РАЗВИТИЕ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ

 

Амплитудная модуляция.

 

 

При амплитудной модуляции в системах оптической связи осуществляется изменение мощности оптического излучения передатчика. Исторически бинарный амплитудный формат был первым форматом, используемым в оптической связи, так как его можно получить путем прямой модуляции током накачки. Благодаря простоте и экономичности технической реализации бинарный ASK является самым распространенным форматом и в настоящее время. Прямая модуляция возможна в передатчиках как на основе светоизлучающих диодов, так и на основе полупроводниковых лазеров любого типа. В передатчиках с прямой модуляцией (рисунок 1.6) в соответствии с информационной последовательностью m(k) модулируется ток накачки. Под действием модулированного тока накачки модулируется выходная мощность светового излучения лазера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Модулированное излучение лазера с прямой модуляцией

 

 

Такой способ реализации амплитудного формата является доминирующим в относительно низкоскоростных системах передачи (менее 2,5 Гбит/с), особенно в городских сетях и сетях доступа. Недостатком передатчиков с прямой модуляцией является наличие паразитной частотной и амплитудной модуляции, связанных с переходными процессами полупроводниковых лазерах. Паразитная частотная модуляция (чирп, от англ. chirp) приводит к увеличению искажений, связанных с хроматической дисперсией. Эффективным методом уменьшения паразитных эффектов является использование структурированных импульсов накачки, а также волокна с отрицательной дисперсией и полупроводниковых лазеров специальной конструкции. Современные передатчики с прямой модуляцией обеспечивают максимальную скорость передачи 10 Гбит/с. Однако по дальности передачи информации и спектральной эффективности системы связи с такими передатчиками далеки от оптимальных. Существенно увеличить технические параметры системы связи позволяет использование передатчиков на основе полупроводниковых лазеров с непрерывной накачкой и внешней модуляцией. Оптическая схема такого передатчика показана на рисунок 1.7. Информационная последоватеьность m(k): 00100110. Т=1/В

 

 

2 Фазовая модуляция, DPSK_форматы.

 

 

Во втором классе форматов модулируемым параметром является фаза. Поскольку модуляция абсолютного значения фазы в оптических системах оказалась затруднительной, практический интерес представляют форматы на основе дифференциальной фазовой модуляции (DPSK). В отличие от рассмотренных выше форматов, в DPSK информация содержится в разности фаз между двумя последовательными импульсами, при этом мощность излучения информации не несет. Схема формирования сигнала при помощи фазового модулятора приведена на рисунке 1.8.

Предпочтительнее, однако, схема, использующая модулятор Маха – Цандера (рисунок 1.9), настроенный таким образом, что уровни интенсивности символов «1» и «0» идентичны.

Поскольку информация содержится в изменении фазы от символа к символу, то сигнал, управляющий фазовым модулятором, необходимо сначала преобразовать, используя процедуру, называемую дифференциальным кодированием. При дифференциальном кодировании в течение битового интервала (времени передачи одного бита) уровень сигнала может меняться дважды. Обязательно происходит изменение уровня в середине интервала, этот перепад используется для синхронизации. Получается, что при передаче нуля в начале битового интервала происходит перепад уровней, а при передаче единицы такой перепад отсутствует.

 

 

3    Смешанные амплитудно-фазовые форматы.

 

Применение популярных ASK-форматов при постоянном росте количества передаваемой информации препятствует дальнейшему увеличению пропускной способности линий передачи, потому что частота модуляции электрического сигнала ограничена величиной 40 Гбит/c.

 

 

Рисунок 2 – Модулированное излучение лазера с прямой модуляцией

 

 

 

 

Рисунок 3 - Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр,

      Ай_диаграмма и схема формирования двоичного DPSK_сигнала с

      помощью модулятора фазы.

 

 

 

Рисунок 4 - Временные зависимости мощности и фазы, оптический спектр,

      Ай_диаграмма и схем формирования двоичного DPSK_сигнала с

       помощью модулятора Маха – Цандера

 

 

Кроме того, высокоскоростная бинарная модуляция характеризуется низкой спектральной эффективностью и меньшей устойчивостью к дисперсии.

 В какой-то степени эти проблемы решает многоуровневое кодированиесигналов, например, четырехуровневые форматы ASK и PSK (или QPSK Quaternary Phase Shift Keying).

Однако реализация четырехуровневой схемы очень сложна. Увеличение числа уровней значений  приводит к тому, что он хуже распознается приемником из-за плохого раскрытия eye-диаграммы. Наиболее действенным способом увеличения спектральной эффективности   является использование многоуровневой амплитудно-фазовой модуляции, при которой информация кодируется как амплитудой, так и фазой сигнала. Иногда для обозначения амплитудно-фазовой модуляции используется термин «квадратурная модуляция».

 

 

4 Частотная модуляция.

 

 

Форматы, в которых параметром модуляции является частота световой волны, называются частотными форматами модуляции или FSK-форматами. Такой подход, когда используется прямая модуляция лазера с распределенной обратной связью (DFB – Distributed FeedBack), считается потенциально дешевым.

При использовании дифференциального детектирования FSK (как и DPSK) обладает лучшими свойствами в плане увеличения отношения сигнал/шум по сравнению с NRZ. Кроме того, у FSK самая низкая восприимчивость к нелинейностям волокна по сравнению с DPSK-, NRZ- и RZ-форматами модуляции. Однако в настоящее время FSK-форматы в коммерческих сетях не используются.

 Это объясняется отсутствием быстрых перестраиваемых и относительно недорогих лазеров для промышленных сетей связи. Еще один формат, в котором для кодирования используется частота (длина волны), был назван авторами «символьной модуляцией».

Он теоретически обладает некоторыми техническими преимуществами в системах дальней связи, но из-за сложности реализации нет данных о его экспериментальных исследованиях [8].

 

ТЕСТ