3.5 Волоконно-оптические каналы передачи информации.

	Частотное разделение каналов
	Когерентный приём и демодуляция оптических сигналов
	Методика инженерного расчета волоконно-оптических систем
	Волоконно-оптические ретрансляторы

Волоконно-оптические системы связи и передачи информации широко применяются в технике дальней связи, кабельном телевидении и компьютерных сетях. Волоконно-оптические каналы передачи информации содержат все элементы, характерные для систем связи, представленные схемой рис. 3.3, и являются примером реализации каналов связи и передачи информации на основе высоких технологий.

Достоинствами оптических кабелей по сравнению с электрическими являются возможность передачи большого потока информации, малое ослабление сигнала и независимость его от частоты в широком диапазоне частот, высокая защищенность от внешних электоромагнитных помех, малые габаритные размеры и масса (масса оптических кабелей в 10 раз меньше электрических). Оптические кабели не требуют дорогостоящих материалов и изготавливаются, как правило, из стекла или полимеров.

В оптических системах передачи информации применяются в основном те же принципы образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическим кабелям, а именно частотного и временного разделения каналов. В первом случае сигналы различаются по частоте и имеют аналоговую форму передаваемого сообщения. Во втором случае каналы мультиплексируются во времени, и импульсы имеют дискретный вид. Это соответствует цифровой передаче с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

Во всех случаях оптической передачи информации электрический сигнал, формируемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую и затем передается по оптическому кабелю.

Рис.3.3. Структурная схема волоконно-оптического канала передачи информации.

Возможны два вида модуляции: внутренняя и внешняя. При внутренней модуляции электрический сигнал непосредственно воздействует на излучение источника (лазера), обеспечивая соответствующую интенсивность и форму сигнала. При внешней модуляции используется специальное модулирующее устройство, с помощью которого осуществляется воздействие передаваемого сигнала на уже сформированный световой луч. Для систем с полупроводниковыми лазерами применяется, как правило, внутренняя модуляция.

В основном используется метод модуляции интенсивности оптической несущей, при котором от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемого в кабель, и закон изменения мощности оптического излучения повторяет закон изменения модулирующего сигнала. Частотная и фазовая модуляция не могут быть применены непосредственно, поскольку из-за шумового характера излучения полупроводниковых источников, работающих в оптическом диапазоне, сигнал не является строго синусоидальным. Тем не менее, эти виды модуляции в принципе могут быть реализованы путем изменения соответствующих параметров сигнала, модулирующего интенсивность излучения.

Выбор метода модуляции интенсивности излучения для оптических систем обусловлен также простотой реализации передачи и приема сигнала. При передаче используется полупроводниковый лазер, который обеспечивает непосредственное преобразование электрического сигнала в оптический, сохраняя его форму. Для повышения эффективности ввода оптического сигнала в кабель (снижения потерь) в схеме рис. 3.3 используются элементы согласования. Поступающий из кабеля оптический сигнал преобразуется в оптическом приемнике в электрический сигнал, который поступает для дальнейших преобразований в электронную схему. Прием осуществляется фотодетектором, выходной ток которого пропорционален входной мощности. Следовательно, подавая оптический сигнал непосредственно на фоточувствительную поверхность фотодетектора, можно преобразовать его в электрический сигнал сохраняя его форму.

Оптические системы передачи являются, как правило, цифровыми. Это обусловлено тем, что передача аналоговых сигналов требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах. Особенность оптических цифровых методов состоит в том, что передача ведется только однополярными импульсами электрического сигнала, модулирующего оптическую несущую. Последнее объясняется тем, что модулируется не амплитуда, а мощность оптического излучения.

Таким образом, наиболее распространенной волоконно-оптической системой связи является в настоящее время цифровая система с временным разделением каналов и ИКМ интенсивности излучения источника. Двухсторонняя связь осуществляется по двум волоконным световодам. По одному световоду передаются сигналы в направлении А-Б, по другому в направлении Б-А. В обоих направлениях сигналы передаются на одной и той же оптический несущей (например, имеющей частоту  Гц, соответствующую длине волны =1,3 мкм).

Источники и приемники излучения должны быть взаимно согласованными с кабелем. Для этого необходимо, чтобы:

• длина волны излучения находилась в области малого затухания кабеля;

• диаграмма направленности излучения источника соответствовала апертурному углу выбранного световода;

• фотоприемник имел достаточную чувствительность;

• соблюдалось соответствие между скоростью передачи информации и шириной спектра излучения источника.

Следует иметь в виду, что в связи с сильно выраженными дисперсионными свойствами оптического кабеля приходящие на фотодетектор импульсы могут перекрываться, поэтому требуется использовать специальные алгоритмы оптимального приёма. Для подавления межсимвольной интерференции применяют фильтры (выравниватели), которые располагают после фотодетектора и усилителя. Последующую часть электрической схемы оптимизируют для приема импульсов без межсимвольной интерференции.

Расширение импульсов при передачи их по оптическому кабелю эквивалентно их прохождению через четырехполюстник с частотной характеристикой, спадающей в области высоких частот. Для ее выравнивания применяют фильтры, значение коэффициента передачи которых с частотой возрастает, что приводит также к увеличению уровня шума. Поэтому характеристику выравнивателя подбирают как компромисс между снижением межсимвольной помехи и возрастанием уровня шумов (связанных с фотодетектированием и усилением) по минимальному уровню требуемой световой мощности на входе фотодетектора.

Весьма перспективно применение спектрального уплотнения, при котором в волоконный световод вводится одновременно излучение от нескольких источников, работающих на различных оптических частотах, а на приемной стороне с помощью оптических фильтров происходит разделение сигналов. За счет спектрального уплотнения возможна передача значительно большего объема информации по одному волоконному световоду и организация по нему двухсторонней связи.

Частотное разделение каналов

На рис. 3.4 показан пример распределения частот несущих в сверхширокополосной системе с частотным разделением каналов. Десять несущих частот распределены с частотным интервалом 100 ГГц в каждой группе несущих. Полоса каждой группы соответствует полосе пропускания оптического разделяющего фильтра 2 ТГц.

На рис. 3.5 показана схема разделения несущих на n гетеродинных приемников. Если оптический разделитель мощности не имеет частотной селекциии, то все сигналы будут иметь заметные потери разделения. Разработаны оптические периодические разделяющие фильтры с разделением 10 ГГц (или даже 5 ГГц), на основе интерферометра Маха-Цендера.

Идея использования несимметричного интерферометра Маха-Цендера в качестве многоволнового мультиплексора/демультиплексора иллюстрируется на рис. 3.6, где показаны принципиальная схема 4-волнового оптического разделителя и его спектральные характеристики. Этот принцип может быть распространен и на более сложные разделители: 8- или 16 волновый. Волоконно-оптический эквивалент классического интерферометра Маха-Зендера показан на рис. 3.7.      

Рис. 3.4. Распределение спектра несущих в системе  со спектральным разделением

Рис. 3.5. Схема регистрации мощности оптического сигнала  в гетеродинном приемнике с частотным разделением каналов.  ФД – фотодиоды, ЛД – гетеродины (лазерные диоды),  УПЧ – усилитель промежуточной частоты,  Д – детекторы электрических сигналов

Рис. 3.6. Принципиальная схема (а) и частотные характеристики (б) 4-волнового мультиплексора/демультиплексора на основе волоконно-оптических интерферометров Маха-Цендера

Когерентный приём и демодуляция оптических сигналов

Когерентный приём оптических сигналов, в частности, гетеродинный или гомодинный, позволяет перенести спектр информационного сигнала в область промежуточных (вплоть до СВЧ диапазона) и низких частот. Тем самым обеспечивается эффективная обработка и выделение сигналов, а также перенастройка в широкой области частот, занимаемой многоканальными оптическими системами передачи со спектральным уплотнением. Кроме этого, соответствующим выбором мощности гетеродина удается подавить все шумы, кроме дробового шума гетеродина. Это обстоятельство позволяет обеспечить максимальное отношение сигнал-шум на приемной стороне.

Рис. 3.7 Волоконно-оптический аналог классического симметричного  интерферометра Маха-Цендера

В практике конструирования когерентных оптических систем передачи информации, как правило, используются цифровые методы передачи. При обработке цифровых сигналов на промежуточной частоте используют хорошо разработанные в радиотехнике схемы и устройства цифровой демодуляции: синхронную и несинхронную демодуляции АМн, ЧМн и ФМн сигналов.

Гетеродинный приём оптических сигналов

При гетеродинном приёме оптическое электромагнитное поле полезного сигнала суммируется с оптическим полем местного гетеродина (когерентного источника излучения со сдвигом частоты) на фоточувствительной площадке фотодетектора.

Суммарное электрическое поле определяется выражением

, (77)

где   – комплексные амплитуды полезного оптического сигнала и сигнала гетеродина соответственно,   – оптические частоты, x – независимая переменная (время).

Интенсивность регистрируемого поля равна

 (78)

где   – начальные фазы колебаний. Выходной сигнал фотодетектора, пропорциональный интенсивности поля (3.2), определяется в форме

 (79)

где   – частота “биений”,  – разность фаз.

Таким образом, выражение (79) определяет сигнал на “промежуточной” частоте , равной разности частот оптических колебаний, причём  На рис. 3.8 показана схема устройства гетеродинного приёма.

      

Рис. 3.8. Схема гетеродинного приема

Гомодинный приём оптических сигналов

При гомодинном методе приема используется принцип оптического гетеродинирования, однако в отличие от гетеродинного приемника, частоты колебаний несущей и местного гетеродина должны быть одинаковыми ( ), а фазы синхронизированы.

Рис. 3.9. Схема гомонного приёмника

Сигнал фотодетектора при этом зависит только от разности фаз колебаний, а именно

 (80)

При АМн фазы равны ( ) и передаче символа “1” соответствует большой уровень напряжения, передаче символа “0” – значение сигнала, равное нулю.

При ФМн фаза сигнала   изменяется и принимает значение 0 и  рад. Соответственно изменяется разность фаз  и значения сигнала (80).

На рис. 3.9 иллюстрируется схема гомодинного приёма.

Методика инженерного расчета волоконно-оптических систем

При инженерном расчете волоконно-оптического канала передачи информации предусматриваются следующие этапы:

1. Выбор системы передачи и определение полосы частот или скорости передачи информации.

2. Выбор типа и конструкции оптического кабеля.

3. Выбор источника излучения, определение его параметров.

4. Выбор фотоприемника, определение его параметров.

5. Определение энергетической характеристики системы.

6. Расчет потерь в линейном тракте.

7. Расчет запаса мощности сигнала.

8. Расчет быстродействия системы.

9. Анализ характеристик системы.

На первом этапе расчета определяют скорость передачи информации и выбирают систему передачи, обеспечивающую получение требуемых числа каналов и дальности связи. Затем анализируют сигналы, передаваемые по каналу. В цифровых системах выбирают наиболее оптимальный код и способ модуляции.

На втором этапе осуществляется выбор оптического кабеля, наиболее полно удовлетворяющего требованиям системы по своим физико-механическим, массо-габаритным и стоимостным характеристикам.

Третьим этапом расчета является выбор источника излучения. Для увеличения срока службы излучателей уменьшают пиковую мощность, так как работа излучателя при повышенных токах накачки ускоряет процесс его деградации.

Тип фотоприемника (лавинный или p-i-n фотодиод) определяют исходя из требований, предъявляемых к системе. При этом стремятся, чтобы фотоприемник имел максимальную чувствительность в рабочем диапазоне длин волн. Требуемую чувствительность приемника обычно определяют, исходя из заданных значений скорости передачи информации или полосы частот u.

Три следующих этапа расчета связаны с энергетическим расчетами. В начале определяют потери в волоконном световоде. Если система имеет сложную топологию, то следует учитывать потери во всех участках оптического кабеля. Указанные значения определяются коэффициентом затухания кабеля  . Учитываются также потери при вводе излучения оптического источника в световод. Эти потери часто являются основным фактором при решении вопроса об использовании в кабелях оптических жгутов или волокон, выборе числовой апертуры световода.

Следует учесть потери в кабельных разъемах и соединениях. Поскольку неразъемные соединения имеют меньшие потери, габаритные размеры и более высокую надежность, чем разъемные, как правило, стараются сократить число разъемных соединений.

В зависимости от условий эксплуатации должен быть предусмотрен определенный допуск изменений параметров системы при изменениях температуры окружающей среды. Во многих случаях в приемных и передающих модулях канала вводятся схемы температурной компенсации. Кроме этого, должен предусматриваться запас по мощности сигнала в расчете на возможное ухудшение параметров компонентов (источников излучения, фотодетекторов, волоконных световодов и др.) во времени.

При выбранной элементной базе определяют быстродействие системы. После этого с учетом запаса на неточность паспортных данных элементов рассчитывают реальное быстродействие системы. Полученное значение сравнивают с допустимым быстродействием. Повысить быстродействие можно при использовании оптических волокон с меньшей дисперсией. Одним из возможных способов снижения дисперсии является переход от многомодовых волоконных световодов со ступенчатым изменением показателя преломления n по радиусу к градиентным и одномодовым световодом или переход от длин волн   к  , при этом возможна взаимная компенсация дисперсий в материале и при распространении волн в одномодовых световодах, что обеспечивает минимальную дисперсию в кабеле.

Другим возможным способом обеспечения требуемого качества системы является передача необходимого объема информации не по одному световоду, а по нескольким с меньшими скоростями передачи или использованием спектрального уплотнения – передачей того же объема информации по двум или нескольким спектрально-разнесенным каналам, работающим с меньшей скоростью передачи (широкополосностью). Выбор одного из указанных вариантов решений определяется наличием технических устройств, реализующих такие системы, и экономических оценок.

Величина длины ретрансляционного участка ограничивается либо энергетическим запасом, либо временными параметрами (быстродействием) системы. В первом случае можно ослабить требования к быстродействию излучателей и приемников, а также к дисперсии в световодах; во втором случае можно ослабить требования к чувствительности приемника, мощности, излучаемой источником, типу передаваемого сигнала (например, выбору кода), потерям в кабеле и разъемах.

Длина регенерационных участков может быть ограничена из-за шумов перераспределения мод лазеров, шумов, обусловленных отражением, модовых шумов в системах с многомодовым световодом. Указанные ограничения принципиально устранимы. Если в качестве излучателей выбран светоизлучающий диод (оптическая мощность мала и ширина спектра велика из-за некогерентности излучения), то трудности, вызываемые когерентными явлениями, такие как описанные ранее шумы, при этом устраняются. Спектральные свойства обычных многомодовых лазеров близки к свойствам светодиодов.

Волоконно-оптические ретрансляторы

На рис. 3.10 представлена структурная схема волоконно-оптического ретранслятора для системы с ИКМ. Искаженный и ослабленный оптический сигнал, после того как он пройдет по оптическому волокну, поступает на фотодиод, где происходит его преобразование в электрический сигнал. Малошумящий усилитель усиливает принимаемый сигнал. Эквалайзер компенсирует влияние приемника и дисперсию волокна, уменьшая межсимвольные помехи. Если дисперсия в системе ограничена, то при помощи эквалайзера можно увеличить расстояние между ретрансляторами. Эквалайзер не требуется, если главной задачей является сохранение оптической мощности. Устройство для восстановления сигнала состоит из компаратора сигнала, цепей восстановления отметки времени и формы сигнала, задающего устройства и источника излучения.

Регенератор должен воспроизводить нужную форму импульса. Эта операция осуществляется с использованием обратной связи, которая реагирует на выходной сигнал. Автоматическая цепь регулирования усиления корректирует изменения уровней входного сигнала, коэффициента усиления и температуры в лавинном фотодиоде. Чтобы воспроизвести нужную последовательность световых импульсов, необходимо обеспечить подачу периодически повторяющего сигнала времени, который синхронизируется с интервалами временных каналов принимаемых импульсов. Такой сигнал времени может формироваться из выходного сигнала приемного устройства путем использования синхронизированного по фазе сигнала цепи восстановления отметки времени, как это показано на рис. 3.10. Изменения в характеристиках импульса могут привести к флуктуациям фазы сигнала времени, что в свою очередь может вызвать к накопление суммарной ошибки на выходе. Для того, чтобы цепь фазовой синхронизации была надежной, следует определить оптимальное соотношение между требованиями, предъявляемыми к фильтру с узкой полосой пропускания в цепи фазовой синхронизации, и способностью стабилизировать модулированную по фазе составляющую сигнала.

Рис. 3.10 Структурная схема ретранслятора оптической системы ИКМ  1 – блок подачи напряжения; 2 – волокно; 3 – вход; 4 – фотодиод;  5 – усилитель блока ВЧ; 6 – эквалайзер; 7 – основной усилитель;  8 – блок восстановления отметки времени;  9 – блок автоматической регулировки усиления; 10 – фильтр;  11 – амплитудный детектор; 12 – компаратор (анализатор); 13 – логический блок; 14 – задающее устройство; 15 – источник излучения; 16 – выход; 17 - волокно

Основные преимущества когерентной волоконно-оптической системы связи состоят в следующем.

• Выигрыш в чувствительности по сравнению с наиболее широко используемым методом с модуляцией интенсивности излучения оптического источника и прямым детектированием оптического сигнала, который составляет 12..20 дБ и зависит от схемы модуляции-демодуляции и параметров фотодетекторов. Это преимущество позволяет довести длину участков линий когерентной волоконно-оптической связи до 100..200 км.

• Возможность использования вместо ретрансляторов полупроводниковых оптических усилителей и световодов с потерями менее 1дБ/км позволяет организовать линии связи длиной до   км с расстояниями между оптическими усилителями 40..60 км.

• Чрезвычайная узкополосность лазерных излучателей, присущая когерентным методам связи, снимает ограничение на длину линий связи, накладываемые дисперсией в световоде. Единственным параметром, ограничивающим длину линии, остаются потери в линейном тракте.

• Возможность использования когерентной модуляции – фазовой и частотной – обеспечивающих высокую помехоустойчивость.

• Уплотнение по оптической частоте с очень точным разделением несущих в приемнике.