Содержание к диссертации
Наименование
Принятые обозначения и сокращения ВВЕДЕНИЕ Глава 1 Принципы построения и современное состояние исследуемых сетей и систем
1.1 Общие принципы функционирования и современный
уровень мультисервисных сетей абонентского доступа
волоконно-коаксиальной структуры
1.1.1 Проблемы развития отечественных мультисервисных сетей абонентского доступа
1.2 Общие принципы построения многоканальных аналоговых
волоконно-оптических систем передачи
1.2.1 Принципы построения оптических ретрансляционных устройств Глава 2 АНАЛИЗ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ С ЧРК
Выражения для расчета основных параметров
Параметры и характеристики устройств и систем
Количественная оценка требований к устройствам и системам
Выводы Глава 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ВОСП С ВЧ И СВЧ ПОДНЕСУЩИМИ
3.1 Лазерный излучатель
Существующие модели
Бесструктурная модель ПЛИ
Сравнение с известными моделями
Анализ нелинейных искажений
3.2 Фотодиод
Существующие модели
Уточненная модель
Сравнение с известной моделью
3.3 СВЧ фазовый детектор
Существующие модели
Уточненная модель
Сравнение с известными моделями Выводы
Глава 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ
ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ
4.1 Передающее устройство
Страница
4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.2
4.2.2.1 4.2.2.2
4.3
4.4
Глава 5
5.1 5.1.1
5.1.2 5.1.3 5.1.3.1
5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3
5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3
5.4
Глава 6
6.1
6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4
Передающий оптоэлектронный модуль Модель ПОМ
Узел оптического согласования Оптический изолятор Приемное устройство Приемный оптоэлектронный модуль Модель ПРОМ
Узел оптического согласования
Когерентный усилитель, ретранслятор и регенератор сигналов с угловой модуляцией на основе схемы фазовой синхронизации
Модель усилителя и ретранслятора сигналов Модель регенератора цифровых сигналов с фазовой модуляцией
Многоканальные оптические ретрансляционные
устройства
Устройство преобразования СВЧ и оптических сигналов Выводы
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВ ВОСП С ЧРК Элементная база и узлы ВОСП с ЧРК Сверхвысокочастотный фотодиодный модуль Полупроводниковый лазерный модуль Узел оптического согласования Оптический изолятор Оптическое передающее устройство Обобщенная схема
Передающий оптоэлектронный модуль Узлы термостатирования и электрического управления Фотоприемное устройство Обобщенная схема Приемный оптоэлектронный модуль Когерентный усилитель сигналов с угловой модуляцией Устройство преобразования СВЧ и оптических сигналов Выводы
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСП С ЧРК РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Комплекс оборудования МВ-2000 для кабельного телевидения
Частотные планы и общая структурная схема Основные особенности и технические характеристики Принципы проектирования оборудования Принципы построения и функционирования оборудования
6.1.5 Методика и результаты измерения основных параметров 250
6.2 Комплекс оборудования МВ-600/800 для интерактивных 254
мультисервисных сетей абонентского доступа
Частотные планы и общая структурная схема 256
Основные особенности и технические характеристики 258
Принципы проектирования и функционирования 261 оборудования
Методика и результаты измерения основных параметров 265
Сравнение с системами иностранного производства 270
6.3 Комплекс оборудования ВОСП сантиметрового диапазона 272
волн для радиолокационных применений
Частотные планы и общая структурная схема 273
Основные особенности и технические характеристики 274
Принципы проектирования и функционирования 275 оборудования
Методика и результаты измерения основных параметров 278
6.4 Комплекс оборудования ВОСП для систем коллективного 288
приема программ непосредственного спутникового
телевизионного вещания
Принципы построения распределительной сети 289
Принципы проектирования и функционирования 291 оборудования
Вариант с распределением сигналов в полосе 1-2 ГГц 291
Вариант с распределением сигналов в телевизионном 293 диапазоне
6.4.3 Методика и результаты измерения основных параметров 295
6.5 Комплекс оборудования ВОСП для доставки 297
телевизионных и радиовещательных программ на
удаленный ретранслятор
Сравнение вариантов доставки с помощью ВОСП с ЧРК и 298 РРЛ
Принципы проектирования и функционирования 302 оборудования
Методика и результаты измерения основных параметров 308 Выводы 310
Глава 7 РАЗРАБОТКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МУЛЬТИСЕР- 313
ВИСНЫХ СЕТЕЙ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА НА
БАЗЕ ВОСП С ЧРК
7.1 Интерактивная распределительная сеть волоконно- 314
коаксиальной структуры
7.1.1 Принципы построения и функционирования 314
Местный сетевой узел 315
Магистральная волоконно-оптическая сеть 318
Абонентская станция 322
Субмагистральная коаксиальная сеть 323
Пункт домового ввода 324
Оптимизация частотного плана 326
Принципы предоставления услуг электросвязи 331
Требования к оборудованию группового и линейного 338 трактов
Методика проектирования сети и оптимизации частотного 341 ресурса
7.1.5.1 Принципы расчета и оптимизации расхода сетевого 349
частотного ресурса
7.2 Примеры проектирования конкретных МСАД 354
Сеть в городском районе 355
Сеть в поселке городского типа 369
Сеть в коттеджном поселке 376
7.3 Выводы 383
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 389
Библиографический список 396
ПРИЛОЖЕНИЯ:
П. 1 Сертификат соответствия оборудования ВОСП П.2 Карта установки ВОСП
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
А - погонные потери в оптическом тракте, дБ/км;
Вг - эквивалентная шумовая полоса канала,
Вш - полоса пропускания,
Вв - визометрический коэффициент, позволяющий учесть свойства зрения при
восприятии флуктуационных помех в различных участках видеоспектра;
ВТВ(ЧМ) - выигрыш в отношении сигнал/шум, обеспечиваемый частотным
детектором;
С(0), C(V) - соответственно емкость перехода варактора при нулевом смещении
и напряжении V.
Со - емкость перехода лазера при Vj=0;
Сд - диффузионная емкость открытого гетероперехода в активной области;
CPh - параметр, моделирующий накопление фотонов,
Ск - емкость корпуса либо кристаллодержателя фотодиода
Скп- емкость контактной площадки;
Скр - емкость кристалла;
Сп - барьерная емкость гетероперехода в активной области лазера; емкость
обратно смещенного перехода фотодиода
D - диаметр микролинзы
d - расстояние между преломляющими поверхностями
ея - эквивалентный тепловой шум на выходе ФД
еу - шумовая э.д.с. на входе реального (шумящего) усилителя еуэ -
эквивалентная шумовая э.д.с. на входе идеального УСО F(p) - нормированная
частотная характеристика УСО,
Fae - коэффициент шума ПРОМ
FB - верхняя частота спектра ТВ сигнала.
F06m - общий коэффициент шума устройства
Fy - коэффициент шума УСО;
Fyc - коэффициент шума предварительного усилителя,
Fm - коэффициент шума УФС
FPR - уровень отражений оптического сигнала
f2 - частота генерации;
fd - пиковая девиация частоты сигналом изображения,
fj - частота поднесущей і-го канала;
frp - граничная частота УСО
fonT - частота оптического излучения;
fy0 - полоса удержания УФС
G - коэффициент усиления мощности УСАГ,
GM - коэффициент усиления мощной ступени
Gn - коэффициент усиления предварительной ступени
Gyc - входная проводимость усилителя
Офд - активная проводимость фотодиода
g(N) - коэффициент оптического усиления,
go - постоянная,
H - функция подавления УФС
Но - передаточная функция разомкнутой цепи ФС
Нп - передаточная функция УФС по сигналу
h - постоянная Планка;
h, h - расстояния до главной оптической оси в точках преломления;
10(...) и 1)(.,.) - модифицированные функции Бесселя нулевого и первого
порядков;
I - нормированный ток накачки;
1Н0 - постоянный ток смещения лазера;
Is - ток насыщения перехода;
Isp - ток спонтанной рекомбинации;
Istjm - источник тока, моделирующий ток стимулированного излучения
\д - ток диода;
1пор - пороговое значение тока накачки лазера
1Т - темновой ток фотодиода,
1У - источник тока, характеризующий ток утечки активной области лазера за
счет неидеального заращивания;
1ф - эквивалентный источник тока фотодиода
ІРг - точка пересечения по выходу характеристики интермодуляционных
искажений второго порядка;
1Рз - точка пересечения по выходу характеристики интермодуляционных
искажений третьего порядка;
ід - ток активной области лазера
is - входной ток ПЛИ
Кр - реализуемый коэффициент передачи мощности усилителя ПРОМ;
к - коэффициент пересчета, обусловленный принятой методикой нормирования
отношения сигнал/шум в ТВ канале (к=8);
кв - постоянная Больцмана,
квх - коэффициент передачи входной цепи ПРОМ;
кг - крутизна модуляционной характеристики ПГ,
кэ - чувствительность фазового детектора;
кпром - коэффициент передачи мощности ПРОМ
ку - коэффициент усиления ФУ
kyo - коэффициент усиления УСО по постоянному току,
кф - нормированная амплитудно-фазовая характеристика фазового детектора
кфД- коэффициент передачи фотодиода;
кфР - коэффициент усиления формирователя
кш - коэффициент шума четырехполюсника
L - длина резонатора;
Ls - эквивалентная индуктивность;
LB - индуктивность проволочного вывода;
Ln - потери преобразования мощности в фазовом детекторе
1 - длина оптического тракта, км;
Мопт - полная глубина модуляции многоканальным аналоговым сигналом;
M2i±j - коэффициент интермодуляционных искажений третьего порядка,
получаемых за счет взаимодействия несущих двух каналов с частотами Wj и coj
Mj±j±k - коэффициент интермодуляционных искажений третьего порядка,
получаемых при взаимодействии несущих трех каналов с частотами со;, coj, cok
mi - глубина модуляции излучения по і-му каналу
N - концентрация электронов, усредненная по объему активной области;
N0 - концентрация электронов при g=0;
N1 - коэффициент ввода излучения в волоконный световод;
N2 - средние потери на сросток, дБ;
N3 - коэффициент ввода излучения в фотодиод
Np - число фотонов
п - количество сращиваний волокна в оптическом тракте
пь п2 - показатели преломления граничных сред
Рь Р2 - соответственно входная (управляющая) и выходная мощности УСАГ
Рп - мощность і-го канала на входе оптического передающего устройства
Ре0 - средняя мощность оптического излучения
Рг - средняя мощность на входе фотоприемника Рг - порог чувствительности ПРОМ
Рф - мощность сигнала ошибки на выходе фазового детектора
Рв - мощность потерь в варакторном диоде
Рвых -мощность в нагрузке
Рл - выходная мощность лазера
Рном - номинальная мощность, отдаваемая источником тока в согласованную
нагрузку
Рнфд - выходная мощность фотодиода, дБм
Ршт - мощность теплового шума
р - оператор Лапласа
ре - вероятность ошибки
Qnx, Qny, Qux> Quy - соответствующие угловые расходимости принимающего
волоконного световода и излучателя в направлениях осей х и у
QB - собственная добротность варакторного диода
QBH - внешняя добротность генератора
q - элементарный заряд
R - коэффициент отражения торцов оптического резонатора; радиус кривизны
соответствующей преломляющей поверхности
R(0) - стационарная скорость спонтанной рекомбинации
Ro - номинальная чувствительность фотодиода, А/Вт
RIN - относительный шум интенсивности лазера, дБ/Гц
Ri, Rsb RS2, - эквивалентные активные сопротивления
Rph - параметр, моделирующий оптические потери,
RB - активное сопротивление проволочного вывода
Rri, Rr2 - сопротивления источников сигнала,
Rs - дифференциальное сопротивление ВАХ фотодиода
RH - сопротивление нагрузки
Rn - последовательное сопротивление, являющееся суммарным активным
сопротивлением контактов, области мезы и подложки
г - потери в ротаторе
г, гПу> rux, ruy - соответствующие поперечные размеры принимающего
волоконного световода и излучателя в направлениях осей х и у
S - плотность фотонов, усредненная по номинальному объему поля моды
S - нормированная плотность фотонов,
Sn - постоянная нормировки, выбираемая с точки зрения уменьшения числовых
значений S при расчетах
[Sk] - нормированная матрица S-параметров схемы фазового детектора
Т - тактовый период цифрового сигнала
Т0 - абсолютная температура
Ti,...,Tn - шумовые температуры активных элементов; постоянные времени
апериодических звеньев ФУ
Тг - шумовая температура активного элемента, связанная с ЧМ шумом
Tq - эквивалентная шумовая температура активных элементов ФД
tn, t22j h\ - первичные шумовые параметры
tg, tr - шумовое отношение активных элементов соответственно ФД и ПГ
tM - шумовое отношение мощной ступени
tn - шумовое отношение предварительной ступени
tmk - шумовое отношение k-го активного элемента,
tnp - время пролета фотоносителей в базе фотодиода
Uyi - амплитуда сигнала ошибки на выходе ФД
Uiui - нормированное шумовое напряжение на выходе ФД
ип - нормированный пороговый уровень РУ
иру - напряжение на входе РУ
иш - шумовое напряжение, создаваемое собственными шумами ФД и УСО
V - число передаваемых каналов; напряжение на диоде
Vo- выходное напряжение фазового детектора
Vb - напряжение постоянного обратного смещения фотодиода
Vj - напряжение на гетеропереходе
Va - объем активной области лазера
VonT - электрический эквивалент интенсивности оптического излучения лазера
Уэл - эквивалентное напряжение на электрическом вводе бескорпусного ПЛИ с
внешней контактной площадкой,
v - групповая скорость света в активной области;
w - число ретрансляций аналоговых сигналов; ширина обедненной зоны
Yni - потери в прямом направлении оптического изолятора
Ypi - уровень развязки оптического изолятора
УфД - выходной адмиттанс фотодиодного модуля
уп - потери в оптическом изоляторе;
zB - волновое сопротивление
zBxn- входной импеданс лазерного модуля;
zBX - входной импеданс предварительного усилителя;
[гл]к - матрица z-параметров элементов ФЭС линейной схемы лазера на к
гармониках частоты модуляции
а - выигрыш по тепловым шумам при восстановлении линейных предыскажений;
параметр, равный произведению объема активной области лазера на
элементарный заряд
а, а - углы наклона луча соответственно до и после преломления
(3 - коэффициент увеличения СМЛ
pisp - источник тока, описывающий вклад спонтанного излучения в лазерную
моду
Г - фактор оптического ограничения
Гр, Г8 - коэффициенты отражения, рассчитанные по формулам Френеля
|Г0| - модуль оптического коэффициента отражения
|ГВХ| - модуль коэффициента отражения по входу ПОМ
AfCAr - полоса синхронизации УСАГ
Afoc - полоса синхронизации УФС
[AffzЛ^у - среднеквадратическое значение девиации частотных шумов на
выходе МСУ
Af^j. - среднеквадратическое значение девиации частотных шумов УФС
Affn,, Aff, Af^ - среднеквадратические значения девиации частотных шумов, вносимых соответственно источником входного сигнала, ФД+УСО, ПГ APei - амплитуда переменной составляющей оптической мощности на один
канал
8Ре - мощность шума оптического излучения
51, - амплитуда тока несущей і-го канала
є - постоянная, учитывающая эффект насыщения оптического усиления
(і - подвижность носителей
г) - фактор неидеальности ВАХ
г)л - коэффициент преобразования излучателя, Вт/А
т - задержка сигнала в УСО
т0- половина длительности управляющего импульса
її - постоянная времени изменения фазы входного сигнала
тп - время спонтанной излучательной рекомбинации носителей
тр - время жизни фотона в резонаторе
т - время жизни фотона, связанное только с потерями на зеркалах
тв - время задержки в обратном тракте УФС
ту - время задержки сигнала в ФУ
Ф - разность фаз входных сигналов фазового детектора
Фі, ф2, ф - мгновенные фазы соответственно входного, выходного сигналов и
сигнала ошибки
ф1ш, ф2ш - фазовые шумы на входе УФС и на выходе ПГ
Ф2Е - фаза выходного сигнала схемы ФС с учетом шумов
ф - контактная разность потенциалов
Qy0 - характеристическая угловая частота УФС
(Qj - угловая частота несущей і-го канала
сом - угловая частота модулирующего сигнала
2ЦФМ - двухпозиционная цифровая фазовая модуляция
AM - амплитудная модуляция
АМ-ОБП - амплитудная модуляция с передачей одной боковой полосы
АС - абонентская станция
AT - абонентский терминал
АТС - автоматическая телефонная станция
АФАР - активная фазированная антенная решетка
АФХ - амплитудно-фазовая характеристика
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
АЭ - активный элемент
БМУ - блок модуляции и уплотнения
БОИ - блок обработки информации
ВАМ - выносной абонентский модуль
ВАХ - вольтамперная характеристика
ВОК - волоконно-оптический кабель
ВОЛП- волоконно-оптическая линия передачи
ВОСП - волоконно-оптическая система передачи
ВС - волоконный световод
ВтАХ - ватт-амперная характеристика
ВТЧ - выделитель тактовой частоты
ВЦ - входная цепь
ВЧ - высокая частота
ГИС - гибридная интегральная схема
ГМС - гибридное мостовое соединение
ДБШ - диод с барьером Шоттки
ДГ - диод Ганна
ИКМ - импульсно-кодовая модуляция
ИКМ-ЧМ - цифровая частотная модуляция
ИКМ-ФМ - цифровая фазовая модуляция
ИКМ-ФРМ - цифровая фазоразностная модуляция
ИТП - измерительный телевизионный приемник
КИП - комплексный информационный пакет
КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения
КСИ - конфокальный сканирующий интерферометр
КТВ - кабельное телевидение
КТС - коммутационно-транзитная станция
ЛПД - лавинно-пролетный диод
ЛФД - лавинный фотодиод
МВС - многомодовый волоконный световод
МСАД - мультисервисная сеть абонентского доступа
МСГ - многосигнальный генератор
МСУ - многокаскадный СВЧ усилитель
МУР - модуль управления режимом работы излучателя
НСТВ - непосредственное спутниковое телевизионное вещание
НЦ - настроечная цепь
ОА - оптический аттенюатор
ОАС - оптический анализатор спектра
ОВС - одномодовый волоконный световод
ОПУ - оптическое передающее устройство
ОРТУ - оптическое ретрансляционное устройство
ОСЭ - оптический согласующий элемент
ОУ - отражательный усилитель
ПГ - подстраиваемый генератор
ПЗВ - проводное звуковое вещание
ПД - полупроводниковый диод
ПДВ - пункт домового ввода
ПЛИ - полупроводниковый лазерный излучатель
ПЛУ - полупроводниковый лазерный усилитель
ПОМ - передающий оптоэлектронный модуль
ПРОМ - приемный оптоэлектронный модуль
ПРУ - переходное устройство
ПУ - предварительный усилитель
ПЧ - промежуточная частота
ПЭУ - предварительный электрический усилитель
РАС - радиочастотный анализатор спектра
РАТС - районная автоматическая телефонная станция
РРЛ - радиорелейная линия
РТУ - ретрансляционное устройство
РУ - решающее устройство; резонансный усилитель
СВЧ - сверхвысокая частота
СКТВ - сеть (система) кабельного телевидения
СМЛ - сферическая микролинза
СТРД - сеть телевизионного радиодоступа
СФС - схема фазовой синхронизации
СЦ - согласующая цепь
СЧР - сетевой частотный ресурс
С/Ш - отношение сигнал-шум
ТВ - телевидение
ТС - термостатирование
УБВ - усилитель бегущей волны
УОС - узел оптического согласования
УПН - усилитель постоянного напряжения
УПЧ - усилитель промежуточных частот
УРУ - устойчивый резонансный усилитель
УСАТ - усилитель на основе синхронизированного автогенератора
УС - узловая станция
УСО - усилитель сигнала ошибки
УФС - усилитель на основе схемы фазовой синхронизации
УЭ - управляющий элемент
УЭС - узел электрического согласования
ФАП - фазовая автоподстройка
ФД - фазовый детектор
ФДМ - фотодиодный модуль
ФМ - фазовая модуляция
ФНЧ - фильтр нижних частот
ФПУ - фотоприемное устройство
ФРМ - фазоразностная модуляция
ФС - фазовая синхронизация
ФУ - формирующий усилитель
ФЭС - физическая эквивалентная схема
ЦДМ - цифровой ВЧ демодулятор
ЦЛСС - цифровая локальная сеть связи
ЦМД - цифровой ВЧ модулятор
ЦСП - цифровая система передачи
ЦССС - цифровая сеть сотовой связи
ЦУМ - центр услуг мультимедиа
ЦУС - центр управления сетью
ЧМ - частотная модуляция
ЧРК - частотное разделение каналов
ЧСО - четырехполюсник цепи сигнала ошибки
ЭОП - электрооптический преобразователь
RIN - относительный шум интенсивности лазерного излучения
Введение к работе
Темой исследования настоящей диссертационной работы являются сети и системы для телекоммуникационных и радиолокационных применений. В рамках этой темы объектами исследования являются критические компоненты многоканальных аналоговых волоконно-оптических систем (ВОСП) с частотным разделением каналов (ЧРК) на ВЧ и СВЧ поднесущих: специфичная оптоэлектронная элементная база, передающее, приемное и ретрансляционные устройства, а также многоканальные аналоговые ВОСП различного назначения и экономичная мультисервисная кабельная сеть абонентского доступа (МСАД) волоконно-коаксиальной структуры, в которой обеспечивается одновременная доставка абонентам всех современных инфокоммуникационных услуг.
Настоящая диссертационная работа методологически выполнена на стыке СВЧ радиоэлектроники и волоконно-оптической связи. Первая представляет собой уже сформировавшуюся область с глубоко разработанными научными подходами, моделями и методами расчета, вторая - все еще в развитии, в процессе которого постоянно открываются новые направления. Одним из них является передача многоканального оптического сигнала с ЧРК на ВЧ и СВЧ поднесущих, которая уже нашла применение в МСАД и считается перспективной для различных радиолокационных целей, например, в фазированных антенных решетках, а также в развивающихся в последние годы распределительных системах волоконно-эфирной (RoF) структуры.
В особенности это касается абонентского уровня инфокоммуникационных сетей, на котором таким способом можно создать универсальную информационную шину для единого домового ввода всех современных и перспективных услуг электросвязи, коммунального и социального обеспечения: телефона, телефакса, кабельного и спутникового телевидения, доступа в сеть Интернет, радиотрансляции, мультимедиа, интерактивного телевидения, пожарной и охранной сигнализации, медицинского видеомониторинга и т. д.
Попытки осуществить передачу многоканального сигнала с ЧРК в оптическом диапазоне делались с самого начала возникновения волоконно-оптической связи. Однако период практических исследований и начальной реализации систем наступил только в конце 80-х годов после того, как были созданы сверхширокополосные световоды с потерями 0,3-0,4 дБ/км, что на 2 порядка меньше, чем у коаксиального кабеля, высокочувствительные фотодиоды с полосой пропускания, простирающейся до верхней части СВЧ диапазона, высокоскоростные одночастотные полупроводниковые лазеры с высокой линейностью характеристики электрооптического преобразования, оптические устройства стыковки, одновременно обеспечивающие эффективный ввод излучения лазера в одномодовыи световод и высокую развязку (до 50 дБ) с волоконно-оптическим трактом. Общий теоретический анализ систем не проводился из-за несовместимых принципов моделирования входящих в состав волоконно-оптических систем передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими оптоэлектронных и оптических компонентов и традиционных активных и пассивных элементов радиотехнических схем СВЧ диапазона.
Основополагающим подходом в данной работе является использование для анализа оптоэлектронных и оптических элементов и модулей аппарата исследования, принятого для радиотехнических цепей СВЧ диапазона, а также учет особенностей работы в СВЧ диапазоне при моделировании и анализе оптоэлектронных элементов, устройств и волоконно-оптических систем. Такой подход позволил нам в теоретическом плане устранить вышеуказанную несовместимость и создать единую инженерную методику расчета многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими. В практическом плане последовательная разработка полного комплекта конкурентоспособного отечественного оборудования ВОСП, обеспечивающего общую стоимость строительства сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры не более 20 дол. на абонента, является на сегодня весьма актуальной задачей
для развития инфраструктуры местной связи, как в мегаполисах, так и в небольших городах и сельской местности.
Кроме того, для построения широкомасштабных разветвленных информационных сетей с интеграцией услуг в работе предложены, проанализированы и исследованы экономичные устройства на основе широкополосной схемы фазовой синхронизации (СФС), предназначенные для прямой ретрансляции и регенерации аналоговых и цифровых сигналов в диапазоне поднесущих частот, а также для простого сопряжения волоконно-оптических линий и линий передачи СВЧ диапазона, например, радиорелейных линий. Хотя теория и принципы работы в различных режимах систем фазовой синхронизации достаточно исследованы и описаны в большом числе статей и монографий, вопрос применения СФС в режиме усиления, ретрансляции и регенерации широкополосных сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов изучен недостаточно. В частности, анализ публикаций показывает, что при моделировании одного из основных узлов СФС: фазового детектора — не принимаются во внимание параметры, связанные с его работой в СВЧ диапазоне, что вносит существенную погрешность в расчеты. Также слабо исследованы шумы и искажения, вносимые широкополосной нелинейной СФС в передаваемые аналоговые и цифровые сигналы СВЧ диапазона, и отсутствуют аналитические критерии для сопоставления с другими типами СВЧ усилителей.
Очевидно, что оптимальное решение проблемы разработки ВОСП с ЧРК для МСАД волоконно-коаксиальнои структуры, считающейся в настоящее время одним из наиболее перспективных типов местных сетей связи, невозможно в отрыве от сети, основным функциональным элементом которой она является. Вследствие этого, разработка концепции оптимального с технической и экономической точек зрения построения МСАД данного типа и последовательной методики проектирования такой сети при использовании ВОСП с согласованными параметрами также является актуальной задачей.
Отметим, что она особенно важна для нашей страны, в которой в настоящее время уже назрела острая необходимость коренной модернизации инфраструктуры местных сетей связи.
Задачи исследования
В настоящей диссертационной работе решались следующие основные задачи:
анализ многоканальной оптической системы передачи с ВЧ и СВЧ поднесущими и определение требований к параметрам критических элементов и узлов конкретных ВОСП (лазерному излучателю, фотодиодному модулю, передающему и приемному оптоэлектронным модулям);
разработка уточненных моделей принципиальных структурных элементов устройств (лазера, фотодиода, фазового детектора) с учетом особенностей их работы в СВЧ диапазоне;
моделирование и анализ оптического передающего устройства, фотоприемного устройства, усилителя, ретранслятора и регенератора аналоговых и цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией, входящих состав блока обработки информации, и устройства преобразования СВЧ и оптических сигналов для взаимного сопряжения радиорелейных и волоконно-оптических линий передачи;
исследование и разработка специализированных1 лазерного и фотодиодного модулей;
исследование и разработка специализированных1 передающего и приемного оптоэлектронных модулей;
исследование и разработка усилителя и ретранслятора СВЧ сигналов с угловой модуляцией и переходного устройства для сопряжения СВЧ и оптических линий передачи;
исследование и разработка многоканальных ВОСП с ВЧ и СВЧ
1 Оптимизированных для многоканальных аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими.
поднесущими для наиболее перспективных областей применения: МСАД, фазированных антенных решеток, кабельного и спутникового телевидения;
- разработка, проектирование и исследование экономичных мультисервисных сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры.
Методы исследования
Научно-методологический аппарат, примененный для исследования, как оптических, оптоэлектронных, так и СВЧ радиотехнических элементов, узлов и устройств систем основан на классических методах анализа линейных и нелинейных цепей, принятых в СВЧ радиотехнике. В частности, линейные модели фотодиода, оптического изолятора, усилителя приемного оптоэлектронного модуля, пассивных цепей согласования, усилителя на основе схемы фазовой синхронизации исследуются спектральным методом. В нелинейных бесструктурных моделях лазера, СВЧ фазового детектора и регенератора цифровых СВЧ сигналов с угловой модуляцией схема разбивается на линейную инерционную и нелинейную безынерционную части, которые исследуются соответственно спектральным и численным методами с последующим сшиванием граничных параметров, например, с помощью итерационных методов.
Результаты исследований и разработок изложены в семи главах, заключении и приложении.
В гл. 1 рассматриваются системные и технологические принципы построения и функционирования и современное состояние исследуемых мультисервисных сетей абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры и многоканальных аналоговых ВОСП.
В гл. 2, с целью создания общей инженерной методики анализа на предварительном этапе разработки многоканальной аналоговой ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими, определяются выражения для расчета ее основных
параметров: коэффициента передачи, вносимых шумов и нелинейных искажений. По результатам расчета разрабатываются количественные требования к параметрам ее основных элементов, которые конкретизируются и уточняются в процессе дальнейших исследований.
В гл. 3, основываясь на выводах гл. 2, описываются предложенные автором уточненные математические модели основной элементной базы аппаратуры аналоговых ВОСП с ВЧ и СВЧ поднесущими: полупроводникового лазера, фотодиода и СВЧ фазового детектора. Проводится расчет характеристики передачи (преобразования) и нелинейных искажений, а также сопоставление с известными моделями.
