Реферат: Аналоговые волоконно-оптические системы связи

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 Ф_Т = 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

Определим полный запас мощности через отношение Ф_Т /Ф _R при К.=1. Тогда на длине волны 1 мкм (еф = 1,24 эВ) и <¦ = 100 МГц, получа­ем

ф_R = 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.

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 составитkT <¦, гдеk — 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.

Возможно вы искали - Реферат: Антенные решетки

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

Рис. 2. Структурная схема простого устройства для осуществления обратной связи по свету

Похожий материал - Реферат: Архитектура сотовых сетей связи и сети абонентского доступа

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.

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.

Очень интересно - Реферат: Безопасность труда электромонтера по обслуживанию электрооборудования

Мы можем объединить слагаемые а, б, г и д в одноI ^* _ш , которое представляет собой полный шум цепи. Таким образом,

Рис. 4. Зависимость отношения сиг­нал/шум от уровня принимаемой опти­ческой мощности

Вам будет интересно - Реферат: Блок выравнивания порядков

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

Похожий материал - Реферат: Блок памяти

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»