Одноволоконная оптическая линия дуплексной связи

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи. Техническая задача, решение которой является целью предложенного технического решения, заключается в увеличении длины одноволоконной оптической линии дуплексной связи. С целью получения этого технического результата в одноволоконную линию дуплексной связи введены формирователи модулирующего сигнала, фазовые модуляторы, фильтры нижних частот, генератор, фазовые детекторы, управляемый генератор, полосно-пропускающие фильтры, управляемый фазовращатель, фазовращатели, удвоители частоты, усилители-регенераторы, формирователи выходного сигнала, усилители-ограничители. 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи.

Известны одноволоконные оптические линии дуплексной связи [1] Недостатком известного технического решения является малая длина линии.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является одноволоконная оптическая линия дуплексной связи [2] Данная одноволоконная линия дуплексной связи изображена на фиг.1 и содержит усилитель мощности сигнала 1 и 4, лазерные генераторы 2 и 3, оптические разветвители 5 и 7, оптический кабель 6, фотодетекторы 9 и 10, усилители 13 и 14, видеогенераторы 8 и 11, фильтры сигнала 12 и 15.

Недостатком данной одноволоконной линии дуплексной связи является малая длина линии из-за влияния шумов фотодетектора, первый каскад усиления и обратного рассеяния оптического сигнала в волокне.

Техническая задача, решение которой является целью предложенного технического решения, заключается в увеличении длины одноволоконной оптической линии дуплексной связи.

С целью получения этого технического результата в одноволоконную линию дуплексной связи, содержащую первый и второй усилители мощности, первый и второй лазерные генераторы, первый и второй оптические разветвители и оптический кабель, при этом выход первого усилителя мощности через первый лазерный генератор, первый оптический разветвитель, оптический кабель и второй оптический разветвитель соединен с входом второго фотодетектора, выход второго усилителя мощности через второй лазерный генератор, второй оптический разветвитель, оптический кабель и первый оптический разветвитель соединен с входом первого фотодетектора, введены первый и второй формирователи модулирующего сигнала, первый и второй фазовые модуляторы, первый и второй фильтры нижних частот, генератор, первый, второй, третий и четвертый фазовые детекторы, управляемый генератор, первый, второй, третий и четвертый полосно-пропускающих фильтры, управляемый фазовращатель, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой фазовращатели, первый и второй удвоители частоты, первый, второй, третий и четвертый усилители-регенераторы, первый и второй формирователи выходного сигнала, первый и второй усилители-ограничители, первый вход линии через первый формирователь модулирующего сигнала и первый фазовый модулятор соединен с входом первого усилителя мощности, второй вход линии через второй формирователь входного сигнала и второй фазовый модулятор соединен с входом второго усилителя мощности, выход первого фотодетектора через первый полосно-пропускающий фильтр, второй усилитель- регенератор, первый фазовый детектор и первый формирователь выходного сигнала соединен с первым выходом линии, выход второго фотодетектора через третий усилитель-регенератор, второй усилитель-ограничитель, второй полосно-пропускающий фильтр, четвертый усилитель-регенератор, второй фазовый детектор и второй формирователь выходного сигнала соединен с вторым выходом линии, выход первого полосно-пропускающего фильтра нижних частот, первый усилитель, управляемый фазовращатель и первый удвоитель частоты соединен с вторым входом второго усилителя-регенератора, второй выход первого удвоителя частоты через второй фазовращатель соединен с вторым входом первого усилителя-регенератора, выход второго усилителя-регенератора через третий полосно-пропускающий фильтр соединен с вторым входом первого фазового модулятора и управляемого фазовращателя, выход управляемого фазовращателя через третий фазовращатель соединен с вторым входом первого фазового детектора, выход второго полосно-пропускающего фильтра через четвертый фазовращатель, четвертый фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй усилитель, управляемый генератор и второй удвоитель частоты соединен с вторым входом четвертого усилителя-регенератора, выход которого через четвертый полосно-пропускающий фильтр соединен с вторым входом четвертого фазового детектора, первых выход управляемого генератора через пятый фазовращатель соединен с вторым входом четвертого фазового детектора, а второй выход управляемого генератора соединен с вторым входом второго фазового модулятора, второй выход второго удвоителя частоты через шестой фазовращатель соединен с вторым входом третьего усилителя-регенератора.

На фиг. 2 изображена блок-схема предлагаемой одноволоконной оптической линии дуплексной связи.

Блок-схема предлагаемой одноволоконной оптической линии дуплексной связи на фиг.2 содержит следующие блоки: первый (1) и второй (8) формирователи модулирующего сигнала, первый (2) и второй (7) фазовые модуляторы, первый (3) и второй (6) усилители мощности, первый (4) и второй (5) лазерные генераторы, первый (9) и второй (18) фильтры нижних частот, первый (10) и второй (16) усилители, генератор (11), первый (36), второй (43), третий (12) и четвертый (25) фазовые детекторы, первый (13) и второй (15) оптические разветвители, оптический кабель (14), управляемый генератор (17), первый (38), второй (41), третий (19) и четвертый (26) полосно пропускающие фильтры, управляемый фазовращатель (20), первый (21), второй (29), третий (27), четвертый (24), пятый (34) и шестой (32) фазовращатели, первый (22) и второй (23) фотодетекторы, первый (28) и второй (33) удвоители частоты, первый (30), второй (37), третий (31) и четвертый (42) усилители-регенераторы, первый (35) и второй (44) формирователи выходного сигнала, первый (39) и второй (40) усилители-ограничители.

Первый вход линии (Вх.1) через первый формирователь (1) модулирующего сигнала, первый фазовый модулятор (2), первый усилитель (3) мощности, первый лазерный генератор (4), первый оптический разветвитель (13), оптический кабель (14), второй оптический разветвитель (15), второй фотодетектор (23), третий усилитель-регенератор (31), второй полосно-пропускающий фильтр (41), четвертый усилитель-регенератор (42), второй фазовый детектор (43) и второй формирователь (44) выходного сигнала соединен с вторым выходом линии (Вых. 2). Второй вход (Вх.2) через второй формирователь (8) модулирующего сигнала, второй фазовый модулятор (7), второй усилитель (6) мощности, второй лазерный генератор (5), второй оптический разветвитель (15), оптический кабель (14), первый оптический разветвитель (13), первый фотодетектор (22), первый усилитель-регенератор (30), первый усилитель- ограничитель (39), первый полосно-пропускающий фильтр (38), второй усилитель-регенератор (37), первый фазовый детектор (36) и первый формирователь (35) выходного сигнала соединен с первым выходом линии (Вых.1). Выход первого полосно-пропускающего фильтра (38) через первый фазовращатель (21), третий фазовый детектор (12), первый фильтр (9) нижних частот, первый усилитель (10), управляемый фазовращатель (20) и первый удвоитель (28) частоты соединен с вторым входом второго усилителя-регенератора (37). Второй выход первого удвоителя (28) частоты через второй фазовращатель (29) соединен с вторым входом первого усилителя-регенератора (30). Выход второго усилителя-регенератора (37) через третий полосно-пропускающий фильтр (19) соединен с вторым входом третьего фазового детектора (12). Генератор (11) соединен с вторыми входами первого фазового модулятора (2) и управляемого фазовращателя (20), выход которого через третий фазовращатель (27) соединен с вторым входом первого фазового детектора (36). Выход второго полосно-пропускающего фильтра (41) через четвертый фазовращатель (24), четвертый фазовый детектор (25), второй фильтр (18) нижних частот, второй усилитель (16), управляемый генератор (17) и второй удвоитель (33) частоты соединен с вторым входом четвертого усилителя-регенератора (42), выход которого через четвертый полосно-пропускающий фильтр (26) соединен с вторым входом четвертого фазового детектора (25). Первый выход управляемого генератора (17) через пятый фазовращатель (34) соединен с вторым входом второго фазового детектора (43), а второй выход с вторым входом фазового модулятора (7). Второй выход второго удвоителя (33) частоты через шестой фазовращатель (32) соединен с вторым входом третьего усилителя-регенератора (31).

Принцип работы предлагаемой одноволоконной оптической линии дуплексной связи заключается в следующем. Первый цифровой сигнал поступает на вход линии Вх. 1 и через блоки 1, 2, 3, 4, 13 на левом конце линии поступает в оптический кабель 14 и далее через блоки 15, 23, 31, 40, 41, 42, 43, 44 на правом конце линии поступает на выход линии Вых.2. Второй цифровой сигнал поступает на вход линии Вх.2 и через блоки 8, 7, 6, 5, 15 на правом конце линии поступает в то же самое волокно оптического кабеля 14 и далее через блоки 13, 22, 30, 39, 38, 37, 36, 35 на левом конце линии поступает на выход линии Вых.1.

Рассмотрим прохождение первого и второго цифровых сигналов на левом конце линии (фиг.2). В формирователе модулирующего сигнала 1 первый цифровой сигнал преобразуется (по закону: символу "1" (0) на входе соответствует изменение (неизмененность) символа на выходе) и в фазовом модулятора 2 модулирует по фазе (0-180^o) синусоидальный сигнал, поступающий от генератора 11. Полученный сигнал после усиления в усилителе мощности 3 модулирует по интенсивности лазерный генератор 4, где преобразуется в оптический сигнал с фазоразностной модуляцией синусоидального сигнала поднесущей частоты (f_г) и через оптический разветвитель 13 поступает в оптический кабель 14. Частота генератора 11 (f_г) в несколько раз превышает тактовую частоту и определяется из требования подавления помех из-за обратного рассеяния в оптическом волокне (f_г должна быть выше 50-100 мГц в зависимости от диапазона волн излучения и типа оптического кабеля).

Второй цифровой сигнал из оптического кабеля (14) через оптический разветвитель (13) поступает в фотодетектор (22), где преобразуется в электрический сигнал, и затем поступает на первый усилитель-регенератор (30), где происходит усиление сигнала и подавление фазовой составляющей шума фотодетектора (22) на частоте f_г. Наступает частичная регенерация синусоидального сигнала с фазовой манипуляцией, т.к. в дальнейшем к сигналу добавляются шумы первых каскадов усилительного тракта (усилителя-регенератора (30) и усилителя-ограничителя (39)). В усилителе-ограничителе (39) происходит подавление амплитудной составляющей шума. Полосно-пропускающий фильтр (38) подавляет шумы вне полосы сигнала. Усилитель-регенератор (37) подавляет фазовую составляющую шумов первых каскадов усилительного тракта и тем самым с точностью до ошибок регенерации очищает сигнал от шумов. Наступает полная регенерация синусоидального сигнала с фазовой манипуляцией за исключением восстановления тактовых интервалов. Фазовый детектор (36) преобразует синусоидальный сигнал с фазовой манипуляцией в цифровой сигнал исходного диапазона частот. Формирователь (35) выходного сигнала осуществляет преобразование цифрового сигнала, обратное по отношению к преобразованию в формирователе (1) модулирующего сигнала.

В результате раздельной регенерации сигнала происходит сложение вероятностей ошибки усилителей-регенераторов (30) и (37), а не сложение шумов фотодетектора (22) и первых каскадов усиления, как в прототипе, что позволяет при заданной вероятности ошибки снизить по сравнению с прототипом уровень входного сигнала на величину до 3 дБ в зависимости от параметров фотодиодов и транзисторов и тем самым на эту же величину повысить энергетический потенциал системы.

Первый и второй усилители-регенераторы (30) и (37) представляют собой усилители на транзисторах, на входы которых подается синусоидальный сигнал накачки частоты 2f_г от генератора (11) через управляемый фазовращатель (20), удвоитель частоты (28) и фазовращатель (29). Напряжение сигнала накачки прикладывается между эмиттером и базой биполярного транзистора и периодически изменяет проводимость промежутка эмиттер-база, который работает по принципу вырожденного параметрического усилителя. В этом случае происходит подавление синусоидального сигнала, частота которого в два раза меньше частоты накачки, а фаза отличается на 90^o от некоторого номинального значения, определяемого фазой накачки, в то время как синфазный и противофазный сигналы усиливаются. Таким образом, происходит регенерация фазы сигнала с двухпозиционной фазовой модуляцией. Характеристики усилителя-регенератора не зависят от уровня поступающего на него сигнала. Поэтому в усилителе-регенераторе (30) включенном после фотодетектора (22) на входе усилительного тракта происходит подавление фазовой составляющей шума фотодиода.

В отличие от прототипа в полосу частот сигнала не попадают шумы, обусловленные обратным рассеянием оптического сигнала в волокне, так как она расположена значительно выше частот, где это рассеяние существенно.

Необходимая фазировка сигнала и накачки производится с помощью первого и второго фазовращателей (20) и (29). Управляющий сигнал на вход управляемого фазовращателя (20) поступает с выхода фазового детектора (12) через фильтр нижних частот (9) и усилитель (10). Величина этого сигнала пропорциональна разности средних значений фаз сигналов частоты f_г на входе и выходе усилителя-регенератора (37). Полосно-пропускающий фильтр (19) выравнивает форму сигналов на входах фазового детектора (12), что необходимо для исключения влияния фазовой модуляции, а фазовращатель (21) компенсирует задержку в усилителе-регенераторе (37) и полосно-пропускающем фильтре (19).

Принцип работы предлагаемой линии на правом конце (фиг.2) отличается от рассмотренного выше для левого конца линии тем, что вместо генератора (11) и управляемого фазовращателя (20) используется управляемый генератор (17). Частота этого генератора должна совпадать с частотой генератора (11), а фаза генерируемых колебаний должна соответствовать требуемым значениям для накачки усилителей-регенераторов (31) и (42). Блоки 42, 24, 25, 26, 18 и 16, работающие аналогично блокам 37, 21, 12, 19, 9 и 10 на левом конце линии, осуществляют фазовую автоподстройку частоты и фазы управляемого генератора (17).

В результате использования предлагаемого технического решения энергетический потенциал системы в зависимости от скорости передачи информации и характеристик элементов (фотодиодов и транзисторов), может быть увеличен на 4-6 дБ по сравнению с прототипом за счет подавления влияния обратного рассеяния оптического излучения в волокне при использовании поднесущей частоты, в несколько раз превышающей тактовую частоту, и уменьшения вероятности ошибки при раздельной регенерации синусоидального фазоманипулированного сигнала. При этом длина линии может быть увеличена на 10-15% и более.

Экономический эффект от использования предлагаемого технического решения заключается в уменьшении стоимости линии связи на величину разности стоимостей оборудования промежуточных регенерационных пунктов, необходимых для увеличения длины линии при использовании известного и предлагаемого технических решений. Для расчета величины экономического эффекта рассмотрим два крайних случая. При сравнительно малой длине линии связи предлагаемое техническое решение позволит исключить один промежуточный регенерационный пункт, а при больших длинах линии уменьшить их количество 10-15% Поэтому в первом случае экономия составляет 50% стоимости оборудования линии, а во втором 10-15% При этом стоимость одного комплекта оборудования регенерационного пункта предлагаемой линии связи практически не изменяется по сравнению с оборудованием известной линии. Стоимость оборудования определяется главным образом оптическими и оптоэлектронными элементами (лазерами, оптическими разветвителями, фотодиодами), а также конструкцией, размещением и техническими средствами, обеспечивающими работу оборудования. Поэтому несмотря на усложнение схемы оборудования в предлагаемой линии связи и увеличении количества электронных элементов, стоимость одного регенерационного пункта практически не возрастает, так как количество и требуемые характеристики оптических и оптоэлектронных элементов, конструкция и другие технические и эксплуатационные характеристики известной и предлагаемой линий совпадают.

Формула изобретения

Одноволоконная линия дуплексной связи, содержащая первый и второй усилители мощности, первый и второй лазерный генераторы, первый и второй оптические разветвители, первый и второй фотодетекторы, первый и второй усилители и оптический кабель, выход первого усилителя мощности через последовательно соединенные первый лазерный генератор, первый оптический разветвитель, оптический кабель и второй оптический разветвитель соединен с входом второго фотодетектора, выход второго усилителя мощности через последовательно соединенные второй лазерный генератор, второй оптический разветвитель, оптический кабель и первый оптический разветвитель соединен с входом первого фотодетектора, отличающаяся тем, что в одноволоконную линию дуплексной связи дополнительно включены первый и второй формирователя модулирующего сигнала, первый и второй фазовые модуляторы, первый и второй фильтры нижних частот, генератор, первый, второй, третий и четвертый фазовые детекторы, управляемый генератор, первый, второй, третий и четвертый полосно-пропускающие фильтры, управляемый фазовращатель, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой фазовращатели, первый и второй удвоители частоты, первый, второй, третий и четвертый усилители-регенераторы, первый и второй формирователи выходного сигнала, первый и второй усилители-ограничители, первый вход линии через последовательно соединенные первый формирователь модулирующего сигнала и первый фазовый модулятор соединен с входом первого усилителя мощности, второй вход линии через последовательно соединенные второй формирователь входного сигнала и второй фазовый модулятор соединен с входом второго усилителя мощности, выход первого фотодетектора через последовательно соединенные первый усилитель-регенератор, первый усилитель-ограничитель, первый полосно-пропускающий фильтр, второй усилитель-регенератор, первый фазовый детектор и первый формирователь выходного сигнала соединен с первым выходом линии, выход второго фотодетектора через последовательно соединенные третий усилитель-регенератор, второй усилитель-ограничитель, второй полосно-пропускающий фильтр четвертый усилитель-регенератор, второй фазовый детектор и второй формирователь выходного сигнала соединен с вторым выходом линии, выход первого полосно-пропускающего фильтра через последовательно соединенные первый фазовращатель, третий фазовый детектор, первый фильтр нижних частот, первый усилитель, управляемый фазовращатель и первый удвоитель частоты, соединен с вторым входом второго усилителя-регенератора, второй выход первого удвоителя частоты через второй фазовращатель соединен с вторым входом первого усилителя-регенератора, выход второго усилителя-регенератора через третий полосно-пропускающий фильтр, соединен с вторым входом третьего фазового детектора, выходы генератора соединены с вторыми входами соответственно первого фазового модулятора и управляемого фазовращателя, выход управляемого фазовращателя через третий фазовращатель соединен с вторым входом первого фазового детектора, выход второго полосно-пропускающего фильтра через последовательно соединенные четвертый фазовращатель, четвертый фазовый детектор, второй фильтр нижних частот, второй усилитель, управляемый генератор и второй удвоитель частоты соединен с вторым входом четвертого усилителя-регенератора, выход которого через четвертый полосно-пропускающий фильтр соединен с вторым входом четвертого фазового детектора, первый выход управляемого генератора через пятый фазовращатель соединен с вторым входом второго фазового детектора, а второй выход управляемого генератора соединен с вторым входом второго фазового модулятора, второй выход второго удвоителя через шестой фазовращатель соединен с вторым входом третьего усилителя-регенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2