1. Преимущества и недостатки аналоговой модуляции

Ранее указывалось, что оптические системы связи можно сконст­руировать с очень низким затуханием (< 1 дБ/км) и широкой полосой пропускания (ГГц/км). Выяснилось совершенно точно, что по срав­нению с электрическими системами передачи данных у них значитель­но меньше полный имеющийся запас мощности. Несмотря на то, что это компенсируется низкими потерями передачи, преимущества опти­ческой системы значительно ниже в тех случаях, когда требуется высо­кое отношение сигнал-шум К из-за того, что дополнительная требуе­мая на входе приемника мощность сигнала «съедает» часть запаса мощности на потери. Одна из особенностей импульсно-кодовой модуля­ции состоит в том, что можно получить малую вероятность ошибки при относительно низком отношении сигнал-шум на входе приемника. В соответствии с теорией для получения вероятности оши­бок РЕ == Ю-9 требуется К == 12 (21,6 дБ). Динамический диапазон ко­дированного аналогового сигнала, который во многих случаях должен составлять 50 . 60 дБ, определяется числом бит на отсчет, и это от­ражается на ширине полосы пропускания, требуемой для передачи сигнала с ИКМ. В случае прямой аналоговой передачи в полосе спект­ра модулирующего сигнала динамический диапазон обычно опреде­ляется отношением сигнал-шум на входе приемника, которое должно быть гораздо больше 21,6 дБ. Таким образом, потенциальные преиму­щества волоконно-оптических систем связи, вероятно, наибольшие при передаче двоичных сигналов с использованием ИКМ по интенсив­ности, скорее всего, будут значительно снижаться, если требуется пря­мая аналоговая модуляция по интенсивности в полосе спектра модули­рующего сигнала. Тем не менее многие потребители настаивают на пере­даче сигналов в аналоговой форме не в последней степени из-за дорого­визны и сложности цифровых кодеров и декодеров оконечной аппара­туры. Компромиссным решением между аналоговой модуляцией и ИКМ является использование импульсной модуляции по интенсивности в качестве поднесущей, которая может в дальнейшем легко модулиро­ваться по частоте (ЧИМ) или фазе (ФИМ). Самые общие требования к аналоговой волоконно-оптической системе передачи данных предъяв­ляет простая телеметрия и распределение телевизионных сигналов. Перед тем как рассмотреть специальные примеры, исследуем немного подробнее имеющийся запас мощности в оптических и в электрических системах связи. Для этого выберем системы, предназначенные для пере­дачи сигнала с шириной полосы пропускания 100 МГц. Очевидно, что по волокну с диаметром сердцевины 50 мкм имеет смысл передавать сигналы мощностью приблизительно ФТ = 1 мВт (0 дБм). При ис­пользовании в качестве источника излучения СД порядок этой величи­ны будет соизмерим с порядком потерь, а при большем диаметре сердце­вины он может быть даже больше. Было показано, что предел квантового шума идеального оптического приемника с шириной полосы

пропускания Л/ определяется выражением

где Фц — мощность принимаемого оптического сигнала, необходимая для обеспечения требуемого отношения сигнал-шум К', бф — энергия фотона, г\ — квантовая эффективность фотодетектора и F — коэффи­циент шума. Для идеального случая, когда h= F = 1

Определим полный запас мощности через отношение ФТ/ФR при К.=1. Тогда на длине волны 1 мкм (еф = 1,24 эВ) и <¦ = 100 МГц, получа­ем

фR= 2 Еф<¦= Ц = 40 пВт (— 74 дБм); следовательно, полный запас мощности составит 74 дБ. На практике в системах с такой полосой пропускания дополнительный шум, вносимый приемником или усилите­лем, может уменьшить общий запас мощности на 10 . 20 дБ.

Рис. 1. Зависимость требуемого запаса мощности от расстояния между ретрансляторами, показы­вающая значительное влияние тре­бования более высокого отноше­ния сигнал-шум на входе прием­ника на имеющийся запас мощно­сти в оптической системе связи

Можно предположить, что в электрических системах, работающих в полосе частот 100 МГц, мощный высокочастотный транзистор вводит сигнал мощностью 100 мВт (+ 20 дБм) в линию сопротивлением 50 Ом (среднеквадратическое значение равно 2,2 В) с достаточной линейно­стью. Мощность можно увеличить на 10 . 20 дБ, если использовать передающую лампу. Мощность шума на входе идеального усилителя электрического приемника тогда составит kT<¦, где k — постоянная Больцмана и Т—абсолютная температура. При Т==ЗООК и <¦=100 МГц мощность равна 0,4 пВт (— 94 дБм), а полный запас мощ­ности системы будет 114 дБ. На практике усилитель, работающий в по­лосе 100 МГц, должен иметь шум не более нескольких децибел. Оставив резерв 10 дБ, получаем полный запас мощности уменьшенным до 104 дБ. Заметим, что в обоих случаях влияние шума пропорционально <¦. Это означает, что несмотря на то, что абсолютное значение запаса мощности зависит от ширины полосы пропускания канала, относитель­ного преимущества электрическая система связи не имеет.

Выводы из этого сопоставления приведены на рис. 1, который представляет собой график зависимости отношения сигнал-шум на входе приемника от расстояния между ретрансляторами. Показано, что электрическая система имеет полный запас мощности 104 дБ и затухал ние при полосе 100 МГц, равное 10 дБ/км Оптическая система имеет полный запас мощ­ности 60 дБ, а затухание 1 и 3 дБ/км. Сравниваемые линии соответству­ют отношениям сигнал-шум 21,6 (ИКМ) и 55 дБ. Отметим, что эти ре­зультаты зависят от особенностей систем, выбранных для сравнения. Тем не менее справедливо общее заключение: при импульсной модуля­ции очевидны значительные преимущества оптических систем. Это вов­се не означает, что они бесполезны при аналоговой передаче данных.

Оптические аналоговые системы стоит рассматривать в тех случаях, когда возможность передачи по волокну ограничена шириной полосы пропускания, а не затуханием и когда важна стоимость оконечного оборудования.

2. Прямая модуляция по интенсивности в полосе спектра модулирующего сигнала

Кроме необходимости получения большого отношения сигнал-шум, использование прямой модуляции по интенсивности для аналоговой пе­редачи ограничено двумя другими факторами. Один из них — это мо­дальный шум, появляющийся при использовании лазерных источников излучения. Другой — это ограниченная линей­ность характеристик источника излучения, которая особенно важна для частотного объединения каналов вследствие того, что перекрестная модуляция вызывает межканальные помехи. Кроме того, передача сиг­налов цветного телевидения чувствительна к малым величинам фазовых искажении. Некоторые способы увеличения линейности оптического передатчика уже были рассмотрены. Они включают предварительное искажение электрического сигнала и использование электронной пря­мой и обратной связи. Проблема предварительного искажения переда­ваемого сигнала состоит в том, что, как только оно введено, его будет нелегко изменить для подстройки характеристик источника излучения, изменяющихся во время эксплуатации. Однако легко можно добиться значительного улучшения линейности другим способом. Существенное уменьшение второй и третьей гармоник нелинейных искажений можно получить, используя простую цепь обратной связи, показанную на рис2. Однако задержка сигнала в петле обратной связи является недостатком, и если требуется получить хорошую фазовую характерис­тику) нужны широкополосные усилители. Еще лучшая компенсация нелинейности источника излучения была получена с помощью схемы прямой связи с двумя идентичными светодиодами, приведенной на рис.3. Каждый СД, будучи некомпенсированным, давал снижение