RU2155449C1 - Digital optical signal transmission line - Google Patents
Digital optical signal transmission line Download PDFInfo
- Publication number
- RU2155449C1 RU2155449C1 RU99122015A RU99122015A RU2155449C1 RU 2155449 C1 RU2155449 C1 RU 2155449C1 RU 99122015 A RU99122015 A RU 99122015A RU 99122015 A RU99122015 A RU 99122015A RU 2155449 C1 RU2155449 C1 RU 2155449C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- amplifier
- signal
- transmission line
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области квантовой радиотехники и оптической связи и может быть использовано в аппаратуре волоконно-оптических и лазерных космических линий связи. The invention relates to the field of quantum radio engineering and optical communication and can be used in the equipment of fiber-optic and laser space communication lines.
Известна линия передачи цифрового оптического сигнала (фиг. 1), прототип предлагаемого технического решения, которая содержит усилитель-модулятор 1, лазерный генератор 2, устройство стабилизации мощности лазера 3, согласующие устройства 4 и 6, среду передачи оптического сигнала 5, фотодетектор 7, предварительный усилитель 8, усилитель 9, устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) 10, решающее устройство 11, устройство восстановления тактовой частоты 12 (Miki Т. At al//Review ECL - 1978-76, N 5/6- P. 676-692). A known transmission line of a digital optical signal (Fig. 1), a prototype of the proposed technical solution, which contains an
Недостатком известной линии передачи цифрового оптического сигнала является ее малая длина. A disadvantage of the known digital optical signal transmission line is its short length.
Целью предлагаемого технического решения является увеличение длины линии передачи цифрового оптического сигнала. The aim of the proposed technical solution is to increase the length of the transmission line of the digital optical signal.
Поставленная цель достигается тем, что в известную линию передачи включены два преобразователя сигнала, N формирующих фильтров, N фазовых регенераторов, (N-1) предварительных усилителей, усилитель-формирователь накачки, устройство формирования сигнала. This goal is achieved by the fact that the known transmission line includes two signal converters, N shaping filters, N phase regenerators, (N-1) pre-amplifiers, a pump driver, a signal conditioning apparatus.
Схема предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала показана на фиг. 2. Линия передачи содержит следующие блоки: усилитель-модулятор 1, лазерный генератор 2, устройство стабилизации мощности лазера 3, первое согласующее устройство 4, среду передачи оптического сигнала 5, второе согласующее устройство 6, фотодетектор 7, первый предварительный усилитель 8, усилитель 9, устройство АРУ 10, устройство восстановления тактовой частоты 12, первый преобразователь сигнала 13, первый формирующий фильтр 14, первый фазовый регенератор 15, второй преобразователь сигнала 16, устройство формирования сигнала 17, усилитель-формирователь накачки 18, N-й формирующий фильтр 19, N-й фазовый регенератор 20, N-й предварительный усилитель 21, а также еще (N-2) формирующих фильтров, идентичных первому 14, (N-2) фазовых регенераторов, идентичных первому 15, (N-2) предварительных усилителей, идентичных первому 8 по схеме и конструкции (численные значения параметров их элементов могут различаться и выбираются из условия минимума вероятности ошибки передачи). A diagram of the proposed digital optical signal transmission line is shown in FIG. 2. The transmission line contains the following blocks: amplifier-
Принцип работы предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала состоит в следующем. The principle of operation of the proposed digital optical signal transmission line is as follows.
Входной цифровой сигнал в формате NRZ поступает на вход первого преобразователя сигнала 13, в котором он преобразуется в сигнал одного из следующих типов:
а) синусоидальный фазомодулированный (0-π) сигнал, несущая частота ωн которого значительно и в целое число раз превышает тактовую частоту (фиг. 3а);
б) последовательность чередующихся импульсов и пауз, число и длительности которых равны и длительность значительно меньше тактового интервала. При смене передаваемого символа ("0" или "1") импульсы и паузы меняются местами;
в) биимпульсный сигнал (фиг. 3в), в котором передача символа "1" на интервале 0 - Т соответствует передаче импульса на интервале 0 - 0,5Т и паузы на интервале 0,5Т - Т, а передача символа "0" на интервале Т - 2Т соответствует передаче паузы на интервале Т - 1,5Т и импульса на интервале 1,5Т - 2Т.An input digital signal in NRZ format is fed to the input of the
a) a sinusoidal phase-modulated (0-π) signal, the carrier frequency ω n of which is significantly and an integer number of times higher than the clock frequency (Fig. 3a);
b) a sequence of alternating pulses and pauses, the number and duration of which are equal and the duration is much less than the clock interval. When changing the transmitted character ("0" or "1"), the pulses and pauses are interchanged;
c) a bi-pulse signal (Fig. 3c), in which the transmission of the "1" symbol in the interval 0 - T corresponds to the transmission of the pulse in the interval 0 - 0.5T and the pause in the interval 0.5T - T, and the transmission of the symbol "0" in the interval T - 2T corresponds to the transmission of a pause in the interval T - 1.5T and a pulse in the interval 1.5T - 2T.
Сигнал, поступающий с выхода первого преобразователя сигнала 13, усиливается усилителем-модулятором 1 до уровня, необходимого для модуляции лазерного генератора 2, оптическая мощность на выходе которого поддерживается на заданном уровне с помощью устройства стабилизации мощности лазера 3. Оптический сигнал с выхода лазерного генератора 2 через первое согласующее устройство 4 поступает в среду передачи оптического сигнала 5, с выхода которого через второе согласующее устройство 6 поступает на вход фотодетектора 7. Далее сигнал через первый формирующий фильтр 14, обеспечивающий максимальное отношение сигнал/шум на его выходе, поступает на вход первого фазового регенератора 15. The signal from the output of the
Поскольку последовательность чередующихся импульсов и пауз, а также биимпульсный сигнал (фиг. 3б, в, сплошная линия) с точностью до спектральных составляющих высокого порядка соответствуют синусоидальному сигналу с двухпозиционной (0-π) фазовой модуляцией (фиг. 3б, в, штриховая линия), то для регенерации таких сигналов можно использовать принцип регенерации фазомодулированного сигнала. Для этого на второй вход фазового регенератора 15 поступает сигнал накачки, частота которого в два раза превышает несущую частоту эквивалентного фазомодулированного сигнала, а мощность достаточная для изменения параметра диода или транзистора в широких пределах. На выходе фазового регенератора 15 образуется синусоидальный сигнал, фаза которого с точностью до вероятности ошибки регенерации принимает два значения 0 или π в зависимости от передаваемого символа. Таким образом, фазовый шум сигнала, поступающего с выхода фотодетектора 7, подавляется. Амплитудный шум не подавляется, но он не влияет на характеристики передачи информации, которая содержится в фазе сигнала. Since the sequence of alternating pulses and pauses, as well as the bi-pulse signal (Fig. 3b, c, solid line), up to high-order spectral components, correspond to a sinusoidal signal with on-off (0-π) phase modulation (Fig. 3b, c, dashed line) then, for the regeneration of such signals, the principle of regeneration of a phase-modulated signal can be used. To this end, a pump signal is supplied to the second input of the
В качестве фазового регенератора может быть использован вырожденный параметрический усилитель, в котором используется нелинейная емкость запертых полупроводниковых p-n-переходов, который настраивается на небольшое усиление, а поэтому абсолютно устойчив и имеет высокую стабильность своих характеристик. Из-за малых потерь в нелинейной емкости уровень дополнительного шума, создаваемого фазовым регенератором, незначителен. Кроме параметрического усилителя может быть использовано аналогичное устройство, работающее на нелинейной активной проводимости диода или транзистора. As a phase regenerator, a degenerate parametric amplifier can be used, which uses the nonlinear capacitance of locked semiconductor p-n junctions, which is tuned to a small gain, and therefore is absolutely stable and has high stability of its characteristics. Due to the small losses in the nonlinear capacitance, the level of additional noise generated by the phase regenerator is negligible. In addition to the parametric amplifier, a similar device operating on the nonlinear active conductivity of a diode or transistor can be used.
Сигнал с выхода первого фазового регенератора 15 усиливается первым предварительным усилителем 8 и поступает на вход второго формирующего фильтра и далее на вход второго фазового регенератора, предназначенного для подавления шума, источники которого расположены в первом предварительном усилителе 8 и т.д. Наконец, сигнал поступает на вход N-го формирующего фильтра, N-го фазового регенератора и N-го предварительного усилителя, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя 9, осуществляющего усиление сигнала до уровня, необходимого для обработки его нелинейными устройствами. The signal from the output of the
Поскольку процесс фазовой регенерации не зависит от уровня сигнала, то регенерация сигнала может быть осуществлена в первых каскадах усиления на низком уровне сигнала. Это позволяет разделить источники шума регенераторами, не допустив сложения их мощностей. Поэтому в отличие от прототипа происходит не сложение мощностей шумов, а сложение вероятностей ошибки каждого регенератора, что приводит к значительному уменьшению вероятности ошибки передачи цифрового сигнала по линии. Since the phase regeneration process is independent of the signal level, the signal can be regenerated in the first amplification stages at a low signal level. This allows you to separate the noise sources with regenerators, without allowing the addition of their capacities. Therefore, in contrast to the prototype, it is not the addition of noise powers, but the addition of the error probabilities of each regenerator, which leads to a significant decrease in the probability of transmission errors of the digital signal over the line.
С выхода усилителя 9 сигнал поступает на входы устройств: формирования сигнала 17, восстановления тактовой частоты 12 и АРУ 10, а также на вход усилителя-формирователя накачки 18. В устройстве формирования сигнала 17 подавляется амплитудный шум и с точностью до вероятности ошибки регенерации восстанавливается сигнал, образующийся на выходе первого преобразователя сигнала 13, который поступает на вход второго преобразователя сигнала 16, где восстанавливаются исходная форма и амплитуда сигнала, а также его временное расположение на тактовом интервале. В устройстве восстановления тактовой частоты происходит выделение сигнала тактовой частоты из поступающего на его вход цифрового сигнала. Сигнал тактовой частоты поступает на второй вход усилителя-формирователя накачки 18, в котором в зависимости от типа сигнала на выходе преобразователя сигнала 13 производится выделение тактовой частоты последовательности импульсов и пауз (фиг. 3б) или биимпульсного сигнала (фиг. 3в), или несущей частоты ωн синусоидального фазомодулированного сигнала и формирование сигналов накачки, которые поступают на вторые входы фазовых регенераторов и на второй вход устройства формирования сигнала 17. В устройстве АРУ формируются управляющие сигналы, поступающие на вторые входы усилителя 9 и фотодетектора 7 для автоматического изменения усиления усилителя 9 и лавинного усиления фотодетектора 7. При использовании в фотодетекторе pin-фотодиодов сигнал АРУ на фотодетектор не подается.From the output of
Количество формирующих фильтров, фазовых регенераторов и предварительных усилителей (число N) зависит от усилительных и шумовых характеристик предварительных усилителей, которые выбираются из условия минимума вероятности ошибки передачи сигнала по линии. Сигнал на выходе последнего предварительного усилителя должен быть достаточно большим, чтобы отношение сигнал/шум на выходе усилителя 9 значительно превышало значение, соответствующее заданной вероятности ошибки. The number of shaping filters, phase regenerators, and pre-amplifiers (number N) depends on the amplification and noise characteristics of the pre-amplifiers, which are selected from the condition of minimum probability of signal transmission error on the line. The signal at the output of the last pre-amplifier should be large enough so that the signal-to-noise ratio at the output of
Фазовый регенератор содержит режекторный фильтр частоты накачки, предотвращающий поступление сигнала накачки в предварительный усилитель, что может существенно изменить усилительные и шумовые характеристики этого усилителя. The phase regenerator contains a notch filter of the pump frequency, which prevents the pump signal from entering the pre-amplifier, which can significantly change the amplification and noise characteristics of this amplifier.
Первый формирующий фильтр и первый фазовый регенератор включены на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. Поэтому конструктивно блоки 7, 14, 15 и 8 целесообразно выполнить в виде оптоэлектронной интегральной схемы с целью уменьшения габаритов, паразитных параметров, повышения эксплуатационной надежности и стойкости к механическим воздействиям. The first shaping filter and the first phase regenerator are included at the junction of the photodiode and the first transistor of the amplifier. Therefore, it is advisable to construct
Положительный эффект от использования предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала заключается в увеличении ее длины по сравнению с прототипом на величину, определяемую соотношением Δl = ΔЭ/α, где ΔЭ - увеличение энергетического потенциала (дБ), α - затухание в 1 км среды передачи оптического сигнала (дБ/км). Увеличение энергетического потенциала в зависимости от параметров линии передачи составляет 3-8 дБ. (См. Приложение). The positive effect of using the proposed digital optical signal transmission line is to increase its length compared to the prototype by an amount determined by the ratio Δl = ΔE / α, where ΔE is the increase in energy potential (dB), α is the attenuation of 1 km of the optical signal transmission medium (dB / km). The increase in energy potential depending on the parameters of the transmission line is 3-8 dB. (See Attachment).
Экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи цифрового оптического сигнала можно оценить на примере строительства транспортной сети связи, в которой использована предлагаемая линия передачи в качестве соединительной линии (СЛ) связи. Предположим, что на сети используются три типа оптических кабелей (ОК) с различными затуханиями, а следовательно, разными максимальными длинами СЛ - l1, l2, l3 - и соответственно разными ценами 1 км ОК - C1, C2, C3. В этом случае относительное уменьшение затрат на ОК ΔC/C при использовании предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом вследствие возможности использования большего количества относительно дешевых ОК определяется соотношением
ΔC/C = (ΔЭ/Э′CокlΔl)(l
где ΔC12 = C2-C1; ΔC23 = C3-C2;
Э' - среднее затухание в ОК СЛ;
Cок - средняя цена 1 км ОК;
l - средняя длина СЛ на сети;
Δl - разброс длин СЛ на сети.The economic effect of using the proposed digital optical signal transmission line can be estimated by the example of the construction of a transport communication network, in which the proposed transmission line is used as a communication trunk (SL). Suppose that the network uses three types of optical cables (OK) with different attenuations, and therefore different maximum SL lengths - l 1 , l 2 , l 3 - and accordingly different prices of 1 km OK - C 1 , C 2 , C 3 . In this case, the relative reduction in the cost of OK ΔC / C when using the proposed transmission line compared with the prototype due to the possibility of using more relatively cheap OK is determined by
ΔC / C = (ΔE / E′C ok lΔl) (
where ΔC 12 = C 2 -C 1 ; ΔC 23 = C 3 -C 2 ;
E 'is the average attenuation in OK SL;
C ok - average price of 1 km OK;
l is the average length of the trunk on the network;
Δl - the spread of the lengths of the trunk on the network.
Полагая ΔЭ = 3-8 дБ; Э' = 30 дБ; Cок = C2; ΔC12 = ΔC23 = ΔCок; Δl = l3 - 0,5l1; l = 0,5(l3+0,5l1); l2/l1 = l3/l2 = 1,5, получим
ΔC/C = (0,15-0,35)ΔCок/Cок
Если цены на ОК составляют C1 = 2000 у.е.; C2 = 2500 у.е.; C3 = 3000 у. е. за 1 км, то Cок = 2500 у.е., а ΔCок = 500 у.е. В этом случае ΔC/C=0,03 - 0,07. В абсолютном выражении экономический эффект от использования предлагаемой линии передачи на рассмотренном примере при годовых затратах на ОК 100 млн. у.е. составляет 3 - 7 млн. у.е.Assuming ΔE = 3-8 dB; E '= 30 dB; C ok = C 2 ; ΔC 12 = ΔC 23 = ΔC approx ; Δl = l 3 - 0.5l 1 ; l = 0.5 (l 3 + 0.5l 1 ); l 2 / l 1 = l 3 / l 2 = 1.5, we obtain
ΔC / C = (0.15-0.35) ΔC ok / C ok
If the prices for OK are C 1 = 2000 cu; C 2 = 2500 cu; C 3 = 3000 oz e. for 1 km, then C ok = 2500 cu, and ΔC ok = 500 cu In this case, ΔC / C = 0.03 - 0.07. In absolute terms, the economic effect of using the proposed transmission line in the considered example at an annual cost of OK of 100 million cu makes 3 - 7 million cu
ПРИЛОЖЕНИЕ
Отношение сигнал/шум на входе решающего устройства прототипа определяется соотношением
где A1 = 2q0Δf(Ic+IT)I
β = g2|yвыx+yвx|-2; Ic = q0η(hν)-1Pc;
Pе - мощность оптического сигнала на входе фотодетектора;
Iт - темновой ток фотодиода;
Δf - полоса пропускания тракта усиления;
I - расчетный ток транзистора, определяющий его шумовые характеристики (в полевых транзисторах приблизительно равен току стока);
g - крутизна характеристики передачи транзистора;
yвх, yвых - входная и выходная проводимости транзистора;
y1 - проводимость цепи на стыке фотодиода и первого транзистора;
M - коэффициент лавинного усиления фотодиода;
x - шумовой параметр лавинного фотодиода;
η - - квантовая эффективность фотодиода;
hν - энергия фотона;
q0 - заряд электрона.APPENDIX
The signal-to-noise ratio at the input of the prototype decider is determined by the ratio
where A 1 = 2q 0 Δf (I c + I T ) I
β = g 2 | y vx + y vx | -2 ; I c = q 0 η (hν) -1 P c ;
P e is the power of the optical signal at the input of the photodetector;
I t is the dark current of the photodiode;
Δf is the bandwidth of the amplification path;
I is the calculated current of the transistor, which determines its noise characteristics (in field-effect transistors, it is approximately equal to the drain current);
g is the transconductance slope of the transistor;
y in , y out - input and output conductivity of the transistor;
y 1 is the conductivity of the circuit at the junction of the photodiode and the first transistor;
M is the avalanche gain coefficient of the photodiode;
x is the noise parameter of the avalanche photodiode;
η - is the quantum efficiency of the photodiode;
hν is the photon energy;
q 0 is the electron charge.
Вероятность ошибки передачи сигнала в прототипе
где S
Вероятность ошибки передачи сигнала в предлагаемой линии передачи
где S1 -1 = A1Mx; S2 -1 = A2M-2; S
Поскольку K2 представляет собой малую величину, 10-9-10-11, то приведенный выше ряд быстро сходится уже при β ≥ 1,1, что позволяет выражение для K2 ограничить двумя первыми слагаемыми. Для подавления влияния шумов всех транзисторов, кроме первого, в прототипе необходимо выбрать β ≥ 10, а в предлагаемой линии передачи β ≥ 1,1. Определяя M из условия минимума K1 и K2 и пренебрегая малыми величинами, получим выражение для увеличения энергетического потенциала в предлагаемой линии передачи по сравнению с прототипом при заданной вероятности ошибки передачи
где
β1, β2 - значения β, рассчитанные для прототипа и предлагаемой линии передачи соответственно;
n - показатель степени функции, аппроксимирующей вольт-амперную характеристику транзистора I=aun, 1 < n < 2.The probability of signal transmission errors in the prototype
where s
The probability of signal transmission errors in the proposed transmission line
where S 1 -1 = A 1 M x ; S 2 -1 = A 2 M -2 ; S
Since K 2 is a small value, 10 -9 -10 -11 , the above series quickly converges already at β ≥ 1.1, which allows the expression for K 2 to be limited to the first two terms. To suppress the influence of noise of all transistors, except the first, in the prototype it is necessary to choose β ≥ 10, and in the proposed transmission line β ≥ 1.1. Determining M from the minimum conditions K 1 and K 2 and neglecting small quantities, we obtain an expression for increasing the energy potential in the proposed transmission line compared to the prototype for a given probability of transmission error
Where
β 1 , β 2 - β values calculated for the prototype and the proposed transmission line, respectively;
n is the exponent of the function approximating the current-voltage characteristic of the transistor I = au n , 1 <n <2.
Существующие лавинные фотодиоды имеют x = 0,7 - 1, а для длинноволновых диапазонов возможны значения x = 2,4. Поэтому для x = 0,7 -1, n = 1,25 - 1,5; β1 = 10; β2 = 1,1 увеличение энергетического потенциала Э = (3,3 - 7,8) дБ, а при использовании фотодиодов с x = 2,4 ΔЭ достигает 16 дБ.Existing avalanche photodiodes have x = 0.7 - 1, and for long-wavelength ranges, x = 2.4 is possible. Therefore, for x = 0.7 -1, n = 1.25 - 1.5; β 1 = 10; β 2 = 1.1 increase in energy potential E = (3.3 - 7.8) dB, and when using photodiodes with x = 2.4, ΔE reaches 16 dB.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99122015A RU2155449C1 (en) | 1999-10-22 | 1999-10-22 | Digital optical signal transmission line |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99122015A RU2155449C1 (en) | 1999-10-22 | 1999-10-22 | Digital optical signal transmission line |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2155449C1 true RU2155449C1 (en) | 2000-08-27 |
Family
ID=20226018
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99122015A RU2155449C1 (en) | 1999-10-22 | 1999-10-22 | Digital optical signal transmission line |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2155449C1 (en) |
-
1999
- 1999-10-22 RU RU99122015A patent/RU2155449C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5563731A (en) | Monitor control signal receiving apparatus for optical fiber amplifier | |
US7590393B2 (en) | Low-noise transmitter system and method | |
US7605974B1 (en) | Method and apparatus for PPM demodulation using a semiconductor optical amplifier | |
Richter et al. | QAM phase-regeneration in a phase-sensitive fiber-amplifier | |
KR20030060950A (en) | Low power laser driver | |
RU2155449C1 (en) | Digital optical signal transmission line | |
US7532818B2 (en) | Apparatus and method for measuring coherence sampling quality-factor | |
US20080159755A1 (en) | Optical signal receiving apparatus | |
JP5368370B2 (en) | Optical receiver | |
US10819377B1 (en) | Radio frequency to optical transmitter | |
CN111404612A (en) | Optical signal amplifying device and transmission system | |
JP4659398B2 (en) | Optical receiver | |
JP2997292B2 (en) | Optical amplification relay transmission system | |
US4793000A (en) | Light signal receiver | |
JPH0563648A (en) | Light injection synchronization device, optical receiver and optical communication equipment | |
JP3239563B2 (en) | Light receiving circuit for AV optical space transmission | |
RU2694242C1 (en) | Method of constructing a base station of a fiber-terrestrial telecommunication system of a distributed structure and a module for its implementation | |
JP3882375B2 (en) | Optical receiver circuit | |
JP2941656B2 (en) | Optical communication method and device | |
RU2154907C1 (en) | Coherent digital optical signal transmission line | |
RU2155448C1 (en) | High-speed digital optical signal transmission line | |
Van San et al. | Accurate estimation of receiver sensitivity for 10 Gb/s optically amplified systems | |
JPS63303503A (en) | Light receiving circuit | |
Witkowicz | Design of low-noise fiber-optic receiver amplifiers using J-FET's | |
Arya | Analysis, design and performance evaluation of optical fiber spectrum-sliced WDM systems |