ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИИ

При приеме сигналов ОМ среднее отношение мощностей сиг­нала и помехи на входе приемника равно

                                     ,                           (10.46)

а на выходе приемника равно

.                           (10.47)

При однополосной модуляции и n=1. Поэтому обоб­щенный выигрыш равен

.                          (10.48)

Таким образом, при однополосной модуляции полностью реа­лизуется потенциальная помехоустойчивость при любых соотно­шениях сигнал/помеха. Однако несмотря на то, что не зави­сит от пик-фактора сигнала, сама величина П влияет на абсо­лютное значение  (10.45). Поэтому для снижения пик-факто­ра в однополосных системах радиосвязи часто применяют клиппирование речевых сигналов.

Однополосная модуляция позволяет весьма экономно исполь­зовать отводимый для радиосвязи диапазон частот, так как ши­рина спектра радиосигнала равна ширине спектра модулирующе­го колебания. В отличие от AM общие замирания в канале связи приводят лишь к колебаниям уровня однополосного сигнала, не вызывая его искажений. Кроме того, вероятность селективных замираний сигналов ОМ меньше, чем сигналов с AM из-за более узкого спектра частот и отсутствия в спектре сигнала несущего колебания. Поэтому в настоящее время однополосная модуляция является основным видом модуляции при передаче непрерывных сообщений в диапазоне KB и УКВ.

В то же время для восстановления исходного сообщения на приемном конце необходимо иметь специальный демодулятор, на вход которого с одной стороны подается принятый однополосный сигнал, а с другой стороны — колебание несущей частоты.

Демодуляция однополосного сигнала сводится к линейному частотному переносу спектра вниз на значение частоты . Это означает, что однополосный сигнал после демодуляции превратится в исходный . При таком преобразовании сигнала  и справедливо со­отношение (10.46).

В реальных условиях точно воссоздать подавленную несущую в передатчике на приемной стороне не удается. Асннхронизм этих частот приводит к специфическим искажениям принятого сиг­нала, о чем говорилось выше. Таким образом, применение одно­полосной модуляции требует создания высокостабильных возбу­дителей и гетеродинов с диапазонно-кварцевой стабилизацией частоты. Эта проблема в последние годы успешно решается, поэ­тому однополосная модуляция находит самое широкое примене­ние практически во всех непрерывных системах радиосвязи ко­ротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов.

 

10.3. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СИГНАЛОВ

Квантование непрерывного сигнала по времени и уровню позволяет преобразовать его в дискретный сигнал, который можно представить в виде кодовых комбинаций, выражающих число. В технике связи к таким сис­темам можно отнести, в частности, систему с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

В системе ИКМ непрерывный сигнал после дискретизации представляется в виде последовательности кодовых комбина­ций. Если выбрать двоичный трехзначный код, то для восьми уровней непрерывного сигнала  (рис. 10.13) можно составить восемь кодовых комбинаций (таблица 10.1).

 

                                                                         Таблица 10.1

Уровни квантования	0	1	2	3	4	5	6	7
Кодовые комбинации	000	001	010	010	100	101	110	111

 

 

В двоичной системе счисления разряды трехзначного кода со­ответствуют числам 1,2 и 4.

 

.

Рис. 10.13

При передаче речевых сигналов число уровней квантования выбирают равным 128 или 256. В этом случае необходимо соот­ветственно применять двоичный семизначный или двоичный вось­мизначный код.

В рассматриваемой системе период следования кодовых ком­бинаций равен периоду отсчета Т _i мгновенных значений сигнала , который выбирается в соответствии с теоремой В. А. Котельникова. Любая кодовая комбинация содержит п элементар­ных посылок (импульсов) равной длительности. Если эти посылки могут принимать т значений, то непрерывный сигнал u ( t ) мож­но будет представить  уровнями.

Скорость передачи такого сигнала равна

 

      (10.49)

где  — частота квантования;

   — верхняя частота в спектре сигнала u(t).

На практике чаще всего применяется двоичное кодирование (т = 2), поэтому для этих систем

                            (10.50)

 

Передача кодовых комбинаций в системах радиосвязи осу­ществляется посредством применения амплитудной, частотной или фазовой манипуляции. На приемной стороне после декодиро­вания каждая кодовая комбинация преобразуется в последова­тельность импульсов, которые затем интегрируются и превращают­ся в импульс, соответствующий одному отсчету. Все последующие кодовые комбинации будут также превращены в импульсы ана­логичным способом. В результате будет получена последова­тельность импульсов, в которых информация заключена в изме­нении их амплитуды. Для восстановления переданного сигнала u(t) необходимо эту последовательность импульсов пропустить через фильтр нижних частот с верхней частотой .

Все системы с квантованием, в том числе и система ИKM, имеют ту особенность, что даже при отсутствии помех в канале связи принятый сигнал будет отличаться от переданного сигнала u(t) на величину , называемую «шумом квантования», т. е.

.                (10.51)

Величина  носит случайный характер и заключена в пределах

,                           (10.52)

так как при квантовании сигнал аппроксимируется с точностью до половины шага квантования, который равен . Таким обра­зом, даже в канале без помех в системе ИКМ будет присутство­вать шум квантования, мощность которого равна дисперсии . С ростом числа уровней квантования N , что соответствует увели­чению числа элементарных посылок (импульсов) п в кодовой комбинации, все значения в пределах от  до  приближа­ются к равновероятным, а их величины уменьшаются. Следова­тельно, выбором достаточно большого N можно получить любое превышение сигнала над шумом квантования. Однако с ростом числа импульсов п при неизменной частоте квантования  необходимо уменьшать длительность импульсов, что приводит к расширению спектра сигнала и требует расширения полосы про­пускания приемника. При отсутствии других помех в канале свя­зи с ростом числа п система ИКМ приближалась бы к идеаль­ной по помехоустойчивости и скорости передачи. В реальных же каналах связи всегда присутствуют помехи, которые порождают другие шумы, поскольку помехи канала, искажая кодовые ком­бинации, создают в них ложные импульсы или подавляют импульсы сигнала. С этой точки зрения расширение полосы пропускания приемника нежелательно.

Вторая особенность систем ИКМ состоит в следующем. Bо всех импульсных системах при приеме сигнала необходимо определять его информационный параметр, например в системе АИМ— амплитуду, в системе ФИМ — временное положение импульса и т. д. В системе же ИКМ вполне достаточно при приеме определить, есть импульс или его нет. Это обстоятельство выгодно выделяет ИКМ по сравнению с другими импульсными видами модуляции. Помехи на входе приемника ИКМ не влияют на выходной сигнал до тех пор, пока они искажают только амплитуду или фронт импульса. Для появления ошибки при приеме помеха должна либо создать ложный импульс в кодовой комбинации либо, сложившись с импульсом сигнала, подавить его. Это может произойти только при действии на вход приемника помех большого уровня.

В [7] показано, что отношение сигнала к помехе на выходе приемника ИКМ при N>>1, и пик-факторе  равно

                                          ,                                   (10.53)

где  — отношение энергии сигнала к спектральной плот­ности помехи.

Кроме ИКМ в системах связи применяется дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ). Суть ее сводится к сле­дующему. Поскольку при передаче непрерывных сигналов, на­пример речевых, величины соседних отсчетов мало отличаются между собой, то вместо всей величины каждого отсчета передают разность двух следующих друг за другом величин. На приемной стороне это разностное значение с учетом знака прибавляется к величине предыдущего отсчета. Такой способ позволяет уменьшить число уровней квантования, что дает возможность либо пе­редавать сигналы в более узкой полосе, либо, оставив полосу неизменной, увеличить отношение сигнала к шуму квантования.

По существу, система ДИКМ близка к системе с предсказа­нием и становится ею, если выбрать таким образом величину  чтобы разность величин соседних отсчетов стала бы не более шага квантования по уровню . Если последующий отсчет бу­дет больше предыдущего, то в канал связи передается 1, а если меньше, то — 0. Такой вид передачи непрерывных сигналов по­лучил название дельта-модуляции (ДМ). Преобразование непре­рывного сигнала в ДМ сигнал показано на рис. 10.14.

Для восстановления непрерывного сигнала на приемной сто­роне используется обычный интегрирующий контур, который суммирует все импульсы последовательности. Помехоустойчивость ДМ выше, чем помехоустойчивость ИКМ. Это объясняется тем, что ДМ сигналы менее чувствительны к добавлению или пропуску одного импульса, так как при этом не возникает су­щественных искажений сигнала. Наибольшее применение ДМ сиг­налы находят в многоадресных системах связи с кодовым уп­лотнением каналов. Высокая помехоустойчивость, простота тех­нической реализации, минимальные требования к синхронизации делают ДМ сигналы все более перспективными для применения в системах радиосвязи

 

 

 

Рис. 10.14

 

 

В заключение отметим, что цифровые методы передачи не­прерывных сигналов имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми и импульсными методами передачи. К ним относят­ся: высокая помехоустойчивость, возможность регенерации сиг­налов в системах с ретрансляцией, повышенная скрытность связи, а также возможность создания унифицированных образцов техники для передачи непрерывных и дискретных сигналов.

 

10.4. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ НЕПРЕРЫВНЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ

Для сравнения различных видов модуляции по помехоустой­чивости и эффективности зададимся исходными данными. Пусть низкочастотный информационный сигнал, передаваемый по кана­лу с флуктуационной помехой, занимает полосу  и имеет пик-фактор П= . Предположим, что заданное значение =10 дБ. Тогда, воспользовавшись формулами (10.38), (10.39) и (10.37), найдем соответственно величины выигрыша g , обобщенно­го выигрыша g' и эффективности  системы при различных ви­дах модуляции. Результаты расчетов для сигналов AM, ЧМ, ОМ и ИКМ приведены в таблице 10.2.

Из таблицы 10.2 видно, что помехоустойчивость g и эффектив­ность  зависят друг от друга. При этом параметры g и  в сильной мере зависят от величины п. С ростом n увеличивает­ся g и уменьшается . Для различных видов модуляции эта за­висимость имеет свои особенности. Их нужно учитывать в каж­дом конкретном случае. Действительно, при однополосной моду­ляции эффективность максимальна и равна единице. Казалось бы, что в системах радиосвязи и следует применять только од­нополосные сигналы. Однако это не так. Помехоустойчивость од­нополосной модуляции, так же, как амплитудной модуляции, сравнительно низкая и может быть повышена лишь за счет уве­личения мощности сигнала. Кроме того, применение однополос­ной модуляции требует усложнения аппаратуры, восстановления с высокой точностью несущей на приемном конце и т. д. Поэтому в каждом конкретном случае следует решать вопрос, что более целесообразно — увеличить мощность сигнала и применить одно­полосную модуляцию, обладающую высокой эффективностью, или же применить широкополосную частотную модуляцию (ЧМ), которая обладает высокой помехоустойчивостью, но относительно малой эффективностью.

                                                                                Таблица 10.2

 

Как видно из таблицы 10.2, импульсная цифровая система, в которой используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), яв­ляется наиболее совершенной по сравнению с непрерывными сис­темами. Она обеспечивает наибольшую помехоустойчивость при достаточно высокой эффективности. Цифровые системы позволя­ют использовать наиболее совершенные виды модуляции, приме­нять самые эффективные методы приема, использовать корректи­рующие коды и путем регенерации импульсов исключать накоп­ление шумов при ретрансляции сигналов. Вот почему при пере­даче непрерывных сигналов в системах радиосвязи все более широкое применение получают цифровые методы передачи.

В конечном счете в зависимости от заданных условий пред­почтение нужно отдавать тем видам модуляции, которые обеспе­чивают наибольшую помехоустойчивость и эффективность, обла­дая при этом приемлемыми технико-экономическими показате­лями.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем оценивается помехоустойчивость амплитудной манипуляции?

2. Как выбирается оптимальный порог при приеме сигналов амплитудной манипуляции?

3. Как вычислить вероятность ошибки при приеме сигналов частотной манипуляции?

4. Как оценить помехоустойчивость сигналов фазовой манипуляции?

5. Дайте характеристику простым и сложным сигналам?

6. Как определить помехоустойчивость сложных составных сигналов?

7. Дайте сравнительную оценку различных видов модуляции, используемых в непрерывных системах радиосвязи.

8. Поясните принцип преобразования непрерывного сигнала в цифровой код.

9. Сравните различные виды модуляции по помехоустойчивости и эффективности.

 

Глава 11

 СИСТЕМЫ СВЯЗИ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

 

11.1.ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

 

    Возможность осуществления связи в оптическом диапазоне была показана еще в 1952 году отечественным учеными Н.Г. Басовым и  А.М. Прохоровым, а также американским ученым Таунсом. Ими был открыт новый вид индукционного излучения в квантовых приборах.

    Оптический диапазон лежит в пределах 3·10¹⁵-10¹¹ Гц                   (0,1 – 1000 мкм), что существенно превышает всю частотную емкость уже освоенного в настоящее время радиодиапазона.

    Для волн оптического диапазона характерны специфические особенности:

- хорошая способность фокусироваться в узкий луч, что позволяет получить большой коэффициент усиления антенны при ее незначительных размерах;

- возможность использования в качестве передающих и приемных антенн объективов, зеркал и т.п.;

- зависимость их поглощения от метеоусловий.

Интересно отметить, что показатели систем радиосвязи миллиметровых волн, не говоря уже о сантиметровых, имеют намного худшие характеристики по сравнению с системами связи оптического диапазона. Так, например, в системах СВЧ, работающих на волне 3 см, для получения наибольшего выигрыша необходима антенна с диаметром 300 см, что позволяет получить угол расходимости лучей  рад или примерно 0,6⁰.

В системах же оптического диапазона при длине волны 0,1 мкм потребуется диаметр антенны 10 см. При этом угол расходимости лучей составит  рад, что соответствует приблизительно 0,0006⁰.

Известно, что угол расходимости лучей характеризует коэффициент усиления антенны, а следовательно, и мощность передатчика. В работе [20] показано, что за счет направленности антенн можно получить выигрыш в мощности передатчика, равный

.

    Итак, для того, чтобы мощности в точке приема от передатчика СВЧ диапазона и передатчика оптического диапазона были равны, необходимо превышение Р_СВЧ по сравнению Р_ОПТ на передающей стороне в миллион раз.

    На практике наиболее освоен диапазон частот от 10¹⁴ Гц до 10¹⁵ Гц, но даже он в десятки тысяч раз превышает емкость частотного диапазона, используемого в настоящее время в системах радиосвязи.

    Оптические волны, подобно ультракоротким волнам, распространяются лишь в пределах прямой видимости. Все преграды на пути оптического луча существенно влияют на устойчивость связи. Потери сигнала происходят даже в атмосфере. Величина потерь зависит не только от состава атмосферы, но и от длины волны. Взвешенные частицы рассеивают, а водяные пары поглощают энергию сигнала.

    Таким образом, атмосфера является избирательной средой и для повышения надежности связи необходимо знать зависимость коэффициента ее прозрачности от длины рабочей волны.

На рис.11.1 приведен график зависимости коэффициента прозрачности атмосферы при изменении длины волны от 0,5 до 14 мкм. Полосы поглощения объясняются потерями энергии волны в парах воды и различных газах.

Рис. 11.1  

    Для реализации связи в оптическом диапазоне необходимо выбирать рабочие частоты в интервалах «окон» прозрачности. В случае тумана, дождя, снега, дыма или пыли связь может стать неэффективной даже на благоприятных частотах. Поэтому оптическую связь целесообразно использовать в наземных линиях связи при высокой прозрачности атмосферы или в космических линиях между летательными объектами.

    Одним из способов обеспечения качественной оптической связи в наземных линиях может быть использование волоконных световодов, состоящих из стеклянных или пластмассовых нитей-волокон, изолированных друг от друга с целью исключения взаимных помех.

    Частотная емкость волоконных световодов такова, что при помощи только одной нити-волокна можно передавать десятки телевизионных каналов.

    К особенностям систем связи оптического диапазона следует отнести генерирование колебаний с пространственной и временной когерентностью при помощи лазеров оптических квантовых генераторов. По сравнению со спектром естественных и искусственных источников света ширина спектральной линии лазеров при временной когерентности генерируемых колебаний достаточно узкая. Она лежит в пределах от сотен до тысяч мегагерц.

    Для сужения спектра излучаемых частот применяют оптические резонаторы (зеркала), но они порождают всевозможные колебания, так называемые моды. Ширина спектра каждой моды зависит от добротности резонатора. Практически достижимая добротность позволяет получить ширину спектра моды порядка нескольких килогерц. В целом же ширина спектра излучения зависит от вида лазера и может достигать несколько тысяч мегагерц.

    Еще одной особенностью систем связи оптического диапазона является специфика действия тепловых и квантовых шумов, которые порождаются самим лазерным источником излучения.

    В [20] показано, что в оптическом диапазоне мощностью тепловых шумов можно пренебречь и следует учитывать только мощность квантовых шумов в пределах полосы частот .

Она определяется по формуле

                                          ,                                (11.1)

где f – частота излучения;

         h – постоянная Планка.

    Из выражения (11.1) следует, что мощность шумов от источника излучения равна мощности квантовых шумов и прямо пропорциональна величине рабочей частоты.

    Кроме рассмотренных внутренних квантовых шумов в системе оптической связи действуют внешние квантовые шумы, порожденные светом Солнца, Луны, звезд, свечением неба и облаков и т.д. Шумы от внешних источников называются фоновыми шумами. Они имеют очень широкую полосу частот. Уменьшить фоновые шумы можно путем применения узкополосных фильтров и узконаправленных приемных антенн в виде телескопов с малым углом зрения.

    Таким образом, в передаваемом оптическом сигнале всегда присутствуют квантовые шумы лазера и фоновые шумы. На приемном конце к этим шумам добавляются шумы фотоприемных устройств и, в частности, шумы фотодетектора, ламп и сопротивлений первых каскадов. Уровень этих шумов характеризуется пороговой чувствительностью фотодетектора, под которой понимается минимальная мощность излучения, создающего на нагрузке приемника сигнал, равный напряжению шумов. Это обстоятельство предъявляет определенные требования к выбору фото-детекторов при разработке конкретных систем связи в оптическом диапазоне.

11.2. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

 

    Общие принципы работы оптических квантовых генераторов (лазеров) совпадают с принципами работы квантовых генераторов и усилителей СВЧ. Тем не менее, в работе оптического квантового генератора, частоты которого на несколько порядков превышают частоты СВЧ диапазона, имеется ряд особенностей [20].

На рис. 11.2 показана обобщенная схема оптического квантового генератора (ОКГ).

 

Рис. 11.2

    Подобно квантовым генераторам СВЧ, оптические квантовые генераторы содержат те же три основных элемента:

— активную среду, которая обладает определенным набором энергетических состояний;

— систему накачки, возбуждающую активную среду;

— резонатор, который обеспечивает накопление энергии и положительную обратную связь. Он представляет собой систему двух параллельных зеркал, между которыми помещается актив­ная среда.

Система возбуждения воздействует на активную среду, в ре­зультате чего в ней появляются спонтанные переходы с излуче­нием фотонов. Те фотоны, направление движения которых не сов­падают с оптической осью резонатора, уходят за его пределы. Если же направление движения фотонов совпадает с оптической осью, то произойдет их поочередное отражение от зеркал, в ре­зультате чего они многократно пройдут через активную среду. Это приведет к возникновению новых фотонов с теми же значе­ниями частоты, фазы и движения. Интенсивность излучения внут­ри резонатора начнет лавинообразно возрастать до величины, ко­торая определяется усилительными свойствами среды и скоростью накачки. Выделение генерируемой энергии осуществляется через одно из специальных полупрозрачных зеркал в виде оптического луча. Остальная энергия в резонаторе обеспечивает положитель­ную обратную связь, которая поддерживает генерацию.

Особенностями полученного таким способом оптического луча являются:

— достаточно большая мощность полезного излучения за счет многократного прохождения его через активную среду внутри ре­зонатора, что эквивалентно усилению;

— высокая направленность излучения, поскольку оно рас­пространяется вдоль оси резонатора или под несущественным углом к ней;

— когерентность излучения, так как фазы всех полезных фото­нов жестко связаны между собой.

Активной средой в оптических квантовых генераторах могут служить среды, находящиеся в одном из агрегатных состояний: газовом, жидком, твердом или полупроводниковом.

В соответствии с используемой активной средой различают следующие виды ОКГ:

— газовые;

— жидкостные;

— твердотельные;

— полупроводниковые.

Из всего разнообразия активных сред выбирают только те, ко­торые обладают значительной интенсивностью спектральных ли­ний.

Выбранный вид активной среды требует применения вполне конкретных систем возбуждения или накачки. Так, например, возбуждение колебаний в газовых ОКГ, как правило, осуществляет­ся путем создания электрического разряда в газах, в твердотель­ных и жидкостных ОКГ — путем накачки с помощью мощного светового излучения (им­пульсными лампами), а в полупроводниковых ОКГ — путем инжекции свободных носителей заряда.

Однако кроме отмечен­ных существуют и другие виды возбуждения и накач­ки ОКГ (в газовых ОКГ— химические реакции, в полу­проводниковых ОКГ — пуч­ки быстрых электронов и т. п.).

Резонатор оптического квантового генератора яв­ляется одним из основных элементов, поскольку он не только создает условия ге­нерации, но и определяет основные характеристики излучения оптического диа­пазона.    

На рис. 11.3 показаны некоторые типы резонаторов ОКГ (а—с плоскими зер­калами; б—с полуфокаль­ными зеркалами; в—с конфокальными зеркалами; г — с концентрическими зеркалами; д — с зеркала­ми «плоскость—сфера»).

Каждый из резонаторов имеет свои преимущества и недостат­ки. Этот вопрос излагается в [20].

11.3 МОДУЛЯЦИЯ КОЛЕБАНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

В настоящее время существует много методов, позволяющих осуществить амплитудную (AM), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ) и поляризационную (ПМ) модуляцию колебаний оптиче­ского диапазона как в непрерывном, так и в импульсном режи­мах (АИМ, ФИМ, КИМ и т. п.).

Применяемые на практике методы модуляции оптических кван­товых генераторов делятся на два класса:

— методы внутренней модуляции;

— методы внешней модуляции.

В случае внутренней модуляции воздействие на сигнал ОКГ осуществляется непосредственно в процессе его генерирования, а при внешней модуляции — вне самого генератора.

Методы внутренней модуляции могут быть реализованы путем изменения мощности накачки, добротности и размеров резонато­ра. При изменении мощности накачки по закону модулирующего сигнала можно получить амплитудную модуляцию. Этот вид мо­дуляции можно осуществить посредством изменения добротности резонатора, так как это эквивалентно изменению величины по­терь в нем, а следовательно, изменению величины излучаемой мощности оптического сигнала. Изменить добротность резонато­ра можно либо механическим путем за счет колебания или вра­щения зеркал, либо электрическим путем с помощью установки между активным элементом и одним из зеркал различных ультра­звуковых или электрооптических затворов, которые меняют оп­тическую прозрачность резонатора по закону приложенного к ним модулирующего напряжения.

Если изменять по закону модулирующего сигнала длины ре­зонаторов, то это приведет к частотной модуляции излучения. В [20] отмечается, что частота излучения при ЧМ и длина резо­натора связаны между собой следующей зависимостью:

                                       (11.2)

где п — целое число полуволн между зеркалами;

L — длина открытого резонатора;

С — скорость электромагнитного излучения в вакууме.

Из формулы (11.2) следует, что частота излучения и длина резонатора имеют обратно пропорциональную зависимость. Для изменения длины резонатора можно установить одно из зеркал резонатора на пьезоэлектрических элементах, которые меняют свои размеры под действием модулирующего напря­жения.

Кроме рассмотренных методов существуют и другие, осно­ванные на эффектах Зеемана и Штарка, но они требуют боль­ших напряженностей полей для осуществления модуляции и сложны в управлении.

Все методы внутренней модуляции имеют ряд недостатков. Главный из них — сильное искажение модулированных сигналов и трудность осуществления широкополосной модуляции. Поэто­му методы внутренней модуляции применяются редко.

Методы внешней модуляции являются более перспективными. Внешняя модуляция осуществляется при помощи специальных мо­дуляторов, устанавливаемых на пути луча за пределами резона­тора.

К основным методам внешней модуляции относятся:

— механическая модуляция;

—  модуляция с помощью ультразвука;

— модуляция с использованием эффекта Фарадея, эффекта Керра или эффекта Поккельса.

При механической модуляции предусматривается изменение интенсивности излучения путем установки на его пути специаль­ных вращающихся дисков, механических затворов, зеркал и т. п.

Модуляция с помощью ультразвука основана на изменении под его действием коэффициента преломления различных твер­дых и жидких сред.

Механической модуляции и модуляции с помощью ультра­звука присущи некоторые недостатки, отмеченные при рассмот­рении методов внутренней модуляции, что ограничивает область их применения.

Методы модуляции с использованием эффекта Фарадея, эф­фекта Керра или эффекта Поккельса основаны на свойствах ря­да жидких и твердых сред изменять фазовую скорость проходящего через них светового излучения под действием магнитного поля (эффект Фарадея) или электрического поля (эффект Керра, эф­фект Поккельса). Эти методы позволяют получить амплитудную, фазовую и поляризационную модуляцию (ПМ) световой волны при достаточно широкой полосе модулирующих частот.

Для осуществления модуляции, основанной на эффектах Фарадея или Керра, необходимо создавать большие напряженности магнитного или электрического поля соответственно. Кроме того, недостатками здесь являются также значительная потеря света (до 55—70%) и нелинейность модуляционной характеристики.

Модуляция, основанная на эффекте Поккельса, свободна от отмеченных недостатков и является основной для реализации ши­рокополосной модуляции оптического луча. Эффект Поккельса состоит в электрооптическом явлении в твердых телах. Он прояв­ляется в прозрачных диэлектриках, обладающих пьезоэлектриче­скими свойствами. Кристалл с такими свойствами деформируется под действием электрического поля, в результате чего плос­кость поляризации падающей на него волны поворачивается.

На рис. 11.4 представлена схема модулятора, основанная на эффекте Поккельса. В объемном резонаторе размещаются крис­таллы типа первичного дигидрофосфата калия (КДП) или первич­ного дигидрофосфата алюминия (АДП) кубической или тетрагональной структуры. Световой луч лазера падает нормально к поверх­ности поляризатора. При наложении на кристалл электрического поля луч на выходе кристалла приобретает эллиптическую поля­ризацию. Оси эллипса изменяются в соответствии с изменением напряжения модуляции, в итоге вектор поляризации света, проходящего через кристалл, вращается.

 

Рис. 11.4

С выхода кристалла поляризованный луч света подается на анализатор. При отсутствии магнитного поля (модулирующего сигнала) анализатор непрозрачен. В зависимости от ориентации вектора поляризации света та или иная часть энергии излучения пройдет через анализатор, т. e. происходит преобразование поляризационной модуляции в модуляцию по интенсивности.

В рассмотренном модуляторе в качестве поляризатора и ана­лизатора могут использоваться поляроиды, призмы Николя и т. п.

Для снижения величин управляющих напряжений на практи­ке часто вместо одного используют несколько кристаллов, которые устанавливаются последовательно. Другим способом решения данной задачи может служить применение вместо многосекцион­ных электрооптических элементов четвертьволновых фазовых пластинок, принцип действия которых описан в [20].

11.4. СИСТЕМА ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Принцип построения систем связи оптического диапазона и систем радиосвязи в целом аналогичен (рис.11.5). Функции пе­редатчика в системе оптической связи выполняют генератор оп­тического диапазона (лазер), генератор накачки (ГН) и модуля­тор (МОД). Излучатель на передающем конце и коллектор на приемном выполняют роль передающей и приемной антенн.

Функции приемного устройства в системе оптической связи выполняют светофильтр (Ф), фотоприемник (фотодетектор) и приемник СВЧ.

Для совмещения оптических осей излучателя и коллектора применяется специальное устройство нацеливания на передающей и приемной стороне.

 

Передающее устройство

В качестве генераторов оптического диапазона могут приме­няться газовые, жидкостные, твердотельные или полупроводни­ковые лазеры.       

У газовых лазеров активным веществом могут служить газы типа аргон, цезий, криптон, ксенон или смеси типа неон-кисло­род, гелий-неон и др. Диапазон рабочих волн у таких лазеров в среднем от 0,3 до 10 мкм, а излучаемая мощ­ность составляет от единиц до сотен ватт.

Активными веществами в жидкостных лазерах являются нит­робензол, ортонитротолуол и жидкости с примесью самария, гадо­линия и др. Эти лазеры позволяют получить значительную мощ­ность излучения, но работают в диапазоне волн от 0,51 до 0,58 мкм.

Рис. 11.5

В твердотельных лазерах активным веществом обычно слу­жит рубин, вольфромат кальция, интрий-алюминиевый гранат и специальные стекла, активированные примесью редкоземельных элементов. Они могут работать на волнах от 0,53 до 1,06 мкм главным образом в импульсных режимах. Длительность импуль­сов излучения — от 2·10^-5 до 0,5 мс при частоте следования от 0,015 до 100 Гц. При этом в импульсном режиме можно получить мощность излучения от 25 мВт до 100 кВт. В непрерывном режи­ме максимальная мощность излучения не превышает 0,1 Вт.

У полупроводниковых лазеров активной средой может служить арсенид галлия, арсенид индия и ряд других полупроводниковых материалов. Они позволяют работать на волнах от 0,8 до 0,91 мкм. На практике полупроводниковые лазеры в основном применяются для работы в импульсном режиме. Длительность импульсов излу­чения — от 0,07 до 3 мкс при частоте их следования от сотен герц до десяти килогерц. Мощность излучения в импульсном ре­жиме — от 1 до 10 Вт.

 Генераторы, которые предназначены для возбуждения лазеров, могут быть либо оптической, либо электрической накачки. По режиму работы генераторы накачки делятся на импульсные и не­прерывные.

Схема модулятора определяется видом модуляции и способом ее осуществления, а также типом лазера.

Для исключения флуктуации амплитуды сигнала, прошедшего через неоднородности атмосферы, в системах оптической связи может применяться частотная модуляция световой несущей и ам­плитудная модуляция поднесущей. В этом случае модулятор представляет собой генератор сверхвысоких частот, колебания ко­торого промодулированы по амплитуде передаваемым сигналом.

При работе в импульсном режиме чаще всего применяется непосредственная импульсная модуляция световой несущей в со­четании с импульсно-кодовой или другой импульсной модуляции поднесущей.

Интересно отметить, что малоэффективная внутренняя моду­ляция в непрерывных режимах дает значительный эффект в им­пульсных режимах, поскольку излучение здесь осуществляется лишь во время действия импульса.

В целом применение в системах оптической связи импульсных видов модуляции дает ряд преимуществ по сравнению с непрерывными видами модуляции. Эти преимущества состоят в повы­шении глубины модуляции, в снижении требований к линейнос­ти модуляционной характеристики, в уменьшении фоновых помех, в уменьшении влияния неоднородностей атмосферы, а также в уменьшении искажений сигналов при детектировании.

 

Приемное устройство

В системах оптической связи приемник может быть либо пря­мого усиления, либо супергетеродинного типа. Независимо от ви­да приемника главным его элементом является фотодетектор, тип которого выбирается исходя из длины волны излучения, вида модуляции, полосы модулирующих частот и т. д.

Детектирование сигналов в приемниках прямого усиления и в приемниках супергетеродинного типа имеет некоторое отличие.

В приемниках прямого усиления обычно применяются фото­электронные умножители, фотоэлементы и полупроводниковые фотодиоды. Для повышения чувствительности приемника перед фотодетектором устанавливается квантовый усилитель и полосо­вой оптический фильтр.

Схема приемника прямого фотодетектирования сигналов, мо­дулированных по интенсивности, приведена на рис. 11.6. Приня­тое оптическое колебание для ослабления фонового излучения проходит через полосовой оптический фильтр (ПОФ) и поступа­ет на фотодетектор (ФД). Выделенный на выходе ФД информа­ционный (модулирующий) сигнал через электрический фильтр (ЭФ) подается на радиоприемное устройство. В случае приема сигналов с другой модуляцией на входе приемника перед ПОФ должен быть установлен преобразователь параметра модуляции.

В приемниках супергетеродинного типа легче получить боль­шее усиление при преобразованиях сигнала, уменьшить фоновые шумы и осуществить частотную селекцию даже без применения оптического фильтра. В супергетеродинных приемниках на вы­ходе смесителя сигнал разностной частоты должен превышать мощность теплового шума. Для этого мощность сигнала гетеро­дина должна быть достаточной величины, а сам гетеродин дол­жен генерировать монохроматические колебания, синфазные с принимаемым сигналом по всей поверхности фотоэлемента.

Рис. 11.6

 

Угол падения потоков фотонов сигнала колебаний гетеродина на фотокатод не должен быть более, чем 10^-6-10^-5 рад. Это можно достичь лишь путем предъявления высоких требований к изготовлению линз или параболических отражателей.

На рис. 11.7 показана схема супергетеродинного фотоприемника. Сигнал с ПОФ подается на расщепительное зеркало (РЗ), на которое поступает сигнал от местного оптического квантового генератора (МОКГ).

Рис. 11.7

Посредством РЗ эти лучи подаются на поверхность фотодетекто­ра (ФД). Выходной ток ФД будет пропорционален квадрату сум­мы электрических полей сигнала и сигнала МОКГ. Разностные колебания на ФД выделяются электрическим фильтром (ЭФ), в результате чего на его выходе будет получен исходный модули­рующий сигнал. Далее этот сигнал следует на радиоприемник, где осуществляется его демодуляция. В приемниках супергетеродинного типа применяется автоподстройка МОКГ и они могут использоваться для приема оптических колебаний, модулированных по любому параметру.

 

 

11.5. ОПТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ПО СВЕТОВОДАМ

Уже отмечалось, что свет хорошо распространяется внутри волоконных световодов герметических труб, что позволяет исключить влияние атмосферы на оптический сигнал. Для передачи света вдоль оси трубы, в ней устанавливаются корректирующие устройства - диафрагмы (Д), линзы (Л) и зеркала (З). Сказанное иллюстрируется рис. 11.8 (эпюры а, б).

При распространении волн в световоде неиз­бежны потери энергии, связанные с наличием в нем неоднородностей, с неточностью изготовления корректирующих уст-рой­ств, а также с их удале­нием друг от друга.

Расстояние между линзами определяется рельефом местности. На прямолинейных участ­ках линзы располагаются в среднем через 100 м, что приводит к потерям около 0,2 дБ/км. Для участков с изгибом ра­диусом 500 м на 1 км ставят до 1000 линз, что составляет потери около 20 дБ/км. Для снижения потерь в этих случаях целесообразно твердо­тельные линзы заменить газовыми.

Кроме рассмотренного световода для передачи оптических волн могут применяться полые, поверхностные, пленочные и другие световоды. Полый световод - это металлическая или стеклянная трубка диаметром до нескольких миллиметров. Поверхностный световод представляет собой стекловолокно с защитным диэлектрическим покрытием, диаметр которого соизмерим с длинной волны света, а наружный диаметр световода - в десятки раз больше. В пленочном световоде, состоящем из направляющей пленки с подложкой, на которую нанесен слой с более высоким показателем преломления, волна распространяется вдоль плоскости диэлектрической пленки, подвешенной в полой трубе.

Затухания оптических волн в рассмотренных световодах мо­гут составлять десятки децибел на километр, поэтому их целесо­образно применять в оптических линиях связи на относительно небольшие расстояния.

11.6. ВОЛНОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Для передачи широкополосных сигналов на большие расстоя­ния могут применяться волноводные линии связи (ВЛС). Они работают в диапазоне миллиметровых волн (30—100 ГГц), кото­рые передаются по круглому волноводу диаметром 40—60 мм. В таких линиях связи применяются импульсные методы модуляции (ИKM-AM, ИКМ-ЧМ, ИКМ-ФМ), а также помехоустойчивые аналоговые методы модуляции типа ЧМ с большим индексом частотной модуляции.

Структурная схема ВЛС такая же, как у РРЛ. В ее состав входит каналообразующая аппаратура, передатчики, приемники и разделительные фильтры оконечных и промежуточных станций, но оконечные и промежуточные станции ВЛС соединены между собой линейным волноводом. К особенностям ВЛС относится прежде всего большая частотная емкость. В диапазоне частот 30—100 ГГц только по одному волноводу можно передавать не­сколько десятков широкополосных дуплексных стволов. Так, на­пример, в полосе 250 МГц можно  организовать 60 стволов.

Интервал между приемо-передающими станциями зависит прежде всего от характеристик сигнала, аппаратуры и парамет­ров волновода. По сравнению с РРЛ прямой видимости этот ин­тервал примерно в 2 раза меньше и не превышает 25 км.

В заключение данной главы отметим, что оптические, волно­водные и световодные системы связи являются весьма перспек­тивными. Некоторые из них уже нашли, а другие в ближайшее время найдут применение в качестве самостоятельных многока­нальных систем или в качестве вставок в магистральные линии связи.

 

 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Назовите характерные специфические особенности волн оптического диапазона.

2. Почему атмосфера является избирательной средой для оптических волн?

3. Какова частотная емкость оптического диапазона?

4. Что такие квантовые шумы?

5. Что такие фоновые шумы?

6. Нарисуйте обобщенную схему оптического квантового генератора.

7. Какие основные три элемента содержат оптические квантовые генераторы?

8. Какие виды оптических квантовых генераторов вы знаете?

9. Чем отличаются газовые, жидкостные, твердотельные и полупроводниковые оптические квантовые генераторы?

10. Какие виды модуляции применяются в оптическом диапазоне?

11. Чем отличается внутренняя и внешняя модуляция?

12. Нарисуйте схему модулятора на основе эффекта Поккельса.

13. Поясните принцип построения предающего и приемного устройств системы оптической связи.

14. Как осуществляется оптическая связь по световодам?

15. Что такое волноводные линии связи?

                      

 

Литература

 

 

1. Зюко А. Г. Кловский Д.Д. , Назаров М.В. Финк Л.М Теория передачи сигналов. – М.: Связь, 1989.   

2. Иванов М.Т., Сергиенко А.Б. , Ушаков В.Н. Теоретические основы радиотехники. – М.: Высшая школа, 2002.     

3. Лев А.Ю. Многоканальная связь. М.: Связь, 1978.

4. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. – М.: Сов. радио, 1970.

5. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985.

6. Полехин С.И. Теория связи по проводам. - М.: Связь, 1985.

7. Системы радиосвязи / Под ред. Н.И. Калашникова. - М.: Радио и связь, 1988. 

8. Константинов П.А.Авиационная радиосвязь. – М.: ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1963.

9. Марков В.В. Радиорелейная связь.. – М. : Связь, 1979.

10. Тропосферная связь/Л.И. Яковлев и др. - М.: Воениздат, 1984.

11. Радиолинии ионосферного рассеивания метровых волн /Под. ред.     Н.Н. Шумской. – М.: Связь,1973.

12. Метеорная связь на УКВ. Сборник статей под редакцией              А.Н. Казанцева. ИЛ, 1967.

13. Петрович Н.Т. , Камнев Е.Ф. , Каблуков М.В. Космическая радиосвязь. – М.:Сов. Радио, 1979.

14. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. – М.: Госэнергоиздат, 1956.

15. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989.

16. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова – М.: Сов. Радио, 1976.

17. Адаптивные автоматизированные системы радиосвязи. - Л.: ВКАС, 1987

18. Федоров Д.И., Сайфер Г.А. Сотовые системы связи. Калининград, 1994.

19. Рекомендации МККТТ. Orange Book, Genf: JTU, 1977.

20. Пратт Вильям. Лазерные системы связи. - М.: Связь, 1972.

21. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и систем /Под ред. Н.М. Царькова. – М.: Радио и связь, 1988.

 

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 631; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!