Аналогові та цифрові оптичні передавальні пристрої

1. Аналогові оптичні передавальні пристрої

По аналогових ВОСП ведеться передача одно- та багатоканальних телевізійних сигналів ( наприклад, в системах кабельного телебачення, сигнали різноманітних вимірювальних систем, групові сигнали систем передачі з частотним розподілом каналів). В аналогових ВОСП потрібен випромінювач з лінійною ват-амперною характеристикою. У зв'язку з цим в аналогових системах частіше використовуються передавальні пристрої на основі світлодіодів та суперлюмінісцентних світлодіодів. Ці випромінювачі мають меншу, ніж у лазерів потужність та широкий спектр випромінювання.

Робоча точка для обох видів випромінювачів вибирається на середині лінійних дільниць вихідної характеристики цих випромінювачів. Такою характеристикою є ват-амперна характеристика ДОВ. У цьому разі незалежно від типу випромінювача використовується схема включення ДОВ з постійним зміщенням (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема включення ДОВ із зміщенням

На рис.2а, б наведені 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) лазерного випромінювача (пунктирною лінією позначена ідеальна характеристика СД, суцільною – реальна)

На рис. 3 наведена одна з досить простих принципових схем аналового ОПерП. У схемі використано підсилювальний каскад на біполярному транзисторі, який включено за схемою з загальним емітером. Він перетворює вхідну напругу, що подається на базу в колекторний струм, який протікає через джерело випромінювання. Такий каскад і є генератором струму накачування або перетворювачем напруга-струм.

Зміщення бази вибирається таким чином, щоб каскад працював в класі А, в цьому разі струм колектора транзистора (він же струм накачування) буде змінюватися пропорційно вхідному сигналу від його мінімального до максимального значення в межах лінійної частини ват-амперної характеристики випромінювача (рис. 2а,б). Ця схема в залежності від типів транзистора та випромінювача дієздатна у діапазоні частот модуляції до 100 МГц. Модуляція здійснюється у класі А (рис.1), вираз для індексу модуляції має вигляд

. (1)

Внаслідок нелінійності реальної ВтАХ виникають нелінійні спотворення: з΄являються вищі гармоніки та комбінаційні складові.

Нелінійні спотворення погіршують характеристики аналогових ВОСП, оскільки форма прийнятого сигналу може суттєво відрізнятися від переданого.

Аналогові ВОСП головним чином застосовуються у системах кабельного телебачення. При передачі телевізійних сигналів особливі вимоги ставляться до амплітудних та фазових спотворень. Фазові спотворення призводять до порушення відтворення кольору. Амплітудні спотворення призводять до зміни амплітуди сигналу кольоровості при зміні сигналу яскравості. Кількісною характеристикою амплітудних та фазових спотворень є диференційна амплітуда та диференційна фаза. Вони визначаються як максимальні зміни амплітуди та фази піднесучої при зміні сигналу яскравості в інтервалі між рівнями чорного та білого. Таким чином, диференційне підсилення дорівнює (у відсотках)

%, (2)

а диференційна фаза

. (3)

При цьому струми I_>0>та I^΄_>0>змінюються у робочому діапазоні струмів накачування джерела випромінювання. У (2) та (3) P(I) та φ(I) – оптична потужність та фазова затримка, що вноситься світлодіодом при струмі накачування I; I_>0>- струм постійного зміщення, I^΄_>0>- сума струмів постійного зміщення та змінної складової сигналу.

У відповідності з технічними вимогами значення диференційного підсилення та фази в замкнутих системах кабельного телебачення не повинні перевищувати 10% і 10^о (система PAL) та 10% і 5^о (система NTSC). Місцеві (локальні лінії) припускають максимальні викривлення 1% і 1^о. У сучасних світлодіодах та суперлюмінісцентних світлодіодах на основі арсеніду галію значення диференційного підсилення та диференційної фази сягають відповідно 20% та 10^о. Таким чином, необхідна компенсація (корекція) нелінійних спотворень в аналогових ОПерП. Існує декілька методів зниження нелінійних спотворень.

Зменшити нелінійні спотворення можна за допомогою зниження індексу модуляції m (3). Однак цей засіб призводить до погіршення відношення сигналу до шуму під час прийняття, що примушує зменшувати довжину лінії передачі для збереження потрібної якості зв'язку.

Одним з досить простих засобів зниження нелінійних спотворень є введення попереднього спотворення. В електричний сигнал, що передається, вводять попередні спотворення, протилежні тим, які вносить при модуляції джерело випромінювання. У загальному випадку сутність засобу введення попередніх спотворень можна пояснити. Для компенсації нелінійних спотворень вихідна характеристика ланцюга попереднього спотворення (F_>2>) повинна бути симетричною такій же характеристиці (F_>1>) випромінювача відносно бісектриси першого координатного кута.

У загальному випадку нелінійну ВтАХ характеристику можна апроксимувати ступеневим поліномом

, (4)

де P_>вх>-узагальнений вхідний параметр сигналу без попереднього спотворення.

Аналогічний вигляд має поліном, яким потрібно апроксимувати амплітудну характеристику ланцюга попереднього спотворення та визначити для неї відповідні постійні коефіцієнти

, (5)

де P^"_>вх>- узагальнений вхідний параметр ланцюга попереднього викривлення.

Відповідними математичними методами при наявності реальної вихідної характеристики випромінювача визначаються коефіцієнти апроксимації b_>0> ,b_{>1 ,…,}>b_>n>. Аналізуючи (5), можна зробити висновок щодо структури ланцюга попереднього спотворення: він повинен мати ланцюги постійної складової, похилої складової та криволінійної складової. Схема формування попереднього спотворення наведена на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема формування попередніх спотворень

Цей метод забезпечує компенсацію нелінійних спотворень для різних струмів накачування, що дозволяє здійснити лінеаризацію при великих значеннях індексу модуляції. Проста схема, 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. Цей ланцюг розширює діапазон струмів накачування майже на 50% при збереженні попереднього рівня нелінійних спотворень. Через ланцюг D-R протікає більша частина загального струму при малих струмах накачування, а при великих - основна частина струму протікає через світлодіод. Отже, існуюча при великих струмах накачування від’ємна кривизна ват-амперної характеристики буде компенсуватися зростанням струму накачування.

На рис. 6 наведена структурна схема ОПерП з лінеаризованою ват-амперною характеристикою світлодіода введенням попередніх спотворень випромінювача.

Рисунок 6 - Структурна схема пристрою лінеарізації ват-амперної характеристики світлодіода

Досить ефективним засобом зменшення нелінійних спотворень є використання від’ємного оптичного зв’язку.

Структурна схема пристрою лінеаризації від’ємним зворотним оптичним зв’язком наведена на рис. 7. Цей пристрій складається з підсилювача-компаратора 1, генератора струму накачування 2,світлодіода 3, направленого розподільника оптичної потужності 4, фотодіода 6 та широкополосного підсилювача 7.

Рисунок 7 - Структурна схема пристрою зниження нелінійних спотворень методом від΄ємного оптичного зворотного зв΄язку

Цей засіб досить простий в реалізації. Розподільником оптичної потужності відводиться деяка частка випромінювання, далі вона детектується фотодіодом та підсилюється, струм фотодіода віднімається від струму накачування світлодіода разом з продуктами нелінійності. Проведемо аналіз цього методу. Нехай i^"-струм у колі зворотного зв΄язку

, (6)

де Р-потужність, що випромінюється світлодіодом, β-коефіцієнт передачі у колі зворотного зв’язку з урахуванням перетворення струму в оптичну потужність, коефіцієнта підсилення підсилювача 7 та коефіцієнта поділу відгалужувача. Отже, фактичний струм накачування дорівнює

. (7)

Ват-амперну характеристику світлодіода з достатньою точністю доцільно апроксимувати параболою, що має вигляд

, (8)

де а та b – постійні коефіцієнти.

Підставляючи (7) в (8), маємо

(9)

Перетворимо (9) у квадратне 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 наявності від’ємного зворотного зв’язку. Порівнюючи (11) з виразом для ВтАХ без зворотного зв’язку (8), можна зробити висновок, що продукти нелінійності зменшилися у (1 - βа)² разів, але одночасно в (1 - βа) разів зменшується і потужність випромінювання. Таким чином, коефіцієнт зворотного зв’язку вибирається на основі компромісу між вимогами низького рівня нелінійних спотворень, з одного боку, та зменшенням вихідної потужності - з другого. Для більшості світлодіодів постійні коефіцієнти дорівнюють а≈10^-2 Вт/А, b≈0,5 А. Для зменшення нелінійних спотворень також застосовується метод фазорізнецевої компенсації, аналогічний тому, що використовується у підсилювачах. Але цей метод вимагає застосування розподільників оптичної потужності та оптичного мультиплексора. Крім цього, світлодіоди повинні мати ідентичні ВтАХ. Цей метод дозволяє усувати лише парні гармоніки. Таким чином, наведені методи компенсації нелінійних викривлень розширюють можливості аналогових ВОСП.

2. Цифрові оптичні передавальні пристрої

У волоконно-оптичних системах передачі оптичне випромінювання модулюється дворівневими сигналами ("0" та "1") кодів, які застосовуються у світловодних трактах. У цифрових оптичних передавальних пристроях найчастіше використовуються лазерні випромінювачі, оскільки нелінійність їх ВтАХ не впливає на параметри таких систем. До того ж лазери мають більшу оптичну потужність та більш високу швидкодію. В низькошвидкісних системах та системах невеликої протяжності (наприклад, локальні інформаційно-обчислювальні мережі, системи для з΄єднувальних ліній міської телефонної мережі) можуть бути використані і світлодіоди.

Вибір робочої точки на ВтАХ випромінювача в цифрових ОПерП залежить від типу випромінювача. У разі використання СД застосовується схема включення СД без постійного зміщування струму накачування (рис. 8), тому робоча точка розташовується на початку ВтАХ. Якщо у цифровому ОПерП використано лазерний випромінювач, необхідно застосувати схему з попереднім зміщенням (рис.9), при цьому значення постійного струму зміщення повинно дорівнювати значенню порогового струму або перевищувати його. Положення робочих точок та епюри сигналів для випромінювачів різних типів наведені на рис. 9. У разі використання СД можливе використання принципової схеми, наведеної на рис. 3.

Лазерні випромінювачі потребують більшого, ніж світлодіоди струму накачування (100-200) мА, тому у схемах ГСН досить часто застосовується схема Дарлінгтона, або складового транзистора (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 буде діяти як один транзистор, при цьому коефіцієнт передачі струму бази β дорівнює добутку цих параметрів кожного з транзисторів схеми. Ця схема також забезпечує узгодження опорів джерела сигналу та випромінювача.

Пара транзисторів VT1 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 низькою швидкодією. Для підвищення швидкодії складового транзистора використовується резистор R. Звичайно опір R дорівнює (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 середньої потужності та (1-3) 10 Ом для транзистора VT2 великої потужності.

При використанні лазерних випромінювачів в цифрових ОПерП виникає декілька проблем. Перш за все необхідно, щоб лазер випромінював пікову потужність, яка повинна бути постійною увесь період експлуатації та незалежною від змін температури. Відомо, що оптична потужність лазера з підвищенням температури зменшується. Аналогічним підвищенню температури є вплив на потужність випромінювача його старіння. Крім того, в процесі старіння випромінювача на його ВтАХ з΄являються зломи. При використанні лазерних діодів також може виникати нестабільність ширини спектра випромінювання та його модового складу.

Тільки в разі, якщо струм накачування перевищує пороговий, генерується одна поздовжня мода лазерного резонатора (в ідеальному випадку). Якщо лазер діє в імпульсному режимі, та потік інформаційних імпульсів має випадковий характер, то при кожному включенні випромінювача генерується декілька мод (або спектральних складових) і більшість з них повільно згасає за час дії імпульсу накачування. Таким чином, ширина спектра випромінювання лазера може залежати від засобу його зміщення, умов накачування, швидкості передачі інформації (тривалості імпульсу струму накачування). Дія усіх цих факторів особливо велика в системах з великою швидкістю передачі інформації, тому що збільшення ширини спектра випромінювання призводить до збільшення хроматичної дисперсії в оптичному кабелі.

Особливістю лазерного ОПерП є поява викиду та осциляції (дзвін) на вершині імпульсу при цифровій модуляції. Це явище викликане резонансом на частотній характеристиці лазера. Якщо не вжити спеціальних заходів для зменшення дії цього явища, може з΄явитися дроблення імпульсу, що призведе до виникнення помилки при регенерації сигналу під час прийняття.

Ще однією особливістю лазерних ОПерП є затримка між початком імпульсу струму та початком генерації оптичного імпульсу. Час цієї затримки залежить від декількох факторів, їх постійності в часі та діапазоні температур, постійного струму зміщення, порогового струму, пікового струму накачування, часу життя носіїв

(12)

де τ_>сп>=10^-9 с, спонтанний час життя електронів, І-імпульсне значення струму накачування, І_>п>-пороговий струм, І_>зм> –постійний струм зміщення. При збудженні без постійного зміщення (рис.11) затримка τ_>з>оптичного імпульсу P(t) відносно імпульсу струму накачування і (t) та осциляції на вершині імпульсу досить великі, при цьому досить велика ширина спектра випромінювання. Перевагу треба віддати засобу, при якому на діод подається струм постійного зміщення, який дорівнює, або більше порогового. Відносно цього зміщення прикладаються імпульси струму накачування. Цей засіб має такі переваги: зменшення необхідної амплітуди імпульсу струму накачування, зменшення затримки між імпульсом світла та імпульсом струму накачування, зменшення амплітуди осциляцій на вершині імпульсу, звуження ширини спектра випромінювання електричного та оптичного імпульсів. Епюри електричного та оптичного імпульсів, а також спектр випромінювання для обох випадків включення лазерного діода наведені на рис. 7.

Рисунок 11 - Епюри імпульсів струму накачування й оптичного та спектри випромінювання: а) для світлодіода, б) для лазера

Але ці переваги схем з попереднім зміщенням мають ряд недоліків: підвищення робочої температури p-n переходу випромінювача внаслідок протікання через перехід постійного струму; поява фонового випромінювання в разі передачі символів, що відповідають символу "0".

Якщо фонове випромінювання не є мінімальним, то на приймальній стороні на вході фотодетектора також виникає фонове засвічення, що викликатиме додатковий дробовий шум у приймальному пристрої, та зменшить якість передачі. Тому струм зміщення у ОПерП необхідно стабілізувати застосуванням зворотного зв΄язку. Цей захід дозволить також компенсувати зміну параметрів елементів схеми в діапазоні діючих температур та при їх старінні (температурній та часовій деградації).

На практиці застосовується дві основні схеми: стабілізація середньої в часі оптичної потужності, та стабілізація мінімальної і максимальної потужностей. Структурна схема стабілізації середньої потужності наведена на рис. 12. Вона містить в собі компаратор 1, джерело струму зміщення, що регулюється І_>зм>-2, генератор-підсилювач струму накачування 3, випромінювач 4, відгалужувач оптичної потужності 5, фотодіод 6, підсилювач постійного струму 7.

Рисунок 12 - Структурна схема температурної стабілізації середнього значення потужності випромінювання

Коло оптичного зворотного зв’язку містить в собі фотодіод, підсилювач 7 та компаратор, який управляє генератором струму зміщення І_>зм>. Фотодіод детектує відгалужене випромінювання або випромінювання з однієї з граней кристала лазерного діода 4. Напруга фотосингалу U_>ф>, пропорційна потужності випромінювача, усереднюється за часом вибором опору навантаження у колі ФД_>>з великим значенням, підсилюється в підсилювачі 7. В компараторі 1 ця напруга порівнюється з опорною напругою U_>оп>. Якщо КU_>ф>≠ U_>оп>, де К- коефіцієнт передачі підсилювача постійного струму, то на виході компаратора формується сигнал, який управляє струмом зміщення лазерного діода 4.

На рис. 13 зображені епюри, що пояснюють принцип стабілізації середнього значення оптичної потужності Р, а на рис. 14 епюри, що характеризують роботу реальних цифрових ОперП.

Рисунок 13 - Епюри температурної стабілізації середнього значення оптичної потужності

Рисунок 14 - Епюри, що характеризують роботу реальних цифрових ОПерП

На рис. 14 наведені такі послідовності імпульсів: 1 - форма напруги бінарної послідовності, що подається на вхід ОПерП; 2 - ідеальна форма послідовності оптичних імпульсів на виході ОПерП; 3 - варіації амплітуди та тривалості електричних імпульсів; 4 - збільшення фронту та зрізу оптичних імпульсів внаслідок недостатньої швидкодії джерела випромінювання; 5 - поява викиду та "дзвін" на вершині оптичного імпульсу при використанні лазерного діоду; 6 - підвищений рівень фонового випромінювання при передачі символу "0"; 7 - накладання на імпульсну послідовність шумів.

Необхідність усереднення продетектованого контрольним фотодіодом сигналу пояснюється тим, що середній рівень інформаційної послідовності імпульсів, що передаються, може досить суттєво флуктуювати на кінцевих інтервалах часу (випадкова послідовність символів "0" та "1"). Епюри, що харектеризують роботу цифрових ОперП, наведені на рис. 14. В реальних ОПерП також передбачаються схеми захисту від кидків струму при включенні-виключенні живлення, та від нестаціонарних струмів, які виникають внаслідок припинення потоку даних.