Файл: Введение в радиооптику.pdf

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Дискриминация. Если предыдущие три функции в равной степени могли относиться как к обработке аналогового, так и цифрового сигнала, то функция дискриминации применяется только при обработке цифровых сигналов в ВОСС. Из-за наличия дисперсии при распространении света по ОВ фронты импульсов теряют первоначальную прямоугольную форму. Для восстановления их и предназначена цепь принятия решения или дискриминатор, который имеет заданный порог срабатывания. Если амплитуда поступающего на него сигнала меньше порога, то на выходе имеем 0, если же превосходит порог − 1. Главным недостатком такой регенерации цифрового сигнала является не соблюдение длительности импульсов. Чем меньше амплитуда поступающего на дискриминатор сигнала, тем короче могут быть импульсы, соответствующие единичному сигналу на выходе дискриминатора. Низкое значение порога также не желательно, поскольку можно ошибочно принять шум за полезный сигнал.

Для того, чтобы сохранялась длительность импульсов на выходе дискриминатора, необходимо, чтобы дискриминатор получал информацию о частоте, с которой должны следовать импульсы.

Рабата таймера. Основная функция таймера − это подавление ресинхронизации сигнала. Традиционный цифровой сигнал генерируется на характерной частоте (10−6 с). По мере передачи и ретрансляции сигнала случайные временные ошибки могут накапливаться и достичь уровня, сравнимого с длительность самого импульса. В результате приемник ошибочно может интерпретировать принятый бит или "потерять" бит. Такие случайные временные ошибки получили название джитер (jitter, дрожание). Их появление характерно при синхронном режиме передачи. Уменьшить джитер можно, повысив требования к стандарту частоты генератора импульсов. Однако если приемник имеет свой собственный таймер, то при длительном приеме будут проскакивать ошибки вследствие наличия джитера.

Дальнейшее уменьшение ошибок из-за джитера достигается в более современной технологии магистральных оптических сетей, основанных на так называемой синхронной цифровой иерархии SDH. В SDH при синхронной передаче в битовом потоке наряду с полезной информацией присутствуют специальные синхроимпульсы, по которым настраивается таймер приемника. В сложной сети SDH существует один независимый ведущий таймер (master clock), на который равняются другие устройства сети.

Достаточно полное использование возможностей, заложенных в чувствительном элементе фотоприемника, достигается только при правильном согласовании его параметров с усилительным трактом. Поэтому

180

Введение в радиооптику

вопросы схемотехники и микроэлектроники приобрели исключительное значение в технике приема излучения, в особенности с развитием многоэлементных структур. Низкий уровень собственного шума чувствительных элементов фотоприемника предъявляет сложные требования к предусилителям в микросхемном исполнении и коммутирующим устройствам.

Рассмотрим особенности построения фотоприемных устройств при различных методах выделения оптического сигнала.

В настоящее время для регистрации излучения оптического диапазона используют прямой фотоприем (детектирование) и гетеродинный метод. При прямом фотоприеме энергия излучения в пределах спектральной чувствительности непосредственно преобразуется фотоэлементом и выходной сигнал и определяется входной мощностью. Сущность же оптического гетеродинирования заключается в смешении сигналов оптической частоты и наблюдении биений волн от источника сигнала и от гетеродина. Гетеродинный прием стал возможным лишь при использовании лазеров, обладающих высокой степенью когерентности.

7.2 Особенности построения аналоговых и цифровых систем оптической связи и режимы их работы

Входным элементом цифровых систем оптической связи (как и в радиотехнических вариантах) здесь является приемная антенна, которая как и передающие, могут быть отражательного или рефракционного типа. Как правило, в приемных устройствах нет необходимости коллимировать луч на входе детектора, поэтому фотодетектор может быть просто помещен в фокальную точку отражательной или рефракционной приемной антенны, как показано на рис. 7.1 (а − линзовая система, б − оптика Ньютона, в − оптика Кассегрена). Для оптических приемных систем с прямым детектированием желательно выбирать диаметр приемной антенны (которой может быть обычный фотообъектив или собирающая линза) как можно большим, что позволит обеспечить максимум сигнальной энергии на входе детектора. Знание фазы не является обязательным при прямом детектировании, поэтому аберрации оптической системы (дисторсия и астигматизм) не имеют большого значения до тех пор, пока размер сфокусированной точки приемной антенны не превышает площади фотодетектора. Для гетеродинных и гомодинных фотоприемников (ФП) размеры оптической антенны ограничены площадью когерентности принимаемого луча.

На рис. 7.2 приведены функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) ФП. Аналоговые ФП принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе формируют аналоговый электрический сигнал.

181

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

в)

Рисунок 7.1 − Структуры ФП антенн

К аналоговым ФП предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов. На протяженных линиях с большим количеством приемо-передающих узлов искажения и шумы накапливаются, что снижает эффективность аналоговых многоретрансляционных линий связи.

а)

Таймер

б)

Рисунок 7.2 − Функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) фотоприемников

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов, поскольку ФП содержит узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги для сигналов 0 и 1, он же устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

182

Введение в радиооптику

Различают синхронные и асинхронные режимы приема-передачи цифрового сигнала [8, 10].

При синхронном режиме битовый поток между приемником и передатчиком носит непрерывный характер.

При асинхронном режиме данные передаются в виде битовых последовательностей − пакетов. В промежутках между пакетами линия молчит − сигнала нет. При синхронном режиме приема-передачи таймер приемника выделяет в приходящей битовой последовательности специальные сигналы − синхроимпульсы, на основании которых приемник регулирует свои часы.

При асинхронном режиме приема-передачи у приемника работает свой независимый таймер. Принимая преамбулу, таймер настраивает узел принятия решения так, чтобы определение приходящего бита выполнялось на его середине. Электрический сигнал, который выдает узел принятия решения, идет на частоте таймера. Так как есть погрешность у разных таймеров, то, по мере принятия последующих битов пакета, момент определения приходящего бита плавно смещается в одну из сторон относительно середины приходящего бита. Для правильной идентификации всех битов пакета важно, чтобы смещение за время принятия пакета не превысило 0,5 бита. Это приводит к ограничению на максимальную длину пакета. Чем меньше погрешность таймеров, тем большая длина пакета может использоваться для передачи.

Элементы структур ФП

Следует отметить, что для ослабления фонового излучения особенно в лазерных атмосферных системах связи (ЛАСС), перед фотодетектором устанавливаются оптические фильтры (поглощающие, рассеивающее поляризационные и интерференционные). Поглощающие фильтры характеризуются относительно широкими полосами пропускания. Рассеивающие фильтры изготовляются из оптически прозрачных материалов, которые на центральной длине волны однородны, а на всех других длинах рассеивают излучение.

Полоса пропускания и центральная частота фильтра зависят от показателей преломления материалов, размеров частиц и толщины фильтра. В ИК-диапазоне с помощью рассеивающих фильтров может быть получена полоса около одного микрона. Если поляризация оптического излучения, падающего на ФП, известна, то можно использовать поляризационный фильтр. Поляризатор, настроенный на плоскость поляризации оптической несущей, помещается перед двулучепреломляющей кристаллической пластиной, вносящей фазовый сдвиг. Кристалл вносит фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами; фазовый сдвиг пропорционален оптической частоте. Длина кристалла выби-

183