SU915604A1 - Стабилизатор положения рабочей точки модулятора системы с им‘;пульсно-кодовой модуляцией монохроматического излучения - Google Patents

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в оптических системах передачи и обработки информации с импульсно-кодовой модуляцией, в состав которых входит модулятор поляризации монохроматического света с анализатором для получения модуляции интенсивности выходного -света.

Стабилизация положения рабочей ‘ точки модулятора является необходимым условием обеспечения надежности

работы указанных систем, В частности, при передаче однополярного бинарного сигнала необходимым условием низкого уровня ошибок является стабилизация положения рабочей точки в области максимального значения коэффициента контраста. '

В современных оптических системах передачи информации с импульснокодовой модуляцией (ИКМ) применяются лазеры, работающие в режиме генерации коротких импульсов (длительностью

3

915604

4

порядка единиц и сотен пикосекунд), следующих с большой скважностью, при помощи внешнего модулятора осуществляется кодирование потока оптических импульсов на выходе лазера в соответствии с информационным сигналом, подаваемым на электрический вход модулятора. Скорость передачи информации в оптическом канале ограничива- ю ется.частотой следования оптических импульсов на выходе лазера, а также числом импульсов на тактовом интервале, не используемых для передачи информации и выделяемых для обеспече- 15 ния работоспособности системы синхронизации и стабилизации положения рабочей точки модулятора в области максимального коэффициента контраста»

В связи с этим реальная скорость пе- 20 редачи информации в системе с ИКМ оказывается ниже предельно возможной, определяемой частотой повторения импульсов на выходе лаз'ера» Другими словами, коэффициент использования такто-25 вого интервала уменьшается по сравнению с предельным значением, равным единице»

Известно устройство для стабилизации положения рабочей точки модуля- 30 тора оптической системы передачи информации, состоящее из светоделителя, оптически связанного с контрольным фотоприемником, соединенным с фазочувствительным детектором, электри- 35 чески связанным с схемой регулирования постоянного смещения модулятора лазера»

Недостатки устройства - низкая надежность, ограниченная возможность 49 применения в системах передачи цифровой информации, сложность реализации в случае однополярного информационного сигнала, а также низкая скорость передачи информации в оптическом ка- 45 нале»

Низкая надежность устройства обусловлена тем, что при помощи фазочувствительного детектора, входящего в состав устройства,невозможно одно— значно получить информацию о положении рабочей точки модулятора, в частности сигнал на выходе фазочувствительного детектора при расположении рабочей точки модулятора на нижнем и верхнем перегибе характеристики не меняется, соответственно при значительном уходе рабочей точки устройство теряет работоспособность» Низкая скорость передачи информации в оптическом канале обусловлена тем, что для обеспечения работоспособности устройства на электрический вход модулятора необходимо подавать опорный сигнал с априорно известными параметрами, который не может нести информационной нагрузки, а служит только для стабилизации рабочей точки модулятора»Этот опорный сигнал сокращает информационную емкость модулирующего сигнала и тем самым снижает скорость передачи информации в оптическом канале» В случае однополярного модулирующего сигнала для обеспечения работоспособности устройства необходимо предусмотреть меры по устранению влияния модулирующего. сигнала на схему регули- рования режима модулятора по постоянному току (ввиду того, что на контрольный фотоприемник попадает не только сигнал, соответствующий опорному сигналу на электрическом входе модулятора, но и информационный сигнал)» Это усложняет реализацию устройства при работе в системе передачи информации с импульсно-адовой модуляцией (ИКМ).

Известен стабилизатор положения рабочей точки модулятора оптической системы передачи информации, состоящий из лазера, поляризатора, анализатора, светоделителя, контрольного фотоприемника, четырех ключевых схем, трех интеграторов, дифференциального усилителя, двух вентилей, четырех пороговых схем, двух триггеров, двух буферов, решающего блока, блока регулирования, блока управления, усилителя модулирующего сигнала, двух аналоговых сумматоров и блока умножения амплитуды»

В данном устройстве лазер, поляризатор, модулятор, анализатор, контрольный фотоприемник соединены последовательно оптически» Выход контрольного. фотоприемника через ключевые схемы связан стремя интеграторами, первый и второй интеграторы связаны с дифференциальным усилителем через аналоговый сумматор, третий - через блок умножения амплитуды, выход дифференциального усилителя соединен с первым и вторым буферами, выходы которых связаны с решающим блоком, соединенным с блоком регулирования, связанным через второй аналоговый сумматор с электрическим входом модулято*

5

915604 6

ра и через четвертую ключевую схему - с четырьмя пороговыми схемами. Первый и второй интеграторы подключены к входам первого триггера, третий и четвертый - к входам второго, триггера, выходы триггеров через вентили связаны с решающим блоком»

Блок управления связан с вторым аналоговым сумматором, а также с управ- ,θ ляющими входами ключевых схем, усилитель модулирующего сигнала соединен с вторым аналоговым сумматором»

Недостатки устройства - низкая надежность, низкая скорость передачи информации в оптическом канале»

Первый недостаток устройства вызван тем, что информация о положении рабочей точки модулятора и необходимой величине постоянного напряжения ²θ смещения извлекается из измерения амплитуда выходного сигнала при подаче на электрический вход.модулятора двух опорных импульсов, амплитуда одного из которых равна полуволновому на- ²$ .пряжению модулятора, амплитуда второго - в два раза ниже» Постоянное ίнапряжение на модуляторе определяется соотношением уровней сигналов на выходе трехканальной аналоговой из- 30 мерительной схемы» Поскольку электрические тракты каналов имеют раз- ’ личную структуру, соотношение сигналов на их выходах в сильной степени зависит от изменения параметров 35 элементов, входящих в состав схемы, что создает возможность потери работоспособности устройства за счет внешних дестабилизирующих факторов»

Низкая скорость передачи информа- 40 дни в оптическом канале объясняется тем, что в каждом такте необходимо предусмотреть передачу двух опорных импульсов, по которым определяется положение рабочей точки модулятора» 45 Поскольку эти импульсы не могут использоваться для передачи информации в оптическом канале, происходит уменьшение пропускной способности канала (скорости передачи информации)» ,50

Из известных устройств наиболее близким по техническому решению является стабилизатор положения рабочей точки модулятора системы с импульснокодовой модуляцией монохроматического 55 излучения, содержащий анализатор для формирования двух каналов, с последовательно расположенными фотоприемниками, ключевыми схемами, сигнальные

входы которых подключены выходом фотоприемников, блок сравнения, выход которого подключен к входу блока регулирования, выход блока регулирования связан с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к электрическому входу модулятора, второй вход является ин-'' формационным, а третий подключен к сигнальному выходу блока управления, причем перед одним из фотоприемников установлен светоделитель<

В указанном устройстве опорный сигнал с амплитудой, равной половине полуволнового напряжения модулятора с выхода блока управления через аналоговый сумматор подается на электрический вход модулятора, а также на управляющие входы ключевых схем. Сигналы с первого и второго контрольного фотоприемника поступают на входа блока сравнения, напряжение на выходе которого зависит от соотношения сигналов, поступающих с контрольных фотоприемников □ По сигналу рассогласования, поступающему с блока сравнения, блок регулирования вырабатывает корректирующее постоянное напряжение, подаваемое через аналоговый сумматор на электрический вход модулятора.

Недостатком устройства является недостаточная скорость передачи информации в оптическом канале» Этот недостаток обусловлен тем, что определенная часть импульсов, генерируемых лазером, используется для передачи опорного сигнала и не может использоваться для передачи полезной информации»

В оптических системах передачи информации с ИКМ используются лазеры, работающие в режиме генерации коротких импульсов, следующих с большой скважностью» Обеспечение хороших энергетических характеристик системы требует _? чтобы в измерительную цепь при помощи светоделителя отводилась небольшая часть мощности излучения, не более 1%. Поскольку длительность оптических импульсов определяется внутренней структурой лазера и не может произвольно меняться никакими элементами указанного устройства, необходимый уровень энергии сигнала, требуемый для достижения достаточной надежности в точности стабилизации по7

915604

8

ложения рабочей уочки может быть обе-ч спечен только соответствующим выбором количества импульсов на тактовом интервале, используемых для пере- $ дачи опорного сигнала.,

Таким образом, в указанном устройстве количество импульсов излучения лазера, не используемых для передачи информации на каждом тактовом интер- ₁₀ вале, не может быть сколь угодно малым, чтобы не ограничивать скорости передачи информации в оптическом канале о Последнее неизбежно приводит к Сокращению коэффициента заполнения тактового интервала в информационном сигнале, что в свою очередь уменьшает скорость передачи информации в оптическом канале.,

Целью изобретения является повы- 20 шение пропускной способности стабилизированного модулятора за счет увеличения коэффициента заполнения тактового интервала в информационном сигналео 25

Для этого в стабилизатор положения рабочей точки модулятора системы с импульсно-ходовой модуляцией монохроматического излучения, содержащий анализатор для формирования двух ка- зо , налов с последовательно расположенными в них фотоприемниками,ключевыми ,"схемами, сигнальные входы которых подключены к выходам фотоприемников, блок сравнения, выход которого подключей к входу блока регулирования, выход блока регулирования соединен С первым входом аналогового сумматора, выход которого, подключен к электрическому входу модулятора, второй ₄₀ вход является информационным, а третий подключен к сигнальному выходу блока управления, причем перед одним из фотоприемников установлен светоделитель, дополнительно введены 45 коммутатор, два интегратора и демультиплексор, причем выходы ключевых' схем подключены ко входам коммутатора, соответствующие выходы которого подключены через интеграторы на ₅θ входы блока сравнения, а. к информационному входу подключен вход демультиплексора, выходы которого связаны с управляемыми входами ключевых схем.,

На фиг„1 показана функциональная ₅₅ схема устройства; на фиг ,2 - 6 временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит модулятор I, анализатор 2, светоделитель 3, аналоговый сумматор 4, контрольные фотоприемники 5, 6, демультиплексор 7, ключевые схемы 8, 9, блок управления 10, блок регулирования 11, коммутатор 12, интегратор 13, 14 и блок сравнения 15„

Работает устройство следующим образом.,

Одновременно с модулирующим информационным сигналом на электрический вход модулятора 1 через аналоговый сумматор 4 подается опорный сигнал (см. фиг„2в), амплитуда которого значительно меньше амплитуды информацион ного сигнала.

На фиг.2а, 4а, 5а показана последовательность импульсов, излучаемых источником монохроматического излучения, на фиг.,26, 4б, 56 - информационный электрический сигнал, вводи№гй в модулятор.

На фиг.2г показан суммарный сигнал на электрическом входе модулятора.. Ее ли рабочая точка модулятора находится в области максимального контраста, информационные импульсы в оптическом канале, совпадающие по времени с положительной и отрицательной частью опорного сигнала, имеют одинаковую амплитуду, как показано на фиг_о2д_оПри смещении рабочей точки вправо от области максимального контраста все ин^А формационные импульсы, совпадающие по времени с положительной частью опорного сигнала, уменьшаются по амплитуде, а совпадающие с отрицательной частью - увеличиваются (фиг₀За), при смещении рабочей точки влево - наоборот (фиго36), Соответственно сигнал на выходе второго контрольного фотоприемника, контролирующего импульсы в информационном канале, имеет вид, показанный на фиг<>4в при расположении рабочей точки в области максимального контраста, 4д - при смещении рабочей точки вправо и 5д - при смещении рабочей точки влево.,

На выходе первого контрольного фотоприемника, который находится на пути луча с поляризацией, перпендикулярной поляризации луча в информационном оптическом канале, появляется сигнал, амплитуда которого равна амплитуде сигнала на выходе второго контрольного фотоприемника., но временное его положение соответствует временному положению логических "нулей" в информационном оптическом ка9

915604

10

нале,, В случае положения рабочей точки на нижнем сгибе характеристики этот сигнал имеет вид, показанный на) фиг»4г, при смещении рабочей точки вправо * на фиг»4е, влево - на фиг,<.5е, Импульсы с контрольных фотоприемников 5, 6 через ключевые схемы 8, 9 поступают на сигнальные входы коммутатора 12» При появлении во входной информационной последовательности логической "единицы" на втором выходе демультиплексора 7 появляется сигнал, открь® ающий вторую ключевую схему 9, открывая тем самым путь сигналу с выхода второго контрольного фотоприемника 6 на коммутатор 12» При появлении логического "нуля" с демультиплексора 7 поступает сигнал,открыв ающий первую ключевую схему 8 и на вход коммутатора 12 поступает сигнал с первого контрольного фотоприемника 5» Таким образом, в каждый момент времени на вход коммутатора 12 поступает сигнал либо с второго контрольного фотоприемника 6, либо с первого контрольного фотоприемника 5, в зависимости от того, какой символ ("1" или "0") передается в ИКМ-последовательности» Коммутатор 12 производит объединение потоков импульсов, следующих как с первого, так и с второго контрольных фотоприемников 5, 6 и распределение его между интеграторами 13, 14»

Коммутатор 12 управляется непосредственно испытательным сигналом, поступающим с блока управления. 10 таким образом, что во время действия положительной части опорного сигнала импульсы с любого его сигнального входа поступают на первый интегратор 13, во время действия отрицательной части опорного сигнала импульсы как с первого, так и со второго сигнального входа коммутатора поступают на второй интегратор 14»

З.а время действия положительной части опорного сигнала на первый интегратор поступают импульсы 16, 17,

19, с второго контрольного фотоприемника (логические "единицы") и импульсы 18, 20, 21 с первого контрольного фотоприемника (логические "нули"), за время действия отрицательной части опорного сигнала на второй интегратор поступают импульсы 23, 26, 27 со второго контрольного фотоприемника

* (логические "единицы") и импульсы 22,

24, 25 с первого контрольного фотоприемника, как показано на фиг»4в;г» Если рабочая точка модулятора находится в области максимального конт$ траста (фиг„2е), амплитуда импульсов, попавших на первый интегратор (импульсы 16—21) , равна амплитуде импульсов, попавших на второй интегратор (импульсы 22-27 фиг»4а), в результате чего сигналы на входах блока сравнения 15 имеют одинаковый уровень и корректирующее напряжение На выходе блока регулирования 11, связанного с

,5 блоком сравнения 15, равно нулю_о При смещении рабочей точки, например вправо (фиг»За) это равенство нарушается. Уровень импульсов 16-21, попавших на первый интегратор (фиг»4д,

20 е,ж), оказывается ниже уровня импульсов 22-27, попавших на второй интегратор» При смещении рабочей точки влево от области максимального контраста это равенство нарушается в дру~

25 гую сторону, как показано на фиг»5_о На фиг.5 а,б показаны соответственно оптические импульсы, генерируемые лазером, и модулирующий сигнал; на фиг.5в,г - импульсы на выходах демуль30 типлексора 7; на фиг.5д,е - импульсы на выходе второго и первого фотоприемников 6,5; на фиг»5ж - импульсы на первом и на втором интеграторах» Поскольку опорный сигнал периодичес32 кий, а постоянная времени интеграторов выбирается существенно больше периода следования опорного сигнала,

.на выходе интеграторов вырабатывается некоторое среднее напряжение, про40 порциональное амплитуде импульсов, несмотря на то, что они поступают на интеграторы сериями, поочередно (фиг»6а,б)_о По абсолютной величине и знаку разности сигналов, поступаю45 щих с интеграторов 13, 14,на выходе блока сравнения 15 вырабатывается сигнал рассогласования, по величине которого блок регулирования 11 вырабатывает корректирующее напряжение,

50 которое через аналоговый сумматор 4 подается на электрический вход модулятора 1» Корректирующее напряжение возрастает до тех пор, пока рабочая точка модулятора не окажется в об55 ласти максимального контраста (фиг»

Сравнение заявляемого устройства с

известным удобно проводить, используя приведенные ниже соотношения» Если излучение лазера представляет собой

915604 последовательность оптических импульсов, каждый из которых описывается функцией Л(е), например, функцией Гаусса с эффективной длительностью С ,'амплитудой А и интервалом ® следования йъ (частотой повторения Г = 1/й£), причем из каждых N импульсов излучения для передачи опорного сигнала используется ή импульсов, ам- ,θ плитуда которых А/2 (поскольку в электрическом тракте амплитуда опорных импульсов в два раза ниже полуволнового напряжения модулятора), а остальные Ν-η импульсов используются для целей передачи информации, то в известном устройстве:

1_О Энергия каждого оптического импульса, используемого для обеспечения стабилизации положения рабочей 20 точки (тоео передачи в оптический канал опорного сигнала) определяется выражением: С

И_о = 0,5 к I Ш (Ь) ДС, где к - коэффициент ответвления энер- 25 гии в измерительную цепь, т.е. на контрольный фотоприемник (обычно к = =0,01)»

2« Энергия оптического импульса, используемого для передачи информа- зо ции

щ = (1-к) Ч .

3. При извлечении информации о положении рабочей точки в данном устройстве используется сигнал с интег- 35 ральной мощностью

Р = п ‘ И„!:0,5 нк№, ,

40

Величина Р определяет надежности и достоверность работы устройства и не может выбираться произвольно„Пусть для обеспечения заданной надежности и достоверности требуется мощность сигнала в измерительной цепи Р_о» ТогI 2

да количество импульсов лазера в единицу времени, которое должно предназначаться для обеспечения работоспособности стабилизатора

η = Ро/Ио Р_о/0,5 кИ_д,

где - энергия импульса, излучаемая лазеромо

4„ Коэффициент заполнения тактового интервала (оптического канала), который равен отношению количества импульсов, генерируемых лазером, используемых для передачи информации (численно равное Ν-η) к общему количеству импульсов в единицу времени

Г ΊΓ^{= Ι} - Р_о/0,5кМ_А. Р,

Из последнего соотношения видно, что увеличение надежности и достоверности работы стабилизатора требует увеличения мощности сигнала в измерительном канале, что неизбежно приводит к уменьшению коэффициента заполнения тактового интервала, или, что то же самое, скорости передачи информации в оптическом канале„ Далее, уменьшение абсолютного значения частоты повторения импульсов и увеличение их скважности (сокращение длительности импульса) резко ухудшает коэффициент заполнения тактового интервала» В описываемом устройстве не требуется выделения импульсов излучения лазера, которые бы не использовались для передачи полезной информации, поскольку информация о положении рабочей точки модулятора извлекается непосредственно из оптических сигналов на выходах анализатора во взаимно ортогональной поляризации лучей, что приводит к увеличению коэффициента заполнения тактового интервала до предельно возможного значения, равного единице»

915604

/

7Г

Фиг. 2

915604

β π ιβ ΐ3 го я я гз г» ΰ ΰ η

π π η,
« Π 8 23 Я 27 Π Π Π Π ΠίΕ,
и гч ?ι гг а а Π пл π π π ,
1} «π 13 ’ Γ ππ π	а .	п (
гг II X 11 ί π· ΠΠ .	я я -1 г ί
η а г η ιι а гч гг [Ί Г п пп ппп	я я я	27 2

Φια 4

915604

πππππππππππ

пп п π п

п ппп пп

Фиг. 6

Claims (2)

1. СТАБИЛИЗАТОР ПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ МОДУЛЯТОРА СИСТЕМЫ С ИМ‘_;ПУЛЬСНО-КОДОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ МОНОХРОМАТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий анализатор для формирования двух каналов с последовательно расположенными в них фотоприемниками, ключевыми схемами, сигнальные входы которых подключены к выходам фотоприемников,блок сравнения, выход которого подключен
2. 2

   к входу блока регулирования, выход блока регулирования соединен с первым входом аналогового сумматора, выход которого подключен к электрическому входу модулятора, второй вход является информационным, а третий подключен к сигнальному выходу блока управления, причем перед одним из фотоприемников установлен светоделитель, о тличагощий ся тем, что, с целью повышения пропускной способности стабилизированного модулятора за счет увеличения коэффициента заполнения тактового интервала, в него дополнительно введены коммутатор, два интегратора и демультиплексор, причем выходы ключевых схем подключены к входам коммутатора, соответствующие выходы которого подключены через интеграторы на входы блока сравнения, а к информационному входу подключен вход демультиплексора, выходы которо-. го связаны с управляемыми входами ключевых схем.

   ΟΊ

   О