15. РЕГЕНЕРАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

15.1. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ОШИБОК ПРИ РЕГЕНЕРАЦИИ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

15.1.1. Идеальная цифровая система связи

В приемнике цифровой системы связи за трактом линейного усиления следует регенератор цифрового сигнала, как это показано на структурной схеме, приведенной на рис. 15.1. В состав линейного усилителя включено любое устройство коррекции или фильтрации, которое может быть реализовано, а перед регенератором сигнала помещено решающее устройство. В оптическом ретрансляторе регенерированная импульсная последовательность непосредственно модулирует выходное излучение излучателя и таким образом осуществляет передачу

сигнала в линию связи. В приемнике на выходе линии связи необходимо осуществить разделение каналов и детектирование принятых сигналов для того, чтобы можно было восстановить форму модулирующего сигнала. Настоящая глава посвящена определению наименьшего отношения сигнал-шум в приемнике, при котором восстанавливается принятый сигнал с требуемой точностью воспроизведения. В предыдущих глазах уже приводились эмпирические оценки этого отношения. Так, в гл. 1 и 3 было отмечено, что типичные значения минимально допустимой мощности на входе приемника лежат в диапазоне Далее в гл. 14 было показано, что требуемое отношение сигнал-шум должно быть равно 12 (21,6 дБ). В примере, рассмотренном в § 14.6, эта величина была принята равной 20, чтобы обеспечить запас по мощности, и это привело к необходимости заметного повышения уровня мощности на входе приемника. Однако приведенные значения требуемого отношения сигнал-шум основывались на умеренных технических требованиях к усилителю приемника.

Под цифровой оптической системой связи будем понимать систему, в которой поток данных в двоичной системе счисления передается путем модуляции источника излучения таким образом, что излучаемая им энергия во время передачи 1 бита равна одному из двух уровней. Другими словами, она может иметь высокий или низкий уровень, соответствующий 1 или 0. Излучение может принимать форму короткого импульса за время передачи каждого бита информации. Такой способ передачи сигналов известен как способ с пассивной паузой, использующий коды с возвращением к нулю -коды). И наоборот, уровень мощности излучения может поддерживаться более или менее постоянным за все время передачи бита информации. Этот способ называется способом с активной паузой, использующим коды без возвращения к нулю -коды).

С целью упрощения анализа определим идеальную систему связи с ИКМ как систему со следующими характеристиками:

время передачи бита (тактовый интервал) постоянно и равно следовательно, скорость передачи информации

при передаче 1 оптическая энергия, излучаемая за время передачи одного бита, равна а при передаче 0 — нулю. Оптическая энергия, принимаемая в соответствующие моменты, равна и нулю;

Рис. 15.1. Структурная схема приемника цифровой оптической системы связи

Рис. 15.2. Временная диаграмма оптического сигнала на входе приемника идеальной цифровой системы связи

оптическая мощность принимает форму импульса в некоторые фиксированные моменты в течение тактового интервала, как показано на рис. 15.2;

в распространяющемся информационном потоке существует одинаковая вероятность того, что передается 1 или 0. Это характерная черта большинства используемых в связи кодов. В таком случае усредненную за продолжительное время принимаемую мощность можно выразить через среднюю мощность принимаемую за время передачи бита при посылке 1. Таким образом,

Реальная система связи отличается от идеальной следующим:

время передачи бита информации не остается постоянным — этот эффект называют фазовым дрожанием цифрового сигнала;

излучаемая оптическая энергия не остается строго одной и той же при передаче как каждой 1, так и каждого 0: будет иметь место шум передатчика, приводящий к случайным изменениям амплитуды от импульса к импульсу. Флуктуации принимаемой энергии затем увеличиваются из-за изменений затухания в канале связи;

весьма вероятно, что при передаче 0 излучается малый, но вполне определенный уровень энергии, помимо шумов передатчика и канала. Отношение средней энергии, принимаемой при передаче к таковой при передаче называется коэффициентом затухания

Полагают, что в идеальной системе однако обычно это не имеет места, особенно если лазерный источник излучения смещен вблизи порога генерации;

конечная длительность излучаемых импульсов и дополнительная временная дисперсия во время их распространения означают, что в практических системах связи часть энергии, относящаяся к одному

конкретному периоду передачи бита, в действительности поступит во время передачи соседних битов. Этот эффект называют взаимными помехами между символами (межсимвольной помехой).

15.1.2. Причины появления ошибок при регенерации цифровых сигналов

После первоначального усиления принятый приемником сигнал поступает на решающее устройство, которое его стробирует в некоторой точке в течение каждого тактового интервала и затем сравнивает полученное значение отсчета с некоторым заданным пороговым уровнем. Если амплитуда отсчета превышает порог, генерируется 1, если нет, предполагается, что передан 0. При наличии ошибок регенерированный сигнал будет отличиться от сигнала, переданного первоначально. Определение приемлемого значения коэффициента ошибок является существенной частью технических требований на любую систему связи. В соответствии с международным стандартом на цифровые телефонные каналы связи в линии протяженностью допускается не более 2 ошибок при передаче бит информации. Обычно это выражается в виде вероятности ошибки во всей линии, как Это означает, что для каждых 10 км линии связи средняя вероятность ошибки должна поддерживаться на уровне ниже Необходимо понять, что эта цифра представляет собой минимальные средние требования для каждых 10 км линии связи. На практике основная часть имеющихся ошибок относится только к очень малому числу из многих звеньев, входящих в состав протяженного канала связи. Более вероятно, что реальные характеристики системы связи будут определяться внешними возмущениями, или помехами в нашей терминологии, а не внутренними источниками шума, которые рассматриваются в гл. 14 и 15. Это часто вызывает появление «пачек» ошибок, а не их стационарное случайное распределение. Одним из достоинств волоконно-оптических систем связи является, то что в отличие от электрических сама линия передачи обычно нечувствительна к таким помехам. Однако оконечная аппаратура чувствительнее к ним, так же, как и электрические схемы электропитания, которые могут составлять часть оптического волоконного кабеля. Имея это в виду, примем в качестве обычного требования на допустимую вероятность ошибки для типичной оптической линии связи значение, равное 10-9. В др., применениях допустимые значения вероятностей ошибок могут изменяться в пределах однако, как будет показано, при таких уровнях ошибок требуемая мощность сигнала на входе приемника относительно нечувствительна к точному значению вероятности ошибок, которое нужно обеспечить.

Вероятность ошибок можно представить в виде двух частей:

(см. скан)

Это можно записать в таком виде, если использовать общепринятые обозначения

что при одинаковой вероятности передачи нулей и единиц, т. е. при дает

С первого взгляда может показаться, что линейный усилитель оптического приемника должен иметь наибольшую полосу пропускания, чтобы при приеме 1 сигнал, поступающий на решающее устройство, имел вид короткого импульса в пределах тактового интервала. Тогда момент принятия решения должен синхронизироваться, чтобы обеспечить совпадение с этим импульсом. При этом должны возникать ошибки, обусловленные двумя причинами.

1. Шум вызывает непрерывные изменения амплитуды напряжения на входе решающего устройства. Следовательно, это напряжение может на мгновение превысить уровень порога при приеме 0 или упасть ниже него, когда принимается 1, как это показано на рис. 15.3. При увеличении полосы пропускания растет и уровень шума приемника.

2. Любые изменения в тактовой частоте синхронизации, которые влияют на момент поступления сигнала или на момент стробирования в решающем устройстве могут привести к тому, что стробирование сигнала произойдет не в момент его максимального значения, а в другой. Чем уже импульс, тем серьезнее последствия, вызываемые ошибками синхронизации. Поэтому использование необоснованно широкой полосы пропускания усилителя увеличивает уровень шума и делает синхронизацию момента принятия решения более критичной. Однако если полосу пропускания усилителя уменьшить, то возникает третий источник ошибки.

Рис. 15.3. Сигнал на выходе части широкополосного линейного усилителя, демонстрирующий причины появления ошибок из-за шума и неточностей синхронизации

3. Взаимные помехи между символами, которые, как было показано, имеют место тогда, когда сигнал, принимаемый во время одного тактового интервала, воздействует на амплитуду сигнала во время другого. Чем уже полоса пропускания усилителя, тем более вероятны взаимные помехи между символами, поскольку в этом случае импульсная характеристика усилителя расширяется и распространяется на соседние тактовые интервалы. Если ограничения полосы пропускания возникают в источнике излучения или в оптическом волокне, то это приводит к тому, что оптическая мощность сигнала, принимаемая за время одного тактового интервала, поступает на приемник во время соседних. Помимо обычных взаимных помех между символами это приводит также к появлению в соседних тактовых интервалах дополнительного шума в виде коротких импульсов.

Очевидно, что оптимальное значение полосы пропускания является вопросом компромисса между этими тремя факторами. На рис. 15.1 полоса пропускания определяется характеристикой передачи фильтра как будет в дальнейшем показано, ее форма может играть важную роль в минимизации ошибок регенерации цифрового сигнала.