Линия передачи 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, предварительный усилитель, усилитель, устройство автоматической регулировки усиления, оптимальный фильтр, устройство восстановления тактовой частоты. Сущность изобретения: в известную линию передачи дополнительно включены два преобразователя сигнала, N фазовых регенераторов,(N-1) предварительных усилителей, усилитель-формирователь накачки, устройство формирования сигнала, включение которых позволяет разделить источники шумов фазовыми регенераторами, что приводит к уменьшению вероятности ошибки передачи сигнала по линии, а следовательно, к увеличению энергетического потенциала и длины линии передачи, в чем и состоит технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения. По сравнению с ближайшими аналогами линия передачи имеет энергетический потенциал на 3-8 дБ больше, что позволяет увеличить длину соединительных линий на местных сетях и длину регенерационного участка на магистральных и внутризоновых сетях связи и тем самым уменьшить общую стоимость оборудования систем и сетей связи. 3 ил.

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

Известна линия передачи цифрового оптического сигнала (фиг. 1), прототип предлагаемого технического решения, которая содержит усилитель-модулятор 1, лазерный генератор 2, устройство стабилизации мощности лазера 3, согласующие устройства 4 и 6, среду передачи оптического сигнала 5, фотодетектор 7, предварительный усилитель 8, усилитель 9, устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) 10, решающее устройство 11, устройство восстановления тактовой частоты 12 (Miki Т. At al//Review ECL - 1978-76, N 5/6- P. 676-692).

Недостатком известной линии передачи цифрового оптического сигнала является ее малая длина.

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

Поставленная цель достигается тем, что в известную линию передачи включены два преобразователя сигнала, N формирующих фильтров, N фазовых регенераторов, (N-1) предварительных усилителей, усилитель-формирователь накачки, устройство формирования сигнала.

Схема предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала показана на фиг. 2. Линия передачи содержит следующие блоки: 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, первый предварительный усилитель 8, усилитель 9, устройство АРУ 10, устройство восстановления тактовой частоты 12, первый преобразователь сигнала 13, первый формирующий фильтр 14, первый фазовый регенератор 15, второй преобразователь сигнала 16, устройство формирования сигнала 17, усилитель-формирователь накачки 18, N-й формирующий фильтр 19, N-й фазовый регенератор 20, N-й предварительный усилитель 21, а также еще (N-2) формирующих фильтров, идентичных первому 14, (N-2) фазовых регенераторов, идентичных первому 15, (N-2) предварительных усилителей, идентичных первому 8 по схеме и конструкции (численные значения параметров их элементов могут различаться и выбираются из условия минимума вероятности ошибки передачи).

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

Входной цифровой сигнал в формате NRZ поступает на вход первого преобразователя сигнала 13, в котором он преобразуется в сигнал одного из следующих типов: а) синусоидальный фазомодулированный (0-π) сигнал, несущая частота ω_н которого значительно и в целое число раз превышает тактовую частоту (фиг. 3а); б) последовательность чередующихся импульсов и пауз, число и длительности которых равны и длительность значительно меньше тактового интервала. При смене передаваемого символа ("0" или "1") импульсы и паузы меняются местами; в) биимпульсный сигнал (фиг. 3в), в котором передача символа "1" на интервале 0 - Т соответствует передаче импульса на интервале 0 - 0,5Т и паузы на интервале 0,5Т - Т, а передача символа "0" на интервале Т - 2Т соответствует передаче паузы на интервале Т - 1,5Т и импульса на интервале 1,5Т - 2Т.

Сигнал, поступающий с выхода первого преобразователя сигнала 13, усиливается усилителем-модулятором 1 до уровня, необходимого для модуляции лазерного генератора 2, оптическая мощность на выходе которого поддерживается на заданном уровне с помощью устройства стабилизации мощности лазера 3. Оптический сигнал с выхода лазерного генератора 2 через первое согласующее устройство 4 поступает в среду передачи оптического сигнала 5, с выхода которого через второе согласующее устройство 6 поступает на вход фотодетектора 7. Далее сигнал через первый формирующий фильтр 14, обеспечивающий максимальное отношение сигнал/шум на его выходе, поступает на вход первого фазового регенератора 15.

Поскольку последовательность чередующихся импульсов и пауз, а также биимпульсный сигнал (фиг. 3б, в, сплошная линия) с точностью до спектральных составляющих высокого порядка соответствуют синусоидальному сигналу с двухпозиционной (0-π) фазовой модуляцией (фиг. 3б, в, штриховая линия), то для регенерации таких сигналов можно использовать принцип регенерации фазомодулированного сигнала. Для этого на второй вход фазового регенератора 15 поступает сигнал накачки, частота которого в два раза превышает несущую частоту эквивалентного фазомодулированного сигнала, а мощность достаточная для изменения параметра диода или транзистора в широких пределах. На выходе фазового регенератора 15 образуется синусоидальный сигнал, фаза которого с точностью до вероятности ошибки регенерации принимает два значения 0 или π в зависимости от передаваемого символа. Таким образом, фазовый шум сигнала, поступающего с выхода фотодетектора 7, подавляется. Амплитудный шум не подавляется, но он не влияет на характеристики передачи информации, которая содержится в фазе сигнала.

В качестве фазового регенератора может быть использован вырожденный параметрический усилитель, в котором используется нелинейная емкость запертых полупроводниковых p-n-переходов, который настраивается на небольшое усиление, а поэтому абсолютно устойчив и имеет высокую стабильность своих характеристик. Из-за малых потерь в нелинейной емкости уровень дополнительного шума, создаваемого фазовым регенератором, незначителен. Кроме параметрического усилителя может быть использовано аналогичное устройство, работающее на нелинейной активной проводимости диода или транзистора.

Сигнал с выхода первого фазового регенератора 15 усиливается первым предварительным усилителем 8 и поступает на вход второго формирующего фильтра и далее на вход второго фазового регенератора, предназначенного для подавления шума, источники которого расположены в первом предварительном усилителе 8 и т.д. Наконец, сигнал поступает на вход N-го формирующего фильтра, N-го фазового регенератора и N-го предварительного усилителя, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя 9, осуществляющего усиление сигнала до уровня, необходимого для обработки его нелинейными устройствами.

Поскольку процесс фазовой регенерации не зависит от уровня сигнала, то регенерация сигнала может быть осуществлена в первых каскадах усиления на низком уровне сигнала. Это позволяет разделить источники шума регенераторами, не допустив сложения их мощностей. Поэтому в отличие от прототипа происходит не сложение мощностей шумов, а сложение вероятностей ошибки каждого регенератора, что приводит к значительному уменьшению вероятности ошибки передачи цифрового сигнала по линии.

С выхода усилителя 9 сигнал поступает на входы устройств: формирования сигнала 17, восстановления тактовой частоты 12 и АРУ 10, а также на вход усилителя-формирователя накачки 18. В устройстве формирования сигнала 17 подавляется амплитудный шум и с точностью до вероятности ошибки регенерации восстанавливается сигнал, образующийся на выходе первого преобразователя сигнала 13, который поступает на вход второго преобразователя сигнала 16, где восстанавливаются исходная форма и амплитуда сигнала, а также его временное расположение на тактовом интервале. В устройстве восстановления тактовой частоты происходит выделение сигнала тактовой частоты из поступающего на его вход цифрового сигнала. Сигнал тактовой частоты поступает на второй вход усилителя-формирователя накачки 18, в котором в зависимости от типа сигнала на выходе преобразователя сигнала 13 производится выделение тактовой частоты последовательности импульсов и пауз (фиг. 3б) или биимпульсного сигнала (фиг. 3в), или несущей частоты ω_н синусоидального фазомодулированного сигнала и формирование сигналов накачки, которые поступают на вторые входы фазовых регенераторов и на второй вход устройства формирования сигнала 17. В устройстве АРУ формируются управляющие сигналы, поступающие на вторые входы усилителя 9 и фотодетектора 7 для автоматического изменения усиления усилителя 9 и лавинного усиления фотодетектора 7. При использовании в фотодетекторе pin-фотодиодов сигнал АРУ на фотодетектор не подается.

Количество формирующих фильтров, фазовых регенераторов и предварительных усилителей (число N) зависит от усилительных и шумовых характеристик предварительных усилителей, которые выбираются из условия минимума вероятности ошибки передачи сигнала по линии. Сигнал на выходе последнего предварительного усилителя должен быть достаточно большим, чтобы отношение сигнал/шум на выходе усилителя 9 значительно превышало значение, соответствующее заданной вероятности ошибки.

Фазовый регенератор содержит режекторный фильтр частоты накачки, предотвращающий поступление сигнала накачки в предварительный усилитель, что может существенно изменить усилительные и шумовые характеристики этого усилителя.

Первый формирующий фильтр и первый фазовый регенератор включены на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. Поэтому конструктивно блоки 7, 14, 15 и 8 целесообразно выполнить в виде оптоэлектронной интегральной схемы с целью уменьшения габаритов, паразитных параметров, повышения эксплуатационной надежности и стойкости к механическим воздействиям.

Положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала заключается в увеличении ее длины по сравнению с прототипом на величину, определяемую соотношением Δl = ΔЭ/α, где ΔЭ - увеличение энергетического потенциала (дБ), α - затухание в 1 км среды передачи оптического сигнала (дБ/км). Увеличение энергетического потенциала в зависимости от параметров линии передачи составляет 3-8 дБ. (См. Приложение).

Экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала можно оценить на примере строительства транспортной сети связи, в которой использована предлагаемая линия передачи в качестве соединительной линии (СЛ) связи. Предположим, что на сети используются три типа оптических кабелей (ОК) с различными затуханиями, а следовательно, разными максимальными длинами СЛ - l₁, l₂, l₃ - и соответственно разными ценами 1 км ОК - C₁, C₂, C₃. 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 ΔC₁₂ = C₂-C₁; ΔC₂₃ = C₃-C₂; Э' - среднее затухание в ОК СЛ; C_ок - средняя цена 1 км ОК; l - средняя длина СЛ на сети; Δl - разброс длин СЛ на сети.

Полагая ΔЭ = 3-8 дБ; Э' = 30 дБ; C_ок = C₂; ΔC₁₂ = ΔC₂₃ = ΔC_ок; Δl = l₃ - 0,5l₁; l = 0,5(l₃+0,5l₁); l₂/l₁ = l₃/l₂ = 1,5, получим
ΔC/C = (0,15-0,35)ΔC_ок/C_ок
Если цены на ОК составляют C₁ = 2000 у.е.; C₂ = 2500 у.е.; C₃ = 3000 у. е. за 1 км, то C_ок = 2500 у.е., а ΔC_ок = 500 у.е. В этом случае ΔC/C=0,03 - 0,07. В абсолютном выражении экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи на рассмотренном примере при годовых затратах на ОК 100 млн. у.е. составляет 3 - 7 млн. у.е.

ПРИЛОЖЕНИЕ
Отношение сигнал/шум на входе решающего устройства прототипа определяется соотношением

где A₁ = 2q₀Δf(I_c+I_T)I^-_c²; A₂ = 2q₀ΔfI|y₁|²I^-_c²g^-2;
β = g²|y_выx+y_вx|^-2; I_c = q₀η(hν)^-1P_c;
P_е - мощность оптического сигнала на входе фотодетектора;
I_т - темновой ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания тракта усиления;
I - расчетный ток транзистора, определяющий его шумовые характеристики (в полевых транзисторах приблизительно равен току стока);
g - крутизна характеристики передачи транзистора;
y_вх, y_вых - входная и выходная проводимости транзистора;
y₁ - проводимость цепи на стыке фотодиода и первого транзистора;
M - коэффициент лавинного усиления фотодиода;
x - шумовой параметр лавинного фотодиода;
η - - квантовая эффективность фотодиода;
hν - энергия фотона;
q₀ - заряд электрона.

Вероятность ошибки передачи сигнала в прототипе

где S^-₀¹ = A₁M^x+A₂M^-2(1-β^-1)^-1.
Вероятность ошибки передачи сигнала в предлагаемой линии передачи

где S₁^-1 = A₁M^x; S₂^-1 = A₂M^-2; S^-₃¹ = A₂M^-2β^-1; S^-₄¹ = A₂M^-2β^-2,...
Поскольку K₂ представляет собой малую величину, 10^-9-10^-11, то приведенный выше ряд быстро сходится уже при β ≥ 1,1, что позволяет выражение для K₂ ограничить двумя первыми слагаемыми. Для подавления влияния шумов всех транзисторов, кроме первого, в прототипе необходимо выбрать β ≥ 10, а в предлагаемой линии передачи β ≥ 1,1. Определяя M из условия минимума K₁ и K₂ и пренебрегая малыми величинами, получим выражение для увеличения энергетического потенциала в предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом при заданной вероятности ошибки передачи

где
β₁, β₂ - значения β, рассчитанные для прототипа и предлагаемой линии передачи соответственно;
n - показатель степени функции, аппроксимирующей вольт-амперную характеристику транзистора I=auⁿ, 1 < n < 2.

Существующие лавинные фотодиоды имеют x = 0,7 - 1, а для длинноволновых диапазонов возможны значения x = 2,4. Поэтому для x = 0,7 -1, n = 1,25 - 1,5; β₁ = 10; β₂ = 1,1 увеличение энергетического потенциала Э = (3,3 - 7,8) дБ, а при использовании фотодиодов с x = 2,4 ΔЭ достигает 16 дБ.

Формула изобретения

Линия передачи цифрового оптического сигнала, содержащая усилитель-модулятор, лазерный генератор, устройство стабилизации мощности лазера, среду передачи оптического сигнала, первое и второе согласующие устройства, фотодетектор, предварительный усилитель, усилитель, устройство автоматической регулировки усиления устройство восстановления тактовой частоты, при этом выход усилителя-модулятора соединен с первым входом лазерного генератора, первый выход которого соединен со входом первого согласующего устройства, выход которого соединен со входом среды передачи оптического сигнала, выход которой соединен со входом второго согласующего устройства, выход которого соединен с первым входом фотодетектора, второй выход лазерного генератора соединен со входом устройства стабилизации мощности лазера, первый выход которого соединен с первым входом усилителя-модулятора, а второй выход соединен со вторым входом лазерного генератора, выход усилителя соединен со входом устройства восстановления тактовой частоты и входом устройства автоматической регулировки усиления, выход которого соединен с первым входом усилителя и вторым входом фотодетектора, отличающаяся тем, что в нее включены первый и второй преобразователи сигнала, N формирующих фильтров, N фазовых регенераторов, (N-1) предварительно усилителей, усилитель-формирователь накачки, устройство формирования сигнала, при этом вход линии передачи является входом первого преобразователя сигнала, выход которого соединен со вторым входом усилителя-модулятора, выход фотодетектора соединен со входом первого формирующего фильтра, выход каждого из N формирующих фильтров соединен с первым входом соответствующего фазового регенератора, выход которого соединен со входом соответствующего предварительного усилителя, выход N-го предварительного усилителя соединен со вторым входом усилителя, выход которого соединен с первым входом усилителя-формирователя накачки и первым входом устройства формирования сигнала, выход которого соединен со входом второго преобразователя сигнала, выход которого является выходом линии передачи, выход устройства восстановления тактовой частоты соединен со вторым входом усилителя-формирователя накачки, первый и второй выходы которого соединены соответственно со вторыми входами каждого из N фазовых регенераторов и со вторым входом устройства формирования сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3