ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Приемники цифровых 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 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 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.

Приемники 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. 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 формы модуляции. Приемники для таких систем имеют более сложную структуру, но в них составной частью присутствуют приемники бинарных амплитудно-модулированных сигналов. Цифровой фотоприемник (приемник цифровой ВОСС с амплитудной модуляцией и прямым детектированием) 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 — восстановление данных, а в четвертом — создание выходного электрического сигнала. Структура прием­ника показана на рис. 9.21.

Преобразование модулированного светового излучения (светового сигнала) в модули­рованный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода усиливается мало - шумящим трансимпедансным усилителем. Выходящие из него импульсы тока усиливают­ся линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления (АРУ), фильтруются и попадают в блок восстановления данных, где усиленный электрический импульс делится на три части. Одна часть импульса используется для формирования частоты в блоке син­хронизации. Вторая часть электрического импульса служит для формирования постоянно­го порогового тока, используемого в качестве уровня сравнения с импульсами тока ин­формационного сигнала. Третья часть подается на схему сравнения, где сравнивается с пороговым значением тока для принятия решения о том, какой символ («1» или «О») пере­дан. Сравнивать значение импульса тока с пороговым значением необходимо в точно оп­ределенные 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 фотоприемника 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 вырабатывает электрический сигнал, соответствую­щий логической «1» или «О».

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 «О», 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. 9.22.

Sk

1 Р(1/0)

Из-за наличия шумов измеренное значение тока отличается от его точного значения. Разброс измеренных значений тока при передаче логических «1» и «0» описывается соот­ветствующими функциями Fi(I) и F0(I) плотности распределения вероятностей. На рис. 9.22, б графики функций Fi(I) и F0(l) показаны соответственно верхней и нижней кривыми. Как видно из рисунка, графики этих функций пересекают прямую, соответствую­щую уровню тока сравнения ID. Это означает, что существует некоторая, обычно весьма ма­лая, но отличная от нуля вероятность интерпретации принятого сигнала. Вероятность /’(l/O) ошибочной интерпретации «0» как «1» определяется площадью под частью функции рас­пределения F0(I), отсекаемой уровнем тока сравнения ID.

Аналогично вероятность ДО/1) ошибочной интерпретации «1» как «0» определяется площа­дью под частью функции распределения F(f), отсекаемой уровнем тока сравнения lD. При рав­ной вероятности передачи «0» и «1» коэффициент ошибок определяется простым выражением

*ош = (1 / 2)(/э(1 / 0) + Р(0 /1)).

В предположении гауссовского распределения шума с нулевыми средними значениями интенсивности и со среднеквадратическими отклонениями Oi и ст2 для «1» и «0» соответст­венно коэффициент ошибки определяется как

Где Q = ——— — показатель качества принимаемого сигнала.

Для нормальной работы цифровой системы связи необходимо, чтобы шум не превышал некоторого заданного значения. При фиксированной скорости передачи информации и пре­небрежении шумами самого светового сигнала шумы фотоприемника можно считать посто­янными и не зависящими от мощности света. Очевидно, что в этом случае Кош уменьшится при увеличении амплитуды полезного сигнала и увеличится при его уменьшении. Мини­мальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи данных с заданным коэффициентом ошибок, называется чувствительностью оптического приемника. В цифровых системах голосовой связи максимально допустимое значение коэф­
фициента ошибок обычно принимается равным 1(Г9. Чувствительность может выражаться в линейных единицах, производных от ватта (нВт, мкВт) или в логарифмических — децибе­лах по отношению к милливатту (дБм).

Реальная чувствительность приемников определяется многими факторами: нормируе­мым значением коэффициента ошибок, формой импульса, скоростью передачи информа­ции, шириной полосы приемника и шумами оптического излучения. Поэтому практически в спецификациях чувствительность приемника задается только для вполне определенного 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 приемников на основе рт-фото - диодов определяется тепловыми шумами трансимпедансного усилителя (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Зависимость чувствительности типичного цифрового оптического приемника на основе рт-фотодиода и квантовый предел чувствительности оптических приемников

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