СПОСОБ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ЗАШУМЛЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
METHOD OF STRUCTURING NOISY OPTICAL SIGNALS

Изобретение относится к способам структурирования зашумленных оптических сигналов и может быть использовано для оптических приемников с памятью при приеме сигналов с малой величиной отношения сигнал/шум.
Известен способ прямого детектирования сигналов (см. рис. 1.1 стр. 12 из книги Э.А. Шевцова, М.Е. Белкина «Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи»), который состоит в приеме оптических сигналов фотодиодом через оптический соединитель. После этого оптические сигналы преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются с помощью предварительного и главного усилителей, фильтруются фильтром и поступают на цифровое устройство. Цифровое устройство сравнивает входные электрические сигналы с заранее заданным порогом. В случае превышения сигнала порога формируется выходной сигнал верхнего уровня, в противном случае  формируется выходной сигнал нижнего уровня. Способ является наиболее близким к заявляемому способу по решаемой задаче и поэтому выбран в качестве прототипа.
Недостатками вышеуказанного способа являются:
- невозможность работы при низких отношениях сигнал/шум (менее 6);
- потенциально низкий коэффициент ошибок при малых отношениях сигнал/шум.
Решаемой технической задачей является создание способа структурирования зашумленных оптических сигналов с повышенной достоверностью.
Достигаемым техническим результатом является обеспечение приема оптических сигналов при малых отношениях сигнал/шум (менее 6) и повышение коэффициента ошибок.
i
o
Для достижения технического результата в способе структурирования зашумленных оптических сигналов, заключающемся в их приеме, преобразовании в электрические сигналы, усилении и фильтрации, новым является то, что при аналого-цифровом преобразовании формируют выборку цифровых отсчетов Y объемом Н, запоминают ее и по значениям цифровых отсчетов строят огибающую линию, после чего осуществляют вычисление среднего выборочного значения Y по формуле:
и среднего энергетического значения выборки по формуле:
cp
cp
по которому строят нулевую линию, далее определяют точки пересечения огибающей цифровой выборки с нулевой линией и вычисляют средние значения амплитуды выборки положительной +A и отрицательной -A полярности по формуле:
где j - номер тактового интервала, a Aj - средние значения амплитуды в пределах j-того тактового интервала, которое определяется по формуле:
cp
j
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
где h - количество отсчетов в пределах тактового интервала, полученное значение амплитуды Aj в j-том тактовом интервале сравнивают со средним значением амплитуды выборки A и при условии
принимают, что переход перед этим тактовым интервалом ложный, далее на каждом j-том тактовом интервале вычисляют энергию Ф по формуле:
значения полученных энергий соседних тактовых интервалов сравнивают, если  переход считают истинным, если  переход считают ложным, из полученных переходов формируют структурированную выходную цифровую последовательность.
Новая совокупность существенных признаков позволяет повысить достоверность при приеме зашумленных сигналов.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.
На фиг. 2 представлена блок-схема алгоритма заявляемого способа.
ош
На фиг. 3 представлены расчетная вероятность ошибки Р для прямого детектирования и экспериментально полученные коэффициенты ошибки BER в зависимости от отношения сигнал/шум q входных оптических сигналов со скоростями передачи 125 Мбит/с и 1,25 Гбит/с для заявляемого способа.
∂
Заявляемый способ может быть реализован в устройстве по структурной схеме (фиг. 1). Зашумленные оптические сигналы поступают на оптико-электронный преобразователь 1, который состоит из фото детектора 2, усилителя фототока 3 и усилителя напряжения 4. С выхода оптико-электронного преобразователя 1 электрические сигналы поступают на вход цифрового записывающего устройства 5. На входе устройства 5 установлен аналого-цифровой преобразователь 6, который из входного аналогового сигнала формирует цифровую последовательность с периодом дискретизации, которая задается тактовым генератором 7. Период дискретизации АЦП t выбирается из условия (в соответствии с теоремой Котельникова-Найквиста):
где τ - длительность тактового интервала исходной цифровой последовательности.
i
o
Сформированная АЦП выборка цифровых отсчетов Y объемом Н записывается в запоминающее устройство 8. Полученная выборка считывается и обрабатывается устройством обработки 9, которое состоит из запоминающего устройства 10 и арифметико-логического устройства (АЛУ) 11. Первоначально с помощью АЛУ вычисляется среднее выборочное значение Y всей выборки объемом Н по формуле:
cp
и ее среднее энергетическое значение Y по формуле:
cp
Полученное Y принимается за нулевую линию для полученной выборки. На следующем этапе определяются точки пересечения огибающей цифровой выборки с нулевой линией. Во всех современных стандартах передачи волоконно-оптических систем (ВОСП) единичным цифровым сигналом является перепад напряжения с одного уровня на другой. Для каждого стандарта известна длительность тактового интервала и его допуск. Например, тактовый интервал при скорости передачи 1,25 Гбит/с составляет 0,8 нс, а допуск, определяемый дрожанием фронта (jitter), составляет ±0,16 нс. Фиксируются все полученные переходы через нулевую линию. С учетом того, что полоса частот входных сигналов примерно в два раза ниже тактовой частоты, пересечений на расстоянии менее 0,64 нс быть не может. Поэтому требуется определить: какие из полученных переходов являются истинными, а какие - ложными.
ср
ср
Для этого с помощью АЛУ вычисляются средние значения амплитуды выборки положительной +А и отрицательной - А полярности по отношению к нулевой линии (фиг 2):
где j - тактовый интервал;
Aj - средние значения амплитуды в пределах j, которое определяется по формуле:
∂
где h - количество отсчетов в пределах тактового интервала h=τ/t;
j - номер тактового интервала.
ср
j
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Полученное значение амплитуды реализации сигнала Aj в каждом тактовом интервале сравниваются со средним значением амплитуды выборки А (с учетом полярности). В случае, если
, то считается, что переход перед этим тактовым интервалом ложный. Далее проводится проверка энергетического наполнения соседних тактов, между которыми произошел переход. Для этого на каждом тактовом интервале вычисляется энергия Ф по формуле:
По полученным данным вычисляется абсолютная величина разности между значениями энергии на соседних тактовых интервалах и принимается решение об истинности (ложности) перехода по критерию:
- если  то переход считается истинным;
- если  то переход считается ложным.
Далее в соответствии с правилами кодирования информации на выходе АЛУ формируется цифровая последовательность логических нулей и единиц.
Для подтверждения работоспособности заявляемого способа был собран макет. В качестве оптико-электронного преобразователя использовалось устройство LeCroy OE695G. Для записи аналого-цифрового преобразования и записывающего устройства использовался цифровой осциллограф LeCroy WaveMaster 820Zi. Для дальнейших вычислений использовалась ПЭВМ с программой на языке С++, реализующей заявляемый способ.
На фиг. 3 представлены расчетное значение вероятности ошибки для прямого детектирования и измеренные экспериментально коэффициенты ошибок BER для скоростей передачи 125 МГц (Fast Ethernet) и 1,25 ГГц (Gigabit Ethernet) при структурировании. Из фиг. 3 видно, что коэффициент ошибки BER для заявляемого способа уменьшается до 5 раз по сравнению с вероятностью ошибки для прямого детектирования.