Патент на изобретение №2342792

(54) ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптической связи, в частности к фотоприемным устройствам, и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи цифровой информации устойчивых к воздействию различных дестабилизирующих факторов, приводящих к флуктуации уровня оптического сигнала и увеличению его динамического диапазона. Достигаемый технический результат заключается в повышении помехоустойчивости волоконно-оптической системы передачи за счет минимизации средней вероятности ошибки при различении сигналов. Сущность изобретения состоит в том, что фотоприемное устройство содержит фотодетектор, усилитель, перемножитель, интегратор, решающее пороговое устройство, блок выделения тактовой частоты, синхронизирующее устройство, местный генератор, оптический усилитель, регулируемый источник накачки, блок измерения максимального значения сигнала, блок вычисления оптимального отношения сигнал/шум, блок управления порогом решающего порогового устройства, соединенные определенным образом между собой для достижения указанного технического результата. 2 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптической связи, в частности к фотоприемным устройствам, и может быть использовано при создании волоконно-оптических систем передачи цифровой информации устойчивых к воздействию различных дестабилизирующих факторов, приводящих к флуктуации уровня оптического сигнала и увеличению его динамического диапазона.

Уровень техники

Известны схемы фотоприемных устройств цифровых волоконно-оптических систем передачи, содержащие последовательно включенные фотодетектор, усилитель, фильтрующее устройство и решающее пороговое устройство (см., например, рис.7.7. в книге “Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / М.М.Бутусов, С.М.Верник, С.Л.Галкин и др.; Под ред. В.Н.Гомзина. – М.: Радио и связь. – 1992” и рис.15.6 в книге “Оптика и связь: Оптическая передача и обработка информации. Пер. с французского / А.Козанне, Ж.Флере, Г.Мэтр, М.Руссо. – М.: Мир, 1984”). Эти приемники обеспечивают различение цифровых сигналов на основе сравнения достаточной статистики с фиксированным пороговым уровнем в момент времени, определяемый выделителем тактовой частоты из информационного сигнала. Недостатком этих фотоприемных устройств является: снижение помехоустойчивости при случайных флуктуациях уровня входного оптического сигнала; повышение вероятности перегрузки фотоприемного устройства при увеличении среднего уровня входного оптического сигнала.

Частично эти недостатки устраняются применением отрицательной обратной связи (см. “Арсеньев В.В, Давыдов Ю.Т. Приемные устройства оптического диапазона: Учеб. Пособие. – М.: Изд-во МАИ, 1992” и “Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989”).

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является приемное устройство, содержащее последовательно соединенные фотодетектор, вход которого является входом устройства, усилитель, перемножитель, интегратор и решающее пороговое устройство, выход которого является выходом устройства; к выходу усилителя параллельно перемножителю подключен выделитель тактовой частоты, выход которого соединен со входом синхронизирующего устройства, первый, второй и третий выходы которого соединены со входом местного генератора, вторым входом интегратора и вторым входом решающего порогового устройства соответственно; выход местного генератора соединен со вторым входом перемножителя (рис.7.6 в книге “Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / М.М.Бутусов, С.М.Верник, С.Л.Галкин и др.; Под ред. В.Н.Гомзина. – М.: Радио и связь. – 1992”).

Однако указанное приемное устройство характеризуется снижением помехоустойчивости при случайных флуктуациях уровня входного оптического сигнала, приводящих к увеличению его динамического диапазона и неконтролируемой перегрузке приемника.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка фотоприемного устройства для цифровых волоконно-оптических систем передачи информации, обеспечивающего минимальную вероятность ошибки различения сигналов, имеющих большой динамический диапазон изменения мощности за счет контроля перегрузки приемника и рационального выбора порога решающего порогового устройства.

Технический результат выражается в минимизации средней вероятности ошибки при различении сигналов, когда интенсивность входного оптического сигнала приемника волоконно-оптической системы передачи в силу различных дестабилизирующих факторов имеет большой динамический диапазон.

Для достижения технического результата в фотоприемное устройство, содержащее последовательно включенные фотодетектор, вход которого является входом фотоприемного устройства, усилитель, перемножитель, интегратор, решающее пороговое устройство, выход которого является выходом фотоприемного устройства; к выходу усилителя параллельно перемножителю подключен блок выделения тактовой частоты, выход которого соединен со входом синхронизирующего устройства, первый, второй и третий выходы которого соединены с входом местного генератора, вторым входом интегратора и вторым входом решающего порогового устройства соответственно; выход местного генератора соединен со вторым входом перемножителя, введены оптический усилитель, первый вход которого является входом предлагаемого фотоприемного устройства, а выход соединен с входом фотодетектора; регулируемый источник накачки оптического усилителя, выход которого соединен со вторым входом оптического усилителя; блок оценки максимального уровня сигнала, вход которого параллельно с усилителем соединен с выходом фотодетектора, а выход подключен параллельно к входу блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум и к первому входу блока управления порогом; выход блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум соединен параллельно со вторым входом блока управления порогом и входом регулируемого источника накачки, выход которого соединен со вторым входом оптического усилителя; выход блока управления порогом соединен с третьим входом решающего порогового устройства, выход которого является выходом фотоприемного устройства.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого фотоприемного устройства. На фиг.2 приведены графики зависимости: средней вероятности ошибки (Р_ош) от отношения сигнал/шум (h) при различении сигналов с динамическим диапазоном 0 дБ (линия 1) и с динамическим диапазоном 40 дБ (при оптимальном пороге – линия 2 и неоптимальном пороге – линия 3); средней вероятности ошибки от величины порога решающего порогового устройства (J_п) (линии 4, 5 и 6) при различных значениях отношения сигнал/шум; вероятности блокировки фотоприемного устройства (Р_Б) с динамическим диапазоном 30 дБ от отношения сигнал/шум (линия 7).

Осуществление изобретения

Фотоприемное устройство состоит из оптического усилителя 1, регулируемого источника накачки 2, фотодетектора 3, блока измерения максимального значения сигнала 4, усилителя 5, блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум 6, перемножителя 7, местного генератора 8, интегратора 9, синхронизирующего устройства 10, выделителя тактовой частоты 11, блока управления порогом решающего порогового устройства 12, решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13, причем первый вход оптического усилителя 1 является входом фотоприемного устройства, выход оптического усилителя 1 соединен с входом фотодетектора 3, выход которого соединен параллельно с входом блока изменения максимального значения сигнала 4 и входом усилителя 5, выход усилителя 5 соединен параллельно с первым входом перемножителя 7 и входом выделителя тактовой частоты 11, выход которого соединен с входом синхронизирующего устройства 10; первый, второй и третий выходы синхронизирующего устройства 10 соединены с входом местного генератора 8, вторым входом интегратора 9 и вторым входом решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13 соответственно; выход местного генератора 8 соединен со вторым входом перемножителя 7, выход которого соединен с первым входом интегратора 9, а выход интегратора 9 с первым входом решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13; выход блока измерения максимального значения сигнала 4 соединен параллельно с входом блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум 6 и первым входом блока управления порогом решающего порогового устройства 12, выход блока вычисления оптимального сигнал/шум 6 соединен параллельно с входом источника накачки 2 и вторым входом блока управления порогом решающего порогового устройства 12, выход которого соединен с третьим входом решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13; выход источника накачки 2 соединен со вторым входом оптического усилителя 1; выход решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13 является выходом фотоприемного устройства.

Фотоприемное устройство работает следующим образом.

На первый вход оптического усилителя 1 из линейного тракта цифровой волоконно-оптической системы передачи подается оптический сигнал, изменение мощности которого в силу различных дестабилизирующих факторов носит случайный характер. В наиболее общем случае плотность распределения вероятностей мощности может быть описана m – распределением Накагами в виде:

где – средний квадрат огибающей оптического сигнала; Г(m) – гамма-функция; m – параметр распределения, монотонно связанный с динамическим диапазоном сигнала.

Можно показать, что плотность распределения вероятностей тока в выходной цепи фотодетектора при пуассоновском распределении фотоэлектронов приводится к гамма-распределению в виде:

где – средний фототок.

Так как фототок прямо пропорционален мощности засветки фотодетектора, то с учетом выражения (2) для вероятности ошибки ˜10^-9 динамический диапазон сигнала можно определить как

где p_max, p_min – максимальная и минимальная мощность сигнала.

Величина минимально необходимой мощности p_min в выражении (3) определяется собственным шумом фотоприемного устройства и для известной электрической схемы задается параметрически. Таким образом, для оценки динамического диапазона сигнала достаточно измерить максимальное значение фототока, что одновременно дает оценку и параметру m распределения в соотношении (1).

С выхода оптического усилителя 1 сигнал поступает на вход фотодетектора 3. Сигнал с выхода фотодетектора 3 подается параллельно на входы блока оценки максимального значения сигнала 4 и усилителя 5. В блоке оценки максимального значения сигнала 4 при известной минимальной необходимой мощности на входе фотоприемного устройства р_min формируется сигнал, соответствующий параметру m распределения согласно выражению (1), как показано в формуле (3). Этот сигнал подается параллельно на вход блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум 6 и первый вход блока управления порогом решающего порогового устройства 12. Усиленный сигнал J_c(t) с выхода усилителя 5 поступает параллельно на первый вход перемножителя 7 и вход выделителя тактовой частоты 11. Выделитель тактовой частоты 11 формирует импульсный сигнал, соответствующий значащим моментам информационного сигнала. Сигнал с выхода выделителя тактовой частоты 11 подается на вход синхронизирующего устройства 10, которое формирует синхросигналы: на первом выходе, подключенном к входу местного генератора 8, – для определения моментов запуска генератора; на втором выходе, подключенном ко второму входу интегратора 9, – для определения границ интегрирования; на третьем входе, подключенном ко второму входу решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13, – для определения моментов принятия решений о виде информационного сигнала.

Местный генератор 8 формирует копию импульса передаваемого информационного сигнала J_к(t) и подает ее на второй вход перемножителя 7. С выхода перемножителя 7 сигнал, соответствующий произведению J_к(t)·J_с(t) поступает на первый вход интегратора 9. На выходе интегратора 9 формируется сигнал, соответствующий достаточной для принятия решения статистике в виде функционала:

где с – нормирующая постоянная; Т – длительность тактового интервала информационного сигнала.

Сигнал с выхода интегратора 9 поступает на первый вход решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13 и сравнивается с порогом Z_п в момент времени, определяемый синхросигналом, поступающим на второй вход с третьего выхода синхронизирующего устройства 10. На выходе решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13 формируется сигнал высокого уровня, если функционал (4) превышает или равен порогу Z_п. В противном случае на выходе порогового устройства с регулируемым порогом 13 формируется сигнал низкого уровня. Величина порога в отличие от прототипа (рис.7.6 в книге “Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / М.М.Бутусов, С.М.Верник, С.Л.Галкин и др.; Под ред. В.Н.Гомзина. – М.: Радио и связь. – 1992”) изменяется по закону, определяемому сигналом, формируемым в блоке управления порогом решающего порогового устройства 12 и поступающим на третий вход решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13. Закон изменения порога, например, при ограничении процесса фотодетектирования гауссовским приближением можно получить в виде:

где h_опт – оптимальное значение отношения сигнал/шум.

Для формирования порога на основе выражения (5) необходимо измерить значение параметра m и вычислить значение оптимального отношения сигнал/шум. Формирование оценки параметра m осуществляется в блоке оценки максимального значения сигнала 4 и описано выше. Оптимальное значения отношения сигнал/шум h_опт определяется в блоке вычисления оптимального отношения сигнал/шум 6 из условия равенства вероятности ошибки при различении сигналов Р_ош и вероятности блокировки фотоприемного устройства Р_Б, которая определяется его динамическим диапазоном D_п. Для плотности распределения вероятностей фототока, описываемой выражением (2), вероятность блокировки фотоприемного устройства определяется как вероятность превышения предельно допустимого тока i_пр при детектировании сигнала высокого уровня в виде:

где – неполная гамма-функция, h – отношение сигнал/шум; D_п=i_пр/i_min – динамический диапазон.

Тогда условие для вычисления оптимального отношения сигнал/шум примет вид:

Сигнал, соответствующий оптимальному отношению сигнал/шум, с выхода блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум 6 подается параллельно на второй вход блока управления порогом решающего порогового устройства 12 и на вход источника накачки 2, выход которого подключен ко второму входу оптического усилителя 1. Источник накачки 2 изменяет выходную мощность и, как следствие, коэффициент усиления оптического усилителя 1, чтобы обеспечить оптимальное отношение сигнал/шум.

Таким образом, посредством выбора оптимального порога решающего порогового устройства с регулируемым порогом 13 и коэффициента усиления оптического усилителя 1 обеспечивается минимизация вероятности ошибки различения сигналов с большим динамическим диапазоном в фотоприемном устройстве с ограниченным динамическим диапазоном.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и известными техническими решениями имеет преимущество.

Поясним получаемый технический эффект на фиг.2. Для примера положим, что динамический диапазон фотоприемного устройства ограничен величиной 30 дБ. Этому условию соответствует зависимость вероятности блокировки фотоприемного устройства от отношения сигнал/шум, представленная линией 7. Если уровень сигнала на входе фотоприемного устройства не изменяется, что соответствует равенству нулю динамического диапазона сигнала (D_s=0 дБ) или устремлении параметра m к бесконечности, то характеристика помехоустойчивости при оптимальном пороге решающего порогового устройства займет позицию линии 1. Эта ситуация соответствует потенциальной помехоустойчивости прототипа. Так, вероятность ошибки Р_ош1=10^-6 обеспечивалась при отношении сигнал/шум h₁9 (точка А на фиг.2). При изменении уровня сигнала на входе фотоприемного устройства в динамическом диапазоне, например 40 дБ, характеристика помехоустойчивости прототипа займет позицию, представленную линией 3, что приведет к существенному увеличению вероятности ошибки при том же отношении сигнал/шум (точка Б на фиг.2). Восстановление необходимой помехоустойчивости может быть достигнуто двумя процедурами: выбором оптимального порога решающего порогового устройства, как показано в виде кривых 4, 5 и 6; увеличением среднего отношения сигнал/шум. При выполнении только первой процедуры характеристика помехоустойчивости займет позицию, представленную линией 2. Тогда вероятность ошибки Р_ош1 могла бы быть получена при отношении сигнал/шум h₃400 (точка В на фиг.2). Однако из-за блокировки фотоприемного устройства при этом отношении сигнал/ шум обеспечивается вероятность ошибки P_ош3=10^-3 (точка Г на фиг.2). При выполнении только второй процедуры вероятность ошибки Р_ош1 могла бы быть получена при отношении сигнал/шум h₂10⁴ (точка Д на фиг.2). Однако из-за блокировки фотоприемного устройства при этом отношении сигнал/шум обеспечивается вероятность ошибки Р_ош2=0,5 (точка Е на фиг.2). Реализация одновременно процедур оптимизации порога решающего порогового устройства и оптимизации отношения сигнал/шум с учетом фактора блокировки фотоприемного устройства позволяет минимизировать вероятность ошибки в рассмотренном примере до величины P_min=5·10^-6 при h_опт300 (точка Ж на фиг.2). Это свидетельствует о том, что заявленное фотоприемное устройство при случайных флуктуациях уровня входного оптического сигнала является более помехоустойчивым по отношению к рассмотренным аналогам и прототипу.

Формула изобретения

Фотоприемное устройство, содержащее последовательно включенные фотодетектор, усилитель, перемножитель, интегратор, решающее пороговое устройство, выход которого является выходом фотоприемного устройства, к выходу усилителя параллельно перемножителю подключен блок выделения тактовой частоты, выход которого соединен с входом синхронизирующего устройства, первый, второй и третий выходы которого соединены с входом местного генератора, вторым входом интегратора и вторым входом решающего порогового устройства, соответственно, выход местного генератора соединен со вторым входом перемножителя, отличающееся тем, что в него введены оптический усилитель, первый вход которого является входом фотоприемного устройства, а выход соединен с входом фотодетектора, регулируемый источник накачки оптического усилителя, выход которого соединен со вторым входом оптического усилителя, блок изменения максимального значения сигнала, вход которого параллельно с усилителем соединен с выходом фотодетектора, а выход подключен параллельно к входу блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум и к первому входу блока управления порогом решающего порогового устройства, выход блока вычисления оптимального отношения сигнал/шум соединен параллельно со вторым входом блока управления порогом решающего порогового устройства и входом регулируемого источника накачки оптического усилителя, а выход блока управления порогом решающего порогового устройства соединен с третьим входом решающего порогового устройства.

РИСУНКИ