Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих решений и постановка задачи исследования в области систем ROF 16
1.1 Обзор существующих решений технологии Radio-over-Fiber 16
1.1.1 Применение технологии RoF в существующих сетях 17
1.2 Обзор технологии СШП-RoF 19
1.2.1 Формирование сигнала в системах RoF 20
1.3 Анализ существующих решений в области генерации СШП сигнала оптическим способом в системах RoF 22
1.4 Анализ существующих решений в области увеличения длины безрегенерационного участка в системах СШП-RoF 35
1.5 Анализ существующих решений в области оптического управления диаграммой направленности антенной решетки в системах RoF 43
1.6 Постановка задач исследования 49
1.7 Выводы 52
2 Методы повышения эффективности волоконно оптического сегмента сверхширокополосных систем передачи на базе технологии RADIO-OVER-FIBER 53
2.1 Формирование СШП-сигнала в системах СШП-RoF 54
2.2 Передача СШП-сигнала по протяженной волоконно-оптической линии связи 66
2.3 Предлагаемые решения по оптическому управлению диаграммой направленности антенной решетки 76
2.4 Подходы к измерению функции чирпа оптического сигнала 83
2.5 Выводы 84
3 Математическое моделирование процессов обработки и передачи сигналов в системах сшп-rof по оптоволоконному тракту 86
3.1 Математическая модель сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF по оптоволоконному тракту 86
3.2 Математическая модель процесса оптического управления диаграммой направленности антенной решетки 89
3.3 Математическая модель измерения функции чирпа оптического сигнала 95
3.4 Математическая модель сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF по оптоволоконному тракту, при реализации системы в лабораторных условиях 96
3.5 Задача определения корректирующего чирпа, обеспечивающего наибольшее приближение входной и выходной форм импульса по критерию минимума СКО 109
3.6 Выводы 115
4 Имитационное моделирование разработанных методов повышения эффективности волоконно-оптического сегмента системы СШП-ROF 117
4.1 Имитационное моделирование методов оптической генерации СШП-сигнала в сверхширокополосных системах передачи на базе технологии Radio-over-Fiber 118
4.2 Имитационное моделирование системы СШП-RoF, обеспечивающей передачу сигналов по протяженной волоконно-оптической линии связи 131
4.3 Экспериментальная реализация метода внесения корректирующего чирпа в оптический сигнал для передачи по протяженной волоконно-оптической линии связи без регенерации в системе СШП-RoF 135
4.4 Рекомендации по применению предлагаемой системы СШП-RoF в существующих системах связи 138
4.5 Выводы 142
Заключение 144
Список сокращений и обозначений 148
Список использованных источников
- Анализ существующих решений в области генерации СШП сигнала оптическим способом в системах RoF
- Предлагаемые решения по оптическому управлению диаграммой направленности антенной решетки
- Математическая модель измерения функции чирпа оптического сигнала
- Имитационное моделирование системы СШП-RoF, обеспечивающей передачу сигналов по протяженной волоконно-оптической линии связи
Введение к работе
Актуальность темы. Применение систем Radio-over-Fiber (RoF) позво
ляет обеспечить всем без исключения абонентам услуги широкополосного до
ступа. Данное направление особенно актуально в удаленных от города насе
ленных пунктах, где требуется прокладка дополнительной кабельной линии
для подключения абонентов к центру коммутации операторов. Системы Radio-
over-Fiber c простой и недорогой организацией базовой станции (модуль уда
ленного доступа – RAU – remote antenna unit) позволяют решить эту задачу, так
как стоимость подключения таких абонентов к информационно-
коммуникационной сети Интернет значительно уменьшается. При этом системы RoF позволяют решать радиотехнические задачи, что делает их привлекательными для использования совместно с системами беспроводной передачи данных. Технология сверхширокополосной (СШП) передачи данных обладает несколькими ключевыми преимуществами: широкая безлицензионная полоса частот, низкая изотропная излучаемая мощность, низкий уровень межсимвольной интерференции. Применение СШП-систем передачи на базе технологии RoF позволяет организовать высокоскоростную передачу данных, при этом обеспечить высокую помехозащищенность полезных сигналов, и соответственно качество предоставляемых услуг. Однако при построении волоконно-оптического сегмента таких систем возникают вопросы, которые необходимо решить: а) простой и эффективный способ генерации СШП-сигнала на центральной станции; б) возможность передачи СШП-сигнала по протяженным волоконно-оптическим линиям связи; в) простые и эффективные решения радиотехнических задач (например, управление диаграммой направленности антенной решетки) средствами оптики.
Степень разработанности темы. Технология Radio-over-Fiber начала активно исследоваться с конца 1980-х годов. Применение технологии RoF для интеграции волоконно-оптических кабельных и беспроводных систем было впервые представлено в работах A.J. Cooper. Сверхширокополосные системы передачи на базе технологии Radio-over-Fiber исследуются в работах R. Llorente, I.T. Monroy, S.T. Abraha. В данных работах рассматривается в основном оптическая генерация СШП-сигнала в системах СШП-RoF. Однако во всех представленных работах СШП-сигнал генерируется с учетом требований американской комиссии FCC (Federal Communication Commission – Государственная комиссия по коммуникациям). В Российской Федерации же приняты требования Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ).
Методы увеличения длины безрегенерационного участка рассмотрены в работах P.Bousselet, P. Borel, J.D. Downie, H. Bissesur, Турицына С.К., Волкова К.А. В работах P.Bousselet, P. Borel, J.D. Downie, H. Bissesur предлагается использовать усилители с удаленной накачкой, либо усилители высокой мощности. Данные методы не рассматриваются применительно к системам RoF. В работах Волкова К.А. предлагается использование квазисолитонного режима передачи с плотным управление дисперсии в системах RoF. Однако данный под-
ход также усложняет передающую часть системы RoF. Поэтому предлагается вносить корректирующий чирп в оптический сигнал для его передачи по протяженной волоконно-оптической линии. Чирпирование позволяет уйти от использования электронных компенсаторов дисперсии, что нежелательно при построении системы СШП-RoF.
Методы оптического управления диаграммой направленности антенной решетки рассмотрены в работах M. Burla, A. Meijerink, B. Vidal. В работах M. Burla и A. Meijerink предлагается использовать оптоэлектронный чип, на котором реализованы фазовращатели и линии задержки для управления диаграммой направленности антенной решетки. В работах B. Vidal предлагается использовать перестраиваемые лазеры для быстрого управления диаграммой направленности антенной решетки. Методы, предлагаемые в данных работах, не позволяют работать с одним радиопередатчиком для всего СШП-диапазона и требуют большого количества управляющих элементов. Для управления диаграммой направленности антенной решетки предлагается использовать оптическое устройство управления. Применение такого устройства в системах СШП-RoF позволит увеличить энергоэффективность передатчика совместно с уменьшением его массогабаритных показателей.
Объект исследования. Сверхширокополосные системы передачи информации на основе технологии Radio-over-Fiber.
Предмет исследования. Методы повышения эффективности волоконно-оптического сегмента систем СШП-RoF.
Целью работы является повышение эффективности волоконно-оптического сегмента систем СШП-RoF за счет увеличения протяженности безрегенерационного сегмента волоконно-оптических линий связи, использования оптических средств для управления диаграммой направленности антенной решетки.
Задачи исследования:
-
Разработка математической модели сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF, позволяющая моделировать его в программной среде для подстройки параметров сигнала под заданную волоконно-оптическую линию RoF с целью минимизации искажений.
-
Разработка метода увеличения протяженности волоконно-оптической линии RoF без использования электронной регенерации и восстановления сигнала.
-
Разработка математической модели функции корректирующего чирпа оптического сигнала, позволяющая адаптивно определять чирп в зависимости от параметров системы СШП-RoF.
-
Разработка метода управления диаграммой направленности антенной решетки с помощью средств волоконно-оптической линии RoF.
Научная новизна работы:
1. Разработана математическая модель сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF, основанная на временной функции оптического сигнала на выходе модулятора Маха-Цендера, отличающаяся внесением корректирующего чирпа
в оптический сигнал СШП-RoF, и позволяющая рассчитать параметры сигнала в зависимости от параметров волоконно-оптической линии связи, что обеспечивает минимизацию искажений.
-
Предложен метод построения безрегенерационного сегмента волоконно-оптической линии RoF, основанный на использовании квазисолитонного режима передачи, отличающийся внесением корректирующего чирпа в оптический сигнал за счет использования нелинейного оптического волокна, усилителей EDFA, совместно распространяющейся накачки с сигналом и принципом расстановки EDFA на волоконно-оптической линии RoF, и позволяющий передавать сигнал по протяженной волоконно-оптической линии RoF без использования электронной регенерации сигнала.
-
Разработана математическая модель функции корректирующего чирпа, учитывающая электрооптические свойства модулятора Маха-Цендера, позволяющая моделировать изменение рабочей точки модулятора исходя из свойств кристалла ниобата лития, что обеспечивает адаптивную подстройку чирпа в зависимости от параметров системы СШП-RoF.
-
Разработан метод управления диаграммой направленности антенной решетки, основанный на изменении фазы сигналов с помощью задержек, управляемых с использованием оптического устройства управления, входящего в состав волоконно-оптической линии RoF, учитывающий мощность, поступающую из выходных световодных каналов оптического устройства управления и параметры управляющего воздействия, и позволяющий отклонять основной лепесток радиоизлучения антенной решетки с помощью средств волоконно-оптической линии.
Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состоит в возможности использования предложенного метода построения безре-генерационного сегмента волоконно-оптической линии связи, как при проектировании новых сетей передачи данных, так и при модернизации уже существующих сетей. Внесение корректирующего чирпа в оптический сигнал позволяет передать его без искажений по протяженной волоконно-оптической линии связи, при этом используется только модулятор Маха-Цендера, что значительно снижает стоимость передающего оборудования. Управление диаграммой направленности с помощью оптического устройства управления позволяет вынести антенну на большое расстояние от передатчика, что актуально при построении ведомственных сетей связи. Разработанная функция корректирующего чирпа обеспечивает адаптивную подстройку чирпа в зависимости от параметров системы СШП-RoF.
Методология и методы исследования. Результаты работы получены с использованием численных методов, теории электрической связи, теории случайных процессов, теории функции комплексной переменной, теории физики сплошных сред. Применены методы математического моделирования, с использованием программных пакетов.
Положения выносимые на защиту:
1. Математическая модель сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF,
основанная на временной функции оптического сигнала на выходе модулятора Маха-Цендера.
-
Метод построения безрегенерационного сегмента волоконно-оптической линии RoF, основанный на использовании квазисолитонного режима передачи.
-
Математическая модель функции корректирующего чирпа, учитывающая электрооптические свойства модулятора Маха-Цендера.
-
Метод управления диаграммой направленности антенной решетки, основанный на изменении фазы сигналов с помощью задержек, управляемых с использованием оптического устройства управления, входящего в состав волоконно-оптической линии RoF.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации основана на использовании известных теоретических положений; корректности используемых математических моделей и их адекватности реальным физическим процессам.
Апробация результатов. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XV и XVI Международной научно-технической конференции “Проблемы техники и технологии телекоммуникаций”, г. Казань, 2014 г., г. Уфа, 2015 г., XII и XIII Международной научно-технической конференции “Оптические технологии в телекоммуникациях”, г. Казань, 2014 г., г. Уфа, 2015 г., IV Международной конференции по фотонике и информационной оптике, г. Москва, 2015 г., XI Международной IEEE Сибирской конференции по управлению и связи SIBCON-2015, г. Омск, 2015 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 6 статей в зарубежных научных изданиях, входящих в базы цитирования Web of Science и Scopus, 5 работ в сборниках трудов и материалах конференции, получен патент на полезную модель РФ.
Личный вклад. Постановка основных задач принадлежит научному руководителю. Основные результаты диссертации получены автором самостоятельно. Самостоятельно были разработаны: математическая модель сигнала, передаваемого в системах СШП-RoF, математическая модель функции корректирующего чирпа, метод построения безрегенерационного сегмента волоконно-оптической линии СШП-RoF, метод управления диаграммой направленности. Также автором диссертации были самостоятельно получены результаты имитационного моделирования и результаты эксперимента.
Материалы диссертационной работы использовались при выполнении проекта №2048, в рамках базовой части государственного задания №2014/240 по теме «Развитие теории и разработка технических принципов формирования, передачи и преобразования спиральных пучков в волоконно-оптических телекоммуникационных системах».
Материалы диссертационной работы использовались при выполнении соглашения о предоставлении субсидии №14.574.21.0058, уникальный иденти-
фикатор проекта RFMEFI57414X0058 по теме «Повышение эффективности систем широкополосного доступа к мультимедийным услугам, работающих по технологии Radio-over-Fiber (RoF), на основе совершенствования элементов и устройств физического уровня» в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Содержит 165 с. машинописного текста, 100 рисунков, список использованной литературы из 99 наименований, приложения на 6 с.
Анализ существующих решений в области генерации СШП сигнала оптическим способом в системах RoF
В случае классической схемы формирования RoF-сигнала (RF-over-Fiber), рисунок 1.5а, радиосигнал с частотой fRF передается по оптической линии на центральной длине волны источника оптического излучения (0). Спектр оптического сигнала в результате модуляции имеет две боковые полосы (ODSB – optical double sideband). Преимуществом данного способа передачи является простота реализации базовой станции, так как формирование сигнала осуществляется на центральной станции. Однако такой способ передачи требует наличия высокоскоростных оптоэлектронных компонентов (фотодетекторов) для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Также при данном способе передачи огромное влияние на сигнал оказывает хроматическая дисперсия.
Для уменьшения влияния хроматической дисперсии используется схема формирование RoF-сигнала с шириной спектра, равной промежуточной частоте радиосигнала (IF-over-Fiber), рисунок 1.5б. На центральной станции электрический сигнал преобразуется с понижением до промежуточной частоты, далее сформированный сигнал поступает в волоконно-оптическую линию связи. Преимуществом данной схемы является использование низкоскоростных оптоэлектронных компонентов. Однако на базовой станции требуются стабильный генератор колебаний и высокоскоростной смеситель для преобразования частоты.
Третий способ формирования характерен для сверхширокополосных (СШП) радиосигналов, рисунок 1.5в. На центральной станции происходит формирование СШП-сигнала, затем он передается в оптический тракт. При данном способе формирования RoF-сигнала хроматическая дисперсия практически не оказывает влияния на сигнал и не требуется использование высокоскоростных оптоэлектронных компонентов. Однако компонентная часть системы сильно усложняется, так как на базовой станции требуются компоненты для обработки сигналов.
Существуют три основных подхода к передаче СШП-сигнала: без несущей частоты, с одной несущей и с несколькими несущими частотами. При этом переданный СШП-сигнал должен соответствовать ограничениям спектральной маски. В США принята спектральная маска Федерального агентства по связи (FCC - Federal Communications Commission) [8], в Российской Федерации принята спектральная маска Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ РФ) [9]. Спектральные маски представлены на рисунке 1.6.
Спектральные маски FCC и ГКРЧ РФ Технология без несущей частоты является традиционным методом СШП связи, использующим очень короткие импульсы Гаусса, Рэлея, Эрмита, Лагерра и их производные, занимающие одну полосу в несколько гигагерц. Данная технология известна под названием сверхширокополосная система на основе радиоимпульса (IR-UWB – Impulse Radio – Ultra Wideband). Основными достоинствами данной технологии являются высокая пропускная способность, большая дальность действия, низкое энергопотребление и малая стоимость реализации. Модуляция сигнала осуществляется посредством фазо-импульсной и амплитудно-импульсной модуляции, а также амплитудной и двухпозиционной фазовой манипуляции, при этом несущая частота, вокруг которой будет формироваться низкочастотная информационная огибающая отсутствует, поэтому формой спектра можно более гибко управлять, что является существенным преимуществом в условиях ограничения спектральной маски.
При использовании данной технологии остро встает вопрос выбора типа используемого импульса, в связи с тем, что его излучаемая мощность должна жестко соответствовать маске, поэтому направление формирования оптимального импульса является актуальной научной задачей. При этом полученный оптимальный импульс необходимо излучить и сформировать его на передаче и приеме, для того чтобы его спектральные составляющие не оказывали воздействия на другие системы. Технология IR-UWB имеет существенное достоинство с точки зрения синтеза RoF и СШП, так как генерация данного типа сигнала в оптической части легко реализуема на основе доступных оптических устройств. Технология с несколькими несущими частотами (WiMedia UWB) позволяет эффективно использовать спектр, отведенный для СШП систем, на основе применения технологии мультиполосного ортогонального частотного мультиплексирования (MB-OFDM - Multiband Orthogonal frequency-division multiplexing), где выделенный диапазон разбивается на 14 подканалов, в которых передаются данные (рисунок 1.7).
Предлагаемые решения по оптическому управлению диаграммой направленности антенной решетки
Как было сказано ранее, формирование СШП-сигнала оптическим способом с учетом требований спектральной маски ГКРЧ РФ является сложной актуальной научно-технической задачей. При этом должны быть решены следующие вопросы: выбор сигнала, СПМ которого удовлетворяет требованиям спектральной маски ГКРЧ РФ и реализация генерации этого сигнала с учетом средств оптической линии. Базовые схемы формирования СШП-сигнала представлены на рисунках 2.2 и 2.3. Формирование СШП-сигнала
Данные схемы используется в большинстве публикаций для генерации СШП-сигнала под спектральную маску FCC. Для генерации сигнала под спектральную маску ГКРЧ РФ они тоже подходят вследствие простоты реализации и удобной настройки всех компонентов схемы. Рассмотрим эти две схемы более подробно. На рисунке 2.4 представлена схема для генерации СШП-сигнала с использованием модулятора Маха-Цендера. Узкополосный лазер управляется с помощью драйвера. Управление модулятором Маха-Цендера осуществляет драйвер рабочей точки. Устройство выставляет рабочую точку для модулятора (предполагается, что рабочая точка модулятора выставляется на минимум пропускания). Информационный сигнал поступает на модулятор через генератор электрических сигналов.
На рисунках 2.4 и 2.5 представлены основные схемы, которые можно использовать для генерации СШП-сигнала. Однако остается вопрос соответствия спектральной маске. Учитывая, что маска ГКРЧ РФ представляется сложнее, чем FCC, в частности, содержит не одно, а три спектральных окна, то развитый подход к получению сигналов специальной формы на основе преобразования импульсов Гаусса с использованием линий задержек и отражательных устройств, должен быть доработан согласно условиям поставленной задачи. Так согласно результатам компьютерного моделирования с применением программного пакета Synplify 8.1 [49], для получения спектральной плотности мощности (СПМ) импульсного сигнала, представленной на рисунке 2.6, кривые 1 4, необходимо, чтобы форма импульсов соответствовала кривым, показанным на рисунке 2.7, кривые 1 3.
Моделирование производилось следующим образом: по установленным ГКРЧ РФ маскам, линия 1 на рисунке 2.6, а и б, методом обратного преобразования Фурье были найдены соответствующие функции времени – «идеальные пики». Согласно расчётам, они представляли собой многопиковые квазигауссовские импульсы с весьма крутыми (почти вертикальными) участками фронта и узкими (короткой длительности, 10-12 с, сегментами), что, несомненно, чрезвычайно трудно реализовать на практике при генерации, не говоря уже о передаче по ВОЛП. Поэтому для получения практически реализуемых импульсов полученные «идеальные пики» были упрощены методом экстраполяции линий (с применением встроенной опции используемого программного пакета), и далее – рассчитаны их спектры методом прямого преобразования Фурье.
Форма 5 получена из 4 в результате передачи последней по ВОЛП длиной 100 км, обладающей хроматической дисперсией и нулевым километрическим затуханием. Согласно полученным результатам моделирования (кривые 1 3 на рисунках 2.6, 2.7), для того, чтобы спектральная плотность мощности импульсов удовлетворяла требованиям ГКРЧ РФ, требуется использовать импульсы достаточно сложной формы с точки зрения как сравнения их с представленными в [11, 18], так и генерирования и передачи по ВОЛП. Задача генерирования таких импульсов может быть решена, посредством привлечения управляемого электрическим током лазерного модулятора совместно с управляемым переменным аттенюатором [50].
Для определения входного оптического импульса запишем соотношение для Фурье-образа функционала, определяющего форму (огибающую оптической мощности) импульса на выходе ВОЛП [33]: U(L,(D) = U(0,(D)-QxpUp2(D2 L) (2.1) где (7(0,ю) - функционал, определяющий форму входного импульса; ю - круговая частота, соответствующая длине волны излучения X; j - мнимая единица; Р2- дисперсионный коэффициент второго порядка для оптоволокна, составляющего ВОЛП. Методика расчета в [33] предполагает, что электрическая напряженность электромагнитного поля E(r,z,f) световой волны, переносящей импульс, на расстоянии z от входа ВОЛП, определяется с использованием функции U следующим образом: E(r,z,0 = F(r,0- -expf-—W(z,rприв)-exp(7Pвхz) (2.2) где F(r,f) - составляющая поля в поперечном направлении световода в точке с радиус-вектором г от сердцевины световода. В одномодовом световоде, учитывая свойство усреднения фотодиодом поперечной картины поля, можно принять: 1 2л а -jj\F(t,rfdrdq = \ (2.3) где а - значение радиуса световода, R - нормирующий амплитудный множитель, что позволяет не учитывать данную составляющую при дальнейшем моделировании. Экспоненциальный множитель в (2.2) «отвечает» за убывание амплитуды сигнала вдоль линии под действием затухания с километрическим коэффициентом , Р0 - пиковая мощность импульса на входе ВОЛП. 7прив - относительное время в системе координат, связанной с импульсом, согласно [33], равное: t-z-fr _Тсоб прив гр гр T lLJl = iсоб=T , (2.4) вх вх где 1 - дисперсионный коэффициент оптоволокна первого порядка (коэффициенты P1 и р2 являются коэффициентами разложения функции Р(ю), определяющей преломляющие и дисперсионные свойства оптоволокна [33]), Тсоб - «абсолютное» время в системе отсчёта, связанной с импульсом, Твх - длительность входного импульса.
Математическая модель измерения функции чирпа оптического сигнала
В главе 3.1 предлагалась математическая модель сигнала, передаваемого по волоконно-оптическим протяженным линиям связи.
Согласно рисунку 2.1, сформированный сигнал (3.1) поступает на оптическое устройство управления и далее после фотодетектора поступает на антенну. Оптическое устройство управления осуществляет управление диаграммой направленности антенной решетки (рисунок 2.19).
В этой главе будет приведена математическая модель процесса оптического управления диаграммой направленности антенной решетки. Диаграмма направленности антенной решетки задается амплитудно-фазовым распределением токов (АФР). АФР задает как форму самой диаграммы, так и отклонение главного лепестка ДН. В данной работе задача управления диаграммой направленности сводится к управлению отклонением главного лепестка диаграммы.
Как говорилось в главе 2.3, антенная решетка должна содержать большое количество элементарных излучателей для каждого выбранного поддиапазона из всего СШП диапазона для выравнивания пространственно-частотной характеристики решетки. При этом ОУУ обеспечивает задержку и «вырезание» соответствующих спектральных составляющих для каждого поддиапазона. Различные значения мощности, подаваемые на световоды матрицы оптического управления, приводят к изменениям оптической длины, что в свою очередь приводит к задержке оптического сигнала и к фазовому сдвигу.
При этом токи на входе излучателей решетки пропорциональны: - коэффициенту оптоэлектронного преобразования фотодетектора КФД (считаем, что он не зависит от вырезаемой спектральной полосы); - коэффициенту спектральной полосы, вырезаемой ОУУ из полного сигнала - Sl(C (t)); - значению оптической мощности Pl , поступающей из l-группы выходных световодных каналов ОУУ.
Диаграмма направленности антенной решетки определяется множителем системы. Полагаем, что антенная решетка возбуждается равноамплитудным распределением токов с постоянным сдвигом фаз между соседними излучателями (линейное распределение по решетке).
Пусть в качестве антенной решетки используется плоская антенная решетка. В этом случае множитель системы зависит от распределения токов и описывается следующим выражением [35]: м, м f = У У 1(п) еjMx" sm(e)cos«+ (Є)-sп(Ф)) (3 5) -мх -му где к = —, Лi - длина волны радиоизлучения; 1 Л,. 1(п) - распределение токов; и - угловые координаты; M - номера нижнего и верхнего элементов решетки соответственно. Распределение токов представляется в виде произведения двух функций, зависящих от x и от y [35]: i(n) = I,-f(nx)-f(ny) (3.6) где I 0 - ток на входе антенного излучателя. При этом: f(n ) = e M (3.7) где х и y - фазовый сдвиг вдоль осей JC и _у.
Распределение токов (3.6) зависит от 57(С (0)-2/и Л- Н, - результат управляющего воздействия (рисунок 2.21), который зависит от номера / -выделенной группы дополнительных световодных каналов. Si - тоже зависит от выделенной 1-й группы дополнительных световодных каналов. Количество элементов АР суммарно определяется количеством выделенных групп световодных каналов в ОУУ [77, 78]. C (t) - чирп, приобретенный сигналом при распространении по волоконно-оптической линии связи. Допускаем, что пх-п =1. Данное соотношение записывается в виде: 1х-1 =1, и далее будут использоваться эти обозначения.
Имитационное моделирование системы СШП-RoF, обеспечивающей передачу сигналов по протяженной волоконно-оптической линии связи
На электрический вход модулятора Маха – Цендера, у которого полоса пропускания составляет порядка 10 ГГц, подается случайная последовательность импульсов Гаусса со скоростью, не превышающей максимальные скорости для каждого канала. В качестве альтернативного варианта генерирования импульсов Гаусса можно использовать лазер с фиксированным режимом формирования импульсов (MLL – mode locked lazer). Тогда на электрический вход модулятора Маха-Цендера можно подавать случайную последовательность NRZ-импульсов [93]. К оптическому входу модулятора подключается CW–лазер. Модуляция оптического сигнала осуществляется электрической последовательностью с различной скоростью. Далее оптические импульсы поступают на PIN – фотодетектор, где происходит их преобразование в электрические импульсы. Формирование моноциклов Гаусса осуществляется с помощью СШП фильтра. После фильтра каждый моноцикл сдвигается по частоте. Сдвиг осуществляется с помощью генераторов несущего высокочастотного колебания с частотами 4,5 ГГц, 7 ГГц и 9,5 ГГц. Сформированные СШП-сигналы поступают на мультиплексор. Общий СШП-сигнал занимает полосу частот 2,85 – 10,6 ГГц (полоса частот спектральной маски ГКРЧ РФ).
СШП- сигнал после мультиплексора поступает на электрический вход модулятора Маха – Цендера. Промодулированный оптический сигнал поступает в линию. При имитационном моделировании схемы использовалось четыре варианта длин оптических линий SMF со стандартными техническими характеристиками: без оптической линии (режим Backo-back), оптическая линия 25 км (L1), 50 км (L2), 60 км (L3). После оптической линии общий СШП-сигнал детектируется PIN – фотодетектором. Частота дискретизации фотодетектора 80 ГГц, полоса модуляции – 2 ГГц.
Для оценки работоспособности всей системы использовался анализ коэффициента битовых ошибок (BER – bit error ratio). Анализ BER проводился для каждого из трех каналов. Для выделения нужного канала на приемной стороне использовались полосовые фильтры настроенные соответственно на свой канал с несущей частотой 4,5 ГГц, 7 ГГц, 9,5 ГГц. Анализ BER проводился для трех случаев: без оптического волокна, 25 км, 50 км и 60 км. Измерения проводились при мощности сигнала на входе фотодетектора 4 – 8 дБм. хроматической дисперсии в оптическом волокне. Также можно отметить, что при отсутствии волокна и при расстоянии в 25 км BER для третьего канала 9,5 ГГц меньше чем для первого 4,5 ГГц и второго 7 ГГц. Но с увеличением длины волокна BER увеличивается. При 50 км и 60 км наименьший BER был получен для первого канала 4,5 ГГц. На рисунке 4.5 приведена спектральная плотность мощности сгенерированного СШП-сигнала. Из рисунка видно, что полученный сигнал соответствует требованиям ГКРЧ РФ.
Данная схема позволяет осуществить передачу мультимедийной информации по трем независимым каналам с различной скоростью, используя технологию RoF, при этом позволяя гибко управлять спектральной плотностью мощности сверхширокополосного сигнала. На рисунке 4.6 представлена схема реализации другого способа генерации СШП-сигнала в системах СШП-RoF [94, 95]. В схеме используется генерация трех сигналов, частоты которых смещены относительно несущей частоты на 4,5 ГГц, 7 ГГц и 9,5 ГГц. Для этого используется четыре оптических CW – лазера. Их характеристики представлены на рисунке 4.6. Первый CW – лазер генерирует сигнал для третьего «окна» маски ГКРЧ РФ. Его центральная частота смещена относительно частоты несущего лазера на 9,5 ГГц. Мощность лазера составляет 1дБм. Оптический сигнал с CW – лазера поступает на модулятор Маха – Цендера.
Модуляция оптического сигнала осуществляется электрическим импульсом Гаусса, который подается на электрический вход модулятора Маха – Цендера. Выбор импульса Гаусса обусловлен тем, что его спектр не имеет боковых полос [96]. Длительность импульса составляет 0,8 нс. Скорость PRBS – генератора равна 1,25 Гбит/с. Последовательность случайных импульсов с PRBS – генератора подается на генератор импульсов Гаусса. Далее электрическая последовательность импульсов Гаусса поступает на модулятор Маха – Цендера. Генерация двух остальных сигналов осуществляется аналогичным образом. CW – лазер выдающий сигнал с несущей частотой имеет мощность 5 дБм и центральную частоту 192,986 ТГц. Полосы частот всех четырех CW – лазеров равны 100 кГц. Мощность несущей больше мощностей полезных сигналов более чем в три раза. Это необходимо для того, чтобы уровень сигнала на выходе фотодетектора соответствовал уровню максимальной СПМ маски ГКРЧ РФ. Данные мощности несущей и полезных сигналов также были выбраны таким образом, чтобы суммарная мощность на выходе соединителя была равна 0 дБм. При такой мощности меньше всего сказываются нелинейные искажения и дисперсия в оптической линии. При сильном увеличении мощности несущей и уменьшении мощности полезных сигналов, уровень шумов не позволяет детектировать полезный сигнал [97]. А при увеличении мощности полезных сигналов и уменьшении мощности несущей спектр полезного сигнала на выходе фотодетектора отсутствует.