9.5 Приемники волоконно-оптических систем связи

Цифровые волоконно-оптические системы связи (ВОСС) предназначены для передачи сигналов, несущих информацию от передающей информационной системы (ИС) к ИС приемника (абонента). Как передающая информацию ИС, так и принимающая информацию ИС работают с цифровыми электрическими сигналами. В то же время сам процесс передачи информационных сигналов осуществляется оптическими импульсами, распространяющимися вдоль волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Последовательность электрических сигналов (сообщение), формируемое передающей ИС, преобразовывается оптическим передатчиком в последовательность оптических сигналов, вводимых в оптическое волокно и распространяющихся в нем до приемной части. В приемной части ВОЛС оптические сигналы вновь преобразуются в электрические. Преобразование оптических сигналов в электрические происходит в приемниках оптического излучения.

Приёмники оптического излучения (фотоприемники) в цифровых системах связи представляют собой сложные устройства, осуществляющие преобразование световых сигналов в электрические [42]. 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. Приемники оптического излучения для таких систем и будут рассмотрены здесь, тем более что они имеют наиболее простую структуру. В последнее время в научных лабораториях интенсивно исследуются различные новые форматы модуляции. Приемники для таких систем имеют более сложную структуру, но в них составной частью присутствуют приёмники бинарных амплитудно-модулированных сигналов. Цифровой фотоприёмник (приёмник 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 происходит восстановление данных, а в четвертом – создание выходного электрического сигнала. Структура приемника показана на рис. 9.5.

Рис. 9.7. Структурная схема цифрового фотоприёмника

Преобразование модулированного светового излучения (светового сигнала) в модулированный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода усиливается малошумящим трансимпедансным усилителем. Выходящие из него электрические импульсы тока усиливаются линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), фильтруются и попадают в блок восстановления данных. В блоке восстановления данных усиленный электрический импульс делится на три части. Одна часть импульса используется для формирования 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 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 определённые моменты времени, соответствующие середине тактовых периодов. Интервалы времени, в которые происходит сравнение порогового тока с величиной тока фотодиода, задает генератор тактовой частоты. Для оптимальной работы фотоприёмника величина среднего значения усиленного тока должна примерно совпадать с пороговым значением. Выполнение этого условия обеспечивает блок автоматической регулировки усиления. Схема усиления управляет работой формирователя электрических сигналов, который в зависимости от результатов сравнения создаёт электрический сигнал, соответствующий логической «1» или логическому «0».

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. 9.6.

а) б)

Рис. 9.8. Возникновение ошибок в двоичных системах связи:

а) электрический информационный сигнал с шумом на входе схемы сравнения; б) плотность распределения вероятностей измеренных значений тока сигнала для «1» и «0»; I₀ – уровень нуля; I₁ – уровень единицы; I_D – уровень сравнения; t_D – длительность такта; P(1/0) – вероятность интерпретации

«0» как «1»; P(0/1) – вероятность интерпретации «1» как «0»

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. 9.4, б, графики функций F₁(I) и F₀(I) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рис., графики этих функций пересекают прямую, соответствующую уровню напряжения сравнения I_D. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма малая, но отличная от 0 вероятность интерпретации принятого сигнала. Вероятность P(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 I_D. При равной вероятности передачи «0» и «1» коэффициент ошибок определяется простым выражением

. (9.2)

В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратическими отклонениями σ₁, σ₂ для 1 и 0 соответственно коэффициент ошибки определяется выражением:

, (9.3)

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 фотоприёмника можно считать постоянными и не зависящими от мощности света. Очевидно, что в этом случае К_ОШ уменьшится при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличивается при его уменьшении. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи данных с заданным коэффициентом ошибок, называется чувствительностью оптического приёмника. 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 приёмников определяется многими факторами: нормируемым значением коэффициента ошибок, формой импульса, скоростью передачи информации, шириной полосы приёмника и шумами оптического излучения. Поэтому практически в спецификациях чувствительность приёмника задаётся только для вполне определённого передатчика, скорости передачи двоичных сигналов и их формы.

С увеличением скорости передачи информации чувствительность ухудшается (т.е. возрастает) в линейных единицах приблизительно пропорционально скорости В [бит/с]. Чувствительность современных цифровых высокоскоростных приёмников на основе p–i–n-фотодиодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 9.7).

В отсутствии шумов чувствительность фотоприёмника определяется квантовыми свойствами светового излучения и называется квантовым пределом чувствительности.

Рис. 9.9. Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приёмника на основе p–i–n-фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приёмников