ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

ектория переходов по диаграмме соответствует движению по часовой стрелке, а при передаче цепочки 000...0 - движению в обратном направлении. Передача случайных данных сопровождается «блужданием» между тремя состояниями. Существенно, что не бывает ситуаций, при которых одно и то же состояние повторяется в соседних тактах.

Рисунок 8.5 − Диаграмма переходов передатчика между тремя возможными состояниями

Преобразователь R трехуровневого сигнала в двухуровневые (см. рис. 8.5) формирует двухразрядный код текущего состояния сигнала в пинии и выделяет синхросигнал на основе регистрации фронтов импульсов. В начале очередного битового интервала в регистре RG2 фиксируется предыдущее состояние линии, так что логическая схема L2 оперирует предыдущим и текущим состояниями трехуровневого сигнала. В зависимости от их комбинации можно сделать однозначный вывод о том, какой бит (логический 0 или логическая 1) поступил на вход приемника.

Декодирование сигналов в приемнике поясняется аналогичной диаграммой но с несколько иной интерпретацией событий (рис. 5.16, б). Предположим, что ранее принятое и текущее состояния трехуровневого сигнала соответствуют показанным на рисунке. Непосредственный переход между этими состояниями возможен только по одному пути, который соответствует приему единичного бита. Поэтому на выходе логической схемы L2 формируется сигнал DАТА′ = 1.

Особенность этой схемы кодирования - декодирования состоит в том, что при передаче цепочки битов вида 010101... в зависимости от предыстории может случиться так, что все импульсы будут иметь одинаковую полярность. Это означает, что в сигнале появится постоянная составляющая, что для многих систем недопустимо. Чтобы избежать этого, можно применить скремблирование данных на входе передатчика и их дескремблирование на выходе приемника.

221

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Напомним, что применение этих операций позволяет получить псевдослучайный поток битов, в котором устранены нежелательные закономерности их чередования.

В заключении данного пособия рассмотрим некоторые вопросы проектирования оптических систем связи, что позволит ориентироваться в проблеме объединения таких устройств с радиосистемами, а также создавать системы оптимального формирования каналов связи.

9 МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ВОСС

Последовательность инженерного расчета ВОСС приведена в конце раздела (табл. 9.3).

На первом этапе расчета уточняют и анализируют данные технического задания. Определяют скорость передачи информации (для цифровых систем) или передаваемую полосу частот для аналоговых систем и соответственно Рош или с/ш для указанных систем (пп. 1, 2). Затем выполняют анализ сигналов, передаваемых ВОСС. В цифровых системах выбирают наиболее оптимальный код, а в аналоговых − способ модуляции. Выбирают топологию схемы распределения данных, подсчитывают необходимое количество ОУ (п. 3).

Вторым этапом расчета является выбор подходящего ВОК (п. 4); для этого на основе имеющегося в наличии парка элементов выбирают кабель, наиболее полно удовлетворяющий требованиям системы по своим физико-механическим, массогабаритным и стоимостным характеристикам, определяют его технические и оптические характеристики. Фактически этот этап выбора кабеля можно отложить до окончания расчета, задавшись в п. 2 некоторыми значениями затухания и дисперсии в ОВ, свойственными имеющимся в наличии кабелям и позднее сделать вывод, удовлетворят ли данные значения требованиям системы. Однако на данном этапе внедрения ВОСС набор имеющихся в распоряжении разработчика типов ВОК относительно невелик и его выбор можно выполнить в п. 2.

Третьим этапом расчета является выбор источника излучения и способа кодирования [с невозвращением в нуль (код NRZ) из взятой из паспортных данных источника средней выходной мощности вычитается 3 дБм, при коде с возвращением в нуль (RZ) 6 дБм (это обусловлено уменьшением средней излучаемой мощности кодированного сигнала по сравнению с непрерывным режимом)]. Для других типов кодов уменьшение величины Рср по сравнению со случаем сигналов с кодом NRZ пропорционально увеличению ширины полосы сигнала относительно режима работы с кодом без возврата в нуль.

222

Введение в радиооптику

Для увеличения срока службы излучателей, что снижает эксплуатационные расходы и повышает надежность системы, уменьшают его пиковую мощность, так как работа излучателя при повышенных токах накачки ускоряет процесс его деградации. В расчетах это учитывается вычитанием из величины Рср 3 дБм [77, 78].

Тип ФП выбирают после выбора источника излучения (четвертый этап расчета). При этом стремятся, чтобы ФП имел максимальную чувствительность в рабочем диапазоне волн. Тип ФП (ЛФД или p-i-n) определяют исходя из имеющегося в наличии парка элементов и общих требований, предъявляемых к системе. Требуемую чувствительность ФП Рпр дБм, обычно определяют исходя из заданных значений скорости передачи информации В, бит/с, или полосы В, МГц, и величин Рош, или с/ш (для цифровых и аналоговых систем соответственно). Определяют Рпр, дБм, обычно по графикам, подобным показанным на рис. 9.1 [78 − 81].

223

Введение в радиооптику

в ВОСС, как правило, стараются сокращать число разъемных соединений. Типовые потери в указанных типах разъемов для различных ОВ ука-

заны в табл. 9.1 [77, 83, 84].

Всистемах с многими ОУ следует учесть суммарные потери при прохождении сигналом устройств распределения данных (табл. 9.3, п. 18). Их можно оценить с помощью методики, описанной ниже. Для более точной оценки указанной величины, для конкретной топологии распределительной сети следует учесть точные значения потерь в различных элементах системы (разветвителях, ответвителях, разъемах и т.д.).

Впрактически используемых ВОСС в зависимости от условий их эксплуатации необходимо предусмотреть определенный допуск изменений параметров системы при изменениях температуры окружающей среды (табл. 9.3, п. 19). Во многих случаях в приемных и передающих модулях ВОСС вводятся схемы температурной компенсации. В табл. 9.2 [78, 86, 87] приведены допуски, которые должны учитываться при тепловых колебаниях в зависимости от температурного диапазона и использования схем компенсации.

Кроме того, в ВОЛС должен предусматриваться запас по мощности сигнала в расчете на возможное ухудшение параметров компонентов ВОСС (источников излучения, фотодетекторов, ОВ и др.) во времени (табл. 9.3, п. 20). В табл. 9.4 [78, 87] приведены типовые допуски на энергетический запас в системе, обусловленные ухудшением параметров во времени элементов оптических систем при различных их комбинациях.

225

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

После проведенных расчетов можно определить суммарное затухание в системе путем суммирования всех описанных ранее в табл. 9.3, пп. 14 − 20 потерь (п. 21). Энергетический запас системы Р22 определяют как разность между полным запасом мощности Р13 и суммарным затуханием Р21 (табл. 9.3, п. 22). Величина Р22 для работоспособной системы должна быть положительной. Однако при расчетах значение Р22 может получиться и отрицательным. Если значение Р22 отрицательно, то для удовлетворения требования Р22 > 0 следует заменить в приемнике ФД на ЛФД, СИД − на лазер, использовать другую топологию распределительной сети, вносящую меньшие потери, применить другой кабель из имеющихся в наличии у разработчика, обладающий меньшими потерями; кроме того, если это позволит имеющаяся в наличии элементная база ВОСС, следует перейти работать в другой частотный диапазон (например, из диапазона 0,8...0,9 мкм в 1,3 мкм), где потери в системе меньше. Если эти меры не приведут к положительным значениям Р22, необходимо включить в линию ретрансляторы. В протяженных линиях междугородной связи, подводных ВОСС для обеспечения связи приходится использовать значительное количество ретрансляторов. При передаче цифровой информации применение ретрансляторов ограничивается в основном стоимостью системы и допустимой величиной Р, для всей магистрали. В аналоговых ВОСС применение ретрансляторов существенно ограничено вследствие накопления искажений сигналов в каждом ретрансляторе.

После удовлетворения требований к уровню оптической мощности в системе необходимо рассчитать быстродействие системы, чтобы определить, смогут ли выбранные компоненты ВОСС обеспечить требуемую скорость передачи или полосу пропускания сигнала. Для этого вначале находят полное допустимое время нарастания сигнала в системе. Указанный параметр определяют с помощью данных табл. 9.5 (табл. 9.3, п. 23) [78]. Первые два пункта табл. 9.5 относятся к передаче цифровых сигналов, а третий и четвертый − аналоговых. Пятый пункт соответствует сигналам, качественной характеристикой которых обычно является полоса частот, а не скорость передачи (например, ТВ сигналы).

После определения допустимой дисперсии системы необходимо узнать быстродействие источника (табл. 9.3, п. 24) и фотодетектора или приемного модуля (пп. 25, 26). Указанные величины определяют по справочным данным [79, 84, 86, 87] или по паспортам имеющихся в наличии элементов ВОСС.

Затем для выбранного типа ОВ, зная рабочую длину волны излучателя λ0 и ширину спектра его излучения σλ, определяют быстродействие, обусловленное межмодовой, материальной и волноводной дисперсией (табл. 9.3, [83, 84, 88]). Методы расчета указанных величин приведены

226

Введение в радиооптику

выше. Находят результирующее быстродействие системы при выбранной элементной базе (табл. 9.3, п. 29). После этого в табл. 9.3, п.30 с учетом запаса на неточность паспортных данных элементов ВОСС, параметров ВС рассчитывают реальное быстродействие всей системы tзо. Потом рассчитанное значение tзо сравнивают с допустимым быстродействием системы. Если tзо > V, необходимо использовать более быстродействующие излучатели и приемники ВОСС, ОВ с меньшим значением дисперсии. Одним из возможных способов снижения дисперсии переход от многомодовых ОВ со ступенчатым изменением n по радиусу к градиентным и одномодовым ОВ или переход от диапазона λ = 0,8...0,9 мкм к λ ≥ 1,3 мкм. В диапазоне λ ≥ 1,3 мкм возможна взаимная компенсация материальной и волновой дисперсий в одномодовых ОВ, что позволяет получить наименьшую дисперсию в кабеле [84, 88].

Другим возможным способом реализации системы является увеличение значения V для получения неравенства tзо < V, которого можно достигнуть снижением скорости передачи (полосы передаваемых частот) системы путем передачи необходимой информации не по одному ОВ, 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) [84]. Выбор одного из указанных вариантов решений определяется наличием технических устройств, реализующих такие системы, и экономических оценок.

Если при имеющемся парке элементов получить tзо < V не удастся, следует ввести в систему ретрансляторы, что позволит сократить длину усилительного участка L.

После расчета системы, т.е. выполнения соотношений P22 > 0, tзо < V, следует выполнить анализ системы, определив основные факторы, накладывающие oграничения на систему. Следует отметить, что ограничивает длину регенерационного участка системы: энергетический запас или временные параметры (быстродействие). Если ограничивают длину участка энергетические параметры, то можно ослабить требования к быстродействию излучателей и приемников, дисперсии в ОВ; если быстродействие − можно ослабить требования к чувствительности приемника, мощности излучаемой источником, типу передаваемого сигнала (например, выбору кода), потерям в кабеле и разъемах. Указанные снижения требований позволят изменить элементную базу ВОСС в сторону ее упрощения и снизить стоимость системы.

В приведенных расчетах не учтено, что ограничение длины регенерационных участков может происходить из-за шумов перераспределе-

227

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

ния мод лазеров [81], шумов, обусловленных отражением [81], модовых шумов в системах с многомодовым ОВ [90].

Указанные ограничения принципиально устранимы. Если в качестве излучателей выбрать СИД, оптическая мощность в ОВ мала и ширина спектра велика из-за некогерентности излучения, то трудности, вызываемые когерентными явлениями, такими, как описанные ранее шумы, при этом устраняются. Спектральные свойства обычных многомодовых лазеров близки к свойствам СИД. Ограничения в системах с одномодовыми ОВ, обусловленные скачкообразной сменой мод в лазере [81], устраняются путем применения динамически одномодового лазера. Шумы, имеющие наиболее существенное значение в аналоговых ВОСС, и способы борьбы с ними указаны выше. Последовательность выбора основных компонентов ВОСС в процессе расчетов, указанных в табл. 9.3, и работы с имеющимся парком элементной базы оптических систем связи показа-

ны на рис. 9.3 − 9.5.

Таблица 9.3.

Таким образом, последовательность инженерного расчета ВОСС сводится к выполнению следующих процедур:

I. Определение требуемой полосы или скорости передачи, топологии системы:

1.Требуемая полоса частот, В, МГц или требуемая скорость передачи, В, мБит/с.

2.Требуемые с/ш, дБ или Рош.

3.Способ кодирования, расстояние между ОУ, L, км, или тип схемы распределения данных, число ОУ N.

II. Выбор типа оптического волокна:

4.Тип кабеля, затухание α, дБ/км, масса 1 м, кг, количество волокон, стоимость, параметры волокон NA, n.

III. Выбор источника излучения, определение его параметров:

5.Тип источника, средняя выходная мощность Рср, дБм.

6.Технические параметры источника излучения, λ0, нм, σλ, нм.

7.При цифровой передаче сигналов с возвращением в нуль (код RZ) из Рср вычесть 6 дБм, без возвращения в нуль (код NRZ) Р7 = 3 дБм.

8.При работе источника в режиме половинной мощности вычесть P8 = 3 дБм.

9.Суммарная мощность излучения, дБ·м, Р∑ = Рср − Р7 − Р8.

IV. Выбор фотоприемника, определение его параметров:

10.Тип фотоприемника.

11.Технические параметры приемника.

228

Введение в радиооптику

12. Требуемая оптическая чувствительность в приемнике Рпр,

дБм.

V. Энергетическая характеристика системы:

13.Полный запас по мощности, дБ, Р13 = P∑ − Рпр. VI. Потери в линейном тракте:

14.Полные потери в оптическом кабеле, дБ, P14 = α∑L.

15.Потери при вводе света из волокна в фотоприемник Р15, дБ.

Рисунок 9.3 − Схема алгоритма бора оптического кабеля

16.Потери при выводе света из волокна в фотоприемник P16, дБ.

17.Потери в кабельных разъемах и соединениях P17, дБ.

18.Потери в системе распределения данных P18, дБ.

229

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

VII. Запас по мощности сигнала:

19.Допуск на температурные изменения характеристик элемен-

тов Р19, дБ.

20.Допуск на ухудшение параметров элементов ВОСС во време-

ни Р20 дБ.

VIII. Энергетический запас системы: 21. Суммарное затухание в системе, дБ,

Р21 = Р14 + Р15 + Р16 + Р17 + Р18 + Р19 + Р20.

Рисунок 9.4 − Схема алгоритма расчета и выбора передатчика

22. Энергетический запас системы дБ, Р22 = Р13 + Р21. Если Р22 ≤ 0, следует изменить элементную базу системы или ввести дополнительные ретрансляторы.

230