автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Исследование методов повышения помехоустойчивости цифровых волоконно-оптических систем передачи с поляризационным разделением каналов

АКАДНШ НАУК БЕЛОРУССКОЙ ССР ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Для служебного пользования

Экз.

СОБОРОЕА ИРИНА ГЕВОНДОВНА

УДК 621.396.^.029.7: 535.5

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЬШШ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ЦИФРОВЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТШ ПЕРЕДАЧИ С ШШРИЗАЦИОННШ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ

(Специальность 05.12.20 - Оптические системы локации, связи

и обработки информации)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК 1990

"У

Работа выполнена в Пинской радиотехническом институте

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Алишев Я.В.

Научный консультант - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Урядов В.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Колесников П.Ы. ;

кандидат технических наук Виэнер A.A.

Ведущая организация - Горьковский научно-исследовательский институт радиотехники (г.Горький)

Защита состоится " % " l^ffiiaTjlJ 1990 г. в dü г~ часов на заседании специализированного совета K.006.20.0I при Институте электроники АН БССР по адресу: £¿0841, г.Минск-90, Логойский тракт, Zi.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электроники АН БССР.

Автореферат разослан " -Э "НОЯ¿)р> Л 1990 г. Учетный секретарь ,,

специализированного совета, '■>--А К ЕСМАН

Институт электроники Академии наук БССР, 1990

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), основанных на широко используемых в настоящее время методах разделения сигналов в электрическом тракте, затруднено недостаточным быстродействием современных электронных устройств и не позволяет реализовать потенциальные возможности волоконных световодов (ВС). Одним иэ наиболее перспективных путей кардинального увеличения пропускной способности ВОСП является использование оптически методов разделения каналов: пространственного, спектрального и поляризационного.

При построении ВОСП на основе многомодовых ВС наиболее эффективным является пространственный метод разделения, но его применение затруднено сложностью разделения каналов на передающей и приемной сторонах.

В высокоскоростных ВОСП ка основе одномодовых ВС в основном применяется метод спектрального разделения, но его реализация ограничена высокими требованиями к устройствам фильтрации излучения соседних каналов из-за узкого диапазона допустимого положения спектральной линии излучателя.

Начало производства одномодовых ВС с сохранением поляризации излучения позволяет создавать ВОСП с поляризационным разделением каналов (ПРК), возможности которых на сегодняшний день не исследованы.

Метод поляризационного разделения может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами оптического разделения, что позволит при этом увеличить пропускную способность ВОСП в дза раза.

Несмотря на большое число публикаций, посвященных разработке и исследованию ВС с сохранением поляризации, ряд важных вопросов, связанных с■использованием их в системах передачи; разработан в недостаточной степени.

Так, в известных работах не исследована помехоустойчивость ВОСП с ПРК в сравнении с другими методами оптического разделения. Не разработаны принципы построения однонаправленных и двунаправленных поляризационных ВОСП с учетом влияния переходных помех. Не разработаны методы, позволяющие снизить это влияние, либо скомпенсировать действие переходных помех. Кроме того, не разработаны методы контроля поляризационных характеристик ВС по всей их длине.

Отсутствие ответов на перечисленные выше вопроси затрудняет использование ПРК в ВОСП и осложняет отработку технологии выпуска ВС с сохранением поляризации излучения.

Цель работы и задачи исследований заключались в решении комплексной проблемы по разработке теоретических основ помехоустойчивости ВОСП с поляризационным разделением каналов, разработке на этой основе принципов построения систем, исследованию методов повышения их помехоустойчивости и измерения поляризационных характеристик ВС. Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

- разработать принципы построения однонаправленных и двунаправленных ВОСП с ПРК;

- исследовать влияние переходных помех на помехоустойчивость ВОСП с ПРК;

- разработать и исследовать методы, снижающие влияние переходных помех ;

- разработать методы оперативного контроля поляризационных характеристик одномодовых ВС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- получены аналитические выражения для определения мощности переходных помех б однонаправленных и двунаправленных ВОСП с поляризационным разделением каналов на основе ВС, сохраняющих состояние поляризации излучения ;

- определены'зависимости оптимального порогового уровня решающего устройства фотоприемника, минимизирующего вероятность ошибки в системах передачи и коэффициента преобразования оптимального линэйного кода, минимизирующего требуемую мощность на входе фотоприемника от уровня переходной помехи в однонаправленных и двунаправленных ВОСП соответственно ;

- предложен способ раздельной обработки информационного и

»

синхросигналов в фотоприемном устройстве, позволяющий повысить \ чувствительность информационного канала на 2...3 дБ и обеспечить заданное качество приема при переходной помехе на один - два порядка большей мощности (пол.реш. № 461522/24-09 от 15.12.89) ;

- исследованы методы обработки сигналов на приемной стороне, позволяющие снизить влияние переходных помех на 20...30 дБ в зависимости от уровня переходных помех ;

- разработан автоматизированный метод неразрушающего контроля осноеных поляризационных характеристик по всей длине ВС, основанный на внесении в него двух искусственных неоднороднос-тей, расположенных на известном расстоянии друг от друга.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработана инженерная методика расчета помехоустойчивости ВОСП с ПРК с учетом влияния переходных поуех ;

- разработана методика определения оптимального линейного

кода, позволяющего обеспечить наилучшую помехоустойчивость двунаправленных ВОСП с ПРК в зависимости от параметров оптического тракта;

- создан лабораторный макет установки для определения основных поляризационных характеристик по всей длине ВС.

Результаты работы использованы в НИИ радиотехники (г.Горький) и в НПО "1{вант" (г.Киев) с реальшм экономическим эффектом 96 тыс.руб.

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Теоретические соотношения и расчетные формулы для определения переходных помех в однонаправленных и двунаправленных ВОСП с ПРК.

'¿. Методы и схемотехнические решения построения приемо-пе-редапцих устройств ВОСП, уменьшающие влияние переходных помех.

3. Автоматизированный метод ньразрушалцего контроля поляризационных характеристик по всей длине ВС.

Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на ХШ Межотраслевой НТК "Передача цифровой информации по оптическому волокну" (г.Киев, 1984 г.), Всесоюзном НТС "Совершенствование средств связи на основе внедрения светозо-локонной и микропроцессорной техники" (г.Москва, 1906 г.), Всесоюзном НТС "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (г.Барнаул, 1966 г.), Всесоюзном НТС "Координатно-чувствитвлъные фотоприёмники" (г.Варна;'л, 1987 г.), 32-м Международном коллоквиуме (ГДР, г.Ильменау, 1967 г.), Республиканской НТК "Передача цифровой и аналоговой информации го каналам связи" (г.Рига, 1988 г.), Всесоюзном НТС "Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи"

(г.Москва, 1988 г.), Республиканской НТК "Перспективы развития широкополосных ВОСП и проблемы их внедрения в республике" (г.Минск, 1989 г.). Всесоюзной НТК "Оптический радиоволновой и тепловой методы.нераэрушаквдего контроля" (г.Могилев, 1289 г.), на конференциях профессорско-преподавательского состава аспирантов и сотрудников Минского радиотехнического института.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 3 статьях, 3 описаниях к авторским свидетельствам и тезисах докладов на одном Международном коллоквиуме, 5 Всесоюзных и 5 Республиканских конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит, из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 103 страницах машинописного текста, иллюстрированного рисунками, схемами, графиками и таблицами на 30 страницах, библиографии 64 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава . посвящена анализу проблемы создания ВОСП с ПРК. В результате анализа современного состояния исследований методов оптического разделения каналов в ВОСП была обоснована необходимость определения эффективности применения ПРК, разработки принципов построения однонаправленных и двунаправленных ВОСП с ПРК с учетом влияния переходных помех, разработки методов, позволяющих уменьшить это влияние, либо скомпенсировать действие переходных помех.

- в -

Анализ методов повыиения помехоустойчивости ВССП с ПРК показал, что многие вопросы, которые касаются выбора оптимального линейного кода, обеспечения .стабильности тактовой синхронизации, снижения влияния переходных помех, в известной литературе не рассмотрены, что препятствует при организации ПРИ обеспечению высокой помехоустойчивости приема сигналов.

Проведена сравнительная характеристика методов измерения параметров одномодовнх ВС, сохраняющих состояние поляризации излучения, которая показала, что известные методы отличаются большой трудоемкостью и требованием разрушения ВС, что затрудняет их применение для контроля параметров ВС в действующих ВОСП, поэтому практическое применение таких ВС требует разработки более простых и эффективных методов оперативного контроля, не уступающих по точности измерения известным.

Во второй главе исследуется помехоустойчивость однонаправленных и двунаправленных ВОСП с ПРК. При рассмотрении процессов, происходящих в однонаправленных ВОСП, отмечено, чго в результате флуктуации положения главных оптических осей ВС по его длине, возникает связь между канальными сигналами (ортого-нально-поляризованнь<ми модами излучения). Поэтому сигналы на входах ФП системы будут содержать полезную составляющую и помеху соседнего канала. Учитывая, что переходная помеха представляет собой процесс стационарной в широком смысле, получено выражение для определения ее мощности

•Р„ =

(I)

где А ~ чувствительность фотодетектора; с = с*/3 (0 • , бхр(- ¿) - коэффициент преобразования сигнала

помехи при прохождении по ВС ; сА- - коэффициент затухания; А - коэффициент поляризационной модовой связи ; ^ - расстояние вдоль оси ВС ; Ро,~Г - средняя мопность и период импульсов информационного сигнала; р -.априорная вероятность появления единичного символа ; ¿Г - спектральная плотность

сигнале ; Н/С, (/) - коэффициент передачи ;

С< (/) 1 Сг (/) - спектральные плотности сигналов на входе и выхода ФП.

В предположении, что формы сигналов в соседних каналах одинаковы, а р> - ~ , похучеш выражения для мощности переходной помехи при различных формах импульсов на выходе СП:

а) экспоненциальная 'форма

Рл =г-С4-Д^ /*& ; (2)'.

б) к^инусная форна

РП ■ (3,

в) гауссова форма причем

/5 -^/т - коэффициент заполнения тактового интервала I импульсами длительностью .

В результате оценки величины переходных помех показано, что применение ЛРК в однонаправленных ВОСП с использованием отечественных анизотропных ВС целесообразно при небольшой длине линии передачи (0,5...5 км). Эффективность такого метода возрастает при увеличении скорости передачи свыше 100 Мбит/с. Предложено снизить влияние переходных помех путем правильного выбора АЧХ

корректора Ш - при косинусной фйрые выходного импульса уровень помехи на 8 дБ ниже, чей при экспоненциальной и на 12 дБ ниже, чем при гауссовой.

Исследование помехоустойчивости приема некоррелированных цифровых потоков в однонаправленных БОСП показало, что при увеличении коэффициента экстинкиии ВС более -20 дБ вероятность ошибки резко возрастает, при этом оптимальное значение порогового уровня решающего устройства смещается в сторону больших значений. Показано, что оптимизация порогового уровня ( Uncp ) с учетом влияния переходной помехи ( Un ) позволяет снизить вероятность ошибки.

Теоретическое исследование влияния переходных поляризационных помех на помехоустойчивость двунаправленных ВОСП показало, что при скоростях передачи до I Гбит/с применение Г£РК по сравнение со спектральным разделением позволяет повысить чувствительность ФП на 5...20 дБ в зависимости от скорости передачи и затухания в ВС. Получено выражение для определения мощности переходной помехи, обусловленной рэлеевским рассеянием сигнала, которая является основный фактором, снижающим помехоустойчивость таких систем, если применением специальных схем скомпенсирована переходная "помеха, обусловленная френелевским отражением:

H = ¿Т -5 •<//,• V, (5)

где S - фактор обратного рассеяния ; - коэффициент

рзлеевского рассеяния ; ^ - групповая скорость излучения ; ^ - ииршс импульса на уровне 0,5.

Предложена методика расчета помехоустойчивости ВОСП с IIPK

с учетом влияния нестабильности тактовой синхронизации. Показано, что ухудшение стабильности синхросигнала, вызванное влиянием лишь собственных шумов ФП, увеличивает рош на порядок по сравнению с идеальной синхронизацией, а влияние переходной поляризационной помехи с уровнем -<¡0 дБм увеличивает р^ еще в три раза.

В третьей главе приведены результаты исследования методов, позволяющих уменьшить влияние переходных помех, либо скомпенсировать их. На основе анализа статистических свойств смг?и сигнала и переходной помехи в однонаправленных ВОСП получено уравнение, позволяющее определить оптимальный пороговый уровень решающего устройства, установка которого позволяет сохранить прежнее качество приема при уровне помехи на 5...8 дБ вьтае

2 екр[а*(у- е*р^яг(к у)]^ /. (б)

где У=и„р/ие ; Х=и„/ие ',а=и./с- .

Использование численны* методов позволяет решить данное уравнение при помощи ЭЕМ.

Предложен метод раздельной обработки информационного и синхросигналов в ФП, который позволяет при использовании лавинного фотодиода реализовать режим нелинейной обработки информационного сигнала и повысить за счет этого чувствительность ®П на 2...3 дБ, что обеспечивает заданное качество приема при переходной помехе на порядок более мойной.

С целью повышения помехоустойчивости ВОСП в работе исследованы методы компенсации переходной поляризационной помехи. В

- и-

однонаправленных БОСП такой метод может быть реализован путем управления пороговым уровнем решамцего устройства синхронно с действием помехи. Другой вариант компенсации переходной помехи в однонаправленных ВХП заключается в выборе коэффициентов корректоров таким образом, чтобы на их выходах получить помеху соседнего канала и вычесть ее из сигнала до подачи его на решающее устройство. Повышение помехоустойчивости двунаправленных ВОСП, как показано в работе, может быть достигнуто компенсацией помехи, обусловленной френелевским отражением от противоположного конца линии передачи.

Четвертая глава посвящена разработке метода керазрушающе-го контроля поляризационных характеристик одномодовых ВС, основанного на применении двух искусственных неоднородностей и разработке алгоритма определения поляризационной дисперсии по результатам измерения ортогонально-поляризованных мод излучения, позволяющего осуществлять контроль разброса этого параметра по длине ВС независимо от положения его главных осей.

Предложен способ автоматического определения поляризационных характеристик ВС ь разработано устройство на его основе, которое благодеря автоматизации процесса ориентации главных осей ВС в пространстве, позволяет снизить трудоемкость контроля его параметров.

Разработаны лабораторные установки для измерения поляризационных характеристик ВС методам прямого прохождения излучения и методом поляризацинно-оптической рефлектомятрки и проведены экспериментальные исследования образцов отечественных ВС, которые показали, что значение поляризационной дисперсии в них находится в пределах 1....2 пс/км, а коэффициент связи между

о о Т

модами - в пределах КГ*"... 10 км . Это подтверждает возмож-

ность реализации ВОСП с ПРИ длиной до 10 км.

Кроме того, в работе проведены эксперименты по компенсации переходных помех в однонаправленных ВОСП. Результаты экспериментов хорошо согласуются с теоретическими расчетами, проведенными в разделе 2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТУ

I. Показано, что однонаправленные ВОСП с поляризационным разделением каналов обеспечивают выигрыш в 20...40 дБ при длине линии передачи до 10 км для золокоиных световодов с коэффи-

о I

циентом модовой саязи 10 ° км при равноценном качестве светофильтров в системах со спектральным разделением, при коэффициенте фильтрации 20 дБ; в двунаправленных ВОСП при тех же условиях величина выигрыша лежит в пределах 5...10 дБ.

¿. Получены аналитические выражения для определения переходных помех, позволяющие повысить точность расчетов помехоустойчивости однонаправленных ВОСП в пересчете на вероятность сшибки на порядок при отношении сигнал/шум 22 дБ и отношении поляризационная помеха/сигнал - 20 дБ, а двунаправленных ВОСП в пересчете на минимальную требуемую мощность на входе фотодетектора в 3 раза при скорости передачи 10 Мбит/с.

3. Определены зависимости оптимального порогового уровня решающего устройства фотоприемника, минимизирующего вероятность ошибки в системах передачи и коэффициента преобразования оптимального линейного кода, минимизирующего требуемую мощность на Еходе фотоприемника от уровня переходной помехи в однонаправленных и двунаправленных ВОСП соответственно.

4. Предложен способ раздельной обработки информационного и синхросигналов в фотоприемном устройстве, позволяющий повь1-

сить чувствительность информационного канала на 2...3 дБ и обеспечить заданное качество приема при переходной помехе на один-дпа порядка большей мощности (пол.реш. № 461522/24-09 от 15.12.89) ; исследованы методы обработки сигналов на приемной стороне, позволявшие снизить влияние переходных помех на ¿0...30 дБ в зависимости от уровня переходных помех.

5. Разработаны методы автоматического и непаз рушащего контроля таких поляризационных характеристик одномодопых ВС, как коэффициент модовой связи, поляризационная дисперсия и величина двулучепреломления по всей их длине.

6. Разработана лабораторная установка, которая позволяэт определять поляризационную дисперсию, коэффициент модовой связи и величину двулучепреломления одномодовых ВС без разрушения образцов.

7. Проведены измерения таких поляризационных характеристик волоконных световодов, как поляризационная дисперсия, коэффициенты затухания ортогонально-поляризованных мод излучения, коэффициент модовой связи, величина двулучепреломления, которые показали, что отечественные световоды могут использоваться в ВОСП с поляризационным разделением каналов длиной до

10 км для обеспечения вероятности ошибки не хуже 10"®.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

I. Марьенков A.A., Соборова И.Г. объективность линейного кодирования в оптических системах связи с использованием сложной противошумовой коррекции //Тез.доял. XII Межотраслевой НТК.- Киев, НПО "Квант", 1984.- СЛ2.

Z. Марьенков A.A., Соборова И.Г. Моделирование линейного тракта оптической системы передачи цифровых сигналов /Дез. докл. XII Межотраслевой НТК.- Киев, НПО "Кьант", 1964.- С.13.

3. Урядов В.11., Соборова И.Г. Помехоустойчивость цифровых волоконно-оптических систем связи с учетом влияния канала синхронизации /Дез.докл. Всес.науч.-техн.совей. "Совершенствование средств связи на основе внедрения световолоконной и микропроцессорной техники". - Москва, IS66.- С.10.

4. Урядов В.Н., Соборова И.Г. Влияние параметров линейного кода на помехоустойчивость волоконно-оптических систем передачи с поляризационным разделением каналов /Дез.докл. Всесгоюэн. науч.-техн.совещ. "Координатно-чувствительные фотоприемники Барнаул, 1987.- С.56.

5. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Соборова И.Г. и др. Эффективность поляризационного разделения направлений передачи в волоконно-оптических системах /Друда 3ü-ro Международного научного коллоквиума.- ГДР, г.Ильменау, ¿6-30.10.87,- С.3-6.

6. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Соборова И.Г. Влияние нестабильности тактовой синхронизации на помехоустойчивость оптических кабельных систем //Радиотехника и электроника.- Мн., Вышэй-шая школа.- 1967.- » 16.- С.48-53.

7. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Соборова И.Г., Синкевич В.И. Эффективность линейного кодирования в дуплексных волоконно-оп-

тических системах передачи с поляризационным разделением направлений передачи //Радиотехника и электроника.- Мн., Вьшэйшая школа, 1988.- № 17.- С.45-49.

8. Соборова И.Г., Урядов В.Н. Поляризационное разделение каналов в волоконно-оптических системах передачи /Дез.докл. респ. науч.-техн.конф. "Передача аналоговой и цифровой информации по каналам связи".- Рига, 1988.- С.5.

9. Урядов В.Н., Соборова И.Г., Сышевич В.И. Повышение точности выделения синхросигнала в ретрансляторах волоконно-оптических систем передачи /Дез.докл. Всес.науч.-техн. совещ."Развитие и совершенствование устройств синхронизации в системах связи".- Москва, 1988.

10. Соборова И.Г. Применение поляризационного разделения каналов в ВОСП локальных сетей связи /Дез.докл. науч.-техн. конф. "Перспективы развития широкополосных ВОСП и проблемы их внедрения в республике".- Минск, 1989.- С.7-8, ДСП.

11. Алишев Я.В., Урядов В.Н., Синкевич В.И., Соборова И.Г. Разделение каналов обработки информационных и синхросигналов в приемниках волоконно-с..тических систем передачи //Радиотехника и электроника.- Минск, Вшэйшая школа, 1989.- Ш 18. - С.55-58.

12. Соборова И.Г. Автоматизированный метод контроля параметров поляризационных волоконно-оптических датчиков /Дез.докл. Всес. науч.-техн. конф. "Оптический радиоволновой и тепловой методы неразрушаидего контроля",- Могилев, 1989.- С.225.

13. Синкевич В.И., Урядов В.Н., Соборова И.Г. Преобразователь периодических оптических, сигналов. Авт.свид. № 1306054 от 22.12.86. Без права опубл.

14. Синкевич В.И., Урядов В.Н., Соборова И.Г. Оптический приемник. Пол.реш. от 29.09.89 по заявке № 4246114/09.

Ib. Алииев Я.В., Синкевич В.И., Урядов З.Н., Соборопа И.Г.

15.12.69 по заявке № 461522/24-09.

16. Ллишев Я.В., Урядов В.Н., Синкевич В.И., Соборова И.Г. Потенциальные возможности дуплексных волоконно-оптических систем с поляризационным разделением направлений передачи //Радиотехника.- N.- 1990.- № 6.- С.80-83.

Ретранслятор цифровой оптичесной системы передачи. Пол.реш. от