Методы модуляции

Входная часть оптических приемников может быть построена на основе одного из двух приемников приема: прямого фотодетектирования (некогерентный метод) и фотосмещения (гетеродинный и гонодинный метод). На выходе фотодетектора схемаоптического приемника не отличается от схемы обычного приемника радиодиапазона. Рассмотрим коротко основные характеристики обоих методов приема. При прямом фотодетектировании (рис. 4) сигнал на выходе фотоприемника воспроизводит изменение мощности принимаемого модулированного света, а информация о частоте и фазе несущей теряется. Выходной ток фотодетектора пропорционален усредненному по времени (за период несущей) мгновенному значению интенсивности несущей с(t) , т.е.

D=e/(h) - коэффициент преобразования фотодетектора.

П оскольку ток фотодетектора в рабочем диапазоне спектра не зависит от частоты и фазы несущей, приемное устройство прямого детектирования само по себе может быть использовано лишь для демодуляции АМ и ИМ колебаний. Этот метод приема не позволяет различить фотоны сигнала и фона и практически не критичен и углу падения принимаемого излучения. Для спектральной селекции необходимо использовать оптические фильтры, а для пространственной – уменьшать угол зрения входной оптической системы. Достоинство некогерентного приёма – простота приемного устройства. При оценке его помехоустойчивости при приеме на ФЭУ можно пренебречь тепловыми шумами усилителя, т.к. коэффициент внутреннего усиления очень велик. Если при этом пренебречь шумами фона и темного тока, то

 - квантовая эффективность фотоприемника,

Ф - световой информационный поток,

h - постоянная Планка,

 - частота света,

f - полоса пропускания фильтра на выходе фотоприемника.

Это выражение определяет предельную чувствительность приемника, в котором шумы определяются дробовым шумом. При приеме на фотодиод без внутреннего усиления тепловой шум значительно больше дробового.

При гетеродинном методе приема можно представить напряженность поля излучения на фоточувствительной поверхности в виде суммы полей сигнала и гетеродина

где

A_c, _c, _c, A_г, _г, _г - соответственно амплитуда, частота и фаза полей сигнала и гетеродина,

v_x - скорость перемещения волны вдоль фоточувствительной поверхности.

Предполагаем, что плоскость падения лучей сигнала и гетеродина перпендикулярна плоскости фоточувствительной поверхности. Для определения сигнала промежуточной частоты необходимо провести усреднение интенсивности света по времени и по поверхности фотодетектора.

е - заряд электрона.

Т.к. v_x=c/sin (c - скорость света,  - угол между направлениями распространения излучений сигнала и гетеродина), то сигнал промежуточной частоты зависит от точности юстировки приемника.

Если Ф_гФ_0иФ_ф и то на выходе детектора промежуточной частоты

Фотосмещение ослабляет фон, т.к. создает для него спектральную и пространственную фильтрацию. Спектральная фильтрация обусловлена тем, что усиливаются только те шумовые компоненты, которые оказываются в полосе частот фильтра промежуточной частоты f. Т.к. f_прf_опт; f_опт - полоса частот оптического фильтра, то получается значительный выигрыш в снижении фона (в при Ф_г >>Ф_ф). Пространственная фильтрация фона обеспечивается тщательным согласованием гетеродинного и сигнального световых потоков. Если направления распространения полей сигнала и фона не совпадают, то фон будет ослабляться или совсем отсутствовать.

Сравнивая указанные методы, можно отметить, что отношение сигнал/шум в полосе полезного сигнала гетеродинного приемника в 2 раза больше, чем у приемника прямого фотодетектирования.

Особенность фотосмещения – наличие гетеродина. Если в некоторых локационных системах передатчик и приемник находятся в одном месте, и можно использовать в качестве гетеродина ОКГ передатчика, то в связных системах они находятся всегда в разных местах и в качестве гетеродина используется специальный ОКГ. Это обстоятельство предъявляет высокие требования к стабильности параметров излучения передающего и гетеродинного ОКГ, что достигается, в частности, автоматической подстройкой частоты, резко усложняющей аппаратуру. Кроме того, необходимо использовать ОКГ, обладающие монохроматичностью излучения, а, как известно, не все ОКГ обладают этим свойством.

Существенным условием фотосмещения является пространственное фазирование излучений гетеродина и передающего ОКГ на поверхности фотоприемника. Это условие ограничивает допустимые размеры входной апертуры приемника, т.к. при разности хода лучей от различных точек приемной антенны до фотокатода, сравнимой с длиной волны света, теряется пространственная фазировка. Естественно, что требования к оптической настройке при использовании фотосмещения снижаются с переходом к более длинным оптическим волнам. Так, в настоящее время успешно проводятся эксперименты по гетеродинному методу приема на длине волны 10,6 мкм. Учитывая сказанное, можно заключить, что вплоть до ближней инфракрасной области использование фотосмещения в качестве метода приема представляет серьезные трудности.

Экспериментальное исследование макета оптической длины связи

Описание аппаратуры.

Для оценки совместного влияния приемно-передающей аппаратуры на характеристики передаваемых сигналов была создана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рис. 5. Установка состоит из передающего и приемного устройства, комплекта контрольно-измерительной аппаратуры и источников питания.

5

1

4

6

7

Рис.5

В передающее устройство входят: газовый лазер 1, работающий в непрерывном режиме на волне 0,63 мкм, электрооптический модулятор 4 Model 13 на кристалле танталата лития LiTaO₃, высоковольтный усилитель 5, фотоприемник 6.

Приемное устройство макета состоит из кремниевого фотодиода 13DAH-003 фирмы «Melles griot». Фотодиод подключен к усилителю 7 C6438-01 фирмы HAMAMATSU, сигнал с которого подается на цифровой осциллограф, позволяющий измерять многочисленные характеристики сигала (амплитуду, частоту, спектральный состав и др.).

Кроме того, в состав установки входят микрофон и мультимедийные колонки, предназначенные для субъективной оценки качества передаваемого по ОЛС сигнала. Вся установка собрана на оптическом столе с помощью универсальных рейтеров, имеющих 3 пространственных и 3 угловых юстировки и облегчающих тем самым контрольно-юстировочные работы.

Основным элементов макета является электрооптический модулятор света тип Model 13. Он предназначен для модуляции по амплитуде или интенсивности излучения оптических квантовых генераторов в диапазоне 0,45-2 мкм. Действие прибора основано на линейном электрооптическом эффекте в кристалле танталата лития нулевой (0⁰) ориентаций. Оптическая схема модулятора представляет собой классическую ячейку Поккельса. Поляризатором служит выходное окно лазера, расположенное под углом Брюстера, анализатором – призма Глана-Томсона, расположенная после модулятора. Использование ниобата лития вместо традиционных модуляторных кристаллов типа АДР и КДП дало возможность снизить величину полуволнового напряжения модулирующих сигналов в 20 раз по сравнению с ранее разработанными приборами аналогичного типа.

Отсутствие оптических склеек значительно расширило диапазон рабочих температур. Конструкция прибора обеспечивает его юстировку относительно луча лазера. Модулятор устойчив к механическим и климатическим воздействиям, что позволяет его для практических применений. Основные технические характеристики модулятора Model 13 следующие:

Размер кристалла - 40х5х5 мм

Напряжение полного

просветления

для = 0,51 мкм - 80 в

для = 0,63 мкм - 97 в

Потери света в режиме

полного просветления - 15 %

Входная емкость - 93 пф

Потребляемый ток - 1 мкА

Примерный вид сигнала и его спектр показан на осциллографе (рис.6). В зависимости от смещения и амплитуды подаваемого на модулятор сигнала на спектре мощности можно наблюдать различные величины амплитуд гармоник. Частота сигнала составляет 1 кГц, амплитуды гармоник в спектре мощности сигнала имеют относительные величины (дБ). Т.е. Y_n=10lg(u_1ω/u_nω), где

Y_n – амплитуда n-ой гармоники по отношению к первой;

u_1ω и u_nω – амплитуды первой и n-ой гармоники соответственно.

Экспериментальное исследование характеристик оптической

линии связи и ее компонентов (практическая часть)

13