книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

пропускной 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.).

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:

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.

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

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.