CC BY
10
Scientific Research of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv, series B. Natural Sciences and Humanities, Vol. XVII, ISSN 1311-9192, International Conference of Young Scientists, 11 -13 June 2015, Plovdiv
СЪЗДАВАНЕ НА АЛГОРИТЪМ ЗА ОБЩОИНЖЕНЕРНО ПРОЕКТИРАНЕ НА ОПТИЧНА КОМУНИКАЦИОННА СИСТЕМА С ПРИЕМАНЕ В РЕЖИМ НА БРОЕНЕ НА ФОТОНИ
Ангел Чекичев, Слави Любомиров, Ивайло Узунов,Златин Хунев Технически колеж - Смолян към ПУ „Паисмй Хилендарски"
Abstract: Pay is attention to the fundamental principles and methods for the registration of weak optical signals in the mode of counting photons, according to which algorithm is designed for general engineering design of optical communication system in the mode of counting photons.
Въведение
Разглежда се идеята, която се основа на метода за приемане на слаби оптични сигнали в режим на броене на фотони (РБФ), имайки предвид особеностите за космична оптична комуникационна система (КОКС), използване на фотоелектронен умножител (ФЕУ) в качеството на фотодетектор (ФД). Приема се, че излъчвания лазерен поток Ф^)е модулиран директно с аналоговия първичен сигнал, като по този начин сигналните оптични потоци ще бъдат аналогови. На фиг.1 е показан методът за регистрация на сигнали оптични потоци. Стойностите на тези потоци Фг(1)се оценяват с броя на фотоните п, които попадат върху фотокатода (ФК) във времевия интервал ^ [1, 2].
Фиг. 1. Метод за регистрация на сигнални оптични потоци За изграждане на аналитичното описани ще се извърши осредняване във времето на сигналния поток Ф^), като по този начин ще се избегне зависимостта от времевите показатели на системата, Фг(У=Фг. В съответствие с това може да се запише и n(tt) ^ п.
На фиг.2 е показана структурната схема на системата за броене на фотони. Върху ФК на ФЕУ попадат фотони на приемания сигнален оптичен поток. Техният брой е n. На изхода на ФК, т.е. на входа на ДС се появяват емитираните от ФК електрони. Техният брой е m. ФК е практически безинерционно звено с квантова ефективност, затова се налага да се съобразяваме с особеностите на фотодетекцията [1, 2, 3].
Фиг. 2. Структурна схема на системата за броене на фотони
Тъй като при слаби оптични сигнали, появата на електрони се редки събития, то m може да се разглежда като случайна величина. Именно тази случайност създава квантов шум от фотодетекцията и не всеки фотон води до емитирането на електрон, т.е. т<п.
На изхода на ДС, т.е. на входа на СРЕЕИ се появяват едноелектронните импулси (ЕЕИ), всеки един от които се създава от един фотон. Техният брой ще означим с г Поради инерционността на ДС, не всеки електрон води до емитирането на ЕЕИ, т.е. може да се запише, че Кт. Величината ieслучайна и дискретна[1, 2].
На изхода на СРЕЕИ, т.е. на изхода на СБФ се появяват стандартни импулси (СИ), като техния брой ще означим с к.
При анализа на СБФ могат да се обособят два гранични случая, а именно:
- първият се свързва с това, че инерционността на ДС може да се пренебрегне, защото влиянието на инерционността на СРЕЕИ доминира над това на ДС. Поради този факт общата инерционност на СБФ се определя от СРЕЕИ, като инерционността е от I род;
- вторият случай е свързан с това, че инерционността на ДС е много по-силно изразена от тази на СРЕЕИ. Тогава общата инерционност на СБФ е определена от ДС, като инерционността е от II род.
Създаване на алгоритъм
1.Преобразуване на стойността на отношение"сигнал-шум" в безразмерна (бездименсионна) величина:
(5^Д)7 = юг^ (1)
/(ШЮл
(БЫЮП =
2. Определяне на случайния брой на емитираните от фотокатода електрони за
=
(2) и за
(3)(тЮя =
3. Определяне на математическото очакване на случайния брой електрони т, от ФК за време 11г:
(т) = (5)
4. Определяне минималната стойност на сигналния поток на входа на антената:
Фг=-
кс
-(6)
5. Определяне минималната стойност на сигналния поток, при която все още има приемане в токов режим:
ф(сю =_злс_ (7) Условие за приемане в режим на броене на фотони: Ф^тт > Фг.
6. Определяне средната стойност на изходния сигнален поток на предавателната
антена във функция от разстояниетсй:
ц= ^^
г1 2тстатгАг
7. Определяне на коефициента на запълване на времевата ос с едно електронни
импулси при еднородност от:
-първи род: ц1 = —
-втори род: цп = ¿1<(>ехр(-{5<0)
Данни за примерно използване на разработения алгоритъм
Нека са зададениследните параметри:Х0=0,53^т; (SNR)I=60dB; 9=3mrad; х4=0,6; г=(100-1000)кт; тг=0,4; Аг=0,02т2;п=0,1; ^=8ш; 1,=15ш; 1г=100т8; 1а=100т8 (космос).
Резултати
Таблица 1. Резултати за излъчвания сигнален оптичен поток в интервала Z=(100^1000)km и
време за регистрация tr=100ms.
Z 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Фt 0,0283 0,1131 0,2545 0,4525 0,7070 0,0180 1,3856 1,8098 2,2905 2,8278
Таблица 2. Резултати за излъчвания сиг време за нален оптичен поток в интервала Z=(100^1000)km и регистрация tr=200ms.
Z 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Фt 0,0716 0,2863 0,6443 1,1455 1,7898 2,5773 3,5080 4,5818 5,7989 7,1591
Таблица 3. Резултати за излъчвания сигнален оптичен поток в интервала Z=(100^1000)km и време за регистрация tr=300ms.
Z 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Фt 0,1142 0,4570 1,0282 1,8280 2,8562 4,1129 5,5981 7,3119 9,2541 11,4248
Графично онагледяване на получените резултати за излъчвания сигнален оптичен поток в интервала Z = (100 ^ 1000) km и време за регистрация^ = 100, 200 и 300 ms.
x=100:100:1000;
y1=[0.0283,0.1131,0.2545,0.4525,0.7070,1.0180,1.3856,1.8098,2.2905,2.8278]; y2=[0.0716,0.2836,0.6443,1.1455,1.7898,2.5773,3.5080,4.5818,5.7989,7.1591]; y3=[0.1142,0.4570,1.0282,1.8280,2.8562,4.1129,5.5981,7.3119,9.2541,11.4248]; semilogy(x,y1,x,y2,x,y3), grid on
xlabel('Z [km]'); ylabel(^_t [W]');
title('Излъчен сигнален оптичен поток за разстояние Z и време на регистрация'); legend('t_r = 100ms','t_r = 200ms','t_r = 300ms');
Изводи
От графичната зависимост и от получените таблични резултати се наблюдава увеличение на мощността в предавателната част с увеличаване на разстоянието. Паралелно с това с увеличаване на времето за регистрация на фотоните, има увеличение на необходимата мощност в предавателната част.
Литература
[1]. Фердинандов, Е., Ц. Мицев, Световодни комуникационни системи. 1. Преносна среда, Сиела, София, 2001.
[2]. Фердинандов, Е., В. Къдрев, Ц. Мицев, Световодни комуникационни системи. 3. Предавателна част, Сиела, София, 2003.
[3]. Фердинандов, Е., Основи на оптоелектрониката - част I, Техника, София, 1993
Благодарности
Докладът е финансиран по проект НИ15-КС-016/24.04.2015 на ФНИ при Пловдивски университет „Паисий Хилендарски".
