Кi = Iвых(А)/Iвх(А), ki(дБ) = 20lgКi,

где Iвх и Iвых – сила тока сигнала на входе и выходе ЭЭП соответственно. Справедливо соотношение

kр(дБ) = 2ki(дБ) + 10lg(Rн/Rи).

Очевидно, что значение kр(дБ) растет с увеличением Rн/Rи. Используем полученные формулы для анализа типовых оптоэлектронных цепей.

Выводы

Принимаемым оптическим сигналам всегда сопутствуют случайные флуктуации вследствие наличия дробового шума. Тепловой шум, связанный с сопротивлением нагрузки детектора, и шум (дробовый и тепловой), создаваемый усилителями, добавляется к дробовым шумам вследствие сигнала. Проблема шумов может быть преодолена простым методом – увеличением уровня сигнала на приеме. Это может быть выполнено для коротких линий связи “из точки в точку”. Когда сигнал передается на большое расстояние или распределяется между отдельными терминалами, вносимые потери снижают уровень сигналов до значения, при котором шум должен учитываться.

Общепринятыми критериями качества сигнала являются отношение сигнал/шум и вероятность ошибки. С помощью числовых примеров в этой главе показано, что сигнал имеет приемлемое качество даже при малой принимаемой оптической мощности. Обобщим эти результаты, чтобы почувствовать требуемые уровни мощности и допустимые потери в линии.

Большинство систем, ограниченных тепловым шумом, удовлетворительно работают, когда уровень принимаемой оптической мощности составляет примерно 1 мкВт (–30 дБм). Аналогичные системы, ограниченные дробовым шумом, функционируют при мощности порядка 1 нВт (–60 дБм). Если мощность источника равна 10 мВт (10 дБм), то суммарные потери в линейном тракте могут достигать 40 дБ [10 – (–30)] для системы ограниченной тепловым шумом и 70 дБ [10 – (–60)] – в системе ограниченной дробовым шумом. Необходимо подчеркнуть, что режим, соответствующий идеальной ограниченной дробовым шумом системе, затруднительно обеспечить на практике. Например, системы с ЛФД обеспечивают ОСШ примерно на 10 дБ хуже, чем идеальный квантовый приемник. Даже в этом случае, приемное устройство с ЛФД все еще будет на 20 дБ (или более) чувствительнее, чем приемное устройство, ограниченное тепловым шумом.

Когда шум является основной проблемой, большее внимание должно быть уделено разработке приемного устройства. Она начинается с выбора типа фотоприемника. Фотодиод p–i–n-типа используют, если режим ограничения тепловым шумом обеспечивает необходимое качество сигнала. Лавинный ФД выбирают, если качество сигнала должно быть улучшено. Приемное устройство с ЛФД имеет более сложную схему и высокую стоимость. Поэтому желательно (если это возможно) снизить потери в линейном тракте (например, улучшив эффективность ввода света от источника или уменьшить потери в соединителях) перед тем как принять решение об использовании ЛФД. Большой выбор схем предусилителя (стандартный усилитель плюс детектор, высоко- или трансимпедансный) дает разработчику возможность оптимизировать приемное устройство на основе критериев стоимости, сложности и рабочих параметров.

Наиболее важными параметрами приемного устройства являются: чувствительность, ширина полосы пропускания и динамический диапазон. Чувствительные приемные устройства способны обнаруживать очень слабые сигналы, что увеличивает расстояние между повторителями, большую дальность связи и обеспечивая прием сигналов с высоким качеством. Они также позволяют распределять мощности передатчика между отдельными терминалами в распределенных сетях. Приемные устройства с большой шириной полосы пропускания увеличивают каналоемкость системы передачи. Они позволяют принимать больший объем информации. Приемные устройства с широким динамическим диапазоном удовлетворительно работают, если уровень принимаемых оптических сигналов изменяется в широких пределах. Этот параметр важен в разветвленных сетях связи, где сигналы от близлежащих передатчиков имеют намного больший уровень, чем сигналы, получаемые от отдаленных.

Процессоры сигналов, которые следуют за входными каскадами приемного устройства, содержат схемы, которые выполняют функции интеграторов, дифференциаторов, корректоров, компараторов, пиковых детекторов и усилителей мощности.

5 Розрахунок бюджету часу наростання ВОЛП.

Технічні умови на систему

Розглянемо проектування цифрової системи, параметри якої мають задовольняти досить жорстким вимогам. Треба забезпечити передачу NRZ послідовності імпульсів зі швидкістю 400 Мбіт/с на відстань 100 км без регенераторів з коефіцієнтом помилок 10–9 або краще. Очевидно, що в такій системі потрібно використовувати волокно, що має великий добуток довжини на швидкість передачі і дуже низькі втрати. Також потрібні високочастотні і джерело світла, і фотоприймач, щоб забезпечать передачу даних зі швидкістю 400 Мбіт/с. Можна передбачати, що рівні сигналів, які досягають приймача, будуть низькими, тому потрібен дуже чутливий приймальний пристрій. Наступні розрахунки покажуть, до якої міри ці припущення вірні. Розрахунки бюджетів часу наростання (ширини смуги пропускання) і потужності складають основну частину аналізу.

Бюджет часу наростання

Форму імпульсу на вході системи передачі наведено на рис. 5.1,а. Для NRZ коду тривалість імпульсів t і період їхнього повторення T однакові і дорівнюють 1/R, де R – швидкість передавання даних, біт/с. Сумарний час наростання системи tсис не повинен бути більшим за 70 % від тривалості імпульсу, рис. 5.1,б. Тобто час наростання має бути не більше ніж

. (5.1)

Аналогічне міркування справедливе для сигналу з поверненням до нуля, у якому тривалість імпульсу t дорівнює половині періоду повторення T,

. (5.2)

Отже, для NRZ сигналу, що передається зі швидкістю 400 Мбіт/с, допустимий час наростання tсис = 0,7/4×108 = 1,75 нс. Цей час має бути розподілений між джерелом світла, волокном і фотоприймачем (включаючи коло навантаження і підсилювач) відповідно до рівняння – .

Перед визначенням впливу часу наростання (величиною 1,75 нс) на вибір волокна спочатку потрібно встановити зв'язок між часом наростання волокна й розширенням імпульсу. Використовуючи співвідношення f–3 дБ (ел) = 0,35/Dt, можна дійти висновку, що час наростання волокна задовольняє умову

tв = 0,35/f–3 дБ (ел) = Dt. (5.3)

Значення електричного часу наростання волокна й розширення імпульсу, що вимірюється його тривалістю за рівнем половини від максимуму, є однаковими. Цей наближений взаємозв'язок може бути корисним при розрахунках тільки на початковому етапі проектування.

З цього результату випливає, що волокно повинне мати розширення імпульсу менше ніж 1,75 нс на довжині 100 км (розширення на одиницю довжини менше, ніж 17,5 пс/км). Таке значення недосяжне для багатомодових східчастих і градієнтних волокон, у яких розширення імпульсу дорівнює приблизно 15 нс/км і 1 нс/км відповідно (табл 5.1). Навіть одномодові волокна мають розширення імпульсу приблизно 500 пс/км на довжині хвилі близько 0,8 мкм. Вибір обмежений одномодовими волокнами, що працюють на довжині хвилі 1,31 або 1,55 мкм. Через потрібну велику довжину тракту передачі кілометричні втрати мають бути дуже малі. Навіть при коефіцієнті згасання 0,5 дБ/км (сумарні втрати становлять 50 дБ на довжині в 100 км) і лінія передачі без регенераторів не зможе бути реалізованою. Нижче в цьому підрозділі буде показано, що загальні втрати системи, включаючи втрати вводу і всі з¢єднувачі, мають бути менші, ніж 37 дБ. Отже, потрібно використовувати одномодове волокно, що працює на l = 1,55 мкм, тобто в області мінімального згасання. Приймемо його коефіцієнт згасання рівним 0,25 дБ/км на цій довжини хвилі.