Приемник оптических сигналов Советский патент 1993 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к области передачи и приема сигналов в Оптическом диа- .пазоне волн, а более конкретно - к устройствам оптимального приема оптических сигналов, и может быть использовано для повышения помехоустойчивости оптических систем передачи.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости приемника за счет синтеза оптимальной структуры приемника, учитывающей различные статистические характеристики квантовых шумов при некогерентном приеме оптических сигналов с пассивной паузой и изменения этих характеристик при флуктуациях принимаемого сигнала за счет случайных изменений коэффициента передачи канала.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство приема оптических сигналов при некогерентном фотодетектировании и некогерентной последетектор- нойобработке, содержащее последовательно соединенные фотодетектор, согласованный фильтр, амплитудный ; детектор, бесселевско-логарифмический усилитель, вычитающее устройство, пороговое устройство,.причем к другому входу вы- : читающего устройства подключен выход источника эталонного напряжения, дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, усилитель, сумматор, причем выход фотодетектора одновременно подключен к входу квадратора, сумматор включен между бесселевско-логарифмичесо О

ю

СП

N ю

ским усилителем и вычитающим устройством таким образом, что выход бесселевско- логарифмического усилителя подключен к другому входу сумматора, выход которого подключен к входу вычитающего устройства. Также введено устройство адаптации, информационный вход которого подключен к выходу интегратора, а управляющий вход устройства адаптации - к .выходу порогового устройства. Один выход устройства адаптации подключен к управляющему входу усилителя для регулировки коэффициента усиления, а другой выход подключен к другому входу вычитающего устройства.

При этом исключается источник эталонного напряжения, который был в прототипе.

Устройство адаптации, в свою очередь, включает в себя: первый буферный запоминающий элемент, первый запоминающий элемент, первый вычитающий элемент, дополнительный усилитель, первый источник эталонного напряжения, первый сумматор, первый квадратор, второй источник эталонного напряжения, элемент извлечения квадратного корня; второй вычитающий элемент, третий делитель напряжения, третий делитель напряжения на два, второй квадратор, первый перемножитель, второй перемножитель, второй сумматор, второй буферный запоминающий элемент, второй запоминающий элемент, первый делитель напряжения, логарифмический делитель, третий перемножитель, третий сумматор, первый делитель напряжения на два, третий вычитающий элемент, второй делитель напряжения, второй делитель напряжения на два, инвертор, причем выход интегратора (информационный вход устройства адаптации) одновременно подключен к информационному входу первого буферного запоминающего элемента и к входу первого вычитающего элемента; выход первого буферного запоминающего элемента подключен к входу первого запоминающего элемента, выход-которого одновременно подключен к: другому входу первого вычитающего элемента, другому входу второго сумматора, другому входу первого делителя напряжения, другому входу третьего вычитающего элемента и другому входу второго делителя напряжения. Выход первого вычитающего элемента подключен к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения на два, выход которого одновременно подключен к входу второго перемножителя и к входу второго квадратора, выход которого подключен к входу первого перемножителя, выход которого подключен к другому входу третьего сумматора; выход первого источника эталонного напряжения одновременно подключен к управляющему входу

дополнительного усилителя, другому входу третьего делителя напряжения, и к другому входу первого перемножителя; выход второго источника эталонного напряжения одновременно подключен к другому входу

0 второго перемножителя, другому входу второго вычитающего элемента и входу первого квадратора, выход которого подключен к другому входу первого сумматора. Выход второго перемножителя подключен к

5 входу второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго буферного запоминающего элемента, выход которого подключен к входу второго запоминающего элемента, выход которого

0 одновременно подключен к входу первого делителя, другому входу третьего перемножителя и входу третьего вычитающего элемента, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения, выход кото

5 рого подключен к входу второго делителя напряжения на два, выход которого является первым выходом устройства адаптации и подключен к управляющему входу усилителя. Выход первого делителя напряжения

0 подключен к входу логарифмического усилителя, выход которого подключен к входу третьего перемножителя, выход которого подключен к входу третьего сумматора, выход которого подключен к входу первого

5 делителя напряжения на два, выход которого является вторым выходом устройства адаптации и подключен к другому входу вычитающего устройства. Выход порогового устройства (управляющий вход устройства

0 адаптации) одновременно подключен к входу считывания второго буферного запоминающего элемента и к входу инвертора, выход которого подключен к входу считывания первого буферного запоминающего

5 элемента. .

Принцип создания предлагаемого устройства основан на дополнительном определении средней мощности принимаемого сигнала и использовании полученной ин0 формации о средней мощности для оптимального принятия решения о том, какой сигнал передавался.

Такое построение устройства, в отличие от прототипа, где для принятия решения

5 используется только результат некогерентной последетекторной обработки сигнала и не используется информация о средней мощности принимаемого сигнала, обладает следующим преимуществом. Повып эогся помехоустойчивость приема, т.к. отфеделе

нме.средней мощности принимаемого сигнала позволяет учесть различные .дисперсии квантовых шумов DI и Do при приеме 1 и О соответственно и их измерения при флуктуациях коэффициента передачи канала и, следовательно, обеспечить оптимальное по критерию идеального наблюдателя принятие решения о том, какой сигнал передавался, т.е. достичь потенциальной помехоустойчивости приема,

Таким образом, поскольку предлагаемое устройство имеет отличия от прототипа, оно обладает новизной. При этом данные отличия следует считать существенными, т.к. заявителю не известны решения, в которых бы использовались сходные отличия, приводящие к повышению помехоустойчивости некогерентного приема оптических сигналов с пассивной паузой в каналах с переменными параметрами.

На фиг. 1 изображена структурная схема приемника оптических сигналов, на фиг.2 - структурная схема устройства адаптации.

Приемник оптических сигналов содержит фотодетектор 1, согласованный фильтр

2. амплитудный детектор 3, бесселевско-ло- гарифмический усилитель 4, сумматор 5, вычитающее устройство 6, пороговое устройство 7, квадратор 8, интегратор 9, усилитель 10 с регулируемым усилением, устройство адаптации 11 ,

При этом выход фотодетектора 1 одновременно подключен к входам квадратора 8 и согласованного фильтра 2, выход которого подключен к входу амплитудного детектора

3. выход которого поключен к входу бессе- левско-логарифмического усилителя 4, выход которого подключен к другому входу сумматора 5, выход которого подключен к входу вычитающего устройства 6, выход которого подключен к входу порогового устройства 7; выход квадратора 8 подключен к входу интегратора 9, выход которого одновременно подключен к информационному входу устройства адаптации 11 и входу усилителя 10, выход которого подключен к входу сумматора 5. К выходу порогового устройства 7 одновременно подключены получатель информации и управляющий вход устройства адаптации 11, выход которого подключен к управляющему входу усилителя 10, а другой выход устройства, адаптации 11 подключен к другому входу вычитающего устройства 6.

Приемник оптических сигналов работает следующим образом. Как известно, при некогерентной обработке сигнал на выходе фотодетектора U(t) отличается от сигнала в случае когерентной обработки тем, что его начальная фаза неизвестна и решение принимается не по самому результату оптимальной обработки сигнала, а по огибающей Z(t) результата оптимальной обработки. Кроме того, в предлзг.аемом устройстве для

5 принятия решения используется информация о средней мощности принимаемого сигнала U(t). Поэтому электрический сигнал U(t) с выхода фотодетектора 1 одновременно подается на выходы согласованного фильтра 2

0 и квадратора 8. Согласованный фильтр 2 выполняет оптимальную обработку принимаемого сигнала. С выхода согласованного фильтра 2 результат оптимальной обработки подается на вход амплитудного детекто5 ра 3, где выделяется огибающая входного

сигнала Z(t). Необходимо отметить, что оги. бающая может быть выделена и другим спо собом, с помощью корреляторов, но этот

способ более громоздкий в реализации.

0С выхода амплитудного детектора 3 огибающая Z(t) подается на вход бесселевско- логарифмического усилителя 4, в котором, как и в прототипе, амплитудная характеристика первого каскада соответствует моди5 фицированной функции Бесселя нулевого порядка I0(Z), а амплитудная характеристика второго каскада - логарифмическая, т.е. lnio(Z). Таким образом, на выходе бесселев- ско-логарифмического усилителя 4 присут0 ствует натуральный логарифм функции Бееселя от огибающей In I0(Z), который используется при принятий решения и поступает на другой вход сумматора 5.

Крцме того, с выхода квадратора 8 сиг5 нал U (т.) поступает на вход интегратора 9, где интегрируется и на выходе образуется сигнал, соответствующий средней мощности Ри сигнала U(t), т.е.; ....

Ри {Ј U2(t)dt ;

Затем в усилителе 10 с регулируемым коэффициентом усиления величина Ри умножается на устанавливаемый по сигналам с выхода устройства адаптации 11 коэффици0

5

ент усиления К

DI

DC

-, где DI и Do дисперсии шумов при приеме 1 и О соответственно, изменяющиеся при изменении коэффициента передачи канала и определя- емые в устройстве адаптации 11,

С выхода усилителя 10 сигнал величи-к-- Y/0U2( t)dt поступает на

ной

55

вход сумматора 5 и с-его выхода-сумма

Dl -Do 1 2 Do T

/№ .

)df

поступает на вход вычитающего устройства б, где из этой суммы вычитается поступаюботы адаптивного оптимального приемника величины. В третьем вычитающем элементе 35, втором делителе напряжения 36 и втором делителе напряжения на два 37 форми. Di Do руется величина кз о к , равная

Ј. L/o

требуемому коэффициенту усиления усилителя 10 и поступающая на его управляющий вход.

В первом делителе напряжения 30, логарифмическом усилителе 31, третьем перемножителе 32, третьем сумматоре 33 и первом делителе напряжения на два 34 формируется

величина k4 T Ps+Diln-p-1i.

), поступающая

на другой вход вычитающего устройства 6 и необходимая для оптимальной установки порога принятия.решения. Очевидно, что формируемые величины Кз и К4 позволяют отслеживать и учитывать изменения состояния канала, обеспечивая при.всех изменениях оптимальные условия принятия решения о передаваемом сигнале..

Технические преимущества предлагаемого приёмника оптических сигналов заключаются в повышении помехоустойчивости . приема оптических сигналов с пассивной па- . узой за счет обеспечения оптимальных условий приема оптических сигналов в канале с переменными параметрами как с активной, так, в отличие от прототипа, и с пассивной паузой путем использования информации о средней мощности принимаемых сигналов, тогда как в прототипе эта информация не используется и обеспечиваются оптимальные условия приема только о.птических сигналов с - активной паузой, в канале с постоянными параметрами, что обусловлено принципом,работы прототипа,.. .

Как показано -в выражении (4), вероятность ошибочного приема символа при. некогерентном детектировании и оптимальной некогерентной последетек- торной обработке ра-вна

)1:(5)

где Q(X,Y)-Q - функция Маркума; .. : , А-амплитуда сигнала Si(t);

Zn.i n Zno- величины пороговых значений огибающих при передаче 1 соответственно.

В случае приема оптических сигналов-с активной паузой,, когда . и канала с постоянными параметрами общие выражения для решающего правила (1) и вероятности ошибки (5) преобразуются к известным, используемом в прототипе..

При требуемой вероятности ошибки выигрыш;.по мощности сигнала достигает 12 дБ при разнице между перхней и

нижней границами оценки до 5,5 дБ, что доказывает высокую эффективность предлагаемого адаптивного оптимального приемника оптических сигналов.. : Форм у л а изобретения

1. Приемник оптических сигналов, со- держащий последовательно соединенные фотодетектор, согласованный фильтр, амплитудный детектор, бесселевско-логариф0 мический усилитель, а также вычитающее устройство и соединенное с ним пороговое устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости приемника путем синтеза оптимальной

5 структуры приемника, учитывающей различные статистические характеристики ; квантовых шумов при некогерентном приеме оптических сигналов с пассивной паузой, и изменения этих характеристик, при

0 флуктуациях принимаемого сигнала за счет случайных изменений коэффициента передачи канала, в него введены.подключенные к выходу фотодетектора и последовательно соединённые квадратор, интегратор, усили-5 тель и сумматор, другой вход которого соединен.с выходом бесселевско-логарифмического усилителя, а выход подключен к входу вычитающего устройства, также введено устройство адап0 тации, один из входов которого соединен с выходом порогового устройства, другом вход подключен к выходу интегратора, один из выходов устройства адаптации соединен с управляющем входом усилителя, а другой

5- выход соединен с другим входом вычитаю- щето устройства, . .

2. Приемник по п. 1, от л и ч а ю щи и с я тем, что устройство адаптации содержит первый буферный запоминающий элемент, пер0 вый запоминающий элемент, первый

. вычитающий элемент, дополнительный усили- тель, первый источник эталонного напряжения, первый сумматор, первый квадратор, второй источник эталонного напряжения,

5 элемент извлечения квадратного корня, второй вычитающий элемент, третий делитель напряжения, третий делитель напряжения на два, второй квадратор, первый перемножитель, второй перемножитель, второй

0 сумматор, второй буферный запоминающий

элемент, второй запоминающий элемент, первый делитель, логарифмический усилитель , третий перемножитель, третий cvMMa- тор. первый делитель напряжения на два,

5 третий вычитающий элемент, второй делитель напряжения, второй делитель напряжения на два, инвертор, причем выход.

первого буферного запоминающего элемента подключен к входу первого запомина: щего элемента, выход которого

одновременно подключен к другому входу первого вычитающего элемента, другому входу второго сумматора, другому входу первого делителя, другому входу третьего вычитающего элемента и другому входу вто- рого делителя напряжения, информационный вход устройства адаптации (выход интегратора) одновременно подключен к информационному входу первого буферного запоминающего элемента и к одному из входов первого вычитающего элемента, выход которого подключен к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к одному из входов первого сумматора, выход которого подключен к входу элемента извлечения квадратного корня, выход которого подключен к одному из входов второго вычитающего элемента, выход которого подключен к одному из входов третьего делителя напряжения, выход кото- рого подключен к входу третьего делителя напряжения на два, выход которого одновременно подключен к одному из входов второго перемножителя и к входу второго квадратора, выход которого подключен к од- ному из входов первого перемножителя, выход которого подключен к другому входу третьего сумматора, выход первого источника эталонного напряжения одновременно подключен к управляющему входу дополнительного усилителя, другому входу третьего делителя напряжения и другому входу первого перемножителя, выход второго источника эталонного напряжения одновременно подключен к другому входу второго перемножителя, другому входу второго вычитающего элемента и входу первого квадратора, выход которого подключен к другому входу первого сумматора, выход второго перемножителя подключен к одному из входов второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго буферного, запоминающего элемента, выход которого подключен к входу второго запоминающего элемента, выход которого одновременно подключен к одному из входов первого делителя напряжения, другому входу третьего перемножителя и к одному из входов третьего вычитающего элемента, выход которого подключен к одному из входов второго делителя напряжения, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения на два, выход которого является выходом устройства адаптации и подключен к управляющему входу усилителя, выход первого делителя подключен к входу логарифмического усилителя, выход которого подключен к одному из входов третьего перемножителя, выход которого подключен к одному из входов третьего сумматора, выход которого подключен к входу первого делителя напряжения на два, выход которого является другим выходом устройства адаптации и подключен к другому входу вычитающего устройства, управляющий вход устройства адаптации (выход порогового устройства) одновременно подключен к входу считывания второго буферного запоминающего элемента и входу инвертора, выход которого подключен к входу считывания первого буферного запоминающего элемента.

От9

« 40

ОТ7

к 6

Изобретение относится к передаче и приему сигналов в оптическом диапазоне волн, а более конкретно - к устройствам оптимального приема оптических сигналов. Изобретение позволяет повысить помехоустойчивость приема оптических сигналов с пассивной паузой в канале с переменными параметрами за счет использования информации о средней мощности принимаемого сигнала и синтеза оптимальной структуры адаптивного некогерентного приемника. Для этого электрический сигнал фотодетектора последовательно проходит через квадратор и интегратор, на выходе которого получается величина, равная средней мощности принимаемого сигнала, которая через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления поступает на вход сумматора, на другой вход которого поступает с выхода бесселевско-логарифмического усилителя величина, пропорциональная огибающей результата оптимальной обработки принимаемого сигнала. Из этой суммы в вычитающем устройстве вычитается переменная константа от устройства адаптации и результат сравнивается в пороговом устройстве с нулевым порогом, при превышении порога принимается решение о приеме 1,. в противном случае О. 1 з.п. ф-лы, 2 ил; 00 с