5.1. Искажения и шумы в цволт

Основным видом искажений, воздействующих на сигналы, передава­емые по линейным трактам ЦВОСП, являются дисперсионные искажения в волокне. Дисперсионные искажения представляют собой рассеяние во времени частотных и (или) модовых составляющих оптического сигнала, передаваемого по волокну. При передаче цифровых оптических сигналов по кабелю эти искажения проявляются в уширении импульсов на выходе кабельных участков по сравнению с входными импульсами (рис. 5.1). Это уширение определяется по формуле (5.1).

, (5.1)

где t_вых и t_вх  длительности импульса на выходе и входе ОВ соответственно.

Рис. 5.1. Дисперсионное искажение одиночного импульса

оптического излучения в световоде

Уширение импульсов означает ограничение полосы пропускания оптического кабеля F, скорости передачи B по нему цифровых сигналов и длины участка ОВ:

F = ^1 и (5.2)

B  F  0,25/ l_р, (5.3)

где F  полоса частот, МГц;

B  скорость передачи, Мбит/с;

  среднеквадратическая дисперсия ОВ, мкс/км;

l_р  длина участка ОВ(регенерации), км.

Среднеквадратическая дисперсия  зависит от типа используемого в кабеле волокна и ширины спектра источника излучения.

Для многомодовых волокон величина  определяется из соотношения

 = 0,25/f , (5.4)

где f - коэффициент широкополосности ОВ, МГц/км.

Для одномодовых волокон обычно указывается нормированная среднеквадратическая дисперсия _н, мкс/(нмкм), связанная с  соотношением

 = 10^12_н , (5.5)

где   ширина полосы оптического излучения, нм.

Для СИД  = 25 ... 40 нм, для ЛД  = 0,2 ... 5 нм.

Типичные значения дисперсии в зависимости от типов ОВ и источника оптического излучения составляют  = 20 ... 50 нс/км, что соответствует скоростям передачи В = 50 ... 20 Мбит/с.

Дисперсия минимальна в кабелях с одномодовыми волокнами при применении одномодового лазерного диода.

Кроме воздействия дисперсионных явлений в ОВ оптический сигнал подвержен воздействию помех, обусловленных шумами различного происхождения. Под шумом понимаются случайные флуктуации тока, накладываемые на сигнал, которые возникают в различных элементах системы передачи.

В ЦВОЛТ шумы складываются из следующих шумов:

 источника оптического излучения;

 волоконного световода;

 приемника (фотодетектора и последующих каскадов обработки сигнала).

Шумы источника оптического излучения различаются в зависимости от его типа. При использовании ЛД шумы источника определяются шумами квантовыми, токораспределения и отражения.

Физическая природа квантовых шумов близка природе дробовых, обусловленных флуктуациями тока инжекции. Эти шумы возрастают вблизи порога генерации, затем уменьшаются с ростом тока инжекции. При значительном превышении порога генерации в ЛД могут появиться дополнительные лазерные моды, что приводит к увеличению квантовых шумов. Влияние квантовых шумов можно ослабить ограниче­нием полосы частот тока накачки, а также применением ООС по пере­даваемому оптическому сигналу.

Шумы токораспределения обусловлены взаимодействием различных излучающих мод ЛД и отсутствуют в одномодовом режиме.

Шумы отражения возникают в месте стыка ЛД и ОВ и обусловлены появлением дополнительных мод, огибающая спектра которых значи­тельно шире спектра основного излучения. Снижение шумов отражения может быть достигнуто применением оптических вентилей.

При использовании СИД основными видами шумов являются дробовые и контактные.

Дробовые шумы обусловлены прохождением тока инжекции через слои различной проводимости, отражением света от металлизированных поверхностей и связанными с этим флуктуациями интенсивности светового излучения.

Контактные шумы вызваны флуктуациями проводимости слоев полупроводников различного типа, образующих СИД, их неоднородностью и несовершенством контактов между ними.

Оптическому волокну как направляющей среде присущи такие шумы, как квантовый, модовый, попутного потока и переходной помехи.

Квантовый шум вызван тем, что при вариации мощности (частоты) источника излучения возникают фазовые флуктуации на торце ОВ, которые приводят к флуктуациям фототока.

Модовый шум (шум биений) обусловлен взаимодействием мод, распространяющихся по одному волокну, между собой и определяется их количеством. Особенно сильно влияние при маломодовом (5 ... 10) составе светового потока. При многомодовом (сотни мод) составе светового потока данным видом шума можно пренебречь.

Шумы попутного потока возникают в результате многократного отражения на неоднородностях ОВ светового потока. Эти шумы важно учитывать в ВОСП, использующих ЛД с высокой степенью когерентности и ООВ.

Шумы переходной помехи могут появляться только в местах сты­ковки строительных длин ОК в виде засветки полезного сигнала при переходе из одного ОВ в другое. Эти шумы легко устраняются приме­нением защитных покрытий мест соединений ОВ.

Обычно шумы источника и ОВ удается снизить до пренебрежимо малой величины и в инженерных расчетах их можно не учитывать.

Следовательно, шумы в ЦВОЛТ определяются в основном шумами элементов ПРОМ регенерационных и оконечных пунктов. Для изучения природы шумов приемника оптического излучения воспользуемся эквивалентной шумовой схемой фотоприемника прямого детектирования (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Эквивалентная схема фотоприемника прямого детектирования

На приведенной схеме содержатся источники как полезного сигнала I_ф, так и шумовых токов, влияющих на него: дробовых шумов I_др и собственных шумов усилителя I_ш. Активное сопротивление R отражает сопротивление нагрузки фотодетектора и активную составляющую входного сопротивления усилителя. Эквивалентная емкость С представляет собой параллельное соединение собственной емкости фотодиода, паразитной емкости монтажа и входной емкости усилителя.

Принимаемое излучение является случайным потоком фотонов, что обусловливает появление фототока I_ф в нагрузке фотодетектора.

I_ф = Р_о S_i , (5.6)

где Р_о  средняя оптическая мощность принимаемого сигнала;

S_i  токовая чувствительность фотодетектора.

На полезный сигнал накладываются шумы ПОМ, которые складываются из дробовых шумов и шумов усилителя. Средний квадрат шумового тока фотоприемника

, (5.7)

где  средний квадрат суммарного тока дробовых шумов;

 средний квадрат тока собственных шумов усилителя.

В свою очередь дробовые шумы проявляются в виде дробового шума сигнальной составляющей фототока и дробового шума темнового тока

(5.8)

Средний квадрат дробовых шумов определяется по формуле Шоттки

, (5.9)

, (5.10)

где I_ф  первичный фототок без учета лавинного умножения;

I_т  темновой ток ( для ФД на основе Si I_т = 1 ... 810^9 А, для ФД на основе Ge I_т = 1 ... 810^7 А);

q  заряд электрона;

В  скорость передачи;

М  коэффициент лавинного умножения (для p-i-n ФД М = 1);

F_m коэффициент избыточного шума, вызванного фотоумножением или шум-фактор (для p-i-n ФД F_m=1).

С учетом (5.9) и (5.10),

(5.11)

Собственные шумы усилителя определяются выражением

, (5.12)

где F_у – коэффициент собственного шума усилителя.

Тогда все источники шума в фотоприемнике могут быть представлены в виде одного эквивалентного генератора шумового тока, средний квадрат которого в соответствии с (5.8)

. (5.13)

Для фотодетекторов на p-i-n диодах в формулах (5.9), (5.11), (5.13) М и F_m принимаются равными 1.

Как видно из вышеизложенного, особенностью фотоприемника является зависимость величины шума от величины полезного сигнала и коэффициента лавинного умножения. В цифровых ВОСП прием "1" осуществляется при большем уровне шума, чем "0". При малых значениях М и Р_о определяющими являются собственные шумы усилителя, а с увеличением М больше определенного значения начнут преобладать дробовые шумы, что приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум (с/ш). Следовательно, существует оптимальный коэффициент лавинного умножения, при котором отношение сигнал/шум (с/ш) принимает максимальное значение. Это оптимальное значение М определяется из условия d_(с/ш)/d_М = 0.

Подводя итог, необходимо отметить:

1. Дисперсионные искажения цифрового сигнала в ОВ не являются серьезным препятствием в работе низкоскоростных (1,2 ступени иерархии) ЦВОСП, однако для высокоскоростных ЦВОСП влиянием этих искажений пренебрегать нельзя.

2. Основным видом шумов, влияющих на качество передачи в ЦВОЛТ, являются шумы приемного оптического модуля. Учет этих шумов достаточен для инженерных расчетов помехозащищенности регенератора, однако при более глубоком анализе (в научных и специальных исследованиях) необходимо учитывать влияние и других источников шумов.