Линия передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала

 

Изобретение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в аппаратуре волоконно-оптических, лазерных космических, атмосферных и других линий связи. Линия передачи содержит усилитель-модулятор, лазерный генератор, устройство стабилизации мощности лазера, два согласующих устройства, среду передачи оптического сигнала, фотодетектор, видеоусилитель, устройство автоматической регулировки усиления, оптимальный фильтр, решающее устройство, устройство восстановления тактовой частоты. Сущность изобретения: в известную линию передачи дополнительно включены многочастотный резонатор, многочастотный фильтр, N демодуляторов, N модуляторов, 2N полосно-пропускающих фильтров канала и несущих, генератор, умножитель частот, три сумматора, линия задержки, аттенюатор, включение которых позволяет подавить шум первых каскадов усиления в широкой полосе частот передаваемого сигнала и тем самым увеличить энергетический потенциал и длину линии передачи, в чем и состоит технический результат, достигаемый при реализации изобретения. По сравнению с ближайшими аналогами линия передачи имеет энергетический потенциал на 6-15 дБ больше, что позволяет увеличить длину регенерационного участка на внутризоновых магистральных и городских сетях связи. 4 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в аппаратуре волоконно-оптических и лазерных космических линий связи.

Известна линия передачи (фиг. 1), прототип предлагаемого технического решения, которая содержит усилитель-модулятор 1, лазерный генератор 2, устройство стабилизации мощности лазера 3, первое согласующее устройство 4, второе согласующее устройство 6, среду передачи оптического сигнала 5, фотодетектор 7, видеоусилитель 8, устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) 9, устройство выравнивания частотной характеристики 10, оптимальный фильтр 11, решающее устройство 12, устройство восстановления тактовой частоты 13 (Miki Т. //Review ECL - 1978 - 26, N 5/6 - P. 676-692).

Недостатком известной линии передачи является ее малая длина, так как из-за узкой полосы пропускания цепи на стыке фотодетектора 7 и видеоусилителя 8 для расширения полосы используется устройство выравнивания частотной характеристики 10, что приводит к значительному увеличению уровня шума на входе решающего устройства 12. Использование известных методов расширения полосы, не ухудшающих шумовых свойств линии и заключающихся в компенсации реактивности в широкой полосе частот путем включения реактивных элементов электрических цепей, наталкивается на известные ограничения, определяемые теорией предельной широкополосности (Fano R.// Journal of Franklin Institute - 1950 - 1 - P. 57).

Целью предлагаемого технического решения является увеличение длины линии передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известную линию передачи включены многочастотный резонатор, многочастотный фильтр, N демодуляторов, N модуляторов, 2N полосно-пропускающих фильтров канала и несущих, генератор, умножитель частоты, три сумматора, линия задержки, аттенюатор.

Схема предлагаемой линии передачи приведена на фиг. 2. Линия передачи содержит усилитель-модулятор 1, лазерный генератор 2, устройство стабилизации мощности лазера 3, первое согласующее устройство 4, среду передачи оптического сигнала 5, второе согласующее устройство 6, фотодетектор 7, видеоусилитель 8, устройство АРУ 9, оптимальный фильтр 11, решающее устройство 12, устройство восстановления тактовой частоты 13, первый полосно-пропускающий фильтр канала 14, первый сумматор 15, многочастотный фильтр 16, первый демодулятор 17, первый модулятор 18, второй сумматор 19, аттенюатор 20, первый полосно-пропускающий фильтр несущих 21, многочастотный резонатор 22, генератор 23, третий сумматор 24, линию задержки 25, умножитель частоты 26, N-й демодулятор 27, N-й модулятор 28, N-й полосно-пропускающий фильтр канала 29, N-й полосно-пропускающий фильтр несущей 30, а также (N-2) полосно-пропускающих фильтров канала, аналогичных первому 14, (N-2) демодуляторов, аналогичных первому 17, (N-2) модуляторов, аналогичных первому 18, (N-2) полосно-пропускающих фильтров несущих, аналогичных первому 21.

Принцип работы предлагаемой линии передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала состоит в следующем.

В электрическую цепь на стыке фотодиода и первого транзистора видеоусилителя 8 включаются реактивные элементы, обеспечивающие настройку цепи в резонанс на нескольких частотах, расположенных в широкой полосе, соответствующей спектру передаваемого сигнала. При этом сумма полос пропускания в окрестности резонансных частот не превышает значений, определяемых теоретическим пределом, но информация о передаваемом сигнале сохранена, так как резонансы расположены во всех частях спектра сигнала (фиг. 3). Таким образом на стыке фотодиода и первого транзистора образуется многочастотный резонатор, пройдя через который импульс преобразуется в бесконечную затухающую последовательность импульсов (БЗПИ) (фиг. 4). Форма импульсов в последовательности одинакова и соответствует огибающей частотной характеристики передачи многочастотного резонатора (фиг. 3), а огибающая БЗПИ является экспонентой, так как элементы резонатора выбраны так, чтобы все резонансы были простыми, а полосы всех резонансов были равными. Если интервалы между резонансными частотами (ω_n) равны, то интервалы между соседними импульсами в БЗПИ также равны. Однако под воздействием внешних факторов резонансные частоты могут смещаться. Зависимость между частотной характеристикой многочастотного резонатора и БЗПИ рассмотрена в приложении.

При расчете линейной части устройства источники собственных шумов согласно теории пересчитываются в точку прохождения сигнала, где его уровень является минимальным. В линиях передачи оптического сигнала такой точкой является выход фотодиода. Шумовой сигнал на тактовом интервале, проходя многочастотный резонатор, как и информационный сигнал преобразуется в БЗПИ шума, идентичную БЗПИ информационного сигнала, но со случайной амплитудой и полярностью. При этом соответствующие импульсы обеих последовательностей совпадают по времени. Поэтому при сложении всех импульсов БЗПИ информационного сигнала одновременно происходит сложение всех импульсов БЗПИ шума. В этом случае отношение сигнал/шум остается таким же, как в каждом импульсе БЗПИ. Поэтому отпадает необходимость в суммировании импульсов БЗПИ: достаточно выделить первый импульс для последующей обработки и принятия решения о передаваемом информационном символе.

В предлагаемой линии передачи открывается возможность эффективного использования оптоэлектронной интегральной схемы, содержащей pin-фотодиод, имеющий высокое выходное сопротивление, и GaAs-полевой транзистор в качестве первого каскада видеоусилителя, имеющий высокое входное сопротивление, что обеспечивает низкий уровень шума (структура pin-FET). Многочастотный резонатор может быть выполнен с использованием современных электронных технологий и включен в оптоэлектронную интегральную схему, что обеспечивает высокие частотные и шумовые характеристики стыка фотодиод-транзистор для использования в предлагаемой линии передачи.

Высокоскоростной цифровой сигнал поступает на вход линии передачи (фиг. 2), т.е. на вход усилителя-модулятора 1 и далее на вход лазерного генератора 2, на выходе которого образуется высокоскоростной цифровой оптический сигнал, который через первое согласующее устройство 4 поступает в среду передачи оптического сигнала 5. Часть оптического сигнала на выходе лазерного генератора 2 используется для стабилизации мощности лазера с помощью устройства 3. С выхода среды передачи оптического сигнала 5 через второе согласующее устройство 6 оптический сигнал поступает на вход фотодетектора 7, в котором он преобразуется в последовательность электрических импульсов и пауз, которые поступают на вход многочастотного резонатора 22, на выходе которого каждый импульс преобразуется в БЗПИ. При передаче паузы БЗПИ не образуется. Далее сигнал усиливается видеоусилителем 8 до уровня, удобного для обработки, который стабилизируется с помощью устройства АРУ 9 и проходит через многочастотный фильтр 16, разделяющий сигналы разных частот, образующихся на выходе многочастотного резонатора, и направляющий их для дальнейшей обработки по разным каналам (всего N+1 канал). В каждом канале, кроме низкочастотного, сигнал проходит демодулятор 17, модулятор 18, полосно-пропускающий фильтр канала 14 и поступает на вход первого сумматора 15. В низкочастотном канале (в окрестности ω = 0 сигнал с выхода многочастотного фильтра непосредственно поступает на вход первого сумматора). При этом отношение уровней сигналов на выходе каждого канала должно быть равно отношению уровней соответствующих сигналов на входе каждого канала. Такая обработка позволяет заменить нестабильные несущие частоты в каждом канале на стабильные несущие частоты, определяемые высокостабильным синусоидальным генератором 23, умножителем частоты 26, создающим сетку кратных стабильных частот, и N полосно-пропускающими фильтрами несущих 21, выделяющими в каждом канале необходимую ему несущую частоту. Полосно-пропускающий фильтр канала 14 подавляет в своем канале составляющие спектра шума видеоусилителя 8, расположенные вне спектра сигнала, образующегося на выходе многочастотного резонатора 22. Таким образом на выходе первого сумматора воспроизводится сигнал, создаваемый на выходе многочастотного резонатора 22, содержащий всю информацию о входном сигнале и шуме, но имеющий кратные стабильные несущие частоты. С выхода первого сумматора 15 сигнал поступает на второй сумматор 19, на выходе которого образуется исходный цифровой сигнал, т.е. последовательность импульсов и пауз передаваемого сигнала. Далее сигнал поступает на оптимальный фильтр 11, обеспечивающий максимально возможное соотношение сигнал/шум на входе решающего устройства 12, которое очищает сигнал от шума и восстанавливает уровень сигнала, соответствующий передаваемому символу с точностью до вероятности ошибки регенерации. На второй вход решающего устройства поступает сигнал от устройства восстановления тактовой частоты 13, обеспечивающего восстановление исходных тактовых интервалов передаваемого цифрового сигнала.

Подавление БЗПИ и восстановление исходной последовательности импульсов и пауз производится следующим образом. Первый импульс БЗПИ с выхода второго сумматора 19 поступает на первый вход третьего сумматора 24, с выхода которого он поступает на линию задержки 25 и далее на аттенюатор 20 и, наконец, на вторые входы второго и третьего сумматоров. Линия задержки 25 и аттенюатор 20 обеспечивают задержку и затухание, соответствующие соседним импульсам в БЗПИ. В замкнутой цепи из трех блоков 24, 25 и 20 первый импульс БЗПИ порождает новую БЗПИ, которая поступает на второй вход второго сумматора с такой амплитудой и полярностью, что поступающая на первый вход второго сумматора БЗПИ подавляется, начиная со второго импульса, и не проходит на выход второго сумматора за исключением первого импульса.

Положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала может быть рассчитан следующим образом.

Длина линии передачи 1 = Э/α, где Э - энергетический потенциал (дБ), α - затухание 1 км среды передачи оптического сигнала (дБ/км). Разность энергетических потенциалов для двух линий передачи при равных отношениях сигнал/шум на входе решающего устройства равна - 10 lg отношения мощностей шума на входах решающих устройств. В прототипе из-за влияния емкости цепи на стыке фотодиода и первого транзистора видеоусилителя частотная характеристика коэффициента передачи мощности этой цепи пропорциональна (1+ω²τ²_c)^-1, τ_c - постоянная времени цепи. Поэтому частотная характеристика коэффициента передачи устройства выравнивания частотной характеристики пропорциональна (1+ω²τ²_c). Если спектральная плотность шума первого транзистора значительно превышает спектральную плотность шума фотодиода в полосе частот пропускания цепи на их стыке П_c = 1/2 πτ_c, что в большинстве случаев выполняется, то спектральная плотность шума на входе решающего устройства прототипа пропорциональна Ш (1+ω²τ²_c), где Ш - спектральная плотность шума, пересчитанная в точку выхода фотодиода при ω = 0. В предлагаемой линии передачи вследствие компенсации влияния емкости стыка фотодиода и первого транзистора реактивными элементами многочастотного резонатора спектральная плотность в полосе пропускания резонатора пропорциональна Ш. Поэтому отношение мощностей шума на входе решающих устройств прототипа и предлагаемой линии передачи составляет (1+П_и²/3П_с², где П_и - ширина спектра частот передаваемого сигнала, а разность энергетических потенциалов ΔЭ = 101 g (1+1/3 П_и²/П_с²).

Если П_и/П_с = 3 - 10, то ΔЭ = 6-15 дБ.

Если спектральные плотности шумов фотодиода и первого транзистора в полосе П_с одинаковы, то величина ΔЭ уменьшается на 3 дБ. Положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи определяется соотношением Δl = ΔЭ/α. Экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала можно оценить на примере развертывания на заданной территории широкополосной сети связи, в которой используется предлагаемая линия передачи.

Выпускаемые промышленностью оптические кабели (ОК) имеют разброс затухания. Поэтому максимальные длины соединительных линий (СЛ), достигаемые с использованием различных ОК, различны. Цена 1 км также зависит от затухания. Предположим, что используемые ОК имеют три номинала затухания, тогда максимальные длины СЛ в порядке возрастания обозначим l₁, l₂, l₃, цены 1 км OK - C₁, C₂, C₃, а разности цен - ΔC₁₂ и ΔC₂₃. В этом случае относительное уменьшение затрат на ОК (ΔC/C) при использовании предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом вследствие возможности использования большего количества относительно дешевых ОК определяется соотношением ΔC/C = (ΔЭ/ЭʹC_окlΔl)(l²₁ΔC₁₂+l²₂ΔC₂₃), где Э' - среднее затухание в OK на СЛ; C_ок - средняя цена 1 км ОК; l - средняя длина СЛ на сети; Δl - разброс длин СЛ на сети.

Полагая ΔЭ = 6 - 15 дБ; Э' = 30 дБ; C_ок = С₂, ΔC₁₂ = ΔC₂₃ = ΔC_ок; l = 0,5 (l₃ + 0,5l₁); Δl = 1₃ - 0,51 l₁; l₂/l₁ =l₃/l₂ = 1,5, получим ΔC/C = (0,3-0,7)ΔC_ок/C_ок.
Если цены на ОК составляют 2000 - 3000 у.е. за 1 км, то C_ок = 2500 у.е., а ΔC_ок = 500 у.е., то ΔC/C = 0,06-0,14. В абсолютном выражении экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи на рассмотренном примере при годовых затратах на ОК 10 млн у.е. составляет 0,6-1,4 млн у.е.

ПРИЛОЖЕНИЕ
Сигнал на выходе многочастотного резонатора (МЧР)

где V(ω) = K_мчр(ω)V₀(ω);


ω_n = nω₁; n = 0,1, ... N;
ω₁ = первая резонансная частота МЧР;
u₀(t) - сигнал на входе МЧР;
Т - постоянная времени затухания МЧР;
K_мчр(ω) - коэффициент передачи МЧР;
V(ω); V₀(ω) - спектры сигнала на выходе и входе МЧР.

Поскольку в пределах полосы частот пропускания n-го резонанса функция V₀(ω) изменяется незначительно, то V₀(ω) ≈ V₀(ω_n).
В этом случае

где Δt = 2π/ω₁.
Сигнал на выходе МЧР представляет собой БЗПИ с равными интервалами Δt между соседними импульсами и затуханием по экспоненциальному закону с постоянной времени Т.

Формула изобретения

Линия передачи высокоскоростного цифрового оптического сигнала, содержащая усилитель-модулятор, лазерный генератор, устройство стабилизации мощности лазера, среду передачи оптического сигнала, первое и второе согласующие устройства, фотодетектор, видеоусилитель, устройство автоматической регулировки усиления, оптимальный фильтр, решающее устройство, устройство восстановления тактовой частоты, при этом вход линии является первым входом усилителя-модулятора, выход которого соединен с первым входом лазерного генератора, выход которого соединен со входом устройства стабилизации мощности лазера и входом первого согласующего устройства, выход которого соединен со входом среды передачи оптического сигнала, выход которой соединен со входом второго согласующего устройства, выход которого соединен со входом фотодетектора, первый и второй выходы устройства стабилизации мощности лазера соединены соответственно со вторым входом усилителя-модулятора и со вторым входом лазерного генератора, выход видеоусилителя соединен со входом устройства автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с первым входом видеоусилителя, выход оптимального фильтра соединен с первым входом решающего устройства и входом устройства восстановления тактовой частоты, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства, выход которого является выходом линии передачи, отличающаяся тем, что в нее включены многочастотный резонатор, многочастотный фильтр, первый, второй и третий сумматоры, генератор, умножитель частоты, линия задержки, аттенюатор, N демодуляторов, N модуляторов, N полосно-пропускающих фильтров канала, N полосно-пропускающих фильтров несущей, при этом выход фотодетектора соединен со входом многочастотного резонатора, выход которого соединен со вторым входом видеоусилителя, выход которого соединен со входом многочастотного фильтра, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со входом оптимального фильтра и первым входом третьего сумматора, выход которого соединен со входом линии задержки, выход которой соединен со входом аттенюатора, выход которого соединен со вторыми входами второго и третьего сумматоров, выходы многочастотного фильтра со второго до (N+1)-го соединены со входами соответствующих демодуляторов с первого до N-го, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих модуляторов, выходы которых соединены со входами соответствующих полосно-пропускающих фильтров канала, выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора со второго до (N+1)-го, выход генератора соединен со входом умножителя частоты, выходы которого с первого до N-го соединены со входами соответствующих полосно-пропускающих фильтров несущих, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих модуляторов с первого до N-го.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4