книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей
..pdfпропускной способностью. В космических и атмосферных лазер ных линиях связи громадный коэффициент усиления передающих оптических антенн и соответствующая малая расходимость лазер ного луча такж е позволяют получить большое отношение сигналшум в приемнике в широкой полосе частот при маломощных пе редатчиках.
По условиям распространения оптические линии и каналы связи можно разделить на три категории:
•волоконно-оптические линии связи;
•лазерные космические линии связи;
•наземные атмосферные оптические линии связи.
Оптическая (лазерная) линия связи - это не просто линия свя зи с очень высокой (световой) несущей. По сравнению с система ми радиодиапазона сигналы и шумы в лазерных линиях связи имеют принципиально иной характер. При детектировании опти ческого сигнала, при котором происходит его преобразование в электрический, необходимо учитывать корпускулярную (кванто вую) природу оптического сигнала. В видимом диапазоне длин волн тепловые шумы отсутствуют. Поэтому оптические элементы приемника, такие как антенна, оптические фильтры и другие, не создают шумов, несмотря на активные потери в этих элементах. Ш ирина диаграммы направленности приемной оптической антен ны определяется не только апертурой антенны, но и размером фо тодетектора, который можно рассматривать как совокупность большого числа облучателей многолучевой антенны. Эти облуча тели запараллелены и в сумме создают относительно широкую диаграмму направленности приемной антенны. Имеется еще дос таточно большое число важных отличий оптических линий связи от линий связи радиодиапазона, которые рассмотрены в [13].
3.4.1. Сигналы и шумы в оптических линиях связи. Квантовый шум
Распространение оптических и радиосигналов в свободном пространстве, вычисление плотности потока мощности в точке приема и мощности, собираемой приемной антенной, определяют ся одними и теми же соотношениями. Отличия оптических сигна лов от сигналов радиодиапазона проявляются в процессе детекти рования оптических сигналов в фотодетекторе.
Оптический сигнал на входе фотокатода мощностью Рс следу ет рассматривать как поток фотонов со средним числом фотонов в секунду nc = Pc/h f, где Л - постоянная П л а н к а ;/- частота при
нимаемого оптического сигнала; h f —энергия одного фотона. При
внешнем фотоэффекте фотоны оптического сигнала выбивают с
поверхности фотокатода фотоэлектроны; энергия фотона преобра зуется в кинетическую энергию фотоэлектрона.
Кинетическая энергия фотоэлектрона позволяет ему покинуть поверхность фотокатода с энергией Е = й/'-^сро» где q — заряд
электрона; ср0 - работа выхода материала фотокатода; qq>0 - энер гия, необходимая электрону для преодоления связывающих сил фотокатода. Электрон оставляет фотокатод, если Е > 0. На часто тах, при которых h f < <уф0, фотон не может выбить электрон. Критическая длина волны для данного материала фотокатода, со ответствующая уравнению f\f=qq>0, равна А,0=/гс/дср0=1,24/ф0, где
с - скорость света. Внешний фотоэффект наблюдается в видимом участке света и используется для создания фотоэлектронных ум ножителей (ФЭУ), в которых фотоэлектроны, оставившие фотока тод, разгоняются электрическим полем, фокусируются и падают на следующую мишень —динод, выбивая вторичные электроны и т.д. Промышленные образцы ФЭУ имеют коэффициент усиления 105—107, т.е. один первичный электрон позволяет получить на вы ходе ФЭУ 105-1 0 7 электронов.
Отношение числа выбитых фотоэлектронов с фотокатода к числу падающих на фотокатод фотонов называется квантовой эф фективностью фотодетектора т|. Для ФЭУ в видимом диапазоне волн г) = 0,2 - 0,3.
В ближнем инфракрасном диапазоне волн (до Л. я 1,2 мкм) ис пользуются лавинные фотодиоды, работающие на внутреннем фо тоэффекте. Лавинные фотодиоды имеют высокое значение кванто вой эффективности, но малый внутренний коэффициент усиления порядка 100, т.е. один фотон создает на выходе фотодетектора по рядка 100 электронов.
На волнах длиннее 1,2 мкм отсутствуют фотодетекторы с внутренним усилением, хотя используемые фотодетекторы могут иметь высокую квантовую эффективность.
При падении фотонов на фотокатод в силу принципа неопре деленности квантовой механики фотоэлектроны на выходе фото катода появляются в случайные моменты времени и поток фото электронов является случайным процессом. Рассмотрим прием оптических импульсов сигнала длительностью х. Амплитуда элек трического импульса на выходе фотокатода равна г|нст - средне
му числу фотоэлектронов за время х. Флюктуации числа фотоэлек тронов относительно среднего значения являются неким шумом, который называется квантовым шумом.
Отметим две особенности квантового шума:
1) он неустраним, что следует из принципа неопределенности квантовой механики;
2) возникает только в момент присутствия оптического им пульса сигнала, в паузе между импульсами сигнала квантовый шум отсутствует.
При воздействии на фотокатод гармонического оптического колебания с постоянной амплитудой поток фотоэлектронов на вы ходе фотокатода является пуассоновским. Для всех практически важны х случаев приема оптических сигналов среднее расстояние по времени меж ду фотоэлектронами много больш е длительности импульса тока, создаваем ого одним ф отоэлектроном, другими словами, поток ф отоэлектронов на вы ходе ф отокатода является редким (с больш ой скваж ностью ).
Для пуассоновского закона распределения вероятность появ ления ровно к ф отоэлектронов в интервале врем ени т определяется вы раж ением
С реднее зн ачен и е пуассоновской п лотн ости вероятн ости есть г|ист, что д ает ам п ли туду п олезного и м п ульса си гн ала, а ди сп ер сия п уассон овской п лотн ости вероятн ости , равн ая так ж е т\йст, д ает м ощ н ость кв ан то во го ш ум а на вы ходе ф о то като д а .
О тн о ш ен и е м о щ н о стей с и гн а л -к в а н т о в ы й ш ум н а вы х о д е ф о то к ато д а в м о м ен т п р и ем а и м п у льса си гн ал а
Полагая, что nc=Pc/ h f и т =1/А/, где Af —полоса частот, за нимаемая оптическим импульсом сигнала,получаем
Это выражение аналогично выражению для отношения сиг нал-шум в радиоприемнике в полосе А/:
где N 0 =к Т - спектральная плотность теплового шума. Поэтом; при сравнении лазерных систем и систем радиодиапазона полап
ют условно, что в оптическом диапазоне частот N0=ft/ (условг
потому, что абсолютное значение квантового шума зависит мощности принимаемого сигнала, квантовый шум в паузахмеж импульсами отсутствуети др.).
С учетом вышеуказанных оговорок общее выражение для спектральной плотности тепло вого и квантового шумов запи
сывается |
следующим |
образом |
[13]: |
¥ |
|
N0 = |
+ hf. |
|
|
ehf /kT_ i |
10 102 103 104 io5 / ГГц
3 см 3 мм 300 мкм 30 мкм 3 мкм \
а
Первое слагаемое описыва ет спектральную плотность теп лового шума. При hf<^kT име
ем No = кТ. |
Второе |
слагаемое |
|
|
||||
описывает |
спектральную |
плот |
|
|
||||
ность |
квантового |
шума. |
При |
|
|
|||
h f» k T |
получим N0=hf. Спек |
|
6 |
|||||
тральные |
плотности |
отдельно |
|
|||||
теплового |
И |
квантового шумов |
Рис. 3.42. Спектральная плотность теп- |
|||||
приведены |
на рис. 3.42, а. Ре- |
лового и «вантового шумов (а), ре- |
||||||
|
|
|
~ |
* |
аг |
|
зультирующая спектральная плотность |
|
зультирующии график N0 пока- |
V1 |
шума (б) |
зан на рис. 3.42, б .
В приемнике оптических сигналов к квантовым шумам добав ляются дробовые шумы фотодетектора и тепловые шумы нагрузки фотодетектора и последующих цепей.
М инимально возможные шумы и максимальная протяжен ность (дальность) линии связи обеспечиваются, если результи рующие шумы приемного устройства определяются квантовыми шумами. В видимом диапазоне длин волн при использовании ФЭУ сигнал и квантовые шумы за счет очень большого внутреннего коэффициента усиления ФЭУ намного превышают шумы стоящих за ФЭУ цепей и усилителей. Поэтому чувствительность приемного устройства с ФЭУ определяется квантовыми шумами.
Вближнем инфракрасном диапазоне волн (X < 1,2 мкм) ис пользуются лавинные фотодиоды. Однако внутренний коэффици ент усиления лавинных фотодиодов недостаточен, и результи рующие шумы в этом диапазоне волн определяются дробовыми шумами лавинных фотодиодов.
Винфракрасном диапазоне волн (к > 1,2 мкм) отсутствуют фо тодетекторы с внутренним усилением, поэтому результирующие шумы в этом диапазоне волн будут также определяться дробовыми шумами фотодиодов. Из-за отсутствия фотодиодов с внутренним усилением чувствительность приемных устройств будет меньше, чем в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах волн.
Полупрозрачное
зеркало
Фотодетектор
Выход
Рис. 3.43. Процесс фотосмешения в гетеродинном приемнике
Резко поднять чувствительность приемников в инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн вплоть до преде ла, определяемого квантовыми шумами, возможно за счет гетеро динного метода приема с использованием лазерного гетеродина. Процесс фотосмешения и функциональная схема оптического ге теродинного приемника показаны на рис. 3.43.
Обозначим мс(0 = Uccos сос/ амплитуду электрического поля оптического сигнала. Аналогично для гетеродинного колебания запишем uv(t) = t/r cos шг/. Квадрат амплитуды суммарного элек трического поля на поверхности фотодетектора
22
К(0 + мг(О]2 = ^ - + ^ - + игисcos(<or- С0С)Л
Для оптической мощности, падающей на фотодетектор, мож но записать
Pit) = РС+ РГ + 2(РГРС)Шcos (<йг - сос)/.
Этой оптической мощности соответствуют два потока фото электронов: регулярный поток n(t) = r\P(t)/hf и квантовый шум с
дисперсией n(t). Регулярный поток фотоэлектронов создаст ток на выходе фотодетектора:
Kt) = qn(t) = -Ч \РС+РТ+2(РГРc)l/2cos (сог -С0с)/]. |
|||
¥ |
|
|
|
Ток на промежуточной частоте (радиочастоте), являющийся |
|||
полезным сигналом, |
|
|
|
|
„ Л1/2 |
|
|
'с(0 = — (РГРС)1/2 cos(cor-coc)t-2qr\ |
|
— cos(cor-<Bc) /= |
|
¥ |
\ рс; |
hf |
г с |
|
|
л'/2
дцпс cos((Dr-coc)/,
где nc=Pc/h f.
Д л я системы с прямым детектированием оптического сигнала (без гетеродина) и без внутреннего усиления фотодетектора ток на выходе фотодетектора равен icaqr\nc. Тогда для гетеродинного
приемника величина 2{РТРС)]П может рассматриваться как внут ренний коэффициент усиления фотодетектора при фотосмешении. Этот коэффициент может быть выбран достаточно большим, что бы можно было пренебречь влиянием всех шумов приемника, кроме квантового шума.
3.4.2. Волоконно-оптические линии связи
Волоконно-оптические линии связи произвели революцию в телекоммуникациях, предоставив возможность создавать каналы связи для стационарных абонентов практически с неограниченной пропускной способностью. Реальные скорости передачи информа ции по ВОЛС ограничиваются не оптикой, а электроникой. В на стоящее время ВОЛС для передачи информации используют диа пазон длин волн от 0,85 до 1,55 мкм. Доступная полоса частот Дf в диапазоне длин волн отf\ д о /2 определяется выражением
где с —скорость света.
Если длины волн выражать в микрометрах, то , ТГц,
где 1 ТГц (терагерц) = 1012 Гц.
Для дальней связи используется диапазон длин волн от 1,3 до 1,55 мкм, что дает доступную полосу частот 37 ТГц. Для связи на короткие расстояния в диапазоне от 0,85 до 1,3 мкм получим дос тупную полосу частот, равную 122 ТГц.
Возможности электроники позволяют создавать каналы связи со скоростью порядка 10 Гбит/с. Результирующая терабитовая скорость передачи информации по одиночной ВОЛС может быть обеспечена путем организации большого числа параллельных ка налов, уплотненных по частоте или длинам волн, DWDM {Dense Wavelength Division Multiplexing).
На сегодняшний день МСЭ стандартизировало четыре уровня скоростей передачи информации по ВОЛС в виде так называемых синхронных транспортных модулей STM {Synchronous Transport Module), представленных в табл. 3.4.
Тип синхронного |
Скорость передачи, Мбит/с |
транспортного |
|
модуля |
|
STM- 1 |
155,52 |
STM-Л |
622,08 |
STM- 16 |
2448,32 |
STM-в Л |
9953,28 |
Скорость передачи информации каждого последующего мо дуля в четыре раза превышает скорость передачи информации предыдущего модуля. Вышеуказанные скорости передачи образу ют так называемую синхронную цифровую иерархию (S D H - Syn chronous Digital Hierarchy), в которой синхронизация сетей SDH
создается на основе принудительной синхронизации всех тактовых частот от первичного эталонного генератора сети с нестабильно стью частоты не более 10'".
На сегодняшний день техника ВОЛС достигла высокого уров ня. Оптическое волокно изготавливается из кварца очень высокой степени очистки. Характеристики затухания оптического сигнала в кварцевом волокне приближаются к теоретическому пределу.
Кварцевое волокно имеет свое окно прозрачности. На длинах волн более 1,6 мкм кварцевое волокно полностью непрозрачно. Эту непрозрачность называют инфракрасным поглощением опти ческого сигнала. На длинах волн короче 1,6 мкм затухание опти ческого сигнала определяется молекулярным рассеянием Релея, обусловленным флюктуациями показателя преломления молеку лярной структуры вещества. При характерном размере р неодно родности показателя преломления и р<^А, рассеиваемая мощность оптического сигнала пропорциональна (р/А.)4 (приближение Релея
втеории рассеяния).
Минимальное (теоретически возможное) ослабление оптиче ского сигнала в кварцевом волокне в дБ/км показано на рис. 3.44. Результирующее ослабление сигнала учитывает инфракрасное по глощение сигнала, рассеяние сигнала, а также ряд других второ степенных факторов (ультрафиолетовое поглощение и др.).
Реальные оптические кварцевые волокна из-за наличия ни чтожных примесей все же создают заметное поглощение сигнала в отдельных участках спектра (например, в области 1,4 мкм) и име ют три окна прозрачности, рекомендованные МСЭ для ВОЛС: в диапазоне А. = 0,85 мкм (погонное ослабление порядка 2,8 дБ/км для многомодового волокна и 1,8 дБ/км для одномодового волок на), А. = 1,31 мкм (погонное ослабление 0,35 дБ/км) и А. = 1,55 мкм (погонное ослабление 0,16 дБ/км).
Ослабление,
дБ/км
1
|
/Инфракрасное |
4s' |
' ! поглощение |
\ |
1 |
|
\ |
|
|
|
|
|
N |
|
|
|
|
J_________ I______ I |
I |
I |
I' \ К |
I I |
I |
к , |
мкм |
||
0,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,8 |
2 |
||
1,1 |
|
|
Рис. 3.44. Ослабление оптического сигнала в кварцевом волокне
Характеристики оптических волокон непрерывно совершен ствуются. В лабораторных образцах для так называемого фтороцирконатного волокна получено погонное затухание всего 0,02 дБ/км.
Дальность связи или длина участка ВОЛС без ретрансляции ограничивается двумя факторами: энергетическим потенциалом линии связи и допустимым уменьшением полосы пропускания (дисперсионными искажениями) канала связи при увеличении длины участка ВОЛС. Для энергетических соотношений в оптиче ском канале связи можно записать:
км.
где Рп — мощность оптического сигнала, введенного в оптическое волокно на передающем конце линии связи; у - погонное затуха ние (дБ/км) оптического волокна; г - дальность связи, км; L - до полнительные потери в ВОЛС; Рпор - пороговая оптическая мощ ность сигнала на входе фотодетектора приемного устройства, не обходимая для обеспечения требуемой вероятности ошибки на бит (порядка 10~9—10”12) на выходе приемного устройства.
Дополнительные потери L включают потери сигнала в опти ческих разъемах (порядка 1 дБ на разъем) на передаче и приеме и потери при сращивании строительных длин /стр оптического кабе ля. Строительная длина оптического кабеля лежит в пределах
/стр = 2 - 10 км, потери на одно сращивание (сварку) кабеля состав ляют около 0,1 дБ.
Пороговая оптическая мощность сигнала зависит от типа фо тодетектора и величины его внутреннего усиления. В диапазоне 0,85 мкм используются лавинные фотодиоды с внутренним усиле нием за счет внутреннего фотоэффекта, что предопределяет суще ственно меньшую величину Рпор по сравнению с диапазонами 1,31 и 1,55 мкм, где отсутствуют фотодетекторы с внутренним усиле нием.
Число фотоэлектронов в единицу времени на выходе фотоде тектора, т.е. выходной ток фотодетектора пропорционален мощно сти оптического сигнала, падающего на фотодетектор. Передаточ ная функция фотодетектора выражается в ваттах на ампер. Дробо вой ток фотодетектора как величина, пропорциональная корню квадратному из выходной мощности шума фотодетектора, будет пропорционален величине (AF)U1, где A F —полоса частот фильтра на выходе фотодетектора, которая определяется спектром прини маемого сигнала.
Шум на выходе фотодетектора принято выражать через так называемую эквивалентную мощность шума Ршз, которая опреде ляется как мощность оптического сигнала на входе фотодетектора, которая создает ток на выходе фотодетектора величиной, равной среднеквадратическому значению дробового тока фотодетектора в полосе частот AF. Р шэ имеет размерность Вт/(Гц)|/2.
Для лавинных фотодиодов в диапазоне длин волн 0,85 мкм Лш имеет типовое значение порядка КГ14 Вт/(Гц)ш . Полагая, что для надежной работы оптической линии связи требуется отноше ние мощностей сигнал-ш ум порядка h1 = 20 дБ, получаем, что по роговая мощность оптического сигнала на входе фотодетектора
Pnop= h2Pm (AF)^2 и для указанных выше величин Р шэ = КГ14
Вт/(Гц)1/2, Л2 = 20 дБ и A F = 10 ГГц равна Рпор = 10-7 Вт. При мощ ности, вводимой в оптоволокно на передающей стороне BOJIC порядка Рпер = 10 мВт, получаем Р пер - Р пор = 50 дБ.
П ри н ц и п ы передачи сигналов по оптическом у волокну. Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает сердцевину, которая является оптически более плотной. Пусть щ и п2 — показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно. Закон преломления света Снеллиуса устанавлива ет, что
Л| sin 0 1 = n2 sin 02,
где 0! - угол падения; 02 —угол преломления (все углы измеряют ся от нормали к поверхности).
На рис. 3.45 показан ход лучей в волокне.