CC BY
301
ОСОБЕННОСТИ АНАЛОГОВОЙ И ЦИФРОВОМ ПЕРЕДАЧИ РАДИОСИГНАЛОВ ПО ВОЛОКНУ
Сперанский Валентин Сергеевич,
к.т.н., профессор, Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, speranskyv@yandex.ru
Абрамов Степан Владимирович,
к.т.н., Начальник отдела КТО, ФГУП "НТЦ" ОРИОН", Москва, Россия
Клинцов Олег Иванович,
к.т.н., Заместитель начальника отдела КТО,
ФГУП "НТЦ" ОРИОН", Москва, Россия, oklintsov@mail.ru
Ключевые слова: аналоговая и цифровая передача радио по волокну, модуляция, лазер, интермодуляция, динамический диапазон, дисперсия, ошибка на бит.
Шувалов Виктор Михайлович,
Инженер программист ¡-категории, ФГУП "НТЦ" ОРИОН", Москва, Россия, victor_shuvalov@mail.ru
Передача радиосигналов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на большие расстояния при малых потерях возможна только при использовании оптических средств, то есть системы радио по волокну. При этом применяются два способа модуляции: аналоговый и цифровой. Примерами аналоговой передачи являются передача данных измерений на расстояние, передача сигналов каналов телевидения. В 90% случаях модуляцию оптического сигнала осуществляют на основе эффекта Пок-кельса. Качество передачи аналогового сигнала оценивается отсутствием паразитных компонент в спектре и сохранение формы сигнала без искажений. В связи с этим для оценки качества передачи аналоговых сигналов используют такие характеристики как динамический диапазон по интермодуляции как правило третьего порядка, неравномерность АЧХ, КСВН. Критерием качества в этом случае будет среднеквадратическая ошибка передачи. В случае цифровой передачи показателями качества являются энергетическая и спектральная эффективность. При применении эффективных методов модуляции, например, OFDM достигаются высокие скорости передачи данных при допустимой вероятности ошибки на бит сообщения. Используется как прямая, так и внешняя модуляция одноканально-го, так и двухканального модулятора Маха-Цандера. Возможные варианты передачи: с оптической несущей двумя боковыми, с одной боковой, с подавленной несущей и одной боковой. Основными причинами искажений при аналоговой передаче будут нелинейные явления, возникающие при преобразовании радиосигнала в оптический и обратно, и дисперсия в оптоволокне. Цифровая модуляция менее критична к этим искажениям. Основные характеристики аналоговой передачи: точность воспроизведения динамический диапазон коэффициент шума, дальность действия системы, полоса частот сигнала и потери в линии. Рассмотрены фильтровые методы компенсации дисперсии в волокне, фазовых шумов и ослабления влияния нелинейностей за счет адаптивных фильтров Вольтера. Для цифровой передачи кроме дальности действия, потерь в линии, битовой ошибки и отношения сигнал/шум, существенны спектральная эффективность и скорость передачи и ввода данных, параметры аналого-цифрового преобразователя с способ разделения каналов абонентов. Важны и сетевые показатели: скорость передачи пакетов, трафик и расчет покрытия. Возможно совмещение как аналоговой, так и цифровой передачи в одной системе и по одному волокну. Проведен анализ вопросов реализации системы радио по волокну.
Для цитирования:
Сперанский В.С., Абрамов С.В., Клинцов О.И., Шувалов В.М. Особенности аналоговой и цифровой передачи радиосигналов по волокну // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №9. - С. 38-42.
For citation:
Speranski V.S., Abramov S.V., Klintsov O.I., Shuvalov V.M. The characteristics of radio-over fiber transmission. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.9, рр. 38-42. (in Russian)
В связи с возросшим интересом к передаче радиосигналов по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), актуальными стали исследования особенностей распространения аналоговых сигналов по оптическим волноводам.
Природа цифровых и аналоговых сигналов различны, поэтому и критерии оценки качества передачи тоже разные. Давайте попробуем немного в этом разобраться.
При прямом сравнении аналоговых и цифровых сигналов можно сразу выделить отличие в типах модуляции. Для аналоговых систем передачи, как правило, применяют амплитудную (AM), Фазовую (ФМ) или частотную модуляцию (ЧМ).
Для цифровых сигналов разнообразие типов манипуляций куда шире, вот только некоторые из них:
- PSK - фазовая манипуляция;
- QAM - квадратурная амплитудная манипуляция;
- OFDM - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением;
- FSK —частотная манипуляция.
Итак дисперсия.
Аналоговая передача
Цифровая передача
^и тх
Сигнал на входе
^Н 1Ъ1Х
Сигнал на выходе
Рис. 1. Виды модуляций
Но какой бы ни была модуляция сигнала, в волокне распространяется световое излучение, оптическая несущая. Частоты этих несущих располагаются в окнах прозрачности, размеры и частоты которых определяются свойствами материала, Для кварцевого стекла (ЗЮ^) эти окна выглядят так: 1 - окно прозрачности 820-900 нм; II - окно прозрачности 1280-1350 нм; !Е1 - окно прозрачности 1528-1561. Как далее будет показано, для цифровых сигналов предпочтительнее работать в третьем окне прозрачности, а для аналоговых сигналов лучшим вариантом будет применение второго окна прозрачности.
В процессе распространения модулированный оптический луч, будет испытывать различные искажения. И только на выходе, после процедуры демодуляции мы определим, как одни и те же искажения изменили исходный аналоговый или цифровой информационный сигнал.
Стоит оговориться, что в рамках этого сравнения рассматриваются системы передачи, построенные на применении только одиомодового волокна. Вызвано это тем, что аналоговые сигналы по многом одовым волокнам не передаются.
Начнем рассмотрение с классификации искажений. Среди всех видов искажений и потерь, которые наблюдаются при распространении сигналов в волокне, мы рассмотрим те, которые чаще всего оказывают негативное влияние на передачу сигнала, а именно:
-дисперсию;
- поляризационные эффекты;
- нелинейности.
Рис, 2. Влияние дисперсии
Влияние дисперсии сказывается в упгарении светового импульса при его передаче по оптоволокну.
Для одномодовых волокон различают два вида дисперсии - хроматическую и поляризационную модовую.
Хроматическая дисперсия складывается из материальной и волноводной.
Материальная дисперсия определяется дисперсионными характеристиками материалов, из которых изготовлена сердцевина оптического волокна — кварца и легирующих добавок.
Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью групповой скорости распространения моды от длины волны, характер которой определяется формой профиля показателя преломления оптического волокна. Указанная зависимость определяется пространством, занимаемым модой по отношению к профилю показателя преломления волокна.
В одномодовых оптических волокнах из-за малого радиуса сердцевины, волноводная дисперсия достаточно велика.
Материальная дисперсия
Рис, 3, Виды хроматической дисперсии
Важно отметить, что в стандартных одномодовых волокнах, которые характеризуются типовым ступенчатым профилем показателя преломления, преобладает положительная материальная дисперсия, которая и формирует минимум хроматической дисперсии в области длины волны 1310 нм.
Всть предположение, что для аналоговых сигналов предпочтительнее выбирать 2 окно прозрачности. Для систем передачи цифровых сигналов чаще используют 3 окно прозрачности в районе 1550 нам, где преобладает положительная материальная дисперсия. Для цифрового сигнала дисперсия однозначно приводит к ошибкам, когда сигналы нуля и единицы начинают перекрывать друг друга.
T-Comm Vol. 10. #9-2016
У
Т-Сотт Том 10. #9-20 16
Для получения лучших параметров по ЗРГЖ при построении от систем с прямой модуляцией необходимо перейти к построению систем с внешней модуляцией.
Как уже говорилось ранее, для обеспечения лучшей динамики нужно подавать большую мощность. В связи с этим эффекты нелинейности для аналогового распространения будут проявляться чаще. В конечном итоге любая нелинейность будет проявляться в зависимости выходной мощности от входной. При этом на выходе появляется дополнительные сигналы на частотах, отсутствующих во входном сигнале.
Нелинейности можно разделить на две группы: зависимости показателя преломления от входной мощности и дополнительное рассеяние света.
В таблице приведены основные типы иелинейностей, сильно влияющие на распространение сигналов по волокну.
Таблица
Виды нелинейных искажений в волокне
TIIII Характеристике Влияние
ФСМ ФКМ Самовозбуждаемый фазовый сдвиг Спектральное расширение Скорость передачи ограничена Ограничения в системах с фазовой манипуляцией
ВРМБ BKP Расеяния энергии на 2 доп. частоты: Сто кс о ву и Антистоксову Оптические потери в волокне Обеднение мощности сигнала
час Генерация смешанных продуктов Оптическая переходная помеха в системах WDM. Обеднение мощности сигнала
В заключении представлена схема совмещенной одновременной аналоговой и цифровой передачи данных. Получается, что несмотря на определенные различия во влиянии искажений на аналоговые и цифровые сигналы, фундаментальных противоречий в построении таких систем нет.
Рис. 8. Схема синхронной передачи аналогового и цифрового Сигнала: ПОМ - передатчик оптической модуляции; ПРОМ - приемник оптической модуляции
Литература
1. Белоусов А.А. Дубровская Л,А. Широкополосная аналоговая волоконно-оптическая линия связи - Омск ОАО ЦКБ автоматики, 2006, Si с, (http://gigabaza.ru/doc/1865 l.html дата последнего обращения 1.03.2016)
2. Исследование возможности систем трансляции радиосигналов по оптическим линиям. Отчет по НИР. М.: МГУ, 2009. С. 117.
3. Бурдии В.А,. Григоров И,В. Электронная компенсация в волоконно-оптических линиях передачи на основе нелинейных фазовых фильтров // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2013. №5. С. 18-25.
4. S Li. Higly Linear Radio-Over-Fiber System Incorporating a Single-Drive Dual-Parallel Macli-Zehtider Modulator // IEEE Photonics Techn. Letters, 2010. v.22. № 15. Pp. 15004-15011.
5. W. Liu. T. Shao. J. Yao. Ultra Wideband and 60 GHz Generation and Transmission Over a Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network. -J. Opt. Commun. Netw.2015. v5, №9. Pp. 1076-1083.
6. F. Xing. Z.Rui, H.Danai. Cascading Filters Allying with the Reducial Perturbation Noise Compensator for Compensating the Fiber Dispersuon And Nonlinear Effect - ACP/POC 2013AF1D.2. pdf. Pp. 712-717.
T-Comm Vol. 10. #9-2016
COMMUNICATIONS
THE CHARACTERISTICS OF RADIO-OVER FIBER TRANSMISSION
Valentin S. Speranski, PhD, professor MTUCI, Moscow, Russia, speranskyv@yandex.ru
Stepan V. Abramov, PhD, STC "ORION", Moscow, Russia, Oleg I. Klintsov, PhD, STC "ORION", Moscow, Russia, oklintsov@mail.ru
Victor M. Shuvalov, Software Engineer of the 1st category, STC "ORION", Moscow, Russia, victor_shuvalov@mail.ru
Abstract
The propagation of RF signals in millimeter and submillimeter range with small losses is available only with the use of fiber optics, or in other words Radio over Fiber systems. Transmission on fiber may be digital or analog. For example analog type of transmission is used in measurement data, cable TV, or satellite TV. In 90% cases the modulation in optics achieved with the Pockels effect. The criterion for assessing the transmission quality of analog signals is the absence of parasitic component in the output spectrum, and preserving the original waveform. In this regard to evaluate analog transmission usually is used such terms as: Dynamic Range, Return Loss, passband ripple In case of digital transmission the quality indicators are the power and spectrum efficiency. The efficient method of modulation, such as OFDM, gives the opportunity to reach the high data rate and high level of permissible error.
The main source of distortions in analog transmission are dispersion in fiber and non-linear processes that appear at RF to Optical and Optical to RF conversions. Digital modulation has less sensitivity for this kind of distortion. The mail characteristic of analog transmission system are reproduction fidelity, Dynamic Range, Noise Factor, Operating distance, frequency range and line losses. Considered filter methods for dispersion compensation, and phase noise and reduce the impact of nonlinearities at the expense of adaptive filters Valterra. Spectral efficiency, data transmission rate, ADC parameters and channel division method are either important for digital transmission system in common with operating distance, line losses, Bit Error, and Signal to Noise ratio (SNR). The packet transmission rate, traffic and calculating of coverage are also are the network indicators of efficiency. Combination of analog and digital transmission is possible in one mode fiber system. The issues of realization of the ROF system were analyzed.
Keywords: analog and digital transmission of radio over fiber, modulation, laser, intermodulation, dynamic range, dispersion, the error per bit.
References
1. Belousov A.A, Dubrovskaya A.A. Broadband analog fiber-optic communication line. Omsk Automation of CDB, 2006. 8 p. (http://gigabaza.ru/doc/l865l.html last access date 03/01/2016) (In Russian)
2. Investigation of the possibility of broadcasting radio systems on optical lines - report for scientific research. Moscow: Moscow State University, 2009, p. 117. (In Russian)
3. Burdin V.A., Gregory I.V. Electronic compensation of optical fiber-based non-linear phase filters, transmission lines / T-Comm. 2013. No. 5, pp. 18-25. (In Russian)
4. S. Li. Higly Linear Radio-Over-Fiber System Incorporating a Single-Drive Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator / IEEE Photonics Techn. Letters, 2010. Vol. 22. No.15. Pp. 15004-15011.
5. W. Liu, T. Shao, J. Yao. Ultra Wideband and 60 GHz Generation and Transmission Over a Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network / J. Opt. Commun. Netw. 2015. Vol. 5. Nom. 9. Pp. 1076-1083.
6. F. Xing, Z. Rui, H. Danai. Cascading Filters Allying with the Reducial Perturbation Noise Compensator for Compensating the Fiber Dispersuon And Nonlinear Effect - ACP/POC 20I3AFID.2. pdf. pp. 712-717.
7T>
