Исследование фотоприемника волоконно-оптической системы передачи

УДК 621.383

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРИЕМНИКА

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

Д.Г. Черняховский

Рассматривается расчет основных параметров фотоприемного устройства ВОЛС в диапазоне скоростей передачи 1...10 Гбит/с для длины волны 1,55 мкм и исследование полученной схемы.

Ключевые слова: волоконно-оптическая линия связи, линейный код, фотоприемник, PIN-фотодиод, лавинный фотодиод.

Использование волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) началось примерно 40 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли. К числу наиболее прогрессивных технологий можно отнести технологию сверхплотного волнового мультиплексирования по длине волны DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей.

Целью данной статьи является расчет основных параметров фотоприемного устройства ВОЛС в диапазоне скоростей передачи 1.. .10 Гбит/с для длины волны 1,55 мкм и исследование полученной схемы.

Исходя из поставленной цели рассматриваются следующие задачи.

1. Определение необходимой длительности тактового интервала и ширины полосы частот фотоприемного устройства.

2. Расчет минимально необходимое соотношение сигнал-шум на выходе фотоприемного устройства (SNR).

3. Выбор типа фотоприемника.

4. Выбор схемы каскада усиления фотоприемника.

Поиск и подбор типов и технических характеристик выпускаемых промышленностью фотодиодов, транзисторов и фотоприемников осуществлялся по современной справочной литературе.

Расчет проводился для следующих исходных данных: скорость передачи информации - В = 1.2 [Гбит/с], допустимый коэффициент ошибок -BER = 10-10, тип кодирования сигнала - NRZ (Non Return to Zero - без возврата к нулю) для усилителя с низким входным сопротивлением. В ходе исследований расчеты были выполнены с помощью математического пакета MathCad, моделирование схемы усилителя проводилось с применением пакета Multisim 10.

1. Определение требуемой ширины полосы частот ФП и длительности тактового интервала.

Сигналы оптических систем передачи должны соответствовать определенным требованиям [1].

Поскольку оптический сигнал не может принимать отрицательные значения, постольку невозможно использовать биполярные коды, применяемые при передаче сигналов по проводным линиям. Блочные коды имеют либо постоянную, либо переменную длину, причем в ВОСП обычно используются коды с постоянной длиной. Формирование блочных кодов с постоянной длиной тБпБ (т>2, п>т), где, как правило, п = т + 1 (реже п = т+2), представляется кодовыми таблицами (алфавитами). Избыточность в кодах используется для получения нужных характеристик кода, но за счет увеличения скорости передачи символов и оптических потерь. В основном используются блочные (алфавитные) коды с проверкой на четность или со взвешенным кодированием. В первом случае к группе из т символов исходной двоичной последовательности добавляется один контрольный символ «1» или «0» так, чтобы сумма элементов новой комбинации п = т + 1 содержала четное число единиц. Одиночные ошибки в этом случае обнаруживаются при нарушении четности контролируемой комбинации.

При рассмотрении вопроса формирования алгоритмов кодов класса 1 В2В удобно принять, что элементарные импульсы имеют прямоугольную форму и их длительность Т или Т/2 (за исключением кода - 25%, в котором длительность элементарного импульса равна Т/4). Заметим, что элементарные импульсы в линии заметно отличаются от идеальной прямоугольной формы и их часто аппроксимируют в виде гауссовской, трапецеидальной и других форм.

2. Определение требуемого отношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства

Искажения сигнала, в особенности шумом, приводит к принятию ошибочных решений и поступлению к получателю некоторого числа ложных сигналов в двоичной форме. Качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок, под которым понимают отношение числа ложных битов на входе приемника к общему числу принятых битов. Исходя из заданного допустимого коэффициента ошибок (БЕК), определим минимально необходимое соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства (БЫК).

Представим напряжение сигнала в виде случайной величины с нормальным законом распределения со стандартным отклонением аи. Она центрирована на и, когда излучается символ «1», и на нуле при передаче «0». Поэтому условная вероятность приема символа «0» при передаче символа «1» будет равна вероятности того, что напряжение на выходе приемника будет ниже порога и3.

Тогда выражение для этой вероятности имеет вид

Р(0/1) =

2X71X0

о

\ ехр

и —оо

г Л2

х-и

V 2хо1

б1х .

Аналогично условная вероятность приема символа «1», когда передается символ «О»,

Р(0/1) =

2хкхо

I ехР

и 7/с

V

С помощью замены переменной

/ \

и-и,

Р(0П) = ±еф

д¡2X0?,

; Р(1/ 0) =^ег/с

с1х.

где ег/с{х)-^= |ехр(—х2)с1х - дополнительная функция ошибок. Символы «1» и «0» считаются равновероятными, значит, полная вероятность ошиб-

Рг=ВЕЯ=±Р(1/0) + ±Р(0/1). Учитывая, что вероятность ошибки одинакова для каждого симво-

ла,

Р€ = ВЕЯ = Р(1/0) + Р(0/1). Принимая во внимание приведенные выражения, получим следующее значение порога:

и

8 2

Выражение для вероятности ошибки примет вид

2(

Рг=ВЕЯ = ±еф^\

где <2 = .

Введение параметра Q вызвано тем, что его величина пропорциональна 57У7?, определяемому обычно для цифровых систем связи как отношение максимального напряжения сигнала к действующему значению напряжения шума:

0 = ЯМК/2.

Рассчитаем требуемое отношение сигнал/игум на выходе фотоприемного устройства. Для повышения точности расчета используем математический пакет МаЙ1Сас1:

2 223

Рис. 1. Графическое изображение функции P(Q) = BER(Q).

В = 3*109 P(Q) = 10

--10

По представленному графику для BER(Q), учитывая, что BER = 10-10, определим параметр Q: Q = 6,4 из формулы

Q = SNR/2 => SNR = 2xQ = 12,8.

Получаем, что минимально необходимое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства SNR = 12.8.

3. Выбор типа фотоприемника

Для приема излучения могут использоваться фотодиоды - полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются по данным источника излучения, электрическом режиме и температуре. Наиболее подходящими для применения в ВОСП являются полупроводниковые PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД или APD).

Выбирая фотодиод, в требуемом спектральном диапазоне, необходимо обеспечить максимально возможную чувствительность, и минимальные емкость, темновой ток, эквивалентную мощность шумов. Остановимся на ЛФД модели NR8300FP-CC фирмы NEC Compound Semiconductor Devices Inc., в первую очередь, по требованию минимума темнового тока, частотным характеристикам и величине умножения. Характеристики можно взять из даташита на данный тип ЛФД.

4. Выбор входного каскада усилителя ФПУ

Для усиления сигнала фотодиода, представляющего собой идеальный источник фототока, шунтированный резистором R0, общепринято применение трансимпедансной схемы усилителя, которая преобразует ток в напряжение с резистивным измерительным элементом Rf (рис. 2). Вы-

224

ходным сигналом ФУ является напряжение иь = Я/1рю- В качестве активного элемента такой схемы обычно используют операционные усилители (ОУ), при этом результирующий шум на входе ОУ можно записать в следующем виде:

4Ш0 -2

-—4-7 + 7 +

2 п_ОР п_ОР

•2

/ \2 ел_ОР

Я

о

Дл

АкТЯ

+ -

/

Я

[А1

/

где индексом «ОР» обозначены шумы, относящиеся к ОУ. Так как величина Я/ обычно много больше Я0, то последним слагаемым под корнем можно пренебречь. Второе и третье слагаемые определяют шумы, вносимые усилителем, при этом их величина возрастает при малых Я0. С учетом шумов усилителя эквивалентная пороговая мощность ФУ ЫЕР^ увеличивает-

• 2 .2 2 гп_Р1Ю +1п_РО +еп_РО

тЪ

и соответственно ухудшается результирующая пороговая мощность.

6.19к£}

Рис. 2. Электрическая схема высокочастотного усилителя с большим динамическим диапазоном

Расчет характеристик представлен в даташите на ОРА847. Приведенная схема была реализована на практике с помощью пакета моделирования МиМ$ш1 10. Результаты исследования данной модели приведены ниже (рис. 3-5).

Рис. 3. Схема инвертирующего усилителя

Осциллограф-ХБС!

22

И Э0

12 эа

Т2-Т1

Время Канал А Канал В

3.427 и5 30.000 тУ 676.243 иУ

Экран

Сохранить

Внешняя

Развертка Канал А Канал В Синхронизация

Шкала 10П8/РУ Шкала 20 тУ/Оп/ Шкала 1 У/СИу Запуск ЩГС] ИГвЦвнеш!

задержках 0 смещение У 0 смещение У 1.2 Уровень 0 V

ГвмПГаувП - ЕШЕ0 ° тип [о^П[ноом.1ВкДГн^П

Рис. Диаграммы сигналов на входе и выходе инвертирующего усилителя: канал а - входной сигнал (НМ-код); канал в - выходной сигнал; коэффициент усиления 50 при длительности входного импульса 5 не и периоде следования 30 не

-200-1-— Ч-— 14-— I I 11 И-— ММ1|-— I I I I III-— МММ-— I I I II II-— I I I I III-— I М II II-— I I I М|

1 100 10к 1М 100М 10G

Частота

Рис. 5. Амплитудо- и фазочастотные характеристики усилителя

По результатам проведенного анализа можно указать следующие способы улучшения чувствительности фотоприемника.

1. Использование кодов с меньшей шириной спектра.

2. Использование более дорогих и совершенных компонентов фотоприемного устройства.

Большинство современных устройств для высокоскоростных систем волоконно-оптических систем связи проектируются под код NRZ, поскольку он является основным на скорости свыше 200 Мбит/c. Они строятся на основе лавинных фотодиодов в совокупности с трансимпедансным усилителем, а также состоят из современных высококачественных компонентов.

Список литературы

1. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: справочник / И.И. Гроднев [и др.]. М.: Радио и связь, 1993. 264 с.

2. Оптика и связь / А. Козанне, Ж. Флере, Г. Мэтр, М. Руссо. М.: Мир, 1984.

3. Шевцов Э.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. М., Радио и связь, 1992.

4. Кауфман М., Сидман А. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1993. Т. 2.

5. Гауэр Дж. Оптические системы связи. М.: Радио и связь, 1989.

6. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: справочник / И.И. Гроднев [и др.]. М.: Радио и связь, 1993. 264 с.

7. Оптические системы передачи / под ред. В.И.Иванова. М.: Радио и связь, 1994.

8. Арсеньев В. А., Давыдов Ю.Т. Приемные устройства оптического диапазона. М.: Изд-во. МАИ, 1992.

Черняховский Денис Георгиевич, студент, Chernyahovsky2010@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

STUDY PHOTODETECTOR FIBER-OPTIC TRANSMISSION SYSTEMS

D.G. Chernyakhovsky

The calculation of the main parameters photodetector fiber optic transmission rates in the range of 1-10 Gb / s with a wavelength of 1.55 microns and study of the resulting circuit is considered.

Key words: optical fiber shedding communications line code, a light detector, PINphotodiode, avalanche photodiode.

Chernyakhovsky Denis Grigorevich, student, Chernyahovsky2010@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК621.369

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ С ПОДЧИНЕННЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ

М.А. Кожеуров, В. И. Родионов

Приведена структурная схема информационно-измерительной системы совмещающей функции стабилизации и наведения с подчиненным регулированием. Исследования проведены с учетом динамики гироскопов и электродинамических процессов, протекающих в электроприводах постоянного и переменного тока.

Ключевые слова: подчиненное регулирование, стабилизация, наведение

Совмещенные информационно-измерительные системы стабилизации и наведения (ИИССиН) оптической линии визирования (ОЛВ) представляют собой двухосные или трехосные гироскопические стабилизаторы ОЛВ,работающие в режиме наведения [1].

Современные требования, предъявляемые к гироскопическим стабилизаторам, приводят к необходимости повышения точности стабилизации ОЛВ в режиме наведения. В прецизионных электроприводах постоянного и переменного тока широкое применение находит метод подчиненного регулирования, позволяющий повысить точность отработки задающего сигнала с одновременной компенсацией возмущающего воздействия [2].

228