 |
|
Модуляция и демодуляция оптической несущей
Оптическую несущую можно представить как электрическое поле монохроматического излучения, мгновенное значение которого при фиксированных пространственных координатах равно
(7.10)
где 
- амплитуда поля; 
и 
- соответственно частота и фаза оптической несущей.
Таким образом, оптическое излучение характеризуется амплитудой, частотой, мгновенной фазой, или поляризацией. Квадрат выражения (7.10) называется мгновенной интенсивностью оптического излучения, т.е.
(7.11)
где 
- амплитудное значение интенсивности.
Изменение амплитуды, частоты, фазы (или поляризации) и интенсивности оптического излучения под воздействием управляющего (модулирующего) сигнала называется модуляцией.
В оптическом диапазоне широко используются аналоговая, импульсная и цифровая модуляции: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дельта-модуляция (ДМ) и их разновидности.
При аналоговой модуляции непрерывному изменению амплитуды информационного сигнала соответствует плавное изменение амплитуды (интенсивности), фазы оптической несущей частоты (аналоговые амплитудная модуляция - AM, модуляция интенсивности - МИ, частотная модуляция - ЧМ, фазовая модуляция - ФМ).
Аналоговая поляризационная модуляция (аналоговая ПМ) может быть двух видов: линейная и круговая (циркулярная). При линейной ПМ угол вектора поляризации линейно-поляризованного колебания по отношению к опорному направлению пропорционален амплитуде информационного сигнала; при круговой ПМ отношение интенсивностей оптической несущей правого и левого круговых поляризованных состояний пропорционально амплитуде информационного сигнала.
При импульсной модуляции амплитуда, интенсивность, длительность, ширина, частота, фаза оптических импульсов изменяются пропорционально амплитуде информационного сигнала (амплитудно-импульсная модуляция - АИМ, импульсная модуляция интенсивности - ИМИ, широтно-импульсная модуляция - ШИМ, частотно-импульсная модуляция и фазо-импульсная модуляция - ФИМ, называемая также позиционно-импульсной модуляцией - ПИМ).
Применение ШИМ в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) оказывается нецелесообразным, поскольку при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется выходная мощность источника оптического излучения и, кроме того, ее помехоустойчивость ниже по сравнению с другими видами импульсной модуляции. При ФИМ, ЧИМ и ИМИ для передачи информации используются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения.
Под цифровой модуляцией в самом общем случае понимается передача двоичной последовательности импульсов одинаковой амплитуды, длительности и фазы методами ИКМ или ДМ. При этом различают такие виды цифровой модуляции, как ИКМ - AM (ИКМ - МИ), когда передаче единицы или нуля информационной последовательности импульсов соответствует максимальная или минимальная соответственно интенсивность (амплитуда) оптической несущей; при ИКМ - ЧМ единице информационной последовательности соответствует одно значение частоты оптической несущей, а нулю - другое значение.
При ИКМ - ФМ фаза оптической несущей манипулируется по отношению к опорной фазе на фазовый угол, равный нулю или π в соответствии с единицей или нулем исходной информационной последовательности. Импульсно-кодовую поляризационную модуляцию (манипуляцию) - ИКМ - ПМ можно осуществить в двух вариантах: линейно-ортогональном и циркулярно-ортогональном. В первом случае единица и нули исходной информационной последовательности различаются линейными ортогональными поляризациями оптического излучения (например, вертикальная поляризация соответствует единице, горизонтальная - нулю). Во втором случае единице соответствует правая круговая поляризация, а нулю - левая.
В настоящее время в технике ВОСП в основном находят применение цифровые методы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения, а также виды модуляции с поднесущими колебаниями и гетеродинными методами приема. Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и оптическим. Существуют разные способы модуляции параметров оптического излучения:
1. Прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения лазерного (ЛД) или светоизлучающего диода (СИД) достигается изменением тока накачки или тока смещения.
2. Внешняя модуляция, при которой управляющий сигнал воздействует на оптическое излучение с помощью внешнего оптического модулятора.
3. Внутренняя модуляция, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например Фабри-Перо, и изменяющего его добротность.
В оптических системах передачи используется два метода приема модулированного оптического сигнала:
- прямая или непосредственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения;
- когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный способ преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляции по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции.
Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называются оптическими модуляторами.
Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило в кристаллах соответствующей структуры.
Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) либо непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором.
Качество работы оптических модуляторов определяется такими параметрами, как управляющее напряжение и мощность, линейность модуляционной характеристики, динамический диапазон, глубина модуляции, потери света, широкополосность или быстродействие, экономичность в потреблении энергии.
Метод модуляции оптической несущей выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от вида передаваемой информации и требований, предъявляемых к интенсивности светового потока, мощности модулирующего сигнала, коэффициенту (глубине) модуляции, а также от режима работы (импульсного или непрерывного).