Аналоговые волоконно-оптические системы связи
АНАЛОГОВЫЕ ВОЛОКОННО – ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ.
1. Преимущества и недостатки аналоговой модуляции
Ранее указывалось, что оптические системы связи можно сконструировать
с очень низким затуханием (< 1 дБ/км) и широкой полосой пропускания
(ГГц/км). Выяснилось совершенно точно, что по сравнению с электрическими
системами передачи данных у них значительно меньше полный имеющийся запас
мощности. Несмотря на то, что это компенсируется низкими потерями передачи,
преимущества оптической системы значительно ниже в тех случаях, когда
требуется высокое отношение сигнал-шум К из-за того, что дополнительная
требуемая на входе приемника мощность сигнала «съедает» часть запаса
мощности на потери. Одна из особенностей импульсно-кодовой модуляции
состоит в том, что можно получить малую вероятность ошибки при относительно
низком отношении сигнал-шум на входе приемника. В соответствии с теорией
для получения вероятности ошибок РЕ == Ю-9 требуется К == 12 (21,6 дБ).
Динамический диапазон кодированного аналогового сигнала, который во многих
случаях должен составлять 50 ... 60 дБ, определяется числом бит на отсчет,
и это отражается на ширине полосы пропускания, требуемой для передачи
сигнала с ИКМ. В случае прямой аналоговой передачи в полосе спектра
модулирующего сигнала динамический диапазон обычно определяется отношением
сигнал-шум на входе приемника, которое должно быть гораздо больше 21,6 дБ.
Таким образом, потенциальные преимущества волоконно-оптических систем
связи, вероятно, наибольшие при передаче двоичных сигналов с использованием
ИКМ по интенсивности, скорее всего, будут значительно снижаться, если
требуется прямая аналоговая модуляция по интенсивности в полосе спектра
модулирующего сигнала. Тем не менее многие потребители настаивают на
передаче сигналов в аналоговой форме не в последней степени из-за
дороговизны и сложности цифровых кодеров и декодеров оконечной аппаратуры.
Компромиссным решением между аналоговой модуляцией и ИКМ является
использование импульсной модуляции по интенсивности в качестве поднесущей,
которая может в дальнейшем легко модулироваться по частоте (ЧИМ) или фазе
(ФИМ). Самые общие требования к аналоговой волоконно-оптической системе
передачи данных предъявляет простая телеметрия и распределение
телевизионных сигналов. Перед тем как рассмотреть специальные примеры,
исследуем немного подробнее имеющийся запас мощности в оптических и в
электрических системах связи. Для этого выберем системы, предназначенные
для передачи сигнала с шириной полосы пропускания 100 МГц. Очевидно, что по
волокну с диаметром сердцевины 50 мкм имеет смысл передавать сигналы
мощностью приблизительно ФТ = 1 мВт (0 дБм). При использовании в качестве
источника излучения СД порядок этой величины будет соизмерим с порядком
потерь, а при большем диаметре сердцевины он может быть даже больше. Было
показано, что предел квантового шума идеального оптического приемника с
шириной полосы пропускания Л/ определяется выражением
где Фц — мощность принимаемого оптического сигнала, необходимая для
обеспечения требуемого отношения сигнал-шум К', бф — энергия фотона, г\ —
квантовая эффективность фотодетектора и F — коэффициент шума. Для
идеального случая, когда (= F = 1
Определим полный запас мощности через отношение ФТ/ФR при К.=1. Тогда
на длине волны 1 мкм (еф = 1,24 эВ) и (( = 100 МГц, получаем
фR= 2 Еф((= Ц = 40 пВт (— 74 дБм); следовательно, полный запас
мощности составит 74 дБ. На практике в системах с такой полосой пропускания
дополнительный шум, вносимый приемником или усилителем, может уменьшить
общий запас мощности на 10 ... 20 дБ.
Рис. 1. Зависимость требуемого запаса мощности от расстояния между
ретрансляторами, показывающая значительное влияние требования более
высокого отношения сигнал-шум на входе приемника на имеющийся запас
мощности в оптической системе связи
Можно предположить, что в электрических системах, работающих в полосе
частот 100 МГц, мощный высокочастотный транзистор вводит сигнал мощностью
100 мВт (+ 20 дБм) в линию сопротивлением 50 Ом (среднеквадратическое
значение равно 2,2 В) с достаточной линейностью. Мощность можно увеличить
на 10 ... 20 дБ, если использовать передающую лампу. Мощность шума на входе
идеального усилителя электрического приемника тогда составит kT((, где k —
постоянная Больцмана и Т—абсолютная температура. При Т==ЗООК и ((=100 МГц
мощность равна 0,4 пВт (— 94 дБм), а полный запас мощности системы будет
114 дБ. На практике усилитель, работающий в полосе 100 МГц, должен иметь
шум не более нескольких децибел. Оставив резерв 10 дБ, получаем полный
запас мощности уменьшенным до 104 дБ. Заметим, что в обоих случаях влияние
шума пропорционально ((. Это означает, что несмотря на то, что абсолютное
значение запаса мощности зависит от ширины полосы пропускания канала,
относительного преимущества электрическая система связи не имеет.
Выводы из этого сопоставления приведены на рис. 1, который представляет
собой график зависимости отношения сигнал-шум на входе приемника от
расстояния между ретрансляторами. Показано, что электрическая система имеет
полный запас мощности 104 дБ и затухал ние при полосе 100 МГц, равное 10
дБ/км.. Оптическая система имеет полный запас мощности 60 дБ, а затухание 1
и 3 дБ/км. Сравниваемые линии соответствуют отношениям сигнал-шум 21,6
(ИКМ) и 55 дБ. Отметим, что эти результаты зависят от особенностей систем,
выбранных для сравнения. Тем не менее справедливо общее заключение: при
импульсной модуляции очевидны значительные преимущества оптических систем.
Это вовсе не означает, что они бесполезны при аналоговой передаче данных.
Оптические аналоговые системы стоит рассматривать в тех случаях, когда
возможность передачи по волокну ограничена шириной полосы пропускания, а не
затуханием и когда важна стоимость оконечного оборудования.
2. Прямая модуляция по интенсивности в полосе спектра модулирующего сигнала
Кроме необходимости получения большого отношения сигнал-шум,
использование прямой модуляции по интенсивности для аналоговой передачи
ограничено двумя другими факторами. Один из них — это модальный шум,
появляющийся при использовании лазерных источников излучения. Другой — это
ограниченная линейность характеристик источника излучения, которая особенно
важна для частотного объединения каналов вследствие того, что перекрестная
модуляция вызывает межканальные помехи. Кроме того, передача сигналов
цветного телевидения чувствительна к малым величинам фазовых искажении.
Некоторые способы увеличения линейности оптического передатчика уже были
рассмотрены. Они включают предварительное искажение электрического сигнала
и использование электронной прямой и обратной связи. Проблема
предварительного искажения передаваемого сигнала состоит в том, что, как
только оно введено, его будет нелегко изменить для подстройки характеристик
источника излучения, изменяющихся во время эксплуатации. Однако легко можно
добиться значительного улучшения линейности другим способом. Существенное
уменьшение второй и третьей гармоник нелинейных искажений можно получить,
используя простую цепь обратной связи, показанную на рис2. Однако задержка
сигнала в петле обратной связи является недостатком, и если требуется
получить хорошую фазовую характеристику) нужны широкополосные усилители.
Еще лучшая компенсация нелинейности источника излучения была получена с
помощью схемы прямой связи с двумя идентичными светодиодами, приведенной на
рис.3. Каждый СД, будучи некомпенсированным, давал снижение
[pic]
Рис. 2. Структурная схема простого устройства для осуществления обратной
связи по свету
[pic]
Рис.3. Структурная схема устройства коррекции нелинейности характеристик
излучателя, реализующая управление вперед. [Взято из статьи J. Straus and
I. О. Szentesi. Linearisation of optical transmitters by a quasifeediorward
compensation technique.—Efs. Letts. 13, 158—9, (17 Mar. 1977).]
уровня второй и третьей гармоник до - 35 и —55 дБ по отношению к основной
гармонике, а работая с цепью прямой связи, снижал их до — 70 дБ.
Для расчета ожидаемого отношения сигнал-шум сначала определим коэффициент
модуляции оптического сигнала, модулируемого по интенсивности
где Ф0 — уровень оптической мощности при отсутствии модуляции,
аФ—максимальное отклонение мгновенной мощности от Фц. Очевидно, что
0 <: т < 1, но кроме этого значение т ограничено на практике максимально
допустимым уровнем искажений. Ток сигнала, генерируемый фотодетектором,
где /о — ток, создаваемый немодулированной несущей, а Я — чувствительность
фотодетектора. Тогда отношение сигнал-шум на входе приемника определяется
уравнениями (14.4.10) или (14.5.14), где величину / в слагаемом в
знаменателя следует заменить на /о. В этом случае оно представляет собой
отношение максимального значения сигнала к среднеквадратичному значению
шума.
Мы можем объединить слагаемые а, б, г и д в одно I(ш, которое
представляет собой полный шум цепи. Таким образом,
[pic]
[pic]
Рис. 4. Зависимость отношения сигнал/шум от уровня принимаемой оптической
мощности
[pic]
На рис. 4 изображена зависимость К. от Фо для случая т = 0,5, R= 0,5
А/Вт, F ==- 1 и (( = 5 МГц, а величина (I(ш)2 играет роль параметра. Из
рис.4 следует, что шум малошумящих систем даже в случае применения p-i-n -
фотодиодов ограничен предельным уровнем квантового шума.
Ранее была рассмотрена передача телевизионных сигналов с помощью
модуляции по интенсивности в полосе спектра модулирующего сигнала для
замкнутой телевизионной системы (CCTV), применяемой для контроля за работой
железной дороги (Японская национальная железная дорога и фирма Мицубиси).
Были использованы лазерный диод на InGaAsP/InP, работающий на длине волны
1,29 мкм, многомодовое градиентное волокно, а также/?-1-п-фотодиод на
InGaAsP/InP. Цепи обратной связи и предварительного искажения сигнала
улучшили линейность источника излучения, так что удалось получить
коэффициент модуляции выше 0,5. Затухание в линии длиной 16,5 км с семью
разъемами составляло 27,3 дБ. Мощность вводимого в волокно оптического
сигнала составляла — 7 дБм, а уровень принимаемой мощности — 34,3 дБм
обеспечивал отношение сигнал-шум, равное 42,3 дБ, что было вполне
удовлетворительно. Поскольку ширина полосы пропускания волокна не являлась
ограничением, для снижения до минимума модального шума можно было
использовать широкополосный лазерный источник, работающий в режиме многих
продольных мод.
3. Использование частотно-модулированной поднесущей
Модуляция частоты повторения импульсов оптического источника излучения
дает возможность легко реализовать аналоговую оптическую систему передачи
данных на звуковых частотах. Разумеется, этот метод используется как в
канализированных, так и неканализированных системах связи. Его можно
распространить на передачу видеосигналов, используя более высокую частоту
повторения импульсов поднесущен. Сообщалось об оптических системах, успешно
осуществляющих передачу информации при частоте повторения импульсов в
несколько сот мегагерц. В данном случае можно получить высокое отношение
сигнал-шум при меньшей мощности принимаемого оптического сигнала по
сравнению с модуляцией по интенсивности в полосе спектра модулирующего
сигнала. Кроме того, требуется меньшая полоса пропускания канала для
передачи любого сигнала по сравнению с системами связи, использующими ИКМ,
характеристики которых ограничены дисперсией, а не затуханием оптического
волокна. Системы с частотно-импульсной модуляцией имеют лучшие
характеристики, поскольку она дает возможность менять требования к ширине
полосы пропускания канала при различном отношении сигнал-шум. Можно также
использовать частотное разделение каналов, если нет ограничения ширины
полосы пропускания системы, обусловленного дисперсией. Результирующая
линейность канала зависит от линейностей модулирующих и демодулирующих
схем. Как правило, нужно применять лазерные источники излучения, работающие
на длине волны 0,85 мкм, поскольку дисперсия материала ограничивает
дальность связи. При использовании многомодовых волокон в таком случае
серьезной проблемой становится модальный шум. Это противоречие можно
разрешить, используя в качестве источника излучения либо светодиод на 1,3
мкм, и в этом случае дисперсия не будет проблемой, либо одномодовые
волокна.
Подробный анализ каналов связи с ЧИМ затруднителен, поскольку она связана
с нелинейными процессами. Кроме того, существует несколько различных видов
используемой модуляции (модуляция импульсной последовательности по частоте
или фазе; сохранение постоянными либо длительности импульса, либо рабочего
цикла при изменении частоты или фазы; частотная или фазовая модуляция
синусоидальной поднесущей), а также различные способы осуществления
модуляции и демодуляции. Поэтому здесь не делается попытка количественно
оценить ожидаемые шумовые характеристики оптической линии с ЧИМ. Достаточно
сказать, что они аналогичны характеристикам обычных радиоканалов с
частотной модуляцией, которые описаны в большинстве учебников по связи.
Заметим, что величина К, определяемая выражениями характеризует отношение
мощности несущего колебания к мощности шума в полосе пропускания канала.
Использование широкополосной частотной модуляции, при которой девиация
частоты в большой степени сопоставима с шириной спектра сигнала, приводит к
значительному уменьшению требуемого отношения сигнал-шум, при условии, что
отношение мощности несущей к мощности шума превышает некоторое пороговое
значение, достаточное для того, чтобы обеспечить надежную регенерацию
импульса.
В ряде экспериментальных систем было обнаружено, что для
высококачественного приема телевизионных изображений (требуемое отношение
сигнал-шум ( 55 дБ) необходимо, чтобы уровень мощности
принимаемого оптического сигнала составлял почти 1 мкВт (—30 дБм). По
сравнению с прямой модуляцией по интенсивности в полосе спектра
модулирующего сигнала можно получить повышение отношения сигнал-шум за 10
... 15 дБ.
Ниже рассмотрим передачу видеосигналов, поскольку считаем этот случай
наиболее вероятной областью применения оптических линий передачи с ЧИМ
длиной до 10 км. Такие линии можно использовать в местных сетях связи или
абонентских линиях от централизованной приемной антенны для передачи
сигналов телевизионного вещания (общая телевизионная антенна, кабельное
телевидение), причем возможен прием программ, транслируемых через спутники
связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дж. Гауеэр Оптические системы связи Москва «Радио и связь» 1989г
2. Основы волоконно-оптической связи Москва «СОВЕТСКОЕ РАДИО»
-----------------------
[pic] |
