1.4. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Вернемся к обобщенной структурной схеме оптической системы связи, изображенной на рис. 1.2. Она включает в себя следующие основные компоненты.

1. Источник оптического излучения.

2. Средства модуляции оптического излучения передаваемым сигналом.

3. Среду, в которой распространяется оптическое излучение.

4. Фотоприемник, который преобразует принятый оптический сигнал в электрический.

5. Электронные устройства усиления и обработки сигнала, служащие для восстановления исходного сигнала и представления его в виде, удобном для использования.

Приведенная структурная схема одинаково пригодна как для аналоговых, так и цифровых систем связи, использующих направленную или открытую передачу оптического излучения. Применение оптических волокон для передачи оптических сигналов позволяет реализовать очень ограниченное число комбинаций разумно сочетаемых источников излучения и фотоприемников различных типов. В качестве излучателей можно назвать полупроводниковые источники излучения, а в качестве фотоприемников — полупроводниковые фотодиоды. Большим достоинством полупроводниковых светодиодов и лазеров как источников излучения является простота осуществления прямой модуляции излучаемой мощности.

При использовании оптического излучения, распространяющегося в свободном пространстве, число возможных комбинаций источников излучения, фотоприемников и методов модуляции значительно больше, и в гл. 16 приводится краткий обзор некоторых систем связи этого типа. Основное требование для излучателей — высокая интенсивность излучения, а это обычно означает, что требуется использовать лазер. В таком случае возникает необходимость во внешних устройствах модуляции лазерного излучения, если только не применен полупроводниковый лазер. Затухание оптического сигнала на пути

распространения часто изменяется, приводя к флуктуациям уровня мощности сигнала на входе приемника. В аналоговых системах связи это приводит к невозможности использования прямых методов модуляции мощности излучения, и поэтому обычно применяют поднесущую частоту. В приемнике могут быть применены как полупроводниковые фотодиоды, так и фотоумножители, однако выбор типа фотодетектора зависит от длины волны, на которой он должен работать, а также от требований к габаритам приемника.

К. числу двух самых важных технических характеристик канала связи относятся его информационная пропускная способность и максимальное расстояние между ретрансляторами. Как будет видно из дальнейшего, эти два параметра часто тесно связаны между собой. В § 1.2 было показано, что информационная пропускная способность канала связи определяется шириной полосы частот, в которой передается сигнал, и отношением сигнал-шум в приемнике. Проанализируем влияние каждого из этих факторов.

Полоса частот, в которой передается сигнал, может быть ограничена почти в любой точке системы связи допустимой скоростью модуляции источника излучения; модулятором; средой, в которой распространяется сигнал (если среда обладает дисперсией, то это приведет к искажению формы сигнала в процессе его распространения); фотодетектором; электронными элементами приемника.

На практике без особых трудностей можно реализовать модуляцию светодиодов частотами до 100 МГц, а полупроводниковых лазеров — вплоть до 1 ГГц. Имеющиеся в настоящее время полупроводниковые p-i-n и лавинные фотодиоды способны детектировать оптические сигналы с частотой модуляции свыше 1 ГГц. Однако использование самых высоких указанных частот требует разработки совершенно нового весьма сложного усилителя для приемника.

Самым важным является то обстоятельство, что оптическое волокно представляет собой дисперсионную среду и в процессе распространения по нему световых импульсов последние расширяются, а аналоговые оптические сигналы подвергаются фазовым искажениям. В оптических системах связи волокно ведет себя как фильтр нижних частот, частота среза которопгобратно пропорциональна расстоянию распространения, т. е. его длине. Поэтому оптическое волокно можно характеризовать параметром, представляющим собой произведение ширины полосы пропускания на расстояние. В зависимости от типа волокна и характеристики используемого источника излучения это произведение может быть меньше 10 МГц-км или больше 10 ГГц-км. Подробнее дисперсия оптических волокон рассматривается в гл. 2, 5 и 6.

В открытых системах связи, где средой распространения оптических сигналов является воздух или свободное космическое пространство, не наблюдается значительной дисперсии и, следовательно, отсутствует обусловленное ею ограничение полосы пропускания системы связи. Число вариантов построения таких систем связи столь велико, что их рассмотрение здесь нецелесообразно.

Другой важный параметр системы связи — отношение сигнал-шум определяется эффективным уровнем шума на входе усилителя приемника и полезной мощностью оптического сигнала на входе фотодетектора. Отличительная особенность оптических систем связи заключается в том, что шум приемника содержит составляющую, прямо пропорциональную мощности принимаемого оптического сигнала. Это так называемый дробовой (фотонный) шум, характерный для процесса детектирования, ограничиваемого квантовым шумом. Поэтому в большинстве обычных оптических систем связи, в которых используется модуляция оптического излучения по мощности, уровень шума зависит от величины сигнала. Важно отметить, что шум приемника обычно минимизирован, однако следует иметь в виду, что он увеличивается обычно пропорционально ширине полосы частот, занимаемой сигналом.

Мощность поступающего в приемник сигнала зависит от мощности, излучаемой передатчиком, и затухания в канале связи. Выше уже указывалось, что уровень затухания, который мог бы быть достигнут, является одним из ключевых параметров, определяющих возможности использования оптических систем связи. Весьма желательно, чтобы процессы преобразования сигналов из одного вида в другой (электрического в оптический в излучателе и оптического в электрический в фотоприемнике) происходили с возможно более высокой эффективностью (КПД). К сожалению, КПД источников оптического излучения весьма низок.

В аналоговых системах связи отношение сигнал-шум непосредственно определяет качество канала связи. В цифровых системах оно определяет вероятность ошибки при принятии решения о том, был передан импульс или нет. Этот вопрос детально рассматривается в гл. 15; однако приводимые ниже цифры могут помочь при оценке тех характеристик, которые можно ожидать от цифровых волоконно-оптических линий связи. Удобно выражать значения различных уровней мощности оптического сигнала в относительных единицах, например в которые характеризуют уровень мощности по отношению к 1 мВт. Такое обозначение общепринято в технике связи.

Типичный уровень мощности, который может быть введен в ступенчатое волокно с помощью светодиода, составляет При использовании полупроводникового лазера он может быть увеличен до Минимальная мощность на входе приемника, обеспечивающая достаточно низкий коэффициент ошибок, обычно равна . В качестве примера рассмотрим систему связи с информационной пропускной способностью 10 Мбит/с. В этом случае требуемый уровень мощности на входе приемника должен быть порядка Мы должны предусмотреть дополнительную мощность на потери в волокне и на системный запас по мощности. Последний, равный 10 дБ, вполне достаточен. При этом получается следующее распределение мощности источника излучения:

При коэффициенте затухания в волокне 5 дБ/км использование светодиода позволит устанавливать ретрансляторы через 7,4 км, а лазера — через 10 км. Само собой разумеется, что дисперсионные характеристики волокна должны быть согласованы с требуемой скоростью передачи информации на этих расстояниях. Следовательно, дисперсия волокна должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить величину произведения скорости передачи информации на расстояние, равную в первом случае и во втором. Как будет показано позднее, значения затухания 5 дБ/км и дисперсионного предела представляются очень скромными, если сравнить их с характеристиками стандартных систем связи, использующих наиболее совершенные типы оптического волокна. Во многих разработанных к настоящему времени оптических системах связи, описываемых в гл. 17, достигнуты значительно большие расстояния между ретрансляторами, чем в рассмотренном примере.

ЗАДАЧИ

(см. скан)

(см. скан)

РЕЗЮМЕ

Достоинства и недостатки оптических систем связи представлены в табл. 1.1.

Хотя к настоящему времени гипотетическая ширина полосы частот сигнала, обусловленная использованием частот оптического диапазона еще не реализована, а распространение света в свободном пространстве имеет очень ограниченное применение, тем не менее оптические волокна представляют собой новую среду для передачи оптических сигналов в системах связи, наилучшим образом соответствующую цифровым системам передачи с высокой информационной пропускной способностью.

Таблица 1.2 иллюстрирует пути использования оптических волокон в цифровых системах связи разного уровня иерархии.

Создание оптических волокон с малыми потерями (менее 5 дБ/км), а также высоко интенсивных и легко модулируемых полупроводниковых источников света выдвинуло волоконно-оптические линии связи в число лидеров по тем техническим характеристикам, которые являются основными в электрических линиях связи.