оптических модулей соединены с входными оптическими полюсами объединителя через волоконно-оптические линии задержки, а выходной оптический полюс объединителя является оптическим выходом передающего блока;

в приемные блоки введены оптический разветвитель с матрицей передачи 1Х(N+1), входной оптический полюс которого является входом приемного блока, а выходные оптические полюса соединены с оптическими входными полюсами фотоприемных модулей через волоконно-оптические линии задержки, выходной буферный N-разрядный регистр, D-триггер, формирователь импульсов, устройство временной задержки, причем входной порт буферного регистра подключен к выходам N первых фотоприемных модулей, вход управления регистра подключен к выходу формирователя импульсов и входу устройства временной задержки, соединенного своим выходом с входом сброса D-триггера, вход данных D-триггера соединен с уровнем логической единицы, тактовый вход D-триггера соединен с выходом (N+1)-го фотоприемного модуля, а выходной порт буферного регистра соединен с приемником информации.