Название: Оптико-волоконные системы связи - Учебное пособие (Нечаев В.Г.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1474


3.4. волоконно-оптические системы с аналоговыми методами передачи информации

В аналоговых  ВОСП используются методы модуляции, характеризующиеся непрерывным изменением одного из параметров переносчика сигнала (мощности оптического излучения при модуляции интенсивности; положения оптического импульса при позиционно-импульсной модуляции; или его длительности при широтно-импульсной модуляции и т. д.). На рис. 3.5 изображена структурная схема аналоговой ВОСП. Входной электрический сигнал s(t) поступает на модулятор М, с помощью которого производится непрерывное изменение во времени одного из параметров выходного оптического сигнала излучателя. Оптический приемник преобразует свет в электрический сигнал, а демодулятор ДМ – в выходной электрический сигнал s(t).

Особенностью аналоговой передачи по сравнению с цифровой является необходимость обеспечения большого отношения сигнал–шум на выходе оптического приемного устройства и  высокой линейности по всему тракту, так как в противном случае возможны взаимные помехи от различных частотных составляющих передаваемого аналогового сигнала.

Рис.3.5. Структурная схема аналоговой ВОСП

Рассмотрим методы модуляции, характерные для этих систем, и сравним их по помехоустойчивости сигнала.

Частотная модуляция (ЧМ) поднесущей с последующей модуляцией мощности оптического излучения обеспечивает повышение отношения сигнал–шум по сравнению с МИ, но требует большей полосы частот и более сложной в технической реализации. Однако в этом случае снижаются требования к линейности модуляционной характеристики передатчика, т.е. можно увеличить глубину модуляции, а следовательно, и предельную дальность передачи.

В импульсном режиме допускается большая глубина модуляции лазерного диода, чем в режиме непрерывной генерации. Поэтому представляет практический интерес использование в ВОСП помехоустойчивых аналоговых импульсных методов модуляции, к числу которых относятся: широтно-импульсная (ШИМ), позиционно-импульсная (ПИМ), называемая также фазоимпульсной (ФИМ), частотно-импульсная (ЧИМ), интервально-импульсная (ИИМ) и некоторые другие.

Применение ШИМ в аналоговых ВОСП оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность источника излучения и, кроме того, ниже помехоустойчивость по сравнению с ЧИМ и ИИМ.

При ПИМ, ЧИМ и ИИМ для передачи информации применяются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения. В случае ПИМ информация об отчетных значениях передаваемого аналогового сигнала s(t) заключена во временных интервалах между тактовыми точками и сигнальными импульсами. Таким образом, этот вид модуляции требует обязательной синхронизации приемной и передающей аппаратуры, что может обеспечиваться либо передачей специального синхросигнала, либо синхронизацией приемной аппаратуры по информационному ПИМ сигналу. Это приводит к дополнительному усложнению приемной части системы.

При ЧИМ частота импульсной последовательности изменяется по закону, соответствующему передаваемому аналоговому сигналу s(t). Характерной особенностью ЧИМ является отсутствие необходимости поддерживания синхронизации приемопередающей аппаратуры, а, следовательно, менее сложная ее реализация. Сравнение помехоустойчивости ВОСП с ЧИМ и ВОСП с ПИМ показывает, что применение ЧИМ может обеспечить выигрыш в помехозащищенности по сравнению с ПИМ. Однако при многоканальной передаче с временным разделением каналов ПИМ обладает преимуществом, так как характеризуется частотно-независимым фазовым сдвигом.

При двустороннем ограничении ЧМ колебания возникает так называемая прямоугольная частотно-импульсная модуляция (ПЧИМ). На рис.3.6а показано ЧМ колебание и соответствующие ему ПЧИМ (рис.3.6б) и ЧИМ (рис.3.6в) сигналы.

В оптических системах с ИИМ информация об аналоговом сигнале заключена во временных  интервалах между передаваемыми импульсами.

На рис. 3.7. приведена упрощенная структурная схема, поясняющая работу приемопередающей аппаратуры системы передачи с ИИМ, а на рис. 3.8. изображены временные диаграммы сигналов в точках схемы 1...5.

                          Рис. 3.6. Сигналы с ЧМ, ПЧИМ и ЧИМ

Как видно из рис.3.8., на приемной стороне производится преобразование ИИМ сигнала в последовательность пилообразных импульсов, модулированных по длительности и амплитуде. Отметим, что при ИИМ средняя частота стробирования аналогового сигнала s(t) при передаче выше, чем при ПИМ. Кроме того, отсутствует необходимость синхронизации приемопередающего оборудования.

 

 Рис.3.7. Структурная схема приемопередающей аппаратуры ВОСП с ИИМ:

К – компаратор; ФУ – формирующее устройство;

 ГПН – генератор пилообразного напряжения

Рис.3. 8. Временные диаграммы                 Рис. 3.9. Формирование ИШИМ

сигналов в оптической системе с ИИМ                                сигнала

Ширина полосы частот, занимаемая оптическим сигналом в ВОСП с ШИМ, ПИМ и ЧИМ, примерно такая же, как и при использовании ИКМ. Уменьшение полосы пропускания можно обеспечить с помощью интервально-широтной импульсной модуляции (ИШИМ). При этом на передаче аналоговый сигнал (рис.3.9а) преобразуется в ИИМ сигнал (рис.3.9б), который поступает на вход триггера со счетным входом. На выходе триггера формируется ИШИМ сигнал, показанный на (рис.3.9 в) У этого сигнала модулируемыми параметрами являются как интервал между соседними импульсами, так и их ширина. На приемной стороне ИШИМ сигнал преобразуется в ИИМ сигнал, после чего демодулируется. Применение ПЧИМ и ИШИМ целесообразно в ВОСП со светодиодом в качестве источника оптического излучения.

В заключение отметим, что для аналоговых сигналов с широкими динамическим диапазоном и спектром особенно существенными становятся квантовые шумы модулированного сигнала. В этих условиях радикальное повышение помехоустойчивости может быть достигнуто применением одномодовых волоконно-оптических систем и гетеродинных способов приема. Кроме того, улучшение качеств аналоговой ВОСП может быть получено и за счет применения других, адекватных условиям гетеродинного приема видов модуляции. В частности, предпочтительной может оказаться внешняя модуляция лазерного излучения типа ДБН ПН (с двойной боковой полосой и подавленной несущей).

При передаче аналоговыми методами возникают трудности, связанные с нелинейностью и нестабильностью модуляционных характеристик  лазерного передатчика. При применении светодиодов характеристика зависимости излучаемой мощности от тока инжекции может быть достаточно близка к линейной, следовательно при работе в узком динамическом диапазоне нелинейные искажения невелики. Для уменьшения влияния нелинейных искажений применяется несколько методов: это введение предыскажений и использование обратных связей.

При использовании лазеров переходят на более сложные виды импульсной модуляции, например, фазово-импульсную модуляцию и нередко угловую (например, частотную) модуляцию поднесущих колебаний. Нелинейность проявляется в виде интермодуляционных искажений.

В условиях использования одномодовой техники можно осуществить внешнюю модуляцию интенсивности лазерного излучения.Рассмотрим передачу при аналоговой модуляции интенсивности оптического сигнала. Поскольку интенсивность – неотрицательная величина, её модуляция осуществляется относительно некоторого среднего значения.

,                    (3.23)

где  J0=Jm/2,  Jm=ηPm/hf, Pm – максимальная мгновенная мощность оптического сигнала на входе приёмника.

,                                    (3.24)

где Ω=2πf – круговая частота; М£1 – коэффициент глубины модуляции.

Используем приёмник без решающего устройства и системы синхронизации.

Длительность импульсной реакции выбирается в соответствии с теоремой Котельникова, следовательно значащий интервал должен быть T£1/2Fb.

Качество приема оценивается соотношением сигнал–шум

,

где U2cс – квадрат действующего значения информационной составляющей выходного сигнала

,                               (3.25)

пропорционального случайному числу фотоэлектронов n на интервале длительностью Т. Форма импульсного сигнала принята прямоугольной. Математическое ожидание фотоэлектронов содержит постоянную и информационную составляющую.

` где `,

. 3.26)

В пределах заданной полосы частот и при точном равенстве T=1/2FB g изменяется от 1 в области нижних частот до 2/p на FB . Спрямить частотную характеристику можно, приближая форму импульсной характеристики к оптимальной:

.

Пусть g=1, тогда `Uc(t)=MeR`n0/T и действующее значение Uce(t)=MeR`n0/T.

Если учесть, что число фотоэлектронов распределено по закону Пуассона с математическим ожиданием ` и дисперсией s2n=`n(t), то получаем

.

Квантовый шум меняется вместе с интенсивностью и для средней дисперсиеи шума получим: s2u=(eR/T)2`n0, т.е. в основном квантовый шум определяется постоянной составляющей сигнала. Соотношение сигнал–шум r2=(MeRn0/T)2(T/eR)2=M`n0/2  и через мощность соотношение сигнал–шум или через задаваемые параметры

r2=M2hPm/8hfFB.                          (3.27)

 Расширение полосы частот информационного сигнала FB и его динамического диапазона приводит к уменьшению r. Для увеличения соотношения сигнал–шум необходимо увеличивать мощность сигнала, а соответственно и его средней составляющей `n0. Поэтому квантовый шум становится основным условием помех для сигналов с большим динамическим диапазоном. Если учесть всю совокупность помех, то получим 

.                          (3.28)

При заданных значениях M2min и r2min

              (3.29)

Важной особенностью оптических линий связи с модуляцией интенсивности являются возможность замены D=20lg Mmax/ Mmin на энергетический запас и соответственно дальность связи. При узком динамическом диапазоне D требуемое отношение сигнал–шум обеспечивается небольшим числом фотоэлектронов.

При частотно-импульсной (ЧИМ) или фазоимпульсной модуляции (ФИМ) информация о сигнале вкладывается во временное положение tm импульса I(t–tm) в пределах тактового интервала Т.

При гармоническом модулирующем сигнале

,

Mmin определяется шириной динамического диапазона Tc=tmin–T/2

   –   действующее значение.

Демодуляция положения tmin производится с помощью порогового устройства по моменту пересечения откликом u(t), пропорциональным n(t), некоторого порогового значения:

 .                  (3.30)

Если длительность импульса 2t, то за время импульса число фотоэлектронов будет  , а их математическое  ожидание равно:

,(3.31)

где   – средняя энергия импульсов с пиковой мощностью  Pm  в числе фотоэлектронов.

Рассмотрим прием в условиях ограничения квантовым шумом сигнала. Пусть пороговое значение установлено на уровне`n0/2, где `n(t) – имеет максимальную производную равную Im.

В результате квантового  шума n(t) от математического ожидания `n(t) в пороговом определении  положении tm возникает ошибка .

Математическое ожидание ошибки dt=0, а дисперсия определяется пуассоновским распределением n(tm).

,

следовательно, соотношение сигнал–шум

 .                    (3.32)

В более общем случае с учетом дробовых шумов, тепловых шумов нагрузки и шумов усилителя дисперсия ошибки

,                 (3.33)

где `n0/2 – дисперсия n(tm); nTT=2iTTt/e0 ; nT=8kTt/e2Rэкв и nA=2GAt/e2R2 в соответствии с эквивалентной схемой на рис 3.3. Соотношение сигнал–шум будет

.              (3.34)

Получаем выигрыш (V) по сравнению с модуляцией интенсивности при передаче с фиксированной мощностью равный

.        (3.25)

В случае ограничения пиковой мощности Pm выигрыш уменьшается. К недостаткам можно отнести появление аномальных ошибок в условиях малого отношения сигнал–шум (при малых длительностях импульса) и  широкую полосу пропускания тракта.

Большие перспективы открывает в аналоговых ВОСП гетеродинный метод детектирования, позволяющий на 10...20 дБ повысить чувствительность оптического приемного устройства. В таких системах возможна частотная или фазовая модуляция оптической несущей.

Структура приемника с оптическим  гетеродинированием показана на рис. 3.10.

 В этой схеме с помощью направленного ответвителя, выполняемого на связанных световодах либо на полупрозрачной пластине ПП, осуществляется суммирование полей входного излучения сигнала и гетеродина Г.  При наличии входного сигнала с частотой fС, отличной от частоты гетеродина fГ, на выходах направленного ответвителя возникают световые потоки, интенсивность которых колеблется в противофазе с промежуточной частотой f=|fp–fr|. Важно, что при достаточной мощности гетеродина соответствующие колебания фототоков оказываются значительно большими, чем темновой ток, ток, создаваемый фоновой засветкой, и ток тепловых флуктуаций в нагрузке фотодетектора.

Рис. 3.10. Структура приемника с оптическим  гетеродинированием

Колебания тока промежуточной частоты с выходов двух фотодетекторов после вычитания (с помощью инвертора и сумматора) поступают на усилитель промежуточной частоты УПЧ. Усиленный сигнал промежуточной частоты, как обычно, детектируется амплитудным детектором Д. После фильтрации ФНЧ низкочастотный сигнал поступает на решающее устройство РУ.

В идеальном случае качество приема в такой системе ограничивается только квантовым шумом гетеродинного излучения. При этом помехоустойчивость приближается к квантовому пределу приемника с прямым усилением. Напомним, что с подобными алгоритмами возможен прием не только сигналов, модулированных по интенсивности, но и сигналов с фазовой или частотной модуляцией несущих колебаний оптического диапазона. [1,6].