3336 ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АНАЛОГОВОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

В лабораторной работе изучаются принципы построения аналоговых волоконно-оптических линий передачи, и на примере линии связи ВОЛС-А-1 студенты знакомятся с построением конкретной линии связи, а также исследуют некоторые ее характеристики.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) цифровые методы – основные методы передачи информации ввиду их неоспоримых преимуществ, среди которых одними из главных является возможность эффективно управлять потоками информации, интегрировать в системы связи компьютеры, создавая интеллектуальные системы связи. Аналоговые системы передачи реализовать такие возможности не позволяют.

Вместе с тем аналоговые системы передачи имеют свои достоинства, связанные прежде всего с простотой схемного решения оборудования, а следовательно, с его меньшей стоимостью. По этой причине аналоговые волоконно-оптические системы передачи нашли применение в кабельном телевидении, телеметрии. Аналоговый вариант кабельного телевидения позволяет обеспечить приемлемую стоимость услуг для абонентов.

Простота схемных решений для аппаратуры в большой мере зависит от используемого вида модуляции. При рассмотрении видов модуляции следует иметь в виду, что в современных ВОСП модуляция оптического потока осуществляется только по интенсивности. Можно выделить следующие виды модуляции аналоговых систем передачи.

  1. Модуляция интенсивности

Это самый простой вид модуляции, при котором мгновенная оптическая мощность модулируется передаваемым сообщением. Модуляция осуществляется простым управлением тока накачки полупроводникового источника излучения. При данном виде модуляции более пригоден источник, у которого ватт-амперная характеристика обладает большей линейностью.

На рис. 1,а,б приведены ватт-амперные характеристики светоизлучающего диода и полупроводникового лазера и модуляция интенсивности светового потока изменением тока накачки по синусоидальному закону.

Коэффициент модуляции

.

С энергетической точки зрения необходимо, чтобы глубина модуляции была близка к единице. Однако увеличение   связано с ростом нелинейных искажений, что может оказаться неприемлемым. Обеспечение приемлемого уровня нелинейных искажений достигается путем уменьшения глубины модуляции,  введения отрицательной обратной связи в схему оптического передатчика и другими способами.

а                                                     б

 

 

 

 

 

0                                     0

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

Отношение сигнал/шум  на выходе оптического приемника сильно зависит от характеристик приемника – чувствительности фотодиода, величины темпового тока и других факторов, а также от параметров модулирующего сигнала. В упрощенном виде

,                               (1)

где   - коэффициент, определяемый свойствами фотоприемника;  - коэффициент модуляции;  - ширина спектра модулирующего сигнала.

Из формулы (1) следует, что расширение полосы частот    модулирующего сигнала приводит к уменьшению ,  увеличение    увеличивает отношение .

  1. Частотная модуляция

Этот вид модуляции реализуется в два этапа. На первом передаваемым сигналом производится модуляция по частоте гармонической поднесущей, частота которой выбирается гораздо больше ширины спектра передаваемого сигнала. На втором этапе промодулированной по частоте поднесущей модулируется интенсивность оптического источника.

Одной из разновидностей ЧМ модуляции, используемой в аналоговых ВОЛС, является частотно-импульсная модуляция (ЧИМ). При этом мгновенное значение входного сигнала преобразуется в частоту следования импульсов постоянной длительности с последующей модуляцией  ими интенсивности оптического источника.

Отношение  в случае частотной модуляции может быть определено из следующего выражения:

,                               (2)

где  - индекс модуляции;  - девиация частоты частотно-модулированного сигнала; - ширина спектра передаваемого сигнала;  - коэффициент, определяемый свойствами фотоприемника.

Можно считать, что  всегда несколько меньше  из выражения (1) при условии одинаковых фотодиодов в приемниках.

Сравнивая формулы (1) и (2), видим, что, обеспечивая достаточно большой индекс модуляции  , можно получить выигрыш в отношении .

Анализ ЧМ модуляции с учетом реальных параметров модулятора и демодулятора показывает, что отношение   может быть увеличено на 10 дБ и более по сравнению с модуляцией интенсивности.

  1. Фазоимпульсная модуляция

При этом виде модуляции информация о величине передаваемого сигнала в дискретные моменты времени, следующие через период  , содержится в величине задержки стандартного импульса длительности   относительно тактового импульса. При заданном   отношение  зависит от длительности   и при увеличении   (всегда  <<) это отношение падает. Кроме того, отношение  зависит от формы импульса на входе фотоприемного устройства. Это накладывает определенные требования на форму излучаемого оптического импульса и на допустимое искажение его за счет дисперсии при распространении по оптическому волокну. При выполнении необходимых требований ФИМ модуляция может обеспечить наибольшее отношение  по сравнению с другими видами модуляции.

 

Выбор вида модуляции

 

На практике выбор конкретного вида модуляции диктуется многими соображениями. Если источник излучения обладает достаточной мощностью и отношение  обеспечивается, то при выборе вида модуляции учитываются простота реализации, нелинейные искажения, занимаемая полоса частот и т.д.

Можно говорить, что наиболее проста в реализации  МИ, наиболее сложна – ФИМ.

 

Модуляционная характеристика

 

При модуляции интенсивности лазера синусоидальным сигналом, когда    превышает пороговый    (рис. 1,б), наблюдается зависимость мощности переменной составляющей от частоты модуляции. Зависимость носит резонансный характер, природа которого лежит в процессах рекомбинации носителей в лазере. Аналитически эта зависимость выражается в следующем виде:

 

,

где ;  - постоянная времени рекомбинации;  - среднее время жизни фотона.

Последние два параметра определяются свойствами лазера и зависят от его технологии.

На рис. 2 приведены примерные зависимости нормированной излучаемой мощности от частоты.

 

 

 

 

 

 

 

0           0,2          0,4         0,6         ГГц

Рис. 2

 

В более сложных видах модуляции – ЧМ, ЧИМ, ФИМ – мощность модулированного оптического излучения будет определяться не столько свойствами излучателя, сколько преобразованиями сигнала, предшествующими модуляции источника.

 

ОПИСАНИЕ   ВОЛС-А-1

 

Линия связи ВОЛС-А-1 предназначена для передачи аналоговых сигналов в системах сбора и обработки информации в условиях воздействия мощных электромагнитных полей. В ней используется ЧИМ модуляция.

Линия обеспечивает передачу входных сигналов, амплитуда которых может находиться в пределах от –5 до +5 В в полосе частот от 0 до 500 кГц. Линия сохраняет свои параметры при потерях в кабеле (включая разъемы) не более 10 дБ.

Структурная схема ВОЛС-А-1 приведена на рис. 3.

Преобразователь напряжение-частота преобразует входной аналоговый сигнал в частоту следования импульсов постоянной длительности. Частота импульсов прямо пропорциональна входному напряжению. Преобразование частотно-импульсного сигнала в световой осуществляется с помощью инжекционного сверхлюминесцентного диода ИЛПН-301-1. Передатчик питается напряжением +15, -15 В.

Сигн.

Напря-                                                                  Частота-

жение-                                               Прием-       напря-         Фильтр

часто-                                                 ник             жение             НЧ

та

Рис. 3

 

Приемник ВОЛС-А-1 включает в себя p-i-n фотодиод ФПЗ-4, который осуществляет преобразование светового сигнала в ток (сила тока пропорциональна световой мощности). Фотоприемное устройство преобразует ток фотодиода в напряжение, и далее оно подается на усилитель. Усилитель, преобразующий ток в напряжение, выполнен по схеме с обратной связью. Приемник питается напряжением +15, -15 В.

 

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ,

СОДЕРЖАНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

 

Структурная схема измерений приведена на рис. 4.

 

6

 

3

 

1                       2                                                  4                       5

Рис. 4

 

Схема измерений содержит следующие элементы: 1 – генератор НЧ; 2 – передатчик ВОЛС, работающий на длине волны =0,85 мкм; 3 – оптический кабель на основе ступенчатого многомодового волокна; 4 – приемник ВОЛС; 5 – осциллограф; 6 – источник питания ВОЛС.

Измерения, проводимые студентами при выполнении лабораторной работы, сводятся к снятию АЧХ и амплитудных характеристик ВОЛС-А-1.

Каждая бригада по указанию преподавателя снимает две из четырех амплитудных характеристик на разных частотах (см. табл.1) и два варианта АЧХ на разных уровнях входного сигнала (см. табл.2).

 

 

 

Табл.1

 

Номер бригады

Номер

варианта

1

2

3

4

F, кГц

10

1

50

40

1

100

200

150

80

2

300

400

250

350

3

500

550

450

600

4

Uвх=0¸5 В

 

Табл.2

 

Номер бригады

Номер

варианта

1

2

3

4

Uвх, В

1

2

1,5

0,5

1

3

4

2

1

2

5

4,5

4

2,5

3

6

5,5

5

6

4

F=0,02¸103 кГц

 

ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

 

При подготовке к лабораторной работе необходимо проработать теоретический материал по вопросам построения ВОЛС. Список литературы для этого приводится в конце описания. Предварительные расчеты не предусматриваются.

В процессе подготовки экспериментальной установки к измерениям необходимо контролировать полярность включения питания передатчика и приемника ВОЛС, строго выдерживать величину питающего напряжения, равную 15 В. После включения необходимо дать прогреться установке 15-20 мин, затем приступить к измерениям.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Студент допускается в выполнению работы после успешного собеседования с преподавателем. После того,  как бригада получает от преподавателя варианты измерений в соответствии с табл. 1 и 2, она приступает к измерениям амплитудной и частотной характеристик.

Контроль уровня входного сигнала и сигнала на выходе линии осуществляется с помощью осциллографа.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

В отчете должны содержаться структурная схема экспериментальной установки, порядок проведения экспериментов, их результаты в виде таблиц и графиков, краткие пояснения.

 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

 

При включении приборов в сеть необходимо следить за их исправностью, отсутствием напряжения на корпусе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

  1. Назовите основные достоинства аналоговых линий передач.
  2. Назовите основные недостатки аналоговых линий передач.
  3. Какие методы компенсации нелинейных искажений существуют в аналоговых системах при модуляции интенсивности?
  4. Охарактеризуйте методы модуляции, применяемые в аналоговых линиях передачи.
  5. Какой вид имеет модуляционная характеристика и чем обусловливается?
  6. Какие источники излучения предпочтительнее использовать в аналоговых ВОЛС?

7.Ватт-амперные характеристики СИД и инжекционных лазеров.

8.Какие схемы приемных устройств применяются в ВОЛС?

9.Достоинства и недостатки ступенчатых световодов.

10. Одномодовый световод, его достоинства.

11. Одномодовый световод со скомпенсированной дисперсией.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

  1. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1992. С. 295-330.
  2. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи. М.: СОЛОН-Р, 2001. С. 67-72.
  3. Козанне А. и др. Оптика и связь. М.: Мир, 1984. С. 395-409.
  4. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. М.: Радио и связь, 1990. С.88-98.