ЧАСТЬ 1: ИСКАЖЕНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ПЕРЕДАТЧИКАХ

Продолжаем рассмотрение вопросов расчета и проектирования волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Первая часть [1] была посвящена расчету шумовых параметров ВОЛС. В настоящей статье рассмотрены основные соотношения для расчета искажений в ВОЛС.

Интермодуляционные искажения (CSO и СТВ – искажения второго и третьего порядка соответственно) являются столь же значимыми параметрами, как и отношение несущая/шум (C/N). Эти важнейшие параметры регламентируются как отечественным ГОСТ 52023-2003 (C/N>= 43 dB, CSO>= 54 dB, СТВ>= 54 dB), так и европейским стандартом CENELEC EN 52083 (C/N>= 44 dB, CSO>= 57 dB, СТВ>= 57 dB¹).

Точно так же, как и в коаксиальных сетях, искажения и шумы в ВОЛС зависят от режимов работы активных устройств (рис.1) и находятся между собой в обратной зависимости: всякое увеличение уровней полезных сигналов приводит к улучшению C/N и к ухудшению CSO и СТВ. Прежде чем перейти к рассмотрению искажений, вносимых каждым из оптических устройств (передатчик, усилитель и приемник), приведем основные соотношения по накоплению искажений в кабельных сетях коллективного телевизионного приема (КСКТП) при каскадировании устройств разного класса.

Оптика - оптика:

, (1)

. (2)

Оптика - коаксиал:

, (3)

. (4)

Коаксиал - коаксиал:

(5)

(6)

Коэффициенты в приведенных формулах определены эмпирическим путем (рекомендации компании Teleste).

Из выражений (1-6) следует, что искажения второго порядка в оптических сетях накапливаются быстрее, чем в коаксиальных, а искажения третьего порядка – медленнее (формулы 1, 2 и 5, 6).

Системные искажения (System Distortion) обусловлены искажениями, возникающими в оптических передатчиках, усилителях и приемниках. Как правило, на большинство оптических передатчиков и приемников приводимые значения искажений (CSO и СТВ) заявлены в системном виде, т.е. на всю оптическую систему. Это связано с удобством метрологического обеспечения и рекомендовано в [2]. Тем не менее, искажения могут заявляться и на отдельно взятые приборы, например, на передатчик или приемник². Поэтому при выборе оптического оборудования следует поинтересоваться условиями и режимами эксплуатации, на которые даны те или иные параметры.

Часто на практике от одного передатчика могут запитываться несколько разнотипных приемников, что создает осложнения при проведении расчетов. Более того, в ВОЛС могут передаваться сигналы разного вида (например, 64 QAM, PAL, SECAM и др.), отличающиеся по своей амплитуде и полосе видеоканала. И, уж конечно, в ВОЛС почти всегда транслируется число каналов, отличающееся от заявленного в паспортных значениях. Все это вынуждает проводить расчет интермодуляционных искажений применительно к реальным условиям эксплуатации, базируясь на заявленных паспортных значениях.

Если в качестве паспортных значений заявлены истинные (суммарные) искажения, то без большой погрешности можно принять то, что искажения между передатчиком и приемником поделены поровну. Большое число расчетов, проводимое специалистами кампания “Контур-М” по разработанной ими программе по расчету ВОЛС, свидетельствует о справедливости такого утверждения. Читатели также смогут в этом убедиться, проведя практические численные расчеты ВОЛС для крайних принимаемых значений. Таким образом, искажения, возникающие в оптическом передатчике (CSO_T и СТВ_T), выраженные через известные паспортные системные искажения (CSO_С и СТВ_С) с учетом (1,2) могут быть записаны в виде:

, (7)

. (8)

При этом считается, что все режимные условия эксплуатации (входной и выходной уровни каналов, вид сигнала, число каналов, уровень входной оптической мощности и т. п.) остаются неизменными.

Пример 1. Требуется рассчитать интермодуляционные искажения, формируемые оптическим передатчиком DVO 902 (Teleste). Передатчик работает на длине волны 1310 нм. Приведенные паспортные значения CSO_С >= 63 dВ и СТВ_С >= 65 dB указаны для совместного использования с универсальной оптической платформой AC 8000 (Teleste) для 56 каналов системы PAL при входной оптической мощности Р_ВХ = 0dB и индексе оптической модуляции (OMI - Optical Modulation Index) m = 4,5%.

Подставляя в (7) и (8) паспортные значения, получаем:

CSOТ = 63,0 + 3,6 = 66,6 dB

СТВТ = 65,0 + 4,5 = 69,5 dB .

Искажения в оптическом передатчике (Optical Transmitter) в основном генерируются оптическим модулятором, в большинстве случаев выполняемым на DFB лазере (Distributed Feed Back Laser – лазер с распределенной обратной связью). Чему же обязаны искажения? Естественно, его энергетической загрузке (рис. 2). Приведем основные правила энергетической загрузки оптического передатчика, на основании которых потом и получим основные расчетные соотношения.

Правило 1. Канальный уровень модулирующего сигнала пропорционален полосе видеоканала. Данное правило вытекает из условия сохранения модулирующей мощности (dBµV), приходящейся на единицу полосы пропускания (Гц), т.е. из условия сохранения спектральной плотности. Таким образом, если в паспортных значениях указан канальный уровень модулирующего сигнала для N₁ числа каналов величиной U₁ для системы цветности с видеополосой П₁, то для каналов с видеополосой П₂ канальный уровень модулирующего напряжения U₂ при том же числе каналов N₁ составит:

. (9)

Так, если на передатчик заявлена система цветности NTSC (США, П = 3,75 МГц), а трансляции подлежат каналы с системами цветности PAL (Европа, П = 4,75 МГц) и SECAM (Россия, П = 5,75 МГц), то канальные уровни входных сигналов должны быть увеличены на 1,03 dB и 1,86 dB соответственно (см. таб. 1).

Таким образом, для поддержания равенства отношения сигнал/шум (S/N) на выходе оптического приемника для сигналов систем PAL и SECAM на входе оптического передатчика должны устанавливаться разные канальные уровни сигналов. И, наоборот, при равных канальных уровнях входных сигналов наименьшим отношением S/N будут обладать каналы с системой цветности SECAM, а наибольшим – с системой NTSC.

Отсюда следует важный практический вывод. Не следует прельщаться высокими численными значениями параметров, приводимых для систем NTSC. При пересчете для ширины каналов европейскими стандартов неизбежно либо снижение S/N, либо повышение СТВ и CSO. Аналогичное замечание было сделано и в [1].

Правило 2. Канальные уровни модулирующих сигналов обратно пропорциональны числу транслируемых каналов. Данное правило вытекает из простого условия поддержания прежней суммарной модулирующей мощности. Так, если в паспортных данных указан канальный уровень модулирующего сигнала для N₁ числа каналов величиной U₁, то для трансляции N₂ числа каналов (той же системы цветности) установленный входной уровень должен иметь величину:³

. (10)

Например, если входной канальный уровень модулирующих сигналов заявлен величиной 85 dBµV для 60 PAL каналов, то при трансляции 20 каналов он должен быть увеличен на 5 dB, т.е. до величины 90 dBµV.

Правило 3. Всякое увеличение уровня модулирующего сигнала на входе оптического передатчика на 1 dB вызывает увеличение C/N на 1 dB, снижение CSO на 1 dB и СТВ на 2 dB. Это – общая особенность изменения искажений, свойственная нелинейным элементам с квадратичной передаточной характеристикой. Ввиду ограниченности модулирующей характеристики лазерного диода, данное правило также действует в ограниченном диапазоне входных модулирующих напряжений (типовое значение ±3 dB для передатчиков с внешней модуляцией). Тем не менее, с погрешностью не более ±0,5 dB оно применимо и для существенно большего перепада уровней модулирующих сигналов (как правило, до 10...12 dB).

Правило 4. Интересно отметить, что при изменении уровня входного модулирующего напряжения (следовательно, при изменении индекса оптической модуляции), суммарное значение C/N + CSO остается неизменным для любого числа каналов и системы цветности. По существу, данное правило является следствием правила 3.

На основании изложенных выше правил записывается выражение для расчета интермодуляционных искажений оптического передатчика через справочные параметры с учетом его реальной энергетической загрузки:

, (11)

. (12),

где m - реализуемый индекс оптической модуляции (OMI), зависящий от канального уровня модулирующего напряжения UВХ[dB(V] и числа загружаемых каналов N [1]:

. (13)

Здесь:

U_ВХ.С – справочное значение входного модулирующего канального напряжения, заявленное для N_С каналов с оговоренной системой цветности;

m_c – индекс канальной модуляции для системы цветности, указанной в спецификации.

Подставляя (13) в (11) и (12), можно выразить фактические значения СТВ и CSO передатчика в более удобном виде:

CSO = CSO_T + U_ВХ.С - U_ВХ - 10lg((N/N_С) ; (14)

CTB = CTB_T + 2(U_ВХ.С - U_ВХ) - 20lg(N/N_С) . (15)

Напомним [1], что отношение несущая/шум оптического передатчика выражается зависимостью:

		. (16)

Из (16) наглядно видно, что качественный показатель оптического передатчика Ак = C/N + CSO при заданной полосе канала не зависит от энергетической загрузки (т.е. от числа транслируемых каналов и уровня входного модулирующего сигнала).

Пример 2. Рассчитать искажения (CSO и СТВ) оптического передатчика DVO 902 (Teleste) при трансляции 40 каналов стандарта D/K (SECAM) при условии, что требуемое выходное отношение несущая/шум C/N>= 51 dB. Передатчик обладает следующими справочными параметрами: относительная интенсивность шумов RIN <=154 dBc/Гц; CSO = 65 dB и СТВ = 70 dB для 59 PAL каналов (П = 4,75 МГц) при m = 4,5% (U_ВХ.С = 83 dB(V).

Решение:

1. Пользуясь (16), рассчитываем собственное отношение несущая/шум передатчика при справочных условиях эксплуатации:

= 57,3 dB.

Получили отличное совпадение со справочными параметрами⁴.

2. Исходя из заданного числа каналов, предназначенных к трансляции и расширенной видеополосы канала (SECAM - 5,75 МГц), находим требуемое изменение уровня входного модулирующего напряжения из (11):

U_ВХ - U_ВХ.С = C/N - C/N_T - 10lg (N/N_С) + 10lg (П/П_С) =

= 51- 57,3 - 10lg (40/59) + 10lg (5,75/4,75) = -3,8 dB.

Физически это означает, что входной уровень должен быть понижен на 3,8 dB по сравнению со справочными значениями и составит:

U_ВХ = U_ВХ.С - 3,8 = 83 - 3,8 = 79,2dBµV.

3. По формулам (14) и (15) вычисляем фактические искажения оптического передатчика:

CSO = CSOT + U_ВХ.С - U_ВХ - 10lg(N/N_C) = 65 +83 - 79,2 - 10lg(40/59) = 70,5 dB,

СТВ = СТВТ +2(U_ВХ.С - U_ВХ) - 20lg(N/N_C) = 70 + 2(83 - 79,2) - 20lg(40/59) = 81,0 dB.

На рис. 3 представлены зависимости CSO, СТВ и C/N оптического передатчика DVO 902 в зависимости от индекса оптической модуляции m, т.е. вне зависимости от числа каналов и их спектрального заполнения.

Еще раз акцентируем внимание читателя на том, что приведенные графики относятся только к оптическому передатчику, а не к оптической системе в целом.

Компенсация нелинейных искажений. Подзаголовок для читателя звучит несколько странно. Все понимают, что компенсировать возникшие нелинейные искажения в линейном тракте передачи (т.е. от высокочастотного источника сигнала до выхода абонентской розетки) фактически невозможно, т.к. их возникает большое множество, и они попадают в полосу полезных каналов. Обращаясь к формулам (11-15) можно видеть, что единственной возможностью во власти оператора является изменение индекса оптической модуляции m. Однако при его снижении будут понижаться как выходное C/N, так и уровень сигнала на выходе оптического приемника [1].

Единственной возможностью снижения нелинейных искажений (CSO и СТВ) остается выбор самого оптического передатчика, обладающего максимальной линейностью модуляционной характеристики (рис. 2). Как правило, максимальной линейностью обладают передатчики с внешней модуляцией, в составе которых предусмотрена схема предыскажений (рис. 4). Передаточная характеристика такой схемы должна являться зеркальной по отношению к передаточной характеристике лазерного диода, в результате чего и реализуется суммарная линеаризованная характеристика. Некоторую аналогию (только в частотной плоскости) представляют собой комбинация частотного эквалайзера и коаксиального кабеля. Каскадами предыскажений оборудуются многие современные передатчики, но некоторые дешевые модели их не имеют.

Очевидно, что в КСКТП с глубоким проникновением оптики использование дорогостоящих линеаризованных передатчиков с экономической точки зрения видится необоснованным.

Во второй части статьи будут рассмотрены искажения, возникающие в оптических усилительно-приемных устройствах.

Авторы с удовольствием ответят на все вопросы или критические замечания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Песков С.Н., Колгатин С.Ю. Шумы в оптических сетях. “Телеспутник”, 2005, №5, с. 58-61.
2. CENELEC EN 50083-6.Cable networks for television signal, sound signal and interactive services. Part 6: Optical equipment. December 2002. 67 с.

¹ В новой редакции EN 50083-7 от 16.04.03 г. для некоторых стран C/N>= 45 dB, CSO/СТВ>= 60 dB.

² Искажения, вносимые передатчиком, измеряются на выходе приемного оптического модуля, собственные искажения которого ничтожно малы. А на приемник – определяются путем вычислений .

³ В предположении, что S/N, CTB и CSO остаются неизменными.

⁴ Для системы передатчик-приемник приведено значение C/N>= 54 dB, т.е. отдельно на приемник и передатчик приходится по 57 dB.