Аналогові та цифрові оптичні передавальні пристрої
1. Аналогові оптичніпередавальні пристрої
По аналоговихВОСП ведеться передача одно- та багатоканальних телевізійних сигналів (наприклад, в системах кабельного телебачення, сигнали різноманітнихвимірювальних систем, групові сигнали систем передачі з частотним розподіломканалів). В аналогових ВОСП потрібен випромінювач з лінійною ват-амперноюхарактеристикою. У зв'язку з цим в аналогових системах частіше використовуютьсяпередавальні пристрої на основі світлодіодів та суперлюмінісцентнихсвітлодіодів. Ці випромінювачі мають меншу, ніж у лазерів потужність та широкийспектр випромінювання.
Робоча точка дляобох видів випромінювачів вибирається на середині лінійних дільниць вихідноїхарактеристики цих випромінювачів. Такою характеристикою є ват-амперна характеристикаДОВ. У цьому разі незалежно від типу випромінювача використовується схемавключення ДОВ з постійним зміщенням (рис. 1).
/>
Рисунок 1 — Схема включення ДОВ із зміщенням
На рис.2а, бнаведені положення робочої точки та епюри вхідних сигналів для світлодіода(рис.2а) та лазерного випромінювача (рис.2 б).
/>
Рисунок 2 –Положення робочої точки на ВтАХ випромінювача: а)світлодіода; б) лазерноговипромінювача (пунктирною лінією позначена ідеальна характеристика СД,суцільною – реальна)
На рис. 3наведена одна з досить простих принципових схем аналового ОПерП. У схемівикористано підсилювальний каскад на біполярному транзисторі, який включено засхемою з загальним емітером. Він перетворює вхідну напругу, що подається набазу в колекторний струм, який протікає через джерело випромінювання. Такийкаскад і є генератором струму накачування або перетворювачем напруга-струм.
/>
Зміщення базивибирається таким чином, щоб каскад працював в класі А, в цьому разі струмколектора транзистора (він же струм накачування) буде змінюватися пропорційновхідному сигналу від його мінімального до максимального значення в межахлінійної частини ват-амперної характеристики випромінювача (рис. 2а, б). Цясхема в залежності від типів транзистора та випромінювача дієздатна у діапазонічастот модуляції до 100 МГц. Модуляція здійснюється у класі А (рис.1), вираздля індексу модуляції має вигляд
/>. (1)
Внаслідокнелінійності реальної ВтАХ виникають нелінійні спотворення: з΄являютьсявищі гармоніки та комбінаційні складові.
Нелінійніспотворення погіршують характеристики аналогових ВОСП, оскільки формаприйнятого сигналу може суттєво відрізнятися від переданого.
Аналогові ВОСПголовним чином застосовуються у системах кабельного телебачення. При передачітелевізійних сигналів особливі вимоги ставляться до амплітудних та фазовихспотворень. Фазові спотворення призводять до порушення відтворення кольору.Амплітудні спотворення призводять до зміни амплітуди сигналу кольоровості призміні сигналу яскравості. Кількісною характеристикою амплітудних та фазовихспотворень є диференційна амплітуда та диференційна фаза. Вони визначаються якмаксимальні зміни амплітуди та фази піднесучої при зміні сигналу яскравості вінтервалі між рівнями чорного та білого. Таким чином, диференційне підсиленнядорівнює (у відсотках)
/>%, (2)
а диференційнафаза
/>. (3)
При цьому струмиI0 та I΄0 змінюються у робочому діапазоніструмів накачування джерела випромінювання. У (2) та (3) P(I) та φ(I) –оптична потужність та фазова затримка, що вноситься світлодіодом при струмінакачування I; I0 — струм постійного зміщення, I΄0-сума струмів постійного зміщення та змінної складової сигналу.
У відповідності зтехнічними вимогами значення диференційного підсилення та фази в замкнутихсистемах кабельного телебачення не повинні перевищувати 10% і 10о(система PAL) та 10% і 5о (система NTSC). Місцеві (локальні лінії)припускають максимальні викривлення 1% і 1о. У сучасних світлодіодахта суперлюмінісцентних світлодіодах на основі арсеніду галію значеннядиференційного підсилення та диференційної фази сягають відповідно 20% та 10о.Таким чином, необхідна компенсація (корекція) нелінійних спотворень ваналогових ОПерП. Існує декілька методів зниження нелінійних спотворень.
Зменшитинелінійні спотворення можна за допомогою зниження індексу модуляції m (3).Однак цей засіб призводить до погіршення відношення сигналу до шуму під часприйняття, що примушує зменшувати довжину лінії передачі для збереженняпотрібної якості зв'язку.
Одним з доситьпростих засобів зниження нелінійних спотворень є введення попередньогоспотворення. В електричний сигнал, що передається, вводять попередніспотворення, протилежні тим, які вносить при модуляції джерело випромінювання.У загальному випадку сутність засобу введення попередніх спотворень можна пояснити.Для компенсації нелінійних спотворень вихідна характеристика ланцюгапопереднього спотворення (F2) повинна бути симетричною такій жехарактеристиці (F1) випромінювача відносно бісектриси першогокоординатного кута.
У загальномувипадку нелінійну ВтАХ характеристику можна апроксимувати ступеневим поліномом
/>, (4)
де Pвх-узагальненийвхідний параметр сигналу без попереднього спотворення.
Аналогічнийвигляд має поліном, яким потрібно апроксимувати амплітудну характеристикуланцюга попереднього спотворення та визначити для неї відповідні постійнікоефіцієнти
/>, (5)
де P"вх-узагальнений вхідний параметр ланцюга попереднього викривлення.
Відповіднимиматематичними методами при наявності реальної вихідної характеристикивипромінювача визначаються коефіцієнти апроксимації b0,b1 ,…,bn. Аналізуючи (5), можна зробити висновокщодо структури ланцюга попереднього спотворення: він повинен мати ланцюгипостійної складової, похилої складової та криволінійної складової. Схемаформування попереднього спотворення наведена на рис. 4.
/>
Рисунок 4 – Схемаформування попередніх спотворень
/>
Цей методзабезпечує компенсацію нелінійних спотворень для різних струмів накачування, щодозволяє здійснити лінеаризацію при великих значеннях індексу модуляції. Простасхема, що реалізує цей метод, наведена на рис. 5. У цій схемі паралельно до світлодіода(СД) включено ланцюг, що складений з германієвого діода D та резистора R. Цейланцюг розширює діапазон струмів накачування майже на 50% при збереженніпопереднього рівня нелінійних спотворень. Через ланцюг D-R протікає більшачастина загального струму при малих струмах накачування, а при великих — основна частина струму протікає через світлодіод. Отже, існуюча при великихструмах накачування від’ємна кривизна ват-амперної характеристики будекомпенсуватися зростанням струму накачування.
На рис. 6наведена структурна схема ОПерП з лінеаризованою ват-амперною характеристикоюсвітлодіода введенням попередніх спотворень випромінювача.
/>
Рисунок 6 — Структурна схема пристрою лінеарізації ват-амперної характеристики світлодіода
Досить ефективнимзасобом зменшення нелінійних спотворень є використання від’ємного оптичногозв’язку.
Структурна схемапристрою лінеаризації від’ємним зворотним оптичним зв’язком наведена на рис. 7.Цей пристрій складається з підсилювача-компаратора 1, генератора струмунакачування 2, світлодіода 3, направленого розподільника оптичної потужності 4,фотодіода 6 та широкополосного підсилювача 7.
/>
Рисунок7 — Структурна схема пристрою зниження нелінійних спотворень методомвід΄ємного оптичного зворотного зв΄язку
Цей засіб доситьпростий в реалізації. Розподільником оптичної потужності відводиться деякачастка випромінювання, далі вона детектується фотодіодом та підсилюється, струмфотодіода віднімається від струму накачування світлодіода разом з продуктаминелінійності. Проведемо аналіз цього методу. Нехай i"-струм уколі зворотного зв΄язку
/>, (6)
де Р-потужність,що випромінюється світлодіодом, β-коефіцієнт передачі у колі зворотногозв’язку з урахуванням перетворення струму в оптичну потужність, коефіцієнтапідсилення підсилювача 7 та коефіцієнта поділу відгалужувача. Отже, фактичнийструм накачування дорівнює
/> . (7)
Ват-ампернухарактеристику світлодіода з достатньою точністю доцільно апроксимуватипараболою, що має вигляд
/>, (8)
де а та b –постійні коефіцієнти.
Підставляючи (7)в (8), маємо
/> (9)
Перетворимо (9) уквадратне рівняння відносно (і — βР)
/> (10)
Вирішуючи (9)відносно (і — βР), та розклавши це рішення у ряд за ступенями (1 +βа), обмежуючись першими двома членами ряду, маємо
/>,
звідки знаходимо
/> (11)
Таким чином,знайдено вираз для ват-амперної характеристики випромінювача при наявностівід’ємного зворотного зв’язку. Порівнюючи (11) з виразом для ВтАХ беззворотного зв’язку (8), можна зробити висновок, що продукти нелінійностізменшилися у (1 — βа)2 разів, але одночасно в (1 — βа)разів зменшується і потужність випромінювання. Таким чином, коефіцієнтзворотного зв’язку вибирається на основі компромісу між вимогами низького рівнянелінійних спотворень, з одного боку, та зменшенням вихідної потужності — здругого. Для більшості світлодіодів постійні коефіцієнти дорівнюють а≈10-2Вт/А, b≈0,5 А. Длязменшення нелінійних спотворень також застосовується метод фазорізнецевоїкомпенсації, аналогічний тому, що використовується у підсилювачах. Але цейметод вимагає застосування розподільників оптичної потужності та оптичногомультиплексора. Крім цього, світлодіоди повинні мати ідентичні ВтАХ. Цей методдозволяє усувати лише парні гармоніки. Таким чином, наведені методи компенсації нелінійнихвикривлень розширюють можливості аналогових ВОСП.
2. Цифровіоптичні передавальні пристрої
Уволоконно-оптичних системах передачі оптичне випромінювання модулюєтьсядворівневими сигналами («0» та «1») кодів, які застосовуютьсяу світловодних трактах. У цифрових оптичних передавальних пристроях найчастішевикористовуються лазерні випромінювачі, оскільки нелінійність їх ВтАХ невпливає на параметри таких систем. До того ж лазери мають більшу оптичнупотужність та більш високу швидкодію. В низькошвидкісних системах та системахневеликої протяжності (наприклад, локальні інформаційно-обчислювальні мережі,системи для з΄єднувальних ліній міської телефонної мережі) можуть бутивикористані і світлодіоди.
/>
Вибір робочоїточки на ВтАХ випромінювача в цифрових ОПерП залежить від типу випромінювача. Уразі використання СД застосовується схема включення СД без постійного зміщуванняструму накачування (рис. 8), тому робоча точка розташовується на початку ВтАХ. Якщо у цифровому ОПерП використанолазерний випромінювач, необхідно застосувати схему з попереднім зміщенням(рис.9), при цьому значення постійного струму зміщення повинно дорівнюватизначенню порогового струму або перевищувати його. Положення робочих точок таепюри сигналів для випромінювачів різних типів наведені на рис. 9. У разі використання СД можливевикористання принципової схеми, наведеної на рис. 3.
Лазерні випромінювачіпотребують більшого, ніж світлодіоди струму накачування (100-200) мА, тому усхемах ГСН досить часто застосовується схема Дарлінгтона, або складовоготранзистора (рис.10).
/>
Рисунок 9 — Положення робочої точки та епюри сигналів для цифрових ОПерП: з світлодіодом(а) та лазерним випромінювачем (б)
/>
Рисунок 10 –Використання схем Дарлінгтона в ОПерП з невисокою (а) та підвищеною швидкодією(б)
Така схема будедіяти як один транзистор, при цьому коефіцієнт передачі струму бази βдорівнює добутку цих параметрів кожного з транзисторів схеми. Ця схема такожзабезпечує узгодження опорів джерела сигналу та випромінювача.
Пара транзисторівVT1 та VT2 вибирається в залежності від потрібного струму накачування.Транзистор VT2 повинен бути більш потужним, ніж VT1. З’єднані таким чином(рис.10 а) транзистори поводять себе як один транзистор з досить низькоюшвидкодією. Для підвищення швидкодії складового транзистора використовуєтьсярезистор R. Звичайно опір R дорівнює (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 середньоїпотужності та (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 великої потужності.
При використаннілазерних випромінювачів в цифрових ОПерП виникає декілька проблем. Перш за всенеобхідно, щоб лазер випромінював пікову потужність, яка повинна бути постійноюувесь період експлуатації та незалежною від змін температури. Відомо, щооптична потужність лазера з підвищенням температури зменшується. Аналогічнимпідвищенню температури є вплив на потужність випромінювача його старіння. Крімтого, в процесі старіння випромінювача на його ВтАХ з΄являються зломи. Привикористанні лазерних діодів також може виникати нестабільність ширини спектравипромінювання та його модового складу.
Тільки в разі,якщо струм накачування перевищує пороговий, генерується одна поздовжня модалазерного резонатора (в ідеальному випадку). Якщо лазер діє в імпульсномурежимі, та потік інформаційних імпульсів має випадковий характер, то прикожному включенні випромінювача генерується декілька мод (або спектральнихскладових) і більшість з них повільно згасає за час дії імпульсу накачування.Таким чином, ширина спектра випромінювання лазера може залежати від засобу йогозміщення, умов накачування, швидкості передачі інформації (тривалості імпульсуструму накачування). Дія усіх цих факторів особливо велика в системах з великоюшвидкістю передачі інформації, тому що збільшення ширини спектра випромінюванняпризводить до збільшення хроматичної дисперсії в оптичному кабелі.
Особливістюлазерного ОПерП є поява викиду та осциляції (дзвін) на вершині імпульсу прицифровій модуляції. Це явище викликане резонансом на частотній характеристицілазера. Якщо не вжити спеціальних заходів для зменшення дії цього явища, може з΄явитисядроблення імпульсу, що призведе до виникнення помилки при регенерації сигналупід час прийняття.
Ще однієюособливістю лазерних ОПерП є затримка між початком імпульсу струму та початкомгенерації оптичного імпульсу. Час цієї затримки залежить від декількохфакторів, їх постійності в часі та діапазоні температур, постійного струмузміщення, порогового струму, пікового струму накачування, часу життя носіїв
/> (12)
де τсп=10-9с, спонтанний час життя електронів, І-імпульсне значення струму накачування, Іп-пороговийструм, Ізм –постійний струм зміщення. При збудженні без постійногозміщення (рис.11) затримка τз оптичного імпульсу P(t) відносноімпульсу струму накачування і (t) та осциляції на вершині імпульсу доситьвеликі, при цьому досить велика ширина спектра випромінювання. Перевагу требавіддати засобу, при якому на діод подається струм постійного зміщення, якийдорівнює, або більше порогового. Відносно цього зміщення прикладаються імпульсиструму накачування. Цей засіб має такі переваги: зменшення необхідної амплітудиімпульсу струму накачування, зменшення затримки між імпульсом світла таімпульсом струму накачування, зменшення амплітуди осциляцій на вершиніімпульсу, звуження ширини спектра випромінювання електричного та оптичногоімпульсів. Епюри електричного та оптичного імпульсів, а також спектрвипромінювання для обох випадків включення лазерного діода наведені на рис. 7.
/>
Рисунок11 — Епюри імпульсів струму накачування й оптичного та спектри випромінювання:а) для світлодіода, б) для лазера
Але ці перевагисхем з попереднім зміщенням мають ряд недоліків: підвищення робочої температуриp-n переходу випромінювача внаслідок протікання через перехід постійногоструму; поява фонового випромінювання в разі передачі символів, що відповідаютьсимволу «0».
Якщо фоновевипромінювання не є мінімальним, то на приймальній стороні на входіфотодетектора також виникає фонове засвічення, що викликатиме додатковийдробовий шум у приймальному пристрої, та зменшить якість передачі. Тому струмзміщення у ОПерП необхідно стабілізувати застосуванням зворотного зв΄язку.Цей захід дозволить також компенсувати зміну параметрів елементів схеми вдіапазоні діючих температур та при їх старінні (температурній та часовійдеградації).
На практицізастосовується дві основні схеми: стабілізація середньої в часі оптичноїпотужності, та стабілізація мінімальної і максимальної потужностей. Структурнасхема стабілізації середньої потужності наведена на рис. 12. Вона містить всобі компаратор 1, джерело струму зміщення, що регулюється Ізм-2,генератор-підсилювач струму накачування 3, випромінювач 4, відгалужувачоптичної потужності 5, фотодіод 6, підсилювач постійного струму 7.
/>
Рисунок12 — Структурна схема температурної стабілізації середнього значення потужностівипромінювання
Коло оптичногозворотного зв’язку містить в собі фотодіод, підсилювач 7 та компаратор, якийуправляє генератором струму зміщення Ізм. Фотодіод детектуєвідгалужене випромінювання або випромінювання з однієї з граней кристалалазерного діода 4. Напруга фотосингалу Uф, пропорційна потужності випромінювача,усереднюється за часом вибором опору навантаження у колі ФДзвеликим значенням, підсилюється в підсилювачі 7. В компараторі 1 ця напругапорівнюється з опорною напругою Uоп. Якщо КUф≠ Uоп,де К- коефіцієнт передачі підсилювача постійного струму, то на виходікомпаратора формується сигнал, який управляє струмом зміщення лазерного діода4.
На рис. 13зображені епюри, що пояснюють принцип стабілізації середнього значення оптичноїпотужності Р, а на рис. 14 епюри, що характеризують роботу реальних цифровихОперП.
/>
Рисунок13 — Епюри температурної стабілізації середнього значення оптичної потужності
/>
Рисунок 14 — Епюри, що характеризують роботу реальних цифрових ОПерП
На рис. 14наведені такі послідовності імпульсів: 1 — форма напруги бінарноїпослідовності, що подається на вхід ОПерП; 2 — ідеальна форма послідовностіоптичних імпульсів на виході ОПерП; 3 — варіації амплітуди та тривалостіелектричних імпульсів; 4 — збільшення фронту та зрізу оптичних імпульсіввнаслідок недостатньої швидкодії джерела випромінювання; 5 — поява викиду та «дзвін»на вершині оптичного імпульсу при використанні лазерного діоду; 6 — підвищенийрівень фонового випромінювання при передачі символу «0»; 7 — накладання на імпульсну послідовність шумів.
Необхідністьусереднення продетектованого контрольним фотодіодом сигналу пояснюється тим, щосередній рівень інформаційної послідовності імпульсів, що передаються, можедосить суттєво флуктуювати на кінцевих інтервалах часу (випадкова послідовністьсимволів «0» та «1»). Епюри, що харектеризують роботуцифрових ОперП, наведені на рис. 14. В реальних ОПерП також передбачаютьсясхеми захисту від кидків струму при включенні-виключенні живлення, та віднестаціонарних струмів, які виникають внаслідок припинення потоку даних.