Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности

5.3. активные компоненты

Оптический передатчик преобразует входной электрический сигнал в модулированный световой поток для его дальнейшей передачи по оптоволокну. В зависимости от характера исходного сигнала в передатчике может использоваться как линейная амплитудная, так и различные типы импульсной модуляции. Наиболее важным компонентом волоконно-оптического передатчика является источник света - полупроводниковый лазер или светодиод. Полупроводниковый лазер (laser diode, LD) представляет собой р-п переход толщиной 0,15...0,2 мкм, выполненный из арсенида галлия с соответствующими добавками (теллура, алюминия, кремния, цинка). В зависимости от характера и количества присадок полупроводник имеет области электронной п (за счет теллура) и дырочной р (за счет цинка) проводимостей. Под действием приложенного напряжения в полупроводнике происходит возбуждение носителей, в силу чего возникает поток фотонов. Этот поток, многократно отражаясь от зеркал, образующих резонансную систему, усиливается, что приводит к появлению лазерного луча с остронаправленной диаграммой излучения. Роль отражающих зеркал выполняют плоскопараллельные отполированные торцевые грани полупроводника.

Преимуществами лазерных диодов являются малые размеры тела свечения и, как следствие узкая диаграмма направленности (3 20 градусов), большая мощность излучения (10…40 мВт), линейная зависимость излучаемой мощности от тока накачки и высокая частота модуляции. Поэтому они используются для широкополосных одномодовых линий связи большой протяжённости. Недостатком лазерных диодов является необходимость их термостатирования для обеспечения одномодового режима работы, что влечет за собой удорожание оптического передатчика.

Наряду с лазерами в качестве источника оптического излучения могут применяться светодиоды (light emitting diode, LED). Светодиод является таким же люминесцентным р-п переходом из арсенида галлия, но не имеет резонансного усиления. В отличие от лазера, обладающего остронаправленным когерентным лучом, в светодиоде излучение происходит спонтанно (самопроизвольно) и луч имеет меньшую мощность (5 20 мВт) и широкую направленность (60….80 градусов). Светодиоды также обладают высокой линейностью модуляционной характеристики, устойчивы к изменениям окружающей температуры и характеризуются низкой стоимостью. Поэтому они наиболее часто используются в технике охранного телевидения. Передатчик часто имеет миниатюрные размеры, что позволяет смонтировать его непосредственно в гермокожухе вместе с камерой, и снабжается байонетным разъёмом, ST-коннектором и клеммами для подключения источника питания. Как правило, полоса пропускания оптоволоконного видеотракта составляет 8 МГц с неравномерностью 3 дб. Часто несколько одноканальных передатчиков размещаются в одном конструктиве, устанавливаемом в стандартный 19-дюймовый кожух с общим блоком питания, что облегчает монтаж аппаратуры в случае большого числа ТВ камер в системе.

Помимо функционального назначения (передача аналогового или цифрового видеосигнала, сигнала телеметрии, сетевого протокола), волоконно-оптический передатчик характеризуется двумя важными параметрами, определяющими его свойства – выходная мощность и длина волны оптического излучения. Как светодиоды, так и лазерные диоды являются источниками инфракрасного излучения (850, 1310 или 1550 нм), совпадающего с окнами прозрачности световодов. Выходная мощность передатчика в абсолютных единицах обычно не специфицируется, а указываются максимально допустимые потери в линии связи при использовании совместимого приемника. Для большинства систем передачи видеосигналов со светодиодным передатчиком типовой является цифра в 10–15 дБ, при этом обеспечивается отношение сигнал/шум до 50 дБ для аналоговых и ошибка порядка 10-9 для цифровых линий связи.

В аналоговых оптических передатчиках применяются те же методы модуляции оптического сигнала, что и в обычных системах связи - амплитудная (AM) и частотно-импульсная (FM). В случае амплитудной модуляции яркость свечения излучающего диода пропорциональна аналоговому модулирующему видеосигналу, в случае частотной – аналоговый видеосигнал модулирует опорную частоту следования импульсов, например 40 МГц.



Рис.5.18.Методы модуляции светодиодов и лазерных диодов

На рис.5.18а приведена схема, наиболее часто используемая для импульсной модуляции светоизлучающих диодов Входной цифровой сигнал в логических уровнях подается на базу транзистора, в цепь коллектора которого включен излучающий диод. В таких схемах частота модуляции излучения светодиодов может достигать сотен МГц для светодиодов и возрастает на порядок при переходе к лазерным диодам. Амплитудная модуляция излучения производится по схеме, показанной на рис.5.18б. Одновременная амплитудно-частотная модуляция излучения светодиода позволяет передавать на одной длине волны два видеосигнала одновременно, или один видео и один аудиосигнал (сигнал телеметрии).

Недостатки устройств с амплитудной модуляцией обусловлены нелинейностью модуляционной характеристики излучающего диода. На практике это приводит к ограниченному динамическому диапазону передачи видеосигнала и заметным искажениям типа «дифференциальная фаза» и «дифференциальное усиление». Кроме того, отношение сигнал/шум в системах с амплитудной модуляцией снижается с ростом длины оптического кабеля (рис.5.19а).



Рис.5.1 Зависимость отношения сигнал/шум от дальности передачи при различных типах модуляции
(а – амплитудная, б – частотная, в – цифровая)

Переход к частотной модуляции позволяет частично избавиться от указанных проблем (рис.5.19б), но порождает другие, в частности проблему перекрестных и интермодуляционных искажений при частотно-модулированном частотном мультиплексировании видеосигналов (FM-FDM, frequency-modulated frequency division multiplexing). В этом случае видеосигналы модулируют сначала радиочастотные несущие, затем суперпозиция несущих радиочастот используется для модуляции оптического сигнала. При частотном мультиплексировании в одном одномодовом оптоволокне возможна одновременная передача до 64 видео и до 128 аудиосигналов или сигналов цифровых данных. Подчеркнем, что под мультиплексированием в этом случае понимается одновременная передача полных видеосигналов в реальном масштабе времени, а не временное мультиплексирование при видеозаписи, к чему чаще относится данный термин в охранном ТВ.

Другим способом одновременной передачи двух видеосигналов по одному волокну является спектральное мультиплексирование (WDM – wavelength division multiplexing) – одновременная передача информации на разных длинах волн. При этом в передатчике используются два излучающих диода с разными длинами волн, например 850 и 1310 нм. Критерии выбора компонентов для WDM-систем определяются рядом достаточно жестких требований, главным из которых является требование о том, что все каналы должны одинаково воздействовать на качество и целостность спектра передаваемых видеосигналов. Естественно, должны быть сведены к минимуму и эффекты взаимодействия спектральных каналов между собой. Таким образом, даже на первый взгляд видно, что системы, использующие WDM-технологии, являются более сложными и дорогими по сравнению с существующими одноканальными линиями связи. Однако, если учесть, что значительную часть стоимости создания ТВ системы составляет стоимость оптического кабеля и его прокладки, то сравнительный анализ показывает, что применение WDM-технологии позволяет существенно снизить затраты в расчете на 1 бит передаваемой видеоинформации.

Растущая потребность в повышении пропускной способности систем передачи видеоинформации обусловила необходимость разработки полностью цифровых методов модуляции и мультиплексирования видеосигналов во времени (time division multiplexing, TDM). При этом аналоговый видеосигнал оцифровывается, а каждому из информационных каналов системы, имеющих общую оптическую несущую, отводится определенный интервал времени для передачи текущего отсчета видеосигнала. То есть в первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одной ТВ камеры, во второй — другой и т. д., а каждый видеосигнал передается с помощью одного источника излучения по очереди, последовательно в своем временном окне. Длительность этого временного окна определяется различными факторами, главными из которых являются скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи. Прибором, устанавливающим очередность и временной интервал передачи информации на входе линии, является временной мультиплексор. На другом конце линии устанавливается демультиплексор, который преобразует оптический сигнал в электрический, определяет номер канала, то есть идентифицирует его, и направляет информацию соответствующему пользователю. Таким образом, мультиплексирование и демультиплексирование осуществляются только электронными средствами с помощью электрических сигналов управления. На рис.5.20 показана схема передачи сигнала по ВОЛС с временным мультиплексированием .


Рис.5.2 Схема передачи оптических сигналов по ВОЛС с временным мультиплексированием

Использование технологии TDM в настоящее время обеспечило появление цифровых систем передачи нескольких видеосигналов по одному оптическому кабелю с исключительно высоким качеством, не зависящим от длины линии связи (рис.5.19в). При этом в два-три раза (до одного процента) удалось снизить искажения типа «дифференциальная фаза» и «дифференциальное усиление» по сравнению с аналоговыми методами. Другим преимуществом полностью цифровых систем является возможность регенерации видеосигналов при помощи специальных устройств (репитеров) без ухудшения качества, что особенно актуально при передаче видеосигнала на большие расстояния.

Приёмники волоконной оптики решают задачу детектирования слабого оптического излучения на конце оптоволокна, и усиления полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. В качестве приемника оптического излучения обычно используется фотодиод, PIN-диод или лавинный диод с диаметром фоточувствительной области порядка сотен микрон. Минимальный уровень излучения, требующийся приёмнику для обеспечения приемлемого качества выходного сигнала, называется его чувствительностью; разница между чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в дБ.

В идеале приёмник должен нормально работать при изменении входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно заранее точно определить степень затухания оптического сигнала в линии связи. Кроме того, неизбежны изменения в величине оптических потерь, вызванные старением линии связи или изменением окружающей температуры. В связи с этим во всех волоконно-оптических приёмниках применяется автоматическая регулировка усиления, которая отслеживает средний уровень входного оптического сигнала и, соответственно, изменяет коэффициент усиления приёмника. Несмотря на наличие цепей автоматической регулировки выходного электрического сигнала, оптический приемник может быть легко перегружен входным оптическим сигналом. Поэтому при выборе пары передатчик-приемник следует строго следовать рекомендациям фирм-производителей активного оптоволоконного оборудования.

Оптические приемники выпускаются в цифровых и аналоговых модификациях. В обоих случаях приемник содержит аналоговый предусилитель и преобразователь «ток-напряжение». На рис.5.21 показана упрощенная принципиальная схема аналогового приемника оптического сигнала. В качестве преобразователя «ток-напряжение» используется операционный усилитель, включенный соответствующим образом.



Рис.5.21.Упрощенная схема аналогового оптического приемника

Второй каскад приемника – операционный усилитель-инвертор с коэффициентом усиления до 100 В случае цифрового приемника (см. рис.5.2 его вторым каскадом является аналоговый компаратор.



Рис.5.22.Упрощенная схема цифрового оптического приемника




Читайте далее:
Расстановка пожарных извещателей - теория и практика
Автоматическая идентификация лица требования и возможности
Автоматизация и безопасность объектов оао ржд
Оценка эксплуатационной безопасности системных средств. анализ защищенности современных универсальны
Двенадцать приемов литературной полемики или пособие по газетным дискуссиям
Дурная наследственность-iii
Защита взрывоопасных зон
Вопросы комплексирования механизмов и средств защиты информации. системный подход к построению сзи о