Урядов В.Н. Волоконно-оптические системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

ТАБЛИЦА 8.1

Отношение сигнал/шум

Тип оптического

приемника

Общий случай (тепловые и дробовые шумы)

Тепловые

шумы

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

Дробовые шумы

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

Приемник прямого де-

тектирования при непо-

средственной модуляции

оптической несущей

[]

cB D L

GPR

Gq P P I BR kTB

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

⎧⎫

++ +

⎨⎬

⎩⎭

(

)

LSB

(

)

,,,

SB BB DB

μμμ

⎡

⎤

⎣

⎦

Преемник прямого де-

тектирования на подне-

сущей (сигнал/шум на

выходе фильтра подне-

сущей,

)

32 64

BD L

GPR

Gq P I BR kTB

⎡⎤

⎢⎥

⎣⎦

⎧⎫

⎡⎤

++ +

⎨⎬

⎢⎥

⎣⎦

⎩⎭

(

)

LSB

(

)

BB DB

μμ

⎡

⎤

⎢

⎥

⎣

⎦

Гетеродинный приемник

(сигнал/шум на выходе

фильтра промежуточной

частоты,

)

hf B

—

Гомодинный приемник

hf B

—

8.2 Приёмники цифровых ВОСП

Цифровые волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) предназначены

для передачи цифровых сигналов. Как передающая информацию ВОСП, так и

принимающая информацию ВОСП работают с цифровыми электрическими

сигналами. В то же время сам процесс передачи информационных сигналов

осуществляется оптическими импульсами, распространяющимися вдоль волоконно-

оптической линии связи. Последовательность электрических сигналов (

сообщение,

преобразуется оптическим передатчиком в последовательность оптических

сигналов, вводимых в оптическое волокно и распространяющихся в нем до

приемной части. В приемной части ВОСП оптические сигналы вновь преобразуются

в электрические. Преобразование оптических сигналов в электрические происходит

в приемниках оптического излучения.

Приемники оптического излучения (фотоприемники) в цифровых системах

связи представляют собой сложные устройства

, осуществляющие преобразование

световых сигналов в электрические. Для этого световое излучение преобразуется в

электрический ток, усиливается, а затем происходит восстановление переданного

сообщения и формирование соответствующего этому сообщению электрического

сигнала. Подавляющее большинство действующих оптических систем передачи

информации используют двоичный (бинарный) код и простейшую амплитудную

модуляцию с двумя значениями амплитуды сигнала. Цифровой фотоприемник

(приемник цифровой волоконно-оптической системы связи с амплитудной

модуляцией и прямым детектированием) конструктивно состоит из четырех блоков.

В первом блоке происходит последовательное преобразование оптических сигналов

в электрический ток (оптоэлектронное преобразование). Во втором блоке

осуществляется линейное усиление электрического тока, в третьем блоке про-

исходит восстановление данных, а в четвертом - создание выходного

электричес-

кого сигнала. Структура приемника показана на рис.8.11.

Преобразование модулированного светового излучения (светового сигнала) в

модулированный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода

(фототок) усиливается малошумящим трансимпедансным или высокоимпедансным

усилителем. Выходящие из него электрические импульсы тока усиливаются

линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления, фильтруются и

попадают в блок восстановления данных.

В блоке восстановления данных

усиленный электрический импульс делится на три части. Одна часть импульса

используется для формирования тактовой частоты в блоке синхронизации. Вторая

часть электрического импульса используется для формирования постоянного

порогового тока, используемого в качестве уровня сравнения с импульсами тока

информационного сигнала. Третья часть сигнала подается на схему сравнения, где

она

сравнивается с пороговым значением тока для принятия решения о том, какой

символ, 1 или 0, передан. Сравнивать значение импульса тока с пороговым

значением необходимо в точно определенные моменты времени, соответствующие

середине тактовых периодов. Интервалы времени, в которые происходит сравнение

порогового значения тока с величиной тока фотодиода, задает генератор тактовой

частоты. Для оптимальной работы фотоприемника величина среднего значения

усиленного тока должна приблизительно совпадать с пороговым значением.

Выполнение этого условия обеспечивает блок автоматической регулировки

усиления. Схема сравнения управляет работой формирователя электрических

сигналов, который

в зависимости от результатов сравнения создает электрический

сигнал, соответствующий логической единице или логическому нулю.

Рис. 8.11. Схема цифрового фотоприемника

Важнейшей рабочей характеристикой действующей системы передачи

информации, определяющей качество связи, является коэффициент ошибок. Его

значение равно отношению числа ошибочно интерпретированных символов к

общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок - наличие

шумов. Действительно, в реальных системах связи значения фототока,

соответствующие и 1, и 0, флуктуируют во времени из-за

наличия шумов. Такие

временные флуктуации тока могут привести к ошибочной интерпретации

информационного символа. Природу возникновения ошибок в двоичных цифровых

системах связи с амплитудной модуляцией поясняет рис. 8.12. Из-за наличия шумов

измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных

значений тока при передаче логической 1 и 0 описывается соответствующими

функциями F1(I) и F0(I) распределения

вероятностей. На рис. 8.12, справа, графики

функций F1(I) и F0(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как

видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствующую

уровню напряжения сравнения I

D. Это означает, что существует некоторая, обычно

весьма малая, но отличная от 0 вероятность неправильной интерпретации принятого

сигнала. Вероятность Р(1/0) ошибочной интерпретации 0 как 1 определяется

площадью под частью функции распределения F0(I), отсекаемой уровнем тока

сравнения I

D. Аналогично вероятность Р (0/1) ошибочной интерпретации 1 как 0

определяется площадью под частью функции распределения F1(I), отсекаемой

уровнем тока сравнения ID. При равной вероятности передачи 0 и 1 коэффициент

ошибок определяется простым выражением

(8.59)

Рис. 8.12. Электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы

сравнения, уровень нуля I0, уровень единицы I1, уровень сравнения I

D, длительность

такта t

D (слева) и распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала

для 1 и 0 (справа). Закрашенные области показывают вероятности ошибок: Р(1/0) -

вероятность интерпретации 0 как 1; Р(0/1) - вероятность интерпретации 1 как 0

В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними

значениями интенсивности и со среднеквадратичными отклонениями о1 о2 для 1 и 0

соответственно коэффициент ошибки определяется выражением:

(8.60)

где

— показатель качества принимаемого сигнала. Для нормальной работы

цифровой системы связи требуется, чтобы шум не превышал некоторого заданного

значения. При фиксированной скорости передачи информации и пренебрежении

шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать

постоянными и не зависящими от мощности света. Очевидно, что в этом случае

Кош уменьшается при увеличении амплитуды

полезного сигнала и увеличивается

при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического

излучения, необходимое для передачи сигналов с заданным коэффициентом

ошибок, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых

системах голосовой связи максимально допустимое значение коэффициента ошибок

обычно принимается равным 10-9. Чувствительность может выражаться в линейных

единицах, производных от ватта (нВт, мкВт) или в

логарифмических - децибелах по

отношению к милливатту (дБм). Реальная чувствительность приемников опре-

деляется многими факторами: нормируемым значением коэффициента ошибок,

формой импульса, скоростью передачи информации, шириной полосы приемника и

шумами оптического излучения. Поэтому практически в спецификациях

чувствительность приемника задается только для вполне определенного

передатчика, скорости передачи двоичных сигналов и их формы. С

увеличением

скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в

линейных единицах приблизительно пропорционально скорости B [бит/с].

Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приемников на основе

pin-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя. В

отсутствии шумов чувствительность фотоприемника определяется квантовыми

свойствами светового излучения и называется квантовым пределом

чувствительности.

8.3. Функциональные схемы приемных оптических модулей

Наиболее важным параметром приемника является его чувствительность, под

которой понимается минимальная средняя мощность оптического сигнала на его

входе при заданном коэффициенте ошибок. Чувствительность оптического приемника

зависит от полосы частот сигнала на выходе волоконного световода, характеристики

корректора, типа используемого фотодетектора и усилительного элемента.

Известен приемник с использованием предусилителя с высоким входным сопро-

тивлением (высокоимпедансный) (рис. 8.13). Приемник по этой схеме представляет

собой усилитель с фотодетектором на входе. Входное сопротивление усилителя

выбирается намного большим по сравнению с входным сопротивлением, которое

необходимо для усилителя с широкой полосой пропускания. Таким образом во

входной цепи производится предискажение частотной характеристики, которая

корректируется затем специальным корректором. Этим достигается повышение

чувствительности приемника., так как уменьшается влияние шумов предусилителя.

Достоинством приемника является высокая чувствительность, однако-необходим

сложный корректор для достижения предельных значений чувствительности.

Известен также фотоприемник с трансимпедансным усилителем на входе, кото-

рый отличается тем, что на входе его применяется схема предусилителя с параллельной

обратной связью по входу (рис. 8.14). В этом приемнике за счет применения

обратной связи можно скорректировать частотную характеристику без применения

специального корректора. Достоинством такого приемника является простота.

Необходимо, однако, отметить, что чувствительность такого приемника ниже, чем у

приемника с высоким входным импедансом за счет дополнительных шумов, об-

условленных схемой обратной связи. Кроме того, наличие глубокой обратной связи

уменьшает устойчивость схемы фотоприемника в большой полосе частот.

Коррекция за счет обратной связи зачастую недостаточна для полной коррекции.

Поэтому применяется смешанная схема построения приемника, сочетающая в себе

фотоприемник с трансимпедансным усилителем и корректор (рис. 8.15), который

дополнительно корректирует частотную характеристику. В этом случае требования к

обратной связи и корректору снижаются и возможно достигнуть большую

чувствительность по сравнению с чисто трансимпедансным фотоприемником.

Повышение чувствительности широкополосного фотоприемника достигается ис-

пользованием диодов с лавинным умножением и усилительных элементов с малой

входной емкостью и высокой крутизной.

В настоящее время перспективным направлением развития оптических приемных

модулей являются интегральные приемные модули типа p-i-n фотодиод и полевой

транзистор, которые так же как и фотоприемники с ЛФД обладают высокими

характеристиками. Однако противоречивые требования к материалу для изготовления

р-i-n фотодиодов и полевых транзисторов с большой крутизной и хорошими

шумовыми свойствами требуют специальной дорогостоящей технологии, трудно

применимой пока в промышленных условиях.

Рис. 8.13. Схема высокоимпедансного приемника.

Рис. 8.14. Схема трансимпедансного приемника.

Рис. 8.15. Смешанная схема приемника

Альтернативой фотоприемным модулям типа р-i-n-фотодиод — полевой транзи-

стор может быть фотодиод — N-канальный биполярный предусилитель (рис. 8.16).

Этот вариант построения использует все возможности кремниевой технологии по

созданию высококачественных дешевых интегральных схем для обработки преобра-

зованного фотодиодом оптического сигнала. N-канальный предусилитель представляет

собой последовательное включение n-активных биполярных элементов.

На рис. 8.17 показано, как в фотоприемнике, рассчитанном на прием цифровых

сигналов в коде NRZ, изменяется мощность шумов ПУ, построенного на основе одного

(кривая 1) и четырех (кривая 2) последовательно соединенных биполярных

транзисторов типа КТ3115А, которые имеют параметры: С

кб

= 0.4 пФ; С

бэ

= 0.6 пФ;

= 0.5 пФ; ( β= 100; α= 0, 8 пФ/мА, на основе полевого транзистора с затвором

Шоттки с параметрами I

ут

=1 нА; С

зи

= 0.5 пФ; С

зс

— 0.04 пФ; С

= 0.5 пФ; S= 40

мА/В; f

= 30 МГц (кривая 3) и на основе полевого транзистора с p-i-n переходом

типа КП312А с параметрами: I

ут

= 1 нА; С

зи

=4 пФ; С

зс

=1 пФ; С

= 0.5 пФ; S= 5 мА/В;

<С В (кривая 4) при емкости фотодиода С

= 0.4 пA. Из рисунка видно, что

реализация последовательного соединения биполярных транзисторов в

фотоприемнике позволяет расширить границы его применения как в области низких

скоростей передачи (с 40 до 10 Мбит/с), так: и в области высоких скоростей, где он

практически не уступает по чувствительности фотоприемнику с транзисторами

Шоттки, а на скорости свыше 600 Мбит/с превосходит его. Предложенный

фотоприемник целесообразно также применять и при использовании лавинных

фотодиодов, поскольку это позволяет повысить чувствительность приемника на 1—2

дБ, обеспечивая в то же время высокую технологичность изготовления фотоприемника

в интегральном исполнении с использованием хорошо отработанной биполярной

технологии.

Известен n-полосный приемник (рис. 8.18), представляющий собой набор

усилителей с разными полосами пропускания, включенными параллельно, сигналы

которых на выходе складываются. Зависимость относительного снижения требуемой

мощности Р и оптимального коэффициента умножения М от числа l узкополосных

каналов в предусилителе определяется выражениями:

ΔP

=1/( +1), (8.61)

ΔP

лфд

=1/( +1)

x/(x+1)

, (8.62)

ΔM

opt

=1/( +1)

2/(2+x)

, (8.63)

где x — параметр ЛФД, зависящий от его материала (x = 1 для Ge, x = 0.5 для Si)

Из рис. 8.19, на котором показан уровень входного оптического сигнала, требуе-

мый для обеспечения на выходе приемника отношения сигнал/шум 20 дБ в случае,

когда его предусилитель содержит четыре (кривая 2) и десять (кривая 3) узко-

полосных каналов, видно, что при этом чувствительность оптического приемника

может быть увеличена путем увеличения числа каналов.

Рис.8.16. Схема приемника с N-канальным предусилителем

Рис. 8.17. Зависимость мощности шумов приемника от скорости передачи

Рис. 8.18. Схема приемника с n-полосным предусилителем

Рис. 8.19. Уровень входного оптического сигнала