Разработка блока управления фотоприёмником для волоконно-оптических систем передачи информации (стр. 2 из 11)
Рассмотрим их влияние на параметры ВОСПИ:
– обычно между полупроводниковым лазером и разъемом ВОК ставится оптический изолятор, ослабляющий отраженный от торца волокна сигнал. Помимо этого ослабления он вносит затухание и в прямом направлении. Величина этого затухания около 1 дБ;
– с течением времени происходит деградация лазерного диода и выходная оптическая мощность снижается. Чтобы система не прекратила свое нормальное функционирование, должен быть оставлен запас на величину этого снижения. В среднем для полупроводникового лазера она составляет 0,8 дБ;
– как известно в оптическом волокне существует дисперсия – зависимость фазовой скорости распространения волны, от какого либо параметра (в общем случае).
Рассмотрим дисперсные характеристики одномодового волокна, как наиболее оптимального по параметру погонного затухания.
В одномодовом волокне существует два вида дисперсии: волноводная и материальная – зависимость фазовой скорости моды от частоты при распространении колебаний в материале. Суммарная дисперсия такого одномодового волокна определяется как сумма двух видов дисперсий:
δτΣ = δτB + δτм
Величина этих составляющих имеет одинаковый порядок, а функциональная зависимость от длины волны у них имеет разный знак. В результате этого на некоторой частоте сумма этих двух величин дает ноль – дисперсия отсутствует.
График изменения дисперсии в зависимости от длины волны представлен на рис. 1.3.
Рисунок 1.2 – График изменения дисперсии в зависимости от длины волны
Исходя из графика в данной системе, выбрана длина волны 1,3 мкм. Величина дисперсии в связи с разбросом спектральных параметров волокна, обычно равна 2–5 нс/м.км. В соответствии с этим ощутимого ослабления сигнала из-за полной дисперсии не ожидается.
Для запаса на возможное ухудшение проводящих свойств волоконно-оптического кабеля вследствие старения отводится величина 1 дБ.
На оптический дистанционный контроль вводится запас 0,2 дБ.
Потери на переходных соединителях оконечного оборудования оцениваются величиной 3 дБ.
Кроме отражения от входного торца оптического волокна существует отражение от всех разъемных соединений, что вносит в оптический сигнал дополнительные шумы. И соответствует эквивалентному уменьшению мощности сигнала на 0,8 дБ.
Прочие, неучтенные потери принимаются равными 3 дБ.
Выходная оптическая мощность лазера с оптическим изолятором составляет 3 дБ. Эти параметры участвуют в составлении запаса мощности ВОСПИ.
Разрабатываемая ВОСПИ должна обеспечить передачу электрического сигнала без или с допустимыми уровнями искажений. К основным искажения, которые могут возникнуть в аналоговой ВОСПИ, относятся нелинейные и линейные искажения.
Нелинейные искажения в наших условиях приводят к ухудшению отношения сигнал/шум, то есть к ухудшению чувствительности, а также к появлению ложных сигналов приема.
Линейные искажения приводят также к ухудшению отношения сигнал/шум. Наиболее опасными искажениями являются нелинейные, которыми и будет определяться динамический диапазон ВОСПИ, особенно интермодуляционные искажения, создающие помехи с частотами (mfi+ nfj). Поэтому выбор структуры ВОСПИ, схематических решений составляющих узлов будет направляться на обеспечение минимизации собственных шумов и нелинейных искажений всей ВОСПИ. Очень велики требования, предьявляемые к ВОК.
1.3 Искажения сигналов в одномодовой аналоговой ВОСПИ
Структура построения ВОСПИ в этом случае соответствует варианту: лазерный излучатель одномодовой ВОК.
При этой структуре, возникновение искажений заключается в том, что при возбуждении одномодового волокна одномодовым, особенно одночастотным лазером, режим работы такого лазера очень сильно зависит от величины отраженного от неоднородности волокна (оптические разъемы, соединения, оптическая площадка фотодиода на приемном конце) оптического сигнала.
Этот отраженный оптический сигнал приводит к появлению дополнительного шума излучения лазера, перескоку мод лазера, релаксационному режиму работы, что в конечном итоге проявляется в увеличении нелинейности ватт / амперной характеристике лазера.
При коротких длинах ВОСПИ, что характерно для нашего случая, и малом затухании оптического сигнала в волокне, эти искажения оказываются очень чувствительными.
Допускаемая мощность обратного оптического сигнала, поступающего на выход лазера должна быть Робр. ≤(0,3÷1,0)% от мощности излучения лазера. В этом случае режим работы лазера не нарушается и не возникает дополнительных шумов и нелинейных искажений.
Искажения в тракте распространения оптического сигнала и режим работы лазерного излучателя сильно зависят от условий эксплуатации ВОК. Если при эксплуатации происходят механические колебания вращения кабеля то это приводит к изменению затухания оптического сигнала из-за появления местной неоднородности и, следовательно, к изменению интенсивности обратного отраженного оптического сигнала, приводящего к изменению режимы работы лазера. Для устранения этого влияния лазерные излучатели должны выполняться с оптическим изолятором на выходе с разверткой Дразв.≥30÷40 дБ по оптической мощности.
1.4 Экспериментальные наблюдения и измерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ
Экспериментальные исследования искажений сигнала производились двухмодовым и одномодовым методами. В качестве регистрирующей аппаратуры использовался осциллограф, селективный микровольтметр В6–10, а также измеритель радиопомех SMV – 8,5. Наблюдения и измерения искажений сигнала проводились как в КВ, так и ДЦВ диапазонах. Исследовалось при этом влияние как ВОК, так и лазерных излучателей на качественную и количественную картину искажений радиосигналов.
1.5 Определение основных характеристик оптических излучателей и фотоприемников
Кроме вышеперечисленных искажений в аналоговой ВОСПИ возможно возникновение искажений сигнала в ФПУ при использовании в качестве фотодиодов лавинных фотодиодов (ЛФД), которые обладают малыми собственными шумами, но создают значительные нелинейные искажения при небольшом уровне сигнала. У ЛФД динамический диапазон достигает величины не более 40 дБ. Для достижения большего динамического диапазона изменения радиосигнала, лазерные излучатели должны обладать очень малыми собственными шумами, а также иметь строго линейную ватт / амперную характеристику, обеспечивающую динамический диапазон изменения радиосигнала, особенно для КВ диапазона, более 60 дБ. по интермодуляционным искажениям второго порядка.
Все эти требования лазерные излучатели и фотодиоды должны обеспечивать во всем требуемом диапазоне радиосигнала, то есть от fн=60 кГц. до fв=500 МГц.
Кроме искажения сигнала, возникающих в ВОСПИ из-за влияния оптоэлектронных элементов (ВОК, лазерные излучатели, фотодиоды) в аналоговых ВОСПИ используются и чисто электронные элементы (транзисторы, диоды, микросхемы), которые в свою очередь, создают дополнительные искажения, частотные искажения. Для исключения их влияния, динамический диапазон устройств, созданных на этих элементах – усилителей, модуляторов для модуляции лазерных излучателей, а также усилителей для фотоприемных устройств, должен быть больше, чем динамический диапазон самих лазерных излучателей, то есть более 70 дБ. в КВ диапазоне и более 56 дБ. в ДЦВ диапазоне.
1.6 Волоконно-оптический кабель
В настоящее время в качестве линии оптического сигнала используется ВОК. Для наших целей, так как сигнал узкополосный, может быть использован как многомодовый, так и одномодовый ВОК. Рассмотрим затухание сигнала в этих ВОК. Величина погонного затухания очень сильно зависит от длины волны, применяемой для передачи информации ВОК.
Как видно из графиков, рациональнее использовать одномодовый ВОК, работая на волнах 1300 нм.
Исходя из условий эксплуатации (постоянные механические воздействия с различной частотой и усилением) в ВОСПИ могут возникать дополнительные искажения сигнала в зависимости от того, каким лазерным излучателем возбуждается какое оптическое волокно.
При возбуждении одномодовым излучателем одномодового волокна, дополнительных нелинейных искажений при механических воздействиях на волокно не происходит (т. к. не происходит эффекта перемешивания мод) т.е. не появляются дополнительные ложные сигналы с частотами f=(mf1± nf2), а также не изменяется уровень принимаемого сигнала (это явление отсутствует и при возбуждении многомодовым излучателем многомодового волокна). Таким образом, для исключения влияния механических воздействий, необходимо построение аналоговой ВОСПИ по структуре: одномодовый излучатель – одномодовый ВОК.
Рекомендуемый вариант построения ВОСПИ имеет свои достоинства и недостатки: одномодовый излучатель – одномодовый кабель, малое затухание, но требуется высокая точность настройки разъемов.
В нашем случае не требуется частых разъединений, а необходимо только первоначальное подключение. Поэтому ограничения на монтировку нас особо не стесняют.
1.7 Излучатели
Выполнение требований технического задания по частотному диапазону (Fв ≤ 400 МГц) приводит к тому, что в качестве излучателя может быть использован излучатель ИЛПН – 206 с ОИ.
Источник оптического излучения должен излучать световой поток на длине волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в ОВ, обеспечивать эффективный ввод излучения в ОВ, иметь малые габариты, вес и потребляемую мощность, отличаться простотой, надежностью и долговечностью. Для возбуждения лазерного излучателя необходим усилитель – модулятор. К УМ предъявляются требования: отношение сигнал/шум на выходе, должно быть равным сигналу / шуму на его входе; динамический диапазон по оптическому, а тем более по электрическому сигналу должен быть D ≥ 60 дБ.