Способ передачи аналогового высокочастотного сигнала по волоконно-оптической линии связи
METHOD FOR TRANSMITTING AN ANALOG HIGH-FREQUENCY SIGNAL OVER A FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINE

Изобретение относится к линиям передачи сигналов и может быть использовано для передачи аналогового сигнала.
Известен способ передачи сигнала по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) [1- рис. 1.2, стр. 16, Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радио и связь. 1989. - 504 с.], при котором подают передаваемый высокочастотный сигнал на оптический передатчик, где этим сигналом модулируют с помощью оптического модулятора непрерывный оптический сигнал, который подают с источника оптического излучения, сформированный оптический сигнал передают по оптическому волокну на оптический приемник, в котором он поступает на фотодиод, в котором преобразуется в электрический сигнал, далее его демодулируют в демодуляторе.
Недостатком известного способа является сложность реализации оптического передатчика и его значительные габаритные размеры, поскольку в нем используется отдельный оптический модулятор.
Известен способ передачи аналогового сигнала по ВОЛС [2 - рис. 6.4, стр. 175, Урик В.Дж., МакКинни Д.Д., Вилльямс К.Дж. Основы микроволновой фотоники. М.: Техносфера. 2016. - 376 с.], при котором формируют непрерывный оптический сигнал с помощью лазера, модулируют этот сигнал по интенсивности передаваемым аналоговым сигналом с помощью модулятора Маха-Цандера, сформированный оптический сигнал передают по оптическому волокну на фотодиод, с помощью которого преобразуют оптический сигнал в электрический.
Недостатком известного способа является сложность реализации оптического передатчика и его значительные габаритные размеры, поскольку в нем используется отдельный оптический модулятор.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ передачи высокочастотного аналогового сигнала по ВОЛС [3 - стр. 67-68, Скляров O.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. М.: СОЛОН-Р. 2001. - 237 с.], принятый за прототип, при котором подают передаваемый аналоговый высокочастотный сигнал на оптический передатчик, где этим сигналом модулируют мощность сигнала лазерного диода, сформированный оптический сигнал подают через оптический изолятор на оптическое волокно, выход которого соединяют со входом оптического приемника, в котором оптический сигнал поступает на фотодиод, в котором преобразуется в электрический сигнал, далее его демодулируют в частотном демодуляторе. Стабилизация температуры корпуса лазерного диода обеспечивается с помощью элемента Пельтье.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- отсутствие регулировки уровня передаваемого высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод. С учетом того, что уровень модулирующего сигнала сильно влияет на уровень шумов формируемого оптического сигнала, необходимо регулировать уровень аналогового передаваемого сигнала;
- отсутствие стабилизации постоянного тока смещения лазерного диода. С учетом того, что ток смещения лазерного диода сильно влияет на уровень шумов формируемого оптического сигнала и может изменяться в процессе эксплуатации, его необходимо стабилизировать и поддерживать в заданных пределах.
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является снижение уровня шумов волоконно-оптической линии связи в процессе эксплуатации.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ передачи аналогового высокочастотного сигнала по ВОЛС, при котором подают аналоговый высокочастотный передаваемый сигнал на оптический передатчик, модулируют этим сигналом мощность оптического сигнала лазерного диода, подают сформированный оптический сигнал через оптический изолятор на оптическое волокно, соединяют выход оптического волокна со входом оптического приемника, где оптический сигнал поступает на фотодиод, в котором преобразуется в электрический сигнал, далее его усиливают и подают на выход волоконно-оптической линии связи, при этом выполняют стабилизацию температуры корпуса лазерного диода с помощью элемента Пельтье.
Согласно изобретению, измеряют зависимость отношения сигнал-шум высокочастотного сигнала на выходе волоконно-оптической линии связи от мощности входного аналогового высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод при разных значениях постоянного тока смещения лазерного диода, фиксируют мощность аналогового высокочастотного сигнала и значение тока смещения, при которых достигается максимальное значение отношения сигнал-шум на выходе волоконно-оптической линии связи, выполняют автоматическую регулировку мощности аналогового высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод и стабилизацию тока смещения лазерного диода в соответствии с зафиксированными ранее значениями.
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение динамического диапазона передаваемого сигнала.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в прототипе отсутствует регулировка уровня высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод. В то время как уровень модулирующего сигнала сильно влияет на уровень фазовых шумов формируемого оптического сигнала. При заданной модуляционной характеристике лазерного диода смещение рабочей точки вверх при поступлении избыточно высокого уровня модулирующего сигнала или вниз при поступлении слишком низкого уровня модулирующего высокочастотного сигнала вызывает повышение фазовых шумов сформированного оптического сигнала и соответствующее снижение динамического диапазона ВОЛС. В предлагаемом способе используется автоматическая регулировка уровня входного сигнала для поддержания уровня, обеспечивающего минимальные фазовые шумы формируемого оптического сигнала для используемого лазерного диода;
- в прототипе отсутствует стабилизация тока смещения лазерного диода, в то время как в предлагаемом способе она выполняется.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа передачи сигнала по волоконно-оптической линии связи из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На чертеже приведена структурная схема устройства, обеспечивающего реализацию предложенного способа.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- подают аналоговый высокочастотный передаваемый сигнал на оптический передатчик, модулируют этим сигналом мощность оптического сигнала лазерного диода, подают сформированный оптический сигнал через оптический изолятор на оптическое волокно - 1,
- соединяют выход оптического волокна со входом оптического приемника, где оптический сигнал поступает на фотодиод, в котором преобразуется в электрический сигнал, далее его усиливают и подают на выход волоконно-оптической линии связи - 2,
- выполняют стабилизацию температуры корпуса лазерного диода с помощью элемента Пельтье - 3,
- измеряют зависимость отношения сигнал-шум высокочастотного сигнала на выходе волоконно-оптической линии связи от мощности входного аналогового высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод при разных значениях постоянного тока смещения лазерного диода, фиксируют мощность аналогового высокочастотного сигнала и значение тока смещения, при которых достигается максимальное значение отношения сигнал-шум на выходе волоконно-оптической линии связи - 4,
- выполняют автоматическую регулировку мощности аналогового высокочастотного сигнала, подаваемого на лазерный диод и стабилизацию тока смещения лазерного диода в соответствии с зафиксированными ранее значениями - 5.
Реализация предложенного способа передачи аналоговых сигналов по волоконно-оптической линии связи возможна, например, с помощью устройства, включающего в себя (фиг.) последовательно соединенные оптический передатчик (ОПРД) 1, оптическое волокно (ОВ) 2 и оптический приемник (ОПРМ) 3.
ОПРД 1 включает в себя: последовательно соединенные аттенюатор (АТТ) 4, вход которого является входом ОПРД 1, а управляющий вход подключен к выходу микроконтроллера (МК) 5, первый усилитель (У) 6, лазерный диод (ЛД) 7 и первый оптический изолятор (ОИ) 8, выход которого является выходом ОПРД 1.
Выход первого источника питания (ИП) 9 соединен со входом смещения ЛД 7. Выход первого У 6 соединен с последовательно соединенными детектором (Д) 10 и аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 11, выход которого соединен со входом микроконтроллера 5.
ОПРД 1 также содержит элемент Пельтье (ЭП) 12, конструктивно соединенный с ЛД 7.
ОПРМ 3 содержит последовательно соединенные второй ОИ 13, вход которого является входом ОПРМ 3, фотодиод (ФД) 14, второй У 15 и фильтр (Ф) 16, выход которого является выходом ОПРМ 3. Выход второго ИП 17 соединен со входом смещения ФД 14.
Устройство на чертеже работает следующим образом.
Измеряют зависимость отношения сигнал-шум сигнала на выходе ВОЛС от мощности высокочастотного аналогового сигнала, подаваемого на лазерный диод 7, при разных значениях постоянного тока смещения лазерного диода 7, фиксируют мощность аналогового высокочастотного сигнала Ро и значение тока смещения Io, при которых достигается максимальное значение отношения сигнал-шум на выходе ВОЛС. При этих условиях фазовые шумы формируемого оптического сигнала на выходе используемого лазерного диода 7 имеют минимальный уровень.
Для поддержания минимального уровня фазовых шумов во время эксплуатации производится автоматическая регулировка мощности аналогового высокочастотного сигнала, подаваемого на ЛД 7.
Подаваемый на вход ОПРД 1 аналоговый высокочастотный сигнал детектируется с помощью детектора Д 10, его мощность измеряется с помощью АЦП 11, полученный код подается на вход МК 5, где он сравнивается с ранее зафиксированным значением мощности Ро. С помощью регулировки коэффициента передачи аттенюатора 4 производится автоматическая регулировка мощности сигнала, подаваемого на ЛД 7, равной зафиксированному ранее значению Ро.
Постоянный ток смещения, подаваемый с первого ИП 9 на ЛД 7, стабилизируется в соответствии с зафиксированным ранее значением Io.
Предлагаемый способ за счет установки оптимальных значений мощности Ро и тока Io обеспечивает максимальное значение сигнал-шум на выходе ВОЛС не зависимо от уровня высокочастотного сигнала, подаваемого на вход ВОЛС. При этих условиях фазовые шумы формируемого оптического сигнала на выходе используемого лазерного диода имеют минимальный уровень.
В то же время в прототипе уровень входного сигнала не регулируется, поэтому возможны значительные колебания выходного отношения сигнал-шум, например, при колебаниях внешней температуры.
Для проверки предлагаемого способа был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.