Выбор метода модуляции оптической несущей - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Основы линейного кодирования. Полученный в результате квантования и двоичного кодирования цифровой поток оптимален с точки зрения ошибок квантования, но требует оптимизации для передачи по каналу связи. Это обусловлено в основном следующими причинами:

- широкий спектр цифрового потока затрудняет как передачу его по каналу связи с ограниченной полосой пропускания, так и обеспечение, и, особенно, восстановление синхронизации; - спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала; - спектр содержит большую постоянную составляющую, что осложняет фильтрацию напряжения сети питания.

Чтобы оптимизировать спектр сигнала для передачи в линии необходимо обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах; - информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра; - достаточно узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала в линии без искажений; - малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в линии; - минимально возможные длины блоков повторяющихся символов - "1" или "0", - и неравенство числа единиц и нулей в кодовых комбинациях (диспаритетность).

Задачи оптимизации сигнала для прохождения через устройство сопряжения с линией (интерфейс) и по линии решают интерфейсное кодирование и линейное кодирование.

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m=2, а число уровней выходного сигнала n может быть равно n=2 (двухуровневое кодирование) или n=3 (трехуровневое кодирование). При этом кодирование может быть как однополярным, так и двухполярным. В различных методах кодирования "1" может быть представлена как положительным прямоугольным импульсом на полную длину или половину длины двоичного интервала, так и переходом с "+1" на "0" или "-1" в центре интервала. При этом "0" может быть представлен отрицательным импульсом, соответствующей длины, отсутствием импульса, или обратным переходом с "-1" или "0" на "+1" в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11..11" или "00..00" используется инверсия полярности импульсов регулярной кодовой последовательности или вставки, позволяющие сохранить соотношение числа нулей и единиц (паритет) кодовой комбинации.

Наиболее распространенный интерфейсный код - HDB3 (High-Density Bipolar code of order 3). Это двухполярный код высокой плотности порядка 3. Код с инверсией на "1", в котором каждый блок "0000" заменяется на блок "B00V". Здесь "V" - инвертированный импульс, а "B" - вставка импульса, выполняемая так, чтобы число "B" импульсов между последовательными "V" импульсами было нечетным. Широко применяются следующие коды.

Код RZ (Return to Zero). Это основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю.

Код NRZ (Non Return to Zero). Это основополагающий двухуровневый код без возвращения к нулю. Он может быть как однополярным, так и двухполярным.

Блочные коды типа mBnB. Здесь m - длина (в битах) блоков, на которые разбивается исходная последовательность, а n - соответствующая им длина ( в битах) блоков, составленных из кодовых символов (n> m). При использовании блочных кодов скорость передачи в линии в n/m раз больше скорости передачи исходной кодовой последовательности.

Указанные коды могут быть использованы и как интерфейсные и как линейные. При этом, если в случае использования в качестве направляющей среды электрических цепей (симметричные или коаксиальные пары), радиоканалов интерфейсные и линейные коды могут совпадать, то в случае волоконно-оптических линий передачи - нет. В оптических направляющих системах невозможно непосредственно использовать биполярные коды. Поэтому, при передаче цифрового потока по оптическому волокну интерфейсный код должен быть конвертирован в линейный код, обеспечивающий оптимальную передачу сигналов в оптической линии.

Рис. 2.21 Двухполярные и однополярные линейные коды

В оптических системах передачи используют, как правило, однополярные блочные коды. Это могут быть как варианты кода RZ, так и кода NRZ. Например, как показано на рис.2.21. Основное преимущество кодов NRZ по сравнению с кодами RZ - примерно вдвое меньшая полоса частот модулированного сигнала. Однако наличие в исходном коде длинных последовательностей нулей или единиц существенно ухудшаются условия приема постоянной составляющей. Ухудшаются условия восстановления синхронизации. При использовании кода RZ эти проблемы возникают только при длинных последовательностях нулей. Для решения указанных проблем применяют либо специальные коды, либо технику скремблирования.

Специальные коды - предмет оригинальных разработок. Они имеют различную ширину полосы частот и достаточно сложные схемы кодирования/декодирования.

Скремблирование - процесс относительно простого преобразования, как правило, не изменяющего ширину полосы частот. В основе - техника шифрования данных с взаимно однозначным соответствием исходной и скремблированной последовательностей. Здесь используются простые и однотипные побитовые операции между исходной и эталонной последовательностями.

Виды модуляции (форматы линейной кодовой последовательности). Как известно, электромагнитные колебания характеризуются амплитудой, фазой и частотой. В зависимости от того, какой из этих параметров несущей изменяют, различают амплитудную, фазовую и частотную модуляцию. При модуляции несущей цифровым потоком говорят об амплитудной (ASK - amplitude-shift keying), фазовой (PSK - phase - shift keying) и частотной (FSK - frequency - shift keying) манипуляции.

Наиболее просто реализуется ASK. Поскольку в оптических системах передачи манипулируют интенсивностью оптического несущего колебания, то вместо термина "амплитудная модуляция" используют термин "модуляция интенсивности". Если в качестве линейного кода ВОЛП используется однополярный вариант кода NRZ или RZ, то модуляция интенсивности (ASK) сводится к посылке короткого оптического импульса (включению источника оптического излучения) при передаче "1" и выключению при передаче нуля. В случае кода RZ длительность импульса меньше половины длительности двоичного интервала, а момент посылки соответствует середине этого интервала (срезу импульса RZ). Такой метод называется модуляцией/манипуляцией по типу "включено-выключено" (OOK - On-Off Keying). Как правило, модуляция интенсивности применяется совместно с методом прямого детектирования (IM/DD - intensity modulation with direct detection). Это наиболее распространенный на сегодняшний день способ модуляции/демодуляции для ВОЛП.

При фазовой модуляции линейным кодом (PSK) манипулируют фазой оптической несущей, не изменяя ее амплитуду и частоту, так, что модулированное оптическое излучение фактически является непрерывным. Для двоичной PSK фаза принимает значения 00 и 1800. Для многоуровневой PSK изменяется дискретно. Например, при восьми уровнях через 450. Фазовая модуляция требует применения когерентного приема.

При частотной модуляции линейным кодом (FSK) манипулируют частотой f оптической несущей. Частота изменяется на величину Дf, принимая значения (f+Дf) при передаче "1" и (f-Дf) при передаче "0". Как видим, работает по принципу модуляциии/манипуляции типа "включено-выключено". Типичное значение сдвига частот около 1 Гц. Общая полоса частот FSK-модулированного оптического сигнала составляет примерно 2(Дf+B), где B скорость передачи линейной кодовой последовательности, а Дf - сдвиг частоты.

Различают широкополосную и узкополосную FSK. В случае, когда девиация (сдвиг) частоты велика, так что Дf>>B и полоса частот модулированного оптического сигнала составляет около 2Дf, частотную манипуляцию называют широкополосной. В случае, когда девиация мала, так что Дf<<B и полоса частот модулированного оптического сигнала составляет около 2B, частотную манипуляцию называют узкополосной. В обоих случаях глубину модуляции характеризуют коэффициентом вFM=Дf/B. Очевидно, что коэффициент модуляции принимает значения вFM>>1 или вFM<<1.

Рис.2.22 Примеры реализации видов модуляции

FSK имеет существенные преимущества по сравнению с ASK и PSK, в частности по отношению сигнал/помеха (SNR - signal noise ratio). Однако этот метод требует когерентного приема, что существенно осложняет его практическую реализацию на оптических линиях передачи.

Принципы реализации ASK, PSK и FSK на примере кода NRZ иллюстрирует рис.2.22.

Методы модуляции оптической несущей. Прежде всего, различают прямую модуляцию оптического излучения лазера током накачки и с помощью внешнего модулятора. Также различают непосредственную модуляцию оптической несущей и модуляцию с использованием промежуточной поднесущей. Кроме того, применяются комбинации перечисленных способов. Например, модуляция с использованием поднесущей и внешнего генератора.

Наиболее широко применяется метод прямой модуляции излучения лазера. Линейной кодовой последовательностью (ЛКП) модулируют ток накачки лазера, обеспечивая тем самым манипуляцию интенсивности его оптического излучения в соответствии с ЛКП по принципу включено-выключено (OOK). Достоинство метода простота и дешевизна реализации. Однако он имеет ряд существенных недостатков.

Нелинейная зависимость мощности оптического излучения лазерного диода от тока накачки (нелинейность ватт-амперной характеристики) ограничивает область применения метода или требует применения специальных методов ее линеаризации.

Невозможно в полной мере реализовать преимущества PSK и FSK. Метод не эффективен в системах спектрального уплотнения, где несколько источников модулирующих сигналов мультиплексируются для передачи по одной оптической несущей.

Имеет место динамическое влияние на спектр оптического излучения и амплитуды отдельных мод резонатора. Нелинейная зависимость показателя преломления материала заполнения резонатора лазера тока накачки приводит к линейной модуляции фазы оптических импульсов - чирпированию импульсов. Чирпэффект при соответствующих условиях вызывает дополнительное уширение оптических импульсов.

Указанных недостатков можно избежать при использовании стабилизированных источников оптического излучения и внешнего модулятора. Это улучшает функциональные характеристики систем передачи и гибкость системы в целом. Например, это позволяет при необходимости менять формат используемой ЛКП.

Вместо использования непосредственной модуляции оптической несущей, для которой трудно найти электронные компоненты, учитывая высокую частоту оптической несущей (порядка 100 ТГц), можно осуществить процесс модуляции на более низких частотах, используя промежуточную несущую или поднесущую на частоте в диапазоне 10 МГц - 10 ГГц. Этой модулированной поднесущей затем модулируют основную оптическую несущую. Главное преимущество этой схемы модуляции в возможности использования различных стандартных методов и устройств, разработанных для конкретного диапазона частот. Поднесущие также используются при реализации систем спектрального уплотнения. Отдельными входными потоками модулируют свои поднесущие, которые с помощью мультиплексора объединяют в общий сигнал, модулирующий оптическую несущую.

Методы приема. Выбор методов приема - детектирования (демодуляции) оптического сигнала зависит от того, какой из видов модуляции используется - модуляция интенсивности, фазовая или частотная модуляция (ASK, PSK или FSK). Как уже отмечалось выше, при модуляции интенсивности оптического излучения на приеме используется метод прямого детектирования, а при фазовой и частотной модуляции требуется когерентный прием.

Метод прямого детектирования основан на том, что ток на выходе фотодетектора пропорционален поступающей на его вход мощности оптического излучения. Соответственно приемник ВОСП, реализующий данный метод в общем случае включает фотодетектор, усилитель и фильтр нижних частот. В идеальной системе связи присутствует только дробовой шум оптического сигнала, который и определяет квантовый предел детектирования.

Фотодетекторы чувствительны к потоку фотонов и не воспринимают фазу воздействующего когерентного оптического излучения. Для определения фазы принимаемого оптического излучения его смешивают с когерентным и стабильным оптическим излучением эталонного источника. В результате смешения когерентных оптических сигналов возникают биения, которые регистрируются фотодетектором и содержат информацию как об интенсивности, так и о фазе принимаемого когерентного оптического сигнала. Этот метод приема и называют когерентным оптическим приемом или просто методом когерентного приема. В общем случае когерентный оптичекий приемник представляет собой оптический эквивалент супергетеродинного радиоприемника. Различают гетеродинный прием, когда длины волн оптического излучения гетеродина и принимаемого сигнала не одинаковы, и гомодинный прием, когда они равны.

Выбор метода модуляции оптической несущей - Проектирования магистральной волоконно-оптической системы передачи информации

Похожие статьи