Построение схем оптических приемников

В   соответствии   со   схемами   построения   ОПД,   использующих    модуляцию   по интенсивности,  в  ОПМ  используется  прямое  детектирование   принимаемых  оптических сигналов. При этом в схемах ОПМ  в качестве детектора может применяться PIN-ФД или ЛФД.  Структурная  схема  ОПМ  с  использованием  PIN-ФД  приведена  на  рис.  3.32.  Она состоит  из входного оптического соединителя, приемного оптического модуля,  усилителя- корректора с автоматической регулировкой уровня АРУ и источника напряжения обратного смещения [21].

Рис. 3.32

Оптический  соединитель  обеспечивает  сочленение  торца  ООВ  с  фотодетектором. Поскольку  ФД  имеет  сравнительно  большую  приемную   поверхность  по  сравнению  с диаметром поля моды (dпм) сердцевины ООВ, то это соединение не вносит ощутимых потерь в принимаемый оптический сигнал. Однако потери за счет отражения на границах раздела

«волокно – воздух – окно ФД» могут достигать значений до 2,0 дБ в зависимости от чистоты и  особенностей  поверхностей  торца  ОВ  и  ФД,  наличия  антиотражающих  покрытий  и применяемого способа соединения.  Наименьшие потери оптического сигнала обеспечивает непосредственный    контакт    торца    волокна    с    поверхностью    ФД,    зафиксированный прозрачным для оптического излучения клеем.

Приемный оптический модуль (ПРОМ) состоит из собственно ФД и  малошумящего усилителя  (МШУ),  конструктивно  выполненных  в  одном   экранированном  корпусе   и помещенных  в  термостат.  Фотодетектор  преобразует  принимаемый  оптический  сигнал  в электрический   ток   Iф     (фототек),   пропорциональный   мощности   поступающего   потока фотонов Рф. Полученный ток Iф весьма мал (несколько микроампер). Поэтому следующий за фотодетектором  МШУ  усиливает  полученный  фототок  и  преобразует  его  в  напряжение. Малошумящий   усилитель   представляет   собой   многокаскадный   усилитель   с   глубокой отрицательной  обратной  связью.  Как  и  в  любом  усилителе,  отношение  сигнал/шум  на выходе МШУ определяется первым его каскадом, где усиливаемый сигнал очень маленький.

Если  первый  каскад  обеспечивает  достаточно  большое  усиление,  то   шумы,   вносимые

последующими каскадами, незначительно увеличат отношение сигнал/шум на выходе МШУ.

Следовательно,  при  проектировании  МШУ  параметры  первого  каскада   являются определяющими.  К  сожалению,  не  всеми  параметрами  может   управлять  разработчик. Поэтому,   проектируя   усилитель,   для   определения   возможностей   уменьшения   шума необходимо рассмотреть отдельно варианты типов транзисторов для первого каскада МШУ: кремниевый  полевой  плоскостной,   кремниевый  биполярный  плоскостной  или  полевой канальный на арсениде  галлия. В каждом варианте нужно определить положение рабочей точки  таким  образом,  чтобы  обеспечить  необходимое  усиление  сигнала  с  минимально возможным добавлением шума.

Усилитель-корректор  с  АРУ  предназначен  для  частичного  устранения   искажений формы  принятых  видеоимпульсов  и  поддержания  постоянства  их  амплитуды  на  выходе ОПМ.

Структурная схема ОПМ с лавинным фотодиодом отличается от предыдущей  схемы тем,  что  позволяет  автоматически  изменять  подаваемое  на  ЛФД   высокое   напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения М. Это расширяет   динамический   диапазон   принимаемых    оптических   сигналов,   но   требует усложнения  системы  автоматического   регулирования,  которая  одновременно  управляет коэффициентами    усиления    ЛФД    и    усилителя-корректора.    Указанная    особенность использования   ЛФД   усложняет   схему   построения   ОПМ   и   снижает   надежность   его функционирования.

Функциональная схема ОПМ с лавинным фотодиодом приведена на рис. 3.33.

Рис. 3.33

Основными устройствами ОПМ являются:

1)

лавинный фотодиод с источником напряжения обратного смещения;

2)

малошумящий усилитель с глубокой отрицательной обратной связью;

3)

усилитель-корректор;

4)

фильтр низких частот;

5)

выходной усилитель;

6)

устройства   системы   АРУ   с   регуляторами   уровня   принимаемого   сигнала

и

напряжения смещения;

7)  устройства контроля и индикации.

Минимальный    уровень    принимаемой    оптической     мощности,     падающей     на чувствительную  площадку  ЛФД,  может  иметь  значения  в  пределах  минус  45…-60  дБ. Напомним, что чувствительность лавинного фотодетектора определяется выражением: Sлфд =

=  Mηqλ/hc,  где  η  –  квантовая  эффективность  ЛФД.  Для  получения  высокой  квантовой

эффективности   необходимо   малое   отражение   падающих   фотонов   от   чувствительной площадки  ЛФД,  поэтому  ее  поверхность  обычно  покрывают   прозрачной  для  фотонов диэлектрической пленкой  толщиной в четверть длины  волны принимаемого  оптического излучения. Для  повышения  квантовой  эффективности  при  производстве  ЛФД тщательно

подбираются толщина обедненного слоя и поглощающей области, которые для длин волн 1,3 и  1,55  мкм имеют значения  несколько  десятков микрометров.  Чувствительность  зависит также от материала ЛФД, длины волны  принимаемого оптического  сигнала, напряжения обратного смещения и температуры ЛФД. На практике используют гетероструктурные ЛФД на основе тройных и четверных соединений, они рассмотрены в предыдущем подразделе.

Последовательно с ЛФД включены источник напряжения обратного смещения и цепь нагрузки,  которая  состоит  из  резистора  Rн   с  большим  сопротивлением  и  включенного параллельно ему усилителя. Под  воздействием падающих  фотонов в ЛФД генерируются носители зарядов (электроны и дырки). Они создают напряжение на ёмкости диодного р-п- перехода,  которая разряжается через нагрузочную цепь.  Протекающий через  резистор Rн фототок имеет малое значение, поэтому следующее за ЛФД устройство представляет собой усилитель с малым коэффициентом шума – МШУ. Его первый каскад усиливает полученный токовый сигнал, который в последующих каскадах преобразуется в напряжение. Так как шум усилителя тока доминирует над другими шумами на низких частотах, то во входном каскаде МШУ   используется,   как   правило,   кремниевый   полевой   плоскостной   транзистор.   В последующих  каскадах усилителя напряжения,  где шум растет с увеличением частоты и становится  преобладающим  на   высоких  частотах,  используют  кремниевые  биполярные плоскостные транзисторы.

Основная  проблема   реализации  МШУ  состоит  в  обеспечении  их   устойчивости. Использование  общей  цепи  отрицательной  обратной  связи,  охватывающей  усилитель  с большим коэффициентом усиления и высоким  входным импедансом, делает схему МШУ склонной   к   самовозбуждению,   особенно   на   высоких   частотах,   из-за   возникновения положительной     обратной     связи     через     паразитную     ёмкость.     Чтобы     избежать самовозбуждения, необходима тщательная, продуманная компоновка МШУ и эффективное экранирование соответствующих устройств и элементов схемы.

На выходе МШУ включен один из исполнительных элементов системы автоматической регулировки – регулятор уровня (РУ) принимаемого сигнала,  который представляет собой регулируемый  делитель  напряжения.  Он  обеспечивает  постоянный  уровень  сигнала  на выходе   ОПМ   при   изменении   оптической   мощности   входного   сигнала   в   заданном динамическом диапазоне.

Усилитель-корректор  Ус.  К  выполняет  задачи  увеличения  амплитуды  и  коррекции формы    импульсов    на    выходе    МШУ.    Поскольку    частотная    зависимость    общего сопротивления нагрузки цепи, шунтирующей  входной сигнал МШУ, имеет спад с ростом частоты,  коэффициент  усиления  МШУ  не  является  постоянным  в  усиливаемой  полосе частот. Включение на входе первого каскада МШУ малого шунтирующего сопротивления Rн

приводит  к  увеличению  тепловых  шумов.  Поэтому  проще  создать   подъем   частотной

характеристики усиления в последующем усилителе-корректоре, что и реализовано в схеме ОПМ.

Кроме того, ограничение полосы пропускания в источнике излучения ОПД, дисперсия сигналов в ОВ и другие факторы вызывают искажения  формы  импульсов, поступающих в ОПМ.  Подъем  частотной  характеристики  усиления  и компенсация указанных искажений формы принимаемых сигналов выполняется в Ус. К. Полоса пропускания и параметры Ус. К выбираются и реализуются из условия получения максимального отношения сигнал/шум на выходе  ОПМ.  При  этом  импульсы  на  выходе  Ус.  К  могут  взаимно  перекрываться,  что вызывает  взаимные  помехи  между  соседними  символами,  т.  е.  межсимвольные  помехи. Взаимное перекрытие импульсов можно уменьшить с помощью корректирующего фильтра нижних частот ФНЧ, или «второго корректора», который включен после Ус. К.

Передаточная функция ОПМ, связывающая напряжение на его выходе с током на входе МШУ, должна быть равномерной в полосе частот от нуля до,  по крайней мере, значения, численно равного скорости передачи ЦЛС в данной ВО ЦСП, т. е. Δf [кГц] ≥ B [кбит/с].

Существует  общий  класс  фильтров,  имеющих  такое  свойство,  что  их   отклик  на импульс, принятый в момент времени t0, равен нулю во все моменты t0  ± пТ, где п – целое число. Известно, что этим свойством обладает идеальный ФНЧ. Его передаточная функция определяется выражением:

Рис. 3.36

Несмотря  на  то,  что  идеальный  ФНЧ  практически  не  реализуем,  теоретически  он обеспечивает  наилучшее  отношение  сигнал/шум.  Однако  из  рис.  3.35  следует,  что  этот фильтр создавал бы сравнительно большое напряжение в соседних тактовых интервалах. Это означает, что незначительные эффекты увеличения длительности импульса или его фазовые дрожания  вызвали  бы появление  больших взаимных помех  между  символами. Фильтр  с косинусоидальной   передаточной   функцией   вносит   больше   шумов,   но   обеспечивает значительно больший допуск на дрожание и увеличение длительности импульса.

Практически ФНЧ в тракте ОПМ реализуется с частотой среза f0,  численно равной (1,2…1,5)B,  т.  е.  если  на  вход  данного  ОПМ  поступает   ЦЛС  со  скоростью  передачи В = 622,08 Мбит/с, то f0 может иметь значение в пределах 750…930 МГц.

В  случае  пропадания  сигнала  на  входе  МШУ  срабатывает   устройство   контроля входного сигнала. При этом аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации,     загорается     светодиод      «Авария     входного     сигнала».     Аналогично осуществляется контроль работы всего ОПМ.

Источник: Хмелёв К. Ф. Основы SDH: Монография. – К.: ІВЦ «Видавництво «Полігехніка»», 2003.-584 с.:ил.

Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через RSS 2.0 ленту. Вы можете оставить ответ, или trackback с вашего собственного сайта.

Оставьте отзыв

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

 
Rambler's Top100