ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОГО КОГЕРЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2000 года по МПК H04B10/00 

Техническое решение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в аппаратуре волоконно-оптических и лазерных космических линий связи.

Известна линия передачи цифрового когерентного оптического сигнала (фиг. 1), прототип предлагаемого технического решения, которая содержит оптический фазовый модулятор 1, передающий лазерный генератор 2, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера 3, согласующие устройства 4 и 6, среду передачи оптического сигнала (оптический кабель, космическое пространство, атмосфера) 5, оптические разветвители 7 и 14, оптические смесители 8 и 18, фотодетекторы 9 и 19, усилители 10 и 20, оптимальный фильтр 11, решающее устройство 12, фазовращатель (π /2) 13, местный лазерный генератор 15, фильтр в цепи фазовой автоподстройки (ФАП) 16, перемножитель 17, фильтр нижних частот 21, линию задержки 22. (Kazovsky L.O.//IEEE Transaction on Electron Devices - 1985 - 32, N 12 - P.2630-2639).

Ближайшими аналогами предлагаемого технического решения являются также устройства, описанные в работах:
1. Hodkinson T.G.// Electronics Letters - 1986 - 22, N 7 - P.394-396;
2. Salz J. // ATT Technical Journal - 1985 - 64, N 10 - P.2153-2209.

Недостатком известной линии передачи является ее малая длина, так как для устранения разности фаз передающего и местного лазеров и подавления фазовых шумов использована фазовая автоподстройка (ФАП) частоты и фазы местного лазерного генератора, для чего в прототипе ответвляется часть мощности передаваемого оптического сигнала, что приводит к необходимости увеличения мощности передаваемого сигнала на входе второго согласующего устройства для обеспечения заданной вероятности ошибки, что в свою очередь приводит к уменьшению длины линии передачи.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение длины линии передачи цифрового когерентного оптического сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известную линию передачи включены сумматор, третий усилитель, генератор промежуточной частоты, делитель мощности, фильтр промежуточной частоты, синхронный детектор, детектор экстремальных уровней сигнала, детектор нулевого уровня сигнала, формирователь пороговых уровней, устройство снятия модуляции, нелинейный элемент.

Схема предлагаемой линии передачи приведена на фиг. 2. Линия передачи содержит оптический фазовый модулятор 1, передающий лазерный генератор 2, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера 3, первое согласующее устройство 4, среду передачи оптического сигнала 5, второе согласующее устройство 6, оптический смеситель 8, фотодетектор 9, первый усилитель 10, оптимальный фильтр 11, решающее устройство 12, местный лазерный генератор 15, второй усилитель 20, фильтр промежуточной частоты 23, детектор экстремальных уровней сигнала 24, сумматор 25, синхронный детектор 26, детектор нулевого уровня сигнала 27, генератор промежуточной частоты 28, делитель мощности 29, третий усилитель 30, нелинейный элемент 31, устройство снятия модуляции 32, формирователь пороговых уровней 33.

Принцип работы предлагаемой линии передачи заключается в следующем.

Цифровой электрический сигнал поступает на вход линии передачи, т.е. на вход оптического фазового модулятора 1, на второй вход которого поступает немодулированный оптический сигнал от передающего лазерного генератора 2, имеющего заданную частоту и мощность излучения. Частота передающего лазерного генератора стабилизируется устройством 3, которое обеспечивает также, по возможности, узкую линию излучения лазера. С выхода оптического фазового модулятора фазомодулированный (0-π) оптический сигнал через первое согласующее устройство 4 поступает в среду передачи оптического сигнала 5 (оптический кабель, космическое пространство, атмосфера) и далее через второе согласующее устройство 6 поступает на первый вход оптического смесителя 8, на второй вход которого поступает немодулированный сигнал от местного лазерного генератора 15. С выхода оптического смесителя 8 суммарный оптический сигнал поступает на вход фотодетектора 9, в котором производится преобразование оптического сигнала в электрический.

В предлагаемой линии передачи, как и в прототипе, осуществляется гомодинный прием оптического сигнала, так как при нормальной работе линии передачи несущая частота и фаза входного (для фотодетектора) оптического сигнала совпадают с частотой и фазой местного лазерного генератора 15 с точностью до фазовых шумов обоих лазеров (передающего и местного) или отличаются на номинальное значение фазового сдвига, используемое при фазовой модуляции (в данном случае: π). Поступающие с выхода фотодетектора 9 сигнал и шум усиливаются первым усилителем 10, проходят оптимальный фильтр 11, формирующий сигнал и шум с максимальным отношением сигнал/шум, и поступают на вход решающего устройства 12, в котором происходит очищение передаваемого сигнала от шума, восстанавливается исходная форма сигнала с точностью до вероятности ошибки передачи символов "0" или "1", а также восстанавливается нормальное положение сигнала на тактовом интервале.

Частота и фаза местного лазерного генератора 15 подстраиваются с помощью цепи оптической ФАП, отличающейся от аналогичной цепи в прототипе. В предлагаемой линии передачи цепь ФАП частоты и фазы местного лазерного генератора 15 содержит генератор промежуточной частоты f_n 28, делитель мощности 29, сумматор 25, через которые сигнал частоты f_n, поступает на вход управления частотой местного лазерного генератора 15. Частота f_n, значительно превышает верхнюю частоту рабочего спектра передаваемого сигнала, поэтому цепь ФАП не создает дополнительных помех при обработке сигнала. На входе фотодетектора 9 образуется оптический сигнал с дополнительной синусоидальной фазовой модуляцией с частотой f_n и амплитудой ϕ_o, величина которой ограничена и не может превышать 0,5 - 1 во избежание искажения нормальной работы фотодетектора 9. На выходе фотодетектора 9 образуется дополнительный сигнал частоты f_n, фаза которого (0 или π) зависит от направления отклонения среднего значения разности фаз лазеров от номинального значения (0 или π), а амплитуда в первом приближении равна I_cϕ_osinϕ, где I_c - амплитуда тока передаваемого сигнала на выходе фотодетектора 9, ϕ - разность фаз входного (для фотодетектора) сигнала при отсутствии модуляции и сигнала местного лазерного генератора на входе фотодетектора 9. Сигнал частоты f_n выделяется с помощью полосно-пропускающего фильтра промежуточной частоты 23 и поступает на первый вход синхронного детектора 26, на второй вход которого с необходимой фазой поступает сигнал промежуточной частоты с делителя мощности 29. Полоса фильтра промежуточной частоты 23 соответствует полосе частот передаваемого сигнала, причем несущая частота совпадает с краем полосы пропускания фильтра (однополосный прием синусоидального сигнала). Это позволяет обеспечить необходимое быстродействие цепи ФАП и минимальный уровень шума в цепи. С выхода синхронного детектора 26 сигнал, полярность которого зависит от направления отклонения среднего значения разности фаз лазеров от номинального значения (0 или π), через устройство снятия модуляции 32, второй усилитель 20 и сумматор 25 поступает на вход управления частотой местного лазерного генератора 15, что приводит к уменьшению указанного отклонения в идеальном случае до нуля. На второй вход устройства снятия модуляции 32 поступает цифровой сигнал с выхода решающего устройства 12. Это обеспечивает независимость сигнала управления частотой местного лазерного генератора 15 от передаваемого символа.

В отличие от прототипа в предлагаемой линии передачи используется только один фотодетектор и отсутствует выделение части мощности передаваемого сигнала для осуществления работы оптической ФАП частоты и фазы местного лазерного генератора 15, что позволяет уменьшить мощность оптического сигнала на выходе второго согласующего устройства при заданной вероятности ошибки передачи сигнала по линии, т.е. получить положительный эффект, заключающийся в увеличении длины линии передачи.

На входе фотодетектора 9 в оптическом сигнале присутствуют фазовые шумы ϕ, обусловленные, с одной стороны, собственными шумами лазеров ϕ_ш и, с другой стороны, дробовыми (квантовыми) шумами на выходе фотодетектора 9 в окрестности промежуточной частоты f_n, которые усиливаются первым усилителем 10, преобразуются в видеосигнал в синхронном детекторе 26 и через блоки 32, 20 и 25 поступают на вход управления частотой местного лазерного генератора 15 и создают дополнительный фазовый шум. На выходе фотодетектора 9 присутствуют шумы, обусловленные дробовыми (квантовыми) шумами в полосе частот передаваемого сигнала, и преобразованные фотодетектором 9 суммарные фазовые шумы лазеров в амплитудные шумы в той же полосе частот. Уменьшение фазовых шумов приводит к уменьшению уровня шума на входе решающего устройства и тем самым к уменьшению вероятности ошибки передачи или к увеличению длины линии передачи при заданной вероятности ошибки. Поэтому, как и в прототипе, в предлагаемой линии передачи существует оптимальная величина коэффициента передачи по замкнутой цепи ФАП, соответствующая минимальному значению среднего квадрата фазового шума σ2ϕ1,2

, что достигается подбором коэффициента усиления второго усилителя 20 в предлагаемой линии передачи. В прототипе этот минимум σ2ϕ1= (1/k)(π/γN_C1)^1/2, где N_c1 - количество фотонов на входе фотодетектора, необходимое для обеспечения заданной вероятности ошибки, γ = Δν/f_т, Δν - ширина линии излучения лазера, f_т - тактовая частота, k² - часть мощности передаваемого сигнала (k² < 1), используемая для осуществления работы цепи ФАП местного лазерного генератора. В предлагаемой линии передачи минимум σ2ϕ2= (1/ϕ_o)(π/γN_C2)^1/2, где N_c2 количество фотонов, соответствующее заданной вероятности ошибки. Для обеспечения положительного эффекта от использования предлагаемой линии передачи необходимо, чтобы N_c2 < N_c1, откуда, как правило, следует, что σ2ϕ2> σ2ϕ1. Поэтому для обеспечения значительного положительного эффекта необходимо в предлагаемой линии передачи значительно уменьшить σ2ϕ2, используя дополнительные методы построения схемы, отсутствующие в прототипе. Для этого в предлагаемой линии передачи используется ограничение больших отклонений фазы ϕ от среднего значения на таком уровне, чтобы вероятность ошибки передачи не ухудшалась из-за влияния фазового шума больше, чем в прототипе (см. Приложение).

Используя сигнал на выходе синхронного детектора 26, определяются экстремальные уровни сигнала: положительный, соответствующий ϕ = ϕ_m, и отрицательный, соответствующий ϕ = -ϕ_m, в детекторе экстремальных уровней 24, а также определяется среднее (нулевое) значение сигнала (при ϕ = 0) в детекторе нулевого уровня 27. Далее в формирователе пороговых уровней 33 определяются значения пороговых уровней, с помощью которых ограничиваются большие отклонения фазы ϕ от номинальных значений (0 или π). Сигнал ФАП с выхода устройства снятия модуляции 32 поступает на первый вход нелинейного элемента 31, на второй вход которого поступает информация о пороговых уровнях ограничения. Когда отклонения фазы ϕ достигают пороговых значений, сигнал отрицательной обратной связи ФАП - резко возрастает, что приводит к быстрому ограничению отклонения фазы ϕ от номинального значения. В прототипе фазовый шум ϕ имеет нормальное распределение вероятностей (в пределах выполнения условия: sinϕ ≈ ϕ). В предлагаемой линии передачи из-за ограничения больших отклонений фазы ϕ распределение вероятностей фазового шума резко отличается от нормального: в нем отсутствуют большие отклонения, присущие нормальному (гауссовскому) закону распределения. Это позволяет значительно уменьшить средний квадрат шума σ2ϕ2

и обеспечить положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи. Характеристика коэффициента передачи нелинейного элемента 31 показана на фиг. 3. Напряжение u_вх пропорционально значениям фазы ϕ. Конкретные значения элементов этой характеристики подбираются при конструировании аппаратуры линии передачи. При этом также выбирается коэффициент усиления третьего усилителя 30.

Положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом определяется увеличением длины линии передачи Δl, определяемым формулой
Δl = ΔЭ/α,
где ΔЭ - увеличение энергетического потенциала (дБ) предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом;
α - затухание оптического сигнала в среде передачи (дБ/км).

Величина положительного эффекта зависит от многих параметров: скорости передачи, ширины линии излучения лазеров и др. (см. Приложение). Для скорости передачи 155 Мбит/с при использовании полупроводниковых лазеров с шириной линии излучения 0,5 - 2 МГц увеличение ΔЭ = 4-9 дБ. Положительный эффект можно рассматривать также с другой стороны, как уменьшение требований к характеристикам полупроводниковых лазеров. В частности, для обеспечения длины линии передачи, соответствующей уровню мощности на входе фотодетекторов 10 фотон на 1 бит, в предлагаемой линии передачи при скорости передачи 155 Мбит/с можно использовать полупроводниковые лазеры с шириной линии излучения 1 - 2 МГц, тогда как в прототипе - не более 20 кГц.

Экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи можно оценить на примере применения этой линии при строительстве магистральных и внутризоновых сетей. В этом случае длину регенерационного участка можно увеличить на 10 - 20%, если использовать приведенные выше численные данные, а также полагая, что энергетический потенциал прототипа составляет 40 - 50 дБ. Экономический эффект заключается в уменьшении на 10 - 20% стоимости оборудования регенерационных пунктов систем и сетей связи.

Кроме того, экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи можно оценить на примере строительства сети связи, состоящей из линий передачи когерентного оптического сигнала.

Выпускаемые промышленностью оптические кабели (ОК) имеют разброс затухания, а следовательно, различные максимальные длины соединительных линий (СЛ) и разные цены за 1 км ОК. Предположим, что используемые ОК имеют три номинала затухания, три максимальные длины СЛ l₁, l₂, l₃, три стоимости 1 км ОК - C₁, C₂, C₃, и разности цен ΔC₁₂= C₂-C₁, ΔC₂₃= C₃-C₂. В этом случае относительное уменьшение затрат на ОК (ΔC/C) при использовании предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом вследствие возможности использования большего количества относительно дешевых ОК определяется соотношением
ΔC/C = (ΔЭ/Э′C_окlΔl)(l21

ΔC₁₂+l22ΔC₂₃),
где Э' - среднее затухание в ОК на СЛ;
С_ок - средняя цена 1 км ОК;
l - средняя длина СЛ на сети;
Δl - разброс длин СЛ на сети.

Полагая ΔЭ = 4 - 9 дБ; Э' = 40 дБ; Со_ок = С₂; ΔC₁₂= ΔC₂₃= ΔC_ок; l = 0,5 (l₃ + 0,5l₁); Δl = l₃-0,5l₁; l₂/l₁ = l₃/l₂ =1,5, получим
ΔC/C = (0,15÷0,37)ΔC_ок/C_ок.
Если цены на ОК составляют 2000 - 3000 у.е. за 1 км, то С_ок = 2500 у.е., а ΔC_ок= 500 у.е., откуда следует, что ΔC/C = 0,03÷0,07. В абсолютном выражении экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи на рассмотренном примере при годовых затратах 100 млн. у.е. составляет 3 - 7 млн. у.е. в год.

ПРИЛОЖЕНИЕ
Вероятность ошибки передачи фазомодулированного цифрового сигнала по линии

где W_0,1(u)- распределение плотности вероятности напряжения на входе решающего устройства при передаче символов "1" (фаза ϕ = 0) и "0" (фаза ϕ = π) соответственно.

Вследствие симметрии фазомодулированного сигнала

где
x = (u_c+u_ф)/σ_н;

u_с, u_ф - уровни сигнала и фазового шума на входе решающего устройства соответственно;
σ_н - среднеквадратичное значение шума с нормальным распределением вероятностей на входе решающего устройства;
h(t) - импульсная функция передачи формирующего фильтра сигнала на входе решающего устройства;
I_c(t) - зависимость тока передаваемого сигнала на выходе фотодетектора от времени;
ϕ(t) - разность фаз передаваемого оптического сигнала и местного лазерного генератора на входе фотодетектора (фазовый шум);
черта обозначает статистическое усреднение.

При использовании оптимального фильтра сигнала на входе решающего устройства, прямоугольных импульсов формата NRZ при передаче сигналов и, учитывая медленные изменения x по сравнению с , получим

где S = (2u_c/σ_н)²;
Т - тактовый интервал, откуда следует, что


где K_ош ⁽¹⁾ = K_ош ⁽²⁾ - вероятности ошибки передачи сигналов в прототипе и в предлагаемой линии передачи соответственно;
N_с1, N_с2 - количество фотонов на входе фотодетекторов, необходимое для обеспечения заданной вероятности ошибки;
k² - часть мощности передаваемого оптического сигнала, используемая для осуществления оптической ФАП местного лазерного генератора в прототипе.

Уравнения цепей оптических ФАП в прототипе (1) и в предлагаемой линии передачи (2) можно представить в следующем виде


где ϕ_ш - суммарный собственный фазовый шум лазеров;
A_1,2 = S_гK_1,2I_c1,2 (индекс "1" относится к прототипу, индекс "2" - к предлагаемой линии передачи);
S₂ - крутизна регулировки частоты местного лазерного генератора;
K_1,2 - коэффициент передачи сигнала по цепи ФАП с выхода фотодетектора до входа управления частотой местного лазерного генератора;
ϕ_o - амплитуда колебаний фазы ϕ с промежуточной частотой f_n;
I_c1,2 - амплитуда тока передаваемого сигнала на выходе фотодетектора;
i_d1,2 - дробовый (квантовый) шум на выходе фотодетектора в полосе передачи сигнала по цепи ФАП;
П(ϕ) - характеристика нелинейного элемента (фиг. 3, напряжение u_вх пропорционально фазе ϕ).
Средние квадраты фазовых шумов в прототипе (3) и в предлагаемой линии передачи при отсутствии ограничения фазы: П(ϕ) ≡ 0 (4);


где γ = Δν/f_т,
Δν - ширина линии излучения лазера;
f_т - тактовая частота,
откуда следует, что, как правило, σ2ϕ2

> σ2ϕ1, т.е. фазовый шум в предлагаемой линии передачи превышает фазовый шум в прототипе.

Для обеспечения положительного эффекта от применения предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом недопустимо, чтобы значение интеграла в показателе степени выражения для вероятности ошибки K_ош ⁽²⁾ (предлагаемая линия) превышали значения этого интеграла в выражении K_ош ⁽¹⁾ (прототип).

Для этого в схему предлагаемой линии передачи включены блоки 24, 27, 33, 31, 30, обеспечивающие ограничение роста фазы ϕ, исключающие большие ее выбросы, что весьма существенно, так как в выражениях для вероятности ошибки К_ош упомянутый интеграл стоит в показателе степени (!), а под интегралом в первом приближении стоит функция ϕ²(t) т.е. отключения фазы во второй (!) степени. Эти факторы подчеркивают влияние больших выбросов фазы ϕ на вероятность ошибки. В присутствии ограничения фазы большие выбросы подавляются. В этом случае выражение для фазы ϕ в операторной форме имеет вид
ϕ = (p+A₂sinϕ/ϕ+П(ϕ)/ϕ)^-1(pϕ_ш+A₂i_d2I-1c2

),
где оператор дифференцирования.

Подбирая величину порога ограничения фазы ϕ можно сделать так, чтобы упомянутые интегралы в выражениях для К_ош ⁽¹⁾ и К_ош ⁽²⁾ были равны. В этом случае 2N_c1(1-k²) = 2N_c2, откуда следует, что увеличение энергетического потенциала предлагаемой линии по сравнению с прототипом составляет
ΔЭ = 10lgN_C1/N_C2= 10lg(1+16πN_C2/γ).
Например, при заданной вероятности ошибки 10^-10 необходимое количество фотонов N^c2 = 10 на 1 бит. При скорости передачи 155 Мбит/с и ширине линии излучения лазера Δν = 0,5-2 МГц γ = 75-300, а ΔЭ = 4,3-9 дБ.

Потери энергетического потенциала в предлагаемой линии передачи из-за конечной величины ϕ_o незначительны. Например, при ϕ_o= 0,5 эти потери составляют 0,25 дБ.

Изобретение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в аппаратуре волоконно-оптических, лазерных космических, атмосферных и других линий связи. Линия передачи содержит оптический фазовый модулятор, передающий лазерный генератор, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, два согласующих устройства, среду передачи оптического сигнала, местный лазерный генератор, оптический смеситель, фотодетектор, два усилителя, оптимальный фильтр, решающее устройство. Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в известную линию передачи дополнительно включены сумматор, третий усилитель, генератор промежуточной частоты, делитель мощности, фильтр промежуточной частоты, синхронный детектор, детектор экстремальных уровней сигнала, детектор нулевого уровня сигнала, формирователь пороговых уровней, устройство снятия модуляции, нелинейный элемент, включение которых позволяет осуществить фазовую автоподстройку частоты и фазы местного лазерного генератора без ответвления для этого части оптической мощности передаваемого сигнала и тем самым уменьшить мощность этого сигнала на выходе среды передачи оптического сигнала при заданной вероятности ошибки передачи, что позволяет увеличить длину линии передачи, в чем и состоит технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения. По сравнению с ближайшими аналогами линия передачи имеет энергетический потенциал на 4-9 дБ больше, что позволяет увеличить длину регенерационного участка и тем самым уменьшить общую стоимость оборудования магистральных, внутризоновых систем и городских систем и сетей связи. 3 ил.

Линия передачи цифрового когерентного оптического сигнала, содержащая передающий лазерный генератор, оптический фазовый модулятор, устройство стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, два согласующих устройства, среду передачи оптического сигнала, оптимальный фильтр, решающее устройство, местный лазерный генератор, оптический смеситель, фотодетектор, два усилителя, при этом вход линии передачи является первым входом оптического фазового модулятора, выход которого соединен со входом первого согласующего устройства, выход которого соединен со входом среды передачи оптического сигнала, выход которой соединен со входом второго согласующего устройства, первый и второй выходы передающего лазерного генератора соединены соответственно со вторым входом оптического фазового модулятора и со входом устройства стабилизации частоты и обеспечения узкой линии излучения лазера, выход которого соединен со входом передающего лазерного генератора, выход оптического смесителя соединен со входом фотодетектора, выход которого соединен со входом первого усилителя, выход которого соединен со входом оптимального фильтра, выход которого соединен со входом решающего устройства, выход которого является выходом линии передачи, отличающаяся тем, что в нее включены сумматор, третий усилитель, генератор промежуточной частоты, делитель мощности, фильтр промежуточной частоты, синхронный детектор, детектор экстремальных уровней сигнала, детектор нулевого уровня сигнала, формирователь пороговых уровней, устройство снятия модуляции, нелинейный элемент, при этом выход второго согласующего устройства соединен с первым входом оптического смесителя, выход генератора промежуточной частоты соединен со входом делителя мощности, первый выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен со входом местного лазерного генератора, выход которого соединен со вторым входом оптического смесителя, выход первого усилителя соединен со входом фильтра промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, выход которого соединен со входом детектора экстремальных уровней сигнала, со входом детектора нулевого уровня сигнала и с первым входом устройства снятия модуляции, выход которого соединен с первым входом нелинейного элемента и со входом второго усилителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход детектора нулевого уровня сигнала соединен с первым входом формирователя пороговых уровней, выход которого соединен со вторым входом нелинейного элемента, выход которого соединен со входом третьего усилителя, выход которого соединен с третьим входом сумматора, выход детектора экстремальных уровней сигнала соединен со вторым входом формирователя пороговых уровней, второй выход делителя мощности соединен со вторым входом синхронного детектора, выход решающего устройства соединен со вторым входом устройства снятия модуляции.