Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

С выхода ПРОМ электрический сигнал совместно с аддитивной помехой поступает на УО (кривая 1, рис. 18). В УО происходит усиление этого сигнала и ограничение его амплитуды знакчением С/пор. Если входной сигнала больше порогового 1/пор, то на выходе УО сигнал появится и, если входной сигнал меньше ипор, то сигнал на выходе УО не появится, и, следовательно, происходит подавление части помех (см. кривая 2, рис.18).

ипор

п п п п п п

пл п

Рис. 18. Временные диаграммы работы цифрового линейного регистратора

С выхода УО сигнал, освобожденный от аддитивных помех, поступает на вход ПУ (см. 3, рис. 18).

Сигнал на выходе ВТЧ представляет периодическую последоваетльность импульсов (см. 4, рис.18), следующих с тактовой частотой £ = 1/Т, где Т - период следования импульсов.

Если на один из входов РУ подается информационная последовательность с выхода ПУ (см. 3 рис. 18), а на другой - тактовая последовательность импульсов (см. 4, рис. 18), то в случае их совпадения на выходе РУ появляются импульсы (см. 5, рис. 18) определенной амплитуды и длительности, необходимые для запуска ФУ.

В ФУ происходит полная регенерация формы импульсов (см. 6, рис. 18), которая затем поступает на вход ПОМ, где и осуществляется модуляция оптического излучения или преобразование электрического сигнала в оптический соответствующей длины волны и интенсивности.

Необходимо отметить, что периодическая последовательность импульсов на выходе ВТЧ (см. 4, рис. 18) обязательно фазируется с откоректированными импульсами на выходе ПУ с целью уменьшения так называемых фазовых дрожаний (флуктуаций), обусловленных погрешностями работы ВТЧ.

Пороговое устройство и усилитель-ограничитель являются основными элементами регенератора, обеспечивающими его помехоустойчивость, и требуют точной установки порогового напряжения Цюр и стабильного усиления.

Изменение порогового напряжения в любую сторону снижает помехоустойчивость регенератора, так как приводит к нарушению оптимального соотношения между максимальным значением откорректированного импульса на входе УО и пороговым напряжением ПУ. Для поддержания постоянства такого оптимального соотношения в регенераторе применяется автоматическачя регулировка усиления (АРУ) (см. рис. 17), где в качестве управляющего сигнала используется пиковое значение импульсов на выходе УО.

Оптические усилители

Усиление оптических сигналов рассматривалось как сопутствующее явление, наблюдаемое при исследовании процессов

в лазерных устройствах. Однако уже в начале 80-х годов в связи

сразвитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало самостоятельным направлением и находит все большее примене-

В отличие от регенератора, рассмотренного выше, оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования, а сразу производит усиление оптического сигнала (см. рис. 19).

Оптические усилители в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум. Кроме того, они вносят собственные шумы в выходной оптический сигнал.

Р и с . 1 9 . О п т и ч е с к и й у с и л и т е л ь

Оптические усилители могут одновременно усиливать несколько оптических сигналов с разными длинами волн в пределах определенного волнового интервала, который называется зоной усиления.

Оптические усилители, аналогично лазерам, используют принцип индуцированного излучения. Существует пять типов оптических усилителей.

1. Усилители Фабри-Перо. Усилители оснащены плоским резонатором с зеркальными полупрозрачными стенами. Они обеспечивают высокий коэффициент усиления (до 25 дБ) в очень узком (1,5 ГГц), но широко перестраиваемом (800 ГГц) спектральном диапазоне. Кроме того, такие усилители не чувствительны к поляризации оптического сигнала и характеризуются сильным подавлением боковых составляющих (ослабление на 20 дБ за пределами интервала в 5 ГГц).

В силу своих характеристик, усилители Фабри-Перо идеально подходят для работы в качестве демультиплексоров, поскольку они всегда могут быть перестроены для усиления только определенной длины волны одного спектрального канала из входного многоканального системы спектрального уплотнения (WDM).

2. Усилители на волокне, использующие бриллюэновское расстояние. Стимулированное бриллюэновское расстояние - это нелинейный эффект, возникающий в кремниевом волокне, когда энергия от оптической волны на частоте ^ переходит в энергию новой волны на смещенной частоте f2.

Если мощная накачка в кремниевом волокне производится на частоте f1f стимулированное бриллюэновское расстояние способно усиливать слабый входной сигнал на частоте f2. Входной сигнал сосредоточен в узком диапазоне, что позволяет выбирать канал с погрешностью 1,5 ГГц.

3. Усилители на волокне, использующие рамановское расстояние, реализуют тот же нелинейный эффект, что и использующие бриллюэновское расстояние, однако в данном случае частотный сдвиг между сигнальной волной и волной накачки (|f2-fi|)

больше, а выходной спектральный диапазон усиления шире, что допускает усиление сразу нескольких каналов системы WDM. Большие переходные помехи между усиливаемыми спектральными каналами представляют основную проблему при разработке таких усилителей.

4. Полупроводниковые лазерные усилители (ППЛУ) имеют ту же активную среду, что и полупроводниковые лазеры, но в них отсутствуют зеркальные резонаторы. Для уменьшения френелевского отражения с обеих сторон активной среды наносится специальное покрытие толщиной Л/4 с согласованным показателем преломления.

5. Усилители на примесном волокне наиболее широко распространены и являются ключевыми элементами в технологии полностью оптических сетей, так как позволяют усиливать световой сигнал в широком спектральном диапазоне. Схема такого усилителя приведена на рис. 20.

Рис. 20. Оптический усилитель на примесном волокне

Слабый входной сигнал (1) проходит через оптический изолятор (2), который пропускает свет в прямом направлении - слева направо, но не пропускает рассеянный свет в обратном направлении, далее проходит через блок фильтров (3), которые блокируют световой поток на длине волны накачки, но прозрачны к длине волны сигнала.

Затем сигнал попадает в катушку с волокном, легированным примесью из редкоземельных элементов (4). Длина такого участка волокна составляет несколько метров. Этот участок волокна подвергается сильному непрерывному излучению полупроводникового лазера накачки (5), установленного с противоположной стороны, с более короткой длиной волны.

Излучение этого лазера (5) с длиной волны накачки (6) возбуждает атомы примеси, возбужденное состояние которых имеет большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при наличии слабого сигнала происходит индуцированный переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же самой фазой, что и вызвавший этот переход сигнал. Селективный разветвитель (7) перенаправляет усиленный полезный сигнал (8) в выходное волокно (9). Дополнительный оптический изолятор на выходе (10) предотвращает попадание обратного рассеянного сигнала из выходного сегмента в активную область оптического усилителя.

Активной средой является одномодовое волокно, сердцевина которого легирована примесями редкоземельных элементов с целью создания трехуровневой атомной системы (рис. 21).

Рис. 21. Энергетическая

Лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов, в результате чего электроны с основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С.

Когда заселенность уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцированно усиливать входной оптический сигнал в определенном диапазоне длин волн. При отсутствии входного сигнала происходит спонтанное излучение возбужденных атомов примесей, приводящее к шуму.

Режимы работы усилителя во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены усилители, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием.

Такие усилители получили название EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier - усилитель на легированном эрбием волокне) усилителей.

Коэффициент усиления сигнала зависит от его входной амплитуды и длины волны. При малых входных сигналах амплитуда выходного сигнала растет линейно с ростом входного сигнала, коэффициент усиления достигает при этом максимального значения. Однако при некотором достаточно большом входном сигнале сигнал на выходе достигает своего насыщения, что приводит к падению коэффициента усиления при дальнейшем увеличении уровня входного сигнала.

Вопросы и задачи для самоконтроля к лекциям 13 и 14

1.Назовите основные части волоконно-оптической линии передачи.

2.Назовите основные преимущества оптического волокна. Приведите примеры каждого из них.

3.Каковы длины волн 300 МГц, 3000 МГц и 30 000 МГц электромагнитного колебания в свободном пространстве?

4.Где скорость света больше: в воздухе или в стекле?

5.Определите частоту и энергию фотона для источника оптического

6.Найти расстояние, на котором мощность оптического излучения уменьшится в 10 раз при распространении в волокнах, имеющих следующие коэффициенты затухания: а) 2000 дБ/км; б) 20 дБ/км; в) 0,2 дБ/км.

7.Дайте определение френелевскому отражению.

8.От чего зависит длина волны оптического излучения?

9.Что такое гомопереход и гетеропереход?

10.Что такое гетероструктуры и как они классифицируются?

11.Назовите основные параметры светоизлучающего диода.

12.Перечислите основные характеристики лазерного излучения, отличающие его от излучения светодиода.

13.Назовите три слоя p-i-n-фотодиода. Каково предназначение среднего слоя?

14.Назовите основные параметры фотодиодов.

15.Назовите виды шумов, возникающих в фотодетекторе.

16.Изобразите обобщенную структурную схему передающего оптического модуля.

17.Изобразите обобщенную структурную схему приемного оптического модуля.

18.Сущность непосредственной модуляции оптического излучения. Достоинства, недостатки и область применения.

19.Принцип действия акустооптического модулятора.

20.Принцип действия электрооптического модулятора на ячейках Поккельса - Керра.

21.Принцип действия магнитооптического модулятора на ячейках Фарадея.

22.Обобщенная структурная схема линейного цифрового регенератора ВОСП, временные диаграммы его работы.

23.Принцип работы оптического усилителя типа ЕРРА.

Часть 7. Основы построения систем радиосвязи

Л е к ц и я 15

Общие принципы и особенности построения систем радиосвязи

Основные понятия и определения. Классификация диапазонов радиочастот и радиоволн. Структура радиосистем передачи.

Радиосвязь - вид электросвязи, осуществляемый с помощью радиоволн. Под радиоволнами принято понимать электромагнитные волны, частота которых выше 30 кГц и ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в среде без искусственных направляющих сред (линий). С понятием радиоволны тесно связано понятие радиочастоты, т.е. частоты радиоволн.

Скорость распространения электромагнитных волн в какой-либо

ская, ц - магнитная проницаемость среды. Для воздуха /л ~ е ~ 1, а скорость распространения электромагнитных волн близка к скорости света в вакууме, т.е. V ~ 3 • 10 8 м/с.

Электромагнитные волны создаются источником периодически изменяющейся ЭДС с периодом Т. Если в некоторый момент электромагнитное поле (ЭМП) имело максимальное значение, то такое же значение оно будет иметь спустя время Т. За это время ЭМП

Минимальное расстояние между двумя точками пространства, поле в котором имеет одинаковое значение, называется длиной волны. Длина волны зависит от скорости ее распространения и