Статья_Денис. Исследование фотоприемника волоконнооптической системы передачи фио

• Название: Исследование фотоприемника волоконнооптической системы передачи фио
• Анкор: Fiber
• Дата: 29.12.2021
• Размер: 0.81 Mb.
• Имя файла: Статья_Денис.doc
• Тип: Исследование; #321944

УДК

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОПРИЕМНИКА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

ФИО

В статье рассматривается расчет основных параметров фотоприемного устройства ВОЛС в диапазоне скоростей передачи 1-10 Гбит/с с длиной волны 1,55 мкм и исследование полученной схемы.

Ключевые слова: волоконно-оптическая линяй связи, линейный код, фотоприемник, PIN-фотодиод, лавинный фотодиод

Использование волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) началось примерно 40 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли. К числу наиболее прогрессивных технологий можно отнести технологию сверхплотного волнового мультиплексирования по длине волны DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей.

Целью данной статьи является расчет основных параметров фотоприемного устройства ВОЛС в диапазоне скоростей передачи 1-10 Гбит/с с длиной волны 1,55 мкм и исследование полученной схемы.

Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. 
   Исходя и заданной скорости передачи и типа кодирования, определить необходимую длительность тактового интервала и требуемую ширину полосы частот фотоприемного устройства.
   
2. 
   Исходя из заданной вероятности ошибки, определить минимально необходимое соотношение сигнал-шум на выходе фотоприемного устройства (SNR).
   
3. 
   Выбрать требуемый тип фотоприемника.
   
4. 
   Выбрать схему каскада усиления фотоприемника.
   
5. 
   Проанализировать пути и способы улучшения чувствительности разработанного фотоприемника.
   

Поиск и подбор типов и технических характеристик выпускаемых промышленностью фотодиодов, транзисторов и фотоприемников осуществлялся по современной справочной литературе (не ранее 2000 года издания).

Расчет проводился для следующих исходных данных: скорость передачи информации – В = 1.2 [Гбит/с], допустимый коэффициент ошибок – BER = 10^-10, тип кодирования сигнала – NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) для типа усилителя фотоприемника – с низким входным сопротивлением. В ходе исследований расчеты были выполнены с помощью математического пакета MathCad, моделирование проводилось с применением пакета Multisim 10.

1. 
   Определение требуемой ширины полосы частот ФП и длительности тактового интервала.
   

Сигналам оптических систем передачи должны соответствовать определенным требованиям, а именно:

• 
  Узкая ширина спектра сигнала в полосе пропускания без постоянной составляющей.
  
• 
  Основная доля энергии непрерывной составляющей энергетического спектра должна быть сосредоточена в относительно узкой части спектра, так как при прочих равных условиях, чем уже спектр, тем меньше искажения сигнала за счет ограничения полосы линейного тракта.
  
• 
  Линейный код должен содержать информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала.
  
• 
  Низкий уровень непрерывной части энергетического спектра в области тактовой (либо кратной ей) частоты, используемой для синхронизации приема для снижения уровня помех.
  
• 
  Код передачи должен содержать любую двоичную последовательность и обеспечивать однозначную передачу сигналов с любой статистикой.
  
• 
  Надежность контроля достоверности передачи в процессе автоматической эксплуатации ВОСП путем контроля ошибок при формировании сигнала.
  
• 
  Простота и экономичность устройства кодирования, декодирования и контроля ошибок с возможностью интеграции схемы.
  
• 
  Линейный код должен иметь малую избыточность для снижения соотношения между скоростью передачи в линии и скоростью исходных двоичных сигналов и повышения эффективности ВОСП.
  
• 
  Применяемый линейный код не должен приводить к существенному увеличению ошибок при декодировании.
  

Поскольку оптический сигнал не может принимать отрицательные значения, постольку невозможно использовать биполярные коды, применяемые при передаче сигналов по проводным линиям. Блочные коды имеют либо постоянную, либо переменную длину, причем в ВОСП обычно используются коды с постоянной длиной. Формирование блочных кодов с постоянной длиной mBnB (m≥2, n>m), где, как правило, n=m+1 (реже n= m+2), представляется кодовыми таблицами (алфавитами). Избыточность в кодах используется для получения нужных характеристик кода, но за счет увеличения скорости передачи символов и оптических потерь. В основном используются блочные (алфавитные) коды с проверкой на четность или со взвешенным кодированием. В первом случае к группе из т символов исходной двоичной последовательности NRZ-L добавляется один контрольный символ «1» или «0» так, чтобы сумма элементов новой комбинации n = m+l содержала четное число единиц. Одиночные ошибки в этом случае обнаруживаются при нарушении четности контролируемой комбинации.

При рассмотрении вопроса формирования алгоритмов кодов класса 1В2В удобно принять, что элементарные импульсы имеют прямоугольную форму и их длительность Т или Т/2 (за исключением кода RZ-25%, в котором длительность элементарного импульса равна Т/4). Заметим, что элементарные импульсы в линии заметно отличаются от идеальной прямоугольной формы и их часто аппроксимируют в виде гауссовской, трапецеидальной и других форм.



Рис.1. Элементы видеоимпульсных сигналов линейного тракта ВОСП

В этих кодах передний фронт импульсов совпадает с границей либо серединой тактового интервала.

Таблица 1. Характеристики безызбыточных кодов и кодов класса 1В2В.

Тип линейного кода	n/m
NRZ-L	1	—			0,86/T
NRZ-M	1	—			0,86/T
NRZ-S	1	—			0,86/T
RZ-50	1	0,5		1	1,72/Т
BI-L	2	0,5	2	2	2,96/Т
ВI-М	2	0,5	2	2	2,96/Т
DBI	2	0,5	2	2	2,96/Т
BI-S	2	0,5	2	2	2,96/Т
ЕР-1	2	0,5	4	4	1,52/T
ЕР-2 CMI Миллера Радева—Стоянова	2 2 2 2	0,5 0,5 0,5 0,5	4 3 4 4	4 3 4 4	1,70/Т 1,70/Т — —

Правила кодирования (рис.1) и распределения спектральной плотности различных кодов передачи (рис.2) представлены на графиках:



Рис.1 Рис.2

1-NRZ; 2-RZ; 3-BI-L; 4-BI-S; 5-Код с «обращением»; 6-электронно-фотонный код1; 7-электронно-фотонный код 2.

Как видно из рисунка, NRZ обладает узкой шириной спектра. Сигналы NRZ и RZ имеют максимум спектральной плотности в узкой полосе частот.

NRZ (без возвращения к нулю на тактовом интервале - абсолютный) - точно повторяет информационную последовательность. Сигнал RZ можно рассматривать как код 1В2В. Единицам в исходной последовательности соответствуют комбинации 10, нулям- комбинации 00. Возвращение к нулю после передачи каждой единицы повышает качество синхронизации при повторении большого числа единиц. Коды BI-L и BI-S называются биимпульсными. В абсолютном биимпульсном сигнале BI-L единицам в исходной последовательности соответствует блок 10, нулям- 01. В относительном биимпульсном сигнале BI-S изменение уровня или фазы происходит лишь при появлении символа 1, а при появления символа 0 сохраняется значение уровня или фазы предыдущего элемента. Применение блочных кодов mBnB вызывают увеличение тактовой частоты линии в n/m раз. Коды 1В2В применяются только в системах с относительно низкой скоростью передачи.

Определяющим параметром для расчета потребной ширины полосы частот занимаемой сигналом является избыточность кода, а также относительная скорость передачи, характеризующая увеличение тактовой частоты при применении данного блочного кода.

Очевидно, что чем меньше избыточность кода, тем меньше разница между скоростями. Существует ряд критериев выбора кода. В нашем случае код будем считать заданным, это NRZ код, простейший код, представляющий собой обычный цифровой сигнал. Логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения в кабеле, логической единице – низкий уровень напряжения (или наоборот, что не принципиально).

2. 
   Определение требуемого отношения сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства (SNR)
   

Искажения сигнала, в особенности шумом, приводит к принятию ошибочных решений и поступлению к получателю некоторого числа ложных сигналов в двоичной форме. Качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок, под которым понимают отношение числа ложных битов на входе приемника к общему числу принятых битов. Исходя из заданного допустимого коэффициента ошибок (BER), определим минимально необходимое соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства (SNR). Усложнение операции принятия решения из-за искажения сигнала на выходе происходит по двум причинам:

• 
  ограниченной полосы пропускания приемника и линии связи. Форма принимаемого импульса отличается от формы передаваемого импульса. Наблюдаются хвосты импульса вне рабочего промежутка времени и перекрытие с соседними импульсами – так называемая межсимвольная помеха;
  
• 
  на полезный сигнал накладывается напряжение случайного шума, мгновенная амплитуда которого может быть сравнима с порогом.
  

На практике обычно нельзя уменьшить влияние обоих эффектов одновременно. В реальности влияние первого фактора достаточно мало по сравнению с влиянием шума, и в расчетах им можно пренебречь. Искажение сигнала шумом, приводит к поступлению к получателю некоторого числа ложных сигналов в двоичной форме и принятию ошибочных решений. Качество восстановленного сообщения характеризуется коэффициентом ошибок, под которым понимают отношение числа ложных битов на выходе приемника к полному числу полученных битов.

Представим напряжение сигнала в виде случайной величины с нормальным законом распределения со стандартным отклонением σ_u. Она центрирована на u, когда излучается символ «1», и на нуле при передаче «0». Поэтому условная вероятность приема символа «0» при передаче символа «1» будет равна вероятности того, что напряжение на выходе приемника будет ниже порога u_s .

Тогда, выражение для этой вероятности имеет вид:



Аналогично условная вероятность приема символа «1», когда передается символ «0», равна:



С помощью замены переменной:



,

где



- дополнительная функция ошибок. Символы «1» и «0» считаются равновероятными, значит полная вероятность ошибки, равна:



Учитывая, что вероятность ошибки одинакова для каждого символа:



Принимая во внимание приведенные выражения, получим следующее значение порога:



Выражение для вероятности ошибки примет вид:

,

где



Введение параметра Q вызвано тем, что его величина пропорциональна SNR, определяемому обычно для цифровых систем связи как отношение максимального напряжения сигнала к действующему значению напряжения шума.

Q = SNR/2

Рассчитаем требуемое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства. Для повышения точности расчета, используем математический пакет MathCad:



В = 3×109 P(Q) = 10^-10

Рис. Графическое изображение функции P(Q) = BER(Q).

По представленному графику для BER(Q), учитывая, что BER = 10^-10, определим параметр Q: Q = 6.4 Из формулы

Q = SNR/2 => SNR = 2×Q = 12.8

Получаем, что минимально необходимое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемного устройства SNR = 12.8.
3. Выбор требуемого типа фотоприемника.

Для приема излучения могут использоваться фотодиоды. Это - полупроводниковые приборы на основе кремния, германия и соединений элементов третьей и пятой групп. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются по данным источника излучения, электрическом режиме и температуре. Наиболее подходящими для применения в ВОСП являются полупроводниковые PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД или APD).

Выбирая фотодиод, в требуемом спектральном диапазоне, необходимо обеспечить максимально возможную чувствительность, и минимальные емкость, темновой ток, эквивалентную мощность шумов. Остановимся на ЛФД модели NR8300FP-CC от производителя NEC Compound Semiconductor Devices Inc. в первую очередь по уровню темнового тока, требуемым частотным характеристикам и величине умножения. Он имеет следующие характеристики:

модель	Fв, ГГц	Id, нА	S, А/Вт	C, пФ	M	F	dакт, мкм
NEC Compound Semiconductor Devices NR8300FP-CC	2.5	5	0.96	0.35	30	5 при М=10	30

4. 
   Выбор входного каскада усилителя ФПУ
   

Для усиления сигнала фотодиода, представляющего собой идеальный источник фототока, шунтированный резистором R₀, общепринято применение трансимпедансной схемы усилителя, которая преобразует ток в напряжение с резистивным измерительным элементом R_f (рис.7). Выходным сигналом ФУ является напряжение U_s = R_f I_PhD. В качестве активного элемента такой схемы обычно используют операционные усилители (ОУ), при этом результирующий шум на входе ОУ можно записать в следующем виде:



Рис. 7. Схема приемника оптического излучения с низким входным сопротивлением




где индексом «ОР» обозначены шумы, относящиеся к ОУ. Так как величина R_f обычно много больше R₀ , то последним слагаемым под корнем можно пренебречь. Второе и третье слагаемые определяют шумы, вносимые усилителем, при этом их величина возрастает при малых R₀. С учетом шумов усилителя эквивалентная пороговая мощность ФУ NEP_Σ увеличивается:



и, соответственно, ухудшается результирующая пороговая мощность. В настоящее время для усиления слабых сигналов используются ОУ 2 классов:

• 
  ОУ с входным каскадом на биполярных транзисторах, обладающие наиболее низкими значениями шумов по напряжению (менее 1нВ/√Гц), но значительными токовыми шумами (пА/√Гц);
  
• 
  ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах, обладающие самыми низкими токовыми шумами (единицы фА/√Гц), но существенными шумами по напряжению (единицы нВ/√Гц)
  

Можно показать, что схемы, выполненные на ОУ фирмы Analog Device AD 797 на биполярных транзисторах (e_{n_OP} = 0.9 нВ/√Гц), i_{n_OP} = 2 пА/√Гц) и AD 8610 на полевых транзисторах (e_{n_OP} = 6 нВ/√Гц), i_{n_OP} = 5 фА/√Гц), являющихся одними из лучших в своем классе позволяют реализовать предельную пороговую чувствительность. Фотоприемное устройство, как правило, работает при уровнях входной мощности, превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности работы, т. к. с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается. В качестве схемы усиления применим низкоимпедансный усилитель, учитывающий емкость ЛФД. В отличие от усилителя, независимо от устройства, подключенного к нему, на низкоимпедансный усилитель оказывает влияние изменение характеристик ЛФД, подключаемого к нему. Схема предварительного усилителя показана на рис. 10. Расчет характеристик приведен в даташите на OPA847. Шум усилителя. Предлагается использовать ИС OPA847ID для усиления сигнала. У него два основных источника шума. Первый источник шума входного напряжения – шум по даташиту, связанный с входным сигналом; его коэффициент шума входного напряжения α = 0,85нВ/ Гц.

Предложим, что полоса пропускания частот – 9 ГГц. Выходное напряжение шума будет:

U_a= k×α×√B = 13.2×10³ ×0.85×10^-12 ×10⁵ = 1.1 мВ

Вторым источником шума является температурный шум:

U_th = = = 1.2 мВ

Шум, создаваемый ЛФД, усиливается, и величина усиленного сигнала шума равна:

U_ph = k = 13,2×10³ = 0,0802 мВ

Тогда суммарный выходной шум будет: U_n = 1.1 + 1.2 +0.08 = 2.38 мВ.

Уровень сигнала по нашим расчетам, проведенным выше должен превышать уровень шума в 12.6 раза и составит 30 мВ.

Итак, на основе предлагаемой схемы должна быть обеспечена величина выходного сигнала не менее 1 B и, следовательно, блок обработки сигнала в этом случае сможет выполнить последующую обработку этого сигнала из фотоприёмного устройства.



Рис. 10. Электрическая схема высокочастотного усилителя с большим динамическим диапазоном.

Приведенная схема была реализована на практике с помощью пакета моделирования Multisim 10. Результаты исследования данной модели приведены ниже



Схема инвертирующего усилителя



а)



б)

Диаграммы сигналов на входе и выходе инвертирующего усилителя: канал А – входной сигнал (NRZ - код), канал В – выходной сигнал.

а) Коэффициент усиления – 50 при длительности входного импульса 5 нс и периоде следования 30 нс.

б) Коэффициент усиления > 50 при длительности входного импульса 15 нс и периоде следования 50 нс.



Амплитудо- и фазочастотные характеристики усилителя

4. 
   Способы улучшения чувствительности фотоприемника
   

1. 
   Использование кодов с меньшей шириной спектра.
   
2. 
   Использование более дорогих и совершенных компонентов фотоприемного устройства.
   

Большинство современных устройств для высокоскоростных систем волоконно-оптических систем связи проектируются под использование с кодом NRZ, поскольку он является основным на скорости свыше 200Мбит/c. Они строятся на основе лавинных фотодиодов в совокупности с трансимпедансным усилителем, а также состоят из современных высококачественных компонентов.
Список использованной литературы

1. 
   А.Козанне, Ж.Флере, Г.Мэтр, М.Руссо «Оптика и связь», М., Мир, 1984г
   
2. 
   Э.А.Шевцов, М.Е.Белкин «Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи», М., Радио и связь, 1992г.
   
3. 
   М.Кауфман, А. Сидман «Практическое руководство по расчетам схем в электронике», справочник, т.2, М., Энергоатомиздат, 1993г.
   
4. 
   Дж.Гауэр «Оптические системы связи», М., Радио и связь, 1989г.
   
5. 
   Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справочник/И.И. Гроднев, А. Г. Мурадян, Р. М. Шарафутдинов и др. — М.: Радио и связь, 1993. — 264 с.: ил. C. 89.
   
6. 
   «Оптические системы передачи» , под ред. В.И.Иванова , М. ,Радио и связь, 1994 г.
   
7. 
   В.А.Арсеньев,Ю.Т.Давыдов “ Приемные устройства оптического диапазона “, М. , Изд . МАИ , 1992 г.
   
8. 
   http://www.chip-dip.ru
   
9. 
   http://www.chipfind.ru
   
10. 
    http://ru.wikipedia.org
    
11. 
    http://www.excode.ru