Фриман Р.Л. Волоконно-оптические системы связи

Подождите немного. Документ загружается.

ного сопротивления R

. В этом случае часто используется схема с высоким

импедансом (см. рис. 5.8(б)).

Рис. 5.8. (а) Упрощенная блок-схема функционирования приемника, (б) Уп-

рощенная электрическая модель с высоким входным импедансом, (в)

Трансимпедансный вход.

Большое значение R

уменьшает тепловой шум и улучшает

чувствительность приемника. Однако такое решение имеет свой недостаток -

низкую полосу пропускания. Полоса частот приемника, как известно,

определяется его самым низкочастотным компонентом. Если полоса частот

схемы приемника с высоким сопротивлением значительно меньше, чем

требуется для данной скорости передачи, то он не может быть использован.

Для преодоления этого недостатка, иногда используется схема выравнивания

частотной характеристики (в сторону высоких частот). В этой схеме фильтр

ослабляет низкочастотные составляющие больше, чем высокочастотные, что

позволяет эффективно скорректировать (увеличить) полосу пропускания.

Там, где чувствительность не столь важна, можно уменьшить R

, чтобы

увеличить полосу пропускания. Такое решение носит название схемы с

низким импедансом.

На рис. 5.8(в) показана схема с трансимпедансом. Это решение

позволяет получить большую полосу пропускания и высокую

чувствительность. Здесь R

расположен в цепи обратной связи

инвертирующего усилителя. В этом случае R

может быть достаточно

большим, так как отрицательная обратная связь уменьшает эффективный

входной импеданс пропорционально усилению G такого усилителя. Полоса

пропускания такой схемы увеличивается также в G раз, по сравнению со

схемой с высоким импедансом. Многие типы оптических приемников

используют схему с трансимпедансом, благодаря ее большой ширине полосы

и высокой чувствительности. Однако и здесь есть определенные вопросы,

связанные со стабильностью петли обратной связи.

Следующими компонентами такого приемника являются усилитель

напряжения с высоким коэффициентом усиления и низкочастотный фильтр.

Коэффициент усиления усилителя управляется автоматически, с помощью

схемы АРУ, для ограничения изменения среднего значения относительно

фиксированного уровня, вне зависимости от средней оптической мощности,

падающей на приемник. Фильтр нижних частот формирует импульс

напряжения. Фильтр используется с целью уменьшения шума без внесения

межсимвольных искажений. Этот фильтр также определяет ширину полосы

пропускания приемника. Его полоса пропускания меньше, чем эквивалентная

скорость передачи, тогда как полоса пропускания других компонентов

приемника проектируется так, чтобы быть больше эквивалентной скорости

передачи.

Последним компонентом на рис. 5.8 является схема принятия решений.

Восстановленные сигналы таймера обеспечивают синхронизацию и побитное

таймирование. Схема принятия решения сравнивает выходное напряжение

усилителя напряжения на выходе фильтра с пороговым уровнем и

определяет, для каждого битового интервала, является ли принятый сигнал

двоичной 1 или 0. Длительность битового интервала для формата NRZ равна

1/В, где В — скорость передачи. Например, сигнал формата NRZ 1 Мбит/ с

имеет длительность битового интервала 1 мкс. Сигнал при скорости передачи

в 1 Гбит/с имеет длительность 1 нc, а при скорости передачи в 10 Гбит/с —

0,1 не или 100 пс.

Еще одна важная характеристика фотодиодного приемника -

динамический диапазон. Допустим, что приемник спроектирован так, что

оптимизированы чувствительность и ширина полосы. Один из таких

приемников (ниже мы будем его обсуждать) работает на 10 ГГц, имеет порог,

для ВЕR 10

-10

, порядка —34,0 дБм. Его динамический диапазон — 26 дБ. Это

значит, что любой принятый сигнал больше, чем —8 дБм, будет перегружать

приемник. Проектировщик системы может подойти к решению этой

ситуации просто. Он поставит аттенюатор, так чтобы принятый сигнал всегда

укладывался в динамический диапазон приемника.

5.5.2. Глазковая диаграмма

Использование глазковой диаграммы считается грубым, но быстрым,

методом получения достаточно хорошей оценки качества принятого сигнала.

На рис. 5.9(а) показана идеализированная глазковая диаграмма, без следов

какого-либо ухудшения качества сигнала. Рис. 5.9(б) показывает прекрасную

глазковую диаграмму реального сигнала, без ухудшения качества. В этом

случае эксперимент проведен в лаборатории, где передатчик и приемник

соединены непосредственно, с использованием соответствующего

аттенюатора. Глазковая диаграмма позволяет отображать на экране

осциллографа две или больше двоичные последовательности одна поверх

другой. Если ворота схемы принятия решений приемника в точности

соответствуют битовому периоду двоичного потока, то мы получим картину

глазковой диаграммы, приведенную на рис. 5.9(б). Она должна

демонстрировать максимальное возможное открытие «глаз». Если глаза

начинают закрываться, мы можем наблюдать картину, похожую на ту, что

продемонстрирована на рис. 5.9(с).

Рис. 5.9(а). Идеализированная глазковая диаграмма. Нет ухудшений сигнала.

Рис. 5.9(6). Глазковая диаграмма сигнала со скоростью передачи 622

Мбит/с, формат NRZ, передатчик и приемник соединены непосредственно

(выход на вход) с соответствующим аттенюатором.

Следующий комментарий будет полезен в интерпретации глазковои

диаграммы:

- Высота от верха до низа глазковой диаграммы является мерой шума в

сигнале. Как только линии становятся толще и мохнатее, схема оказывается

больше подверженной шуму и можно ожидать ухудшения качества сигнала,

т.е. ВЕR. Высота открытой части глазковой диаграммы является мерой

запаса по шуму. Как только схема начнет ухудшать сигнал под действием

шума, «глаза» начинают все больше закрываться.

Рис. 5.9(в). Сигнал в чем-то ухудшенный, скорость 622 Мбит/с, формат

NRZ, длина звена 15 км. Время показано по оси х, амплитуда сигнала - по оси

у. Расстояние между двумя пересечениями оси времени соответствует 1

битовому периоду. (С разрешения компании Agilant Technologies, Inc.)

- Ширина сигнала в центральной части глазковой диаграммы является

мерой накопленного джиттера (дрожания фазы). Если линии тонкие, как на

рис. 5.9(а), то уровень накопленного джиттера мал. Чем шире линии в центре

глазковой диаграммы, тем больше уровень джиттера.

- Расстояние между двумя точками пересечения оси времени дает отно-

сительную меру битового периода.

Иногда на дисплей осциллографа накладывается маска. Если

сигнальные линии на дисплее остаются за границами маски, то схема

считается приемлемого качества. Дисплей с маской служит качественной

характеристикой уровня шума, джиттера, времен нарастания и спада и

длительности битового импульса. Глазковая диаграмма дает качественные, а

не точные количественные, оценки уровня качества.

Читатель может проконсультироваться по этому вопросу, если

обратится к стандарту TIA/E1A-526-4A (см. [5.18]), который может служить

хорошим руководством по глазковым диаграммам.

5.5.3. Уровень принятого сигнала и ВЕR

Один из первых шагов при проектировании звена ВОСП - установить

пороговый уровень принимаемого сигнала, заданный характеристиками

конкретного приемника. Для каждого типа приемника производитель дает

кривую или семейство кривых, где представлена зависимость ВЕR от уровня

сигнала, выраженного обычно в дБм. Рассматриваемый пороговый уровень

может изменяться от 10

-9

до 10

-12

, в зависимости от организации, исследова-

теля или оператора сети/системы. Например, оператор Sprint устанавливает

порог на уровне 10

-12

, исследователь Agrawal - на уровне 10

-9

[5,1], стандарт

MIL-HDBK-415 [5.14] - на уровне 10

-9

, стандарт ITU-T G.957 - на уровне 10

, a Telcordia TSGR [5.16] - на уровне 210

-10

(интерфейс DSX). Мы

предполагаем, что эти уровни соответствуют всей системе в целом для сиг-

нала, переданного «из конца в конец». Следовательно, лежащая в основе

ВОСП сеть, по которой передаются сигналы, рассчитанные на эти пороги,

должна иметь значительно лучшие характеристики. Если мы представим,

например, что число мультиплексных (ввода-вывода) и регенераторных сек-

ций, соединенных в тандемном соединении, чтобы пересечь континенталь-

ную часть США, равно 100, то для каждого звена в этом соединении потре-

буется ВЕR порядка 210

-12

для того, чтобы получить на приемном конце

уровень ВЕR порядка 10

-10

, при условии случайных ошибок.

На рис. 5.10 показана спадающая кривая без каких-то фактических

значений. Эта кривая похожа на траекторию воды, падающей с водопада.

Значения ВЕR приведены по оси ординат, а уровень мощности сигнала — по

оси абсцисс (предполагаемая скорость - 10 Гбит/с). Грубо, экстраполируя

другие значения уровня мощности сигнала, можно сказать, что увеличение

уровня сигнала на 1 дБ, в области максимального градиента данной кривой,

может улучшить ВЕК на два порядка. На рис. 5.11 показан уровень входной

мощности типичного приемника, работающего на скорости 10 Гбит/с. На оси

ординат отложены значения ВЕR для определенных значений входного

уровня в дБм.

Рис. 5.10. Кривая с траекторией «водопада» отображает зависимость BER

от уровня принятой мощности.

Рис. 5.11. Зависимость BER от уровня входной мощности в дБм для

оптического приемника при скорости 10 Гбит/с с чувствительностью от-

клика 350 В/Вт. (С разрешения компании Discovery Semiconductor, см. [5.17])

Табл. 5.2 дает представление о предельных характеристиках для PIN-

диодов и APD.

Таблица 5.2

Уровни приема и значения BER для используемых скоростей передачи.

Скорость передачи ВЕR Уровень (дБм) Комментарий

155 Мбит/с

110

-10

-33 Alcatel, PIN

2,5 Гбит/с

110

-10

-26 Alcatel, APD

622 Мбит/с

110

-10

-27 Alcatel, PIN

155 Мбит/с

110

-10

-35 Alcatel, PIN

622 Мбит/с

110

-10

-28 ITU-T G.957

2,5 Гбит/с

110

-10

-23 Lucent, PIN

2,5 Гбит/с

110

-10

-32 Lucent, APD

155 Мбит/с

110

-10

-38 Fujitsu, PIN

10 Гбит/с

110

-10

-16,3 Discovery, PIN

10 Гбит/с

110

-10

-26 Epitaxx, APD

5.6. Замечания по применению детекторов

Бюджет линии, рассмотренный детально в гл. 10, положен в основу

проектирования оптических систем. Краеугольным камнем этого бюджета

является оптический приемник. Системный инженер сначала устанавливает

уровень ВЕR для линии. На основе выбранного BER, который, вероятно,

лежит между 10

-10

и 10

-12

, можно определить эквивалентную входную

световую мощность, требуемую приемнику. Обычно это величина

определяется в дБм.

Рассмотрим два условия: (1) короткая линия, (2) длинная линия. Для

короткой линии инженер-проектировщик оптической системы должен по-

ставить красный флажок и ответить на вопрос: «Может ли возникнуть такая

ситуация, при которой на входе PIN-диода будет избыточная мощность,

выводящая световой сигнал за пределы используемого динамического диа-

пазона?» Параметры, приведенные в спецификации производителя, должны

дать этот диапазон, указав допустимые минимальный и максимальный

уровни сигнала. В данном случае нас интересует максимальный уровень

сигнала. Если мы превосходим этот максимум, то нам нужно использовать

для этой линии аттенюатор с определенным уровнем затухания, который

позволит привести световой сигнал к уровню, лежащему внутри динамичес-

кого диапазона приемника.

В случае длинной линии возникает противоположная ситуация. Уро-

вень мощности сигнала может оказаться недостаточен для достижения ус-

тановленного требования на величину BER. В этом случае проектировщик

линии может использовать несколько решений: укоротить линию (снизив,

тем самым, ее потери), использовать оптический предусилитель, исполь-

зовать оптическое волокно с меньшими потерями на единицу длины, ис-

пользовать более чувствительный детектор (например, PIN-детектор) или

заменить PIN-детектор на APD.

При проектировании может возникнуть проблема обеспечения требуе-

мого уровня доступности системы, и придется учитывать тот факт, что PIN-

диоды имеют большую наработку на отказ, чем APD. PIN-диоды к тому же

дешевле, чем APD, значительно менее сложны, менее чувствительны к из-

менению температуры и более просты в обращении. Их наработка на отказ

может быть в 10 раз выше, чем у APD. Если же мы рассматриваем агрегатные

сигналы, то ситуация значительно усложняется.

Этот материал детально рассмотрен в гл. 10.

ГЛАВА 6 УХУДШЕНИЕ ПЕРЕДАЧИ СВЕТА

6.1. Введение

В начале гл.1 мы утверждали, что ВОЛС является линией либо с

ограниченными потерями (затуханием), либо с ограниченной дисперсией. В

этой главе мы детально рассмотрим причины этих потерь и дисперсию, а

также то, какие меры можно принять, для того чтобы ослабить эти потери и

дисперсию. В 1980-х и в начале 1990-х при проектировании ВОЛС к этим

двум основным эффектам надо было приспосабливаться. В этом смысле

процесс проектирования линии был достаточно прямолинеен.

С началом использования оптических усилителей — ОУ, а затем и

систем WDM (а впоследствии и DWDM), возникли другие причины,

приводящие к ухудшению характеристик систем. Они, конечно,

существовали все время, или были такого малого уровня, что

проектировщики могли их до некоторых пор полностью игнорировать.

Другие же причины появились благодаря использованию новых технологий.

К ним, например, относится четырех-волновое смешение — ЧВС (FWM). Как

только появляется второй канал, так появляется и ЧВС, хотя и, возможно,

очень малого уровня.

Когда мы начали использовать ВОЛС, рабочие сигналы были

достаточно низкого уровня: от —2 до +3 дБм. Одной из причин — было

желание продлить жизнь лазерных диодов. Как только появились системы

WDM, а, в особенности, DWDM, уровни сигналов возросли стократно. При

объединении выхода лазерного передатчика с ОУ нужно было генерировать

уровни сигналов порядка +20 дБм, чтобы компенсировать потери, вызванные

использованием пассивных элементов систем WDM. Эти высокие уровни

сигналов обострили многие причины ухудшений, так или иначе приводящие

к деградации сигнала и характеристик в целом. Еще одним негативным фак-