Материал: Приемопередатчик атмосферной оптической линии связи

.2.2 Приемная часть устройства

В задачи приемной части входит прием сигнала оптической системой, ограничение фоновых шумов, преобразование оптического сигнала в электрический, последующее усиление, ограничение и принятие решения о переданном бите, восстановление формы импульса и импульсов синхронизации.

Существует 2 вида функциональных схем оптических приемников: аналоговые и цифровые[18].

Аналоговые ФП принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе формируют аналоговый электрический сигнал.       К аналоговым ФП предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов.

Рисунок 4.4 Функциональные элементы аналогового(а) и цифрового(б) приемников

При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов, поскольку ФП содержит узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги для сигналов 0 и 1, он же устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Т.к среда распространения сигнала - атмосфера, где происходит сильное искажение формы импульса будет использоваться цифровую схему приема.

Методы фотоприема[18]:

Прямой:

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый ФД ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений - порогового устройства (ПУ)

Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).Основным показателем качества ФП является отношение с/ш

Рисунок 4.5 Прямой прием оптических сигналов

Гетеродинный:

Когерентный прием , в котором применяется гетеродинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании на входе фотоэлемента смешиваются сигнал мощностью Рс и излучение гетеродина мощностью Рг. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов.

Рисунок 4.6 Гетеродинный прием оптических сигналов

В проекте будет использован прямой метод приема, т.к обеспечение точного совмещения волновых фронтов в канале из-за влияния атмосферного канала - затруднительно. К тому же такой гетеродинный прием приводит к сильному удорожанию и увеличению габаритов системы.

Приемный элемент:

Кремний наиболее распространенный материал для приемников в видимой и ближней ИК-области спектра. Технология работы с кремнием наиболее широко известна и данный материал может детектировать очень малые интенсивности излучения. Обладая широкой полосой восприимчивости к свету, кремний имеет зависимость чувствительности от длины волны максимум которой находится около 850 нм. Это делает кремниевые приемники идеальными в сочетании с коротковолновыми VCSEL -излучателями, работающим на 850 нм. Кремниевые приемники могут работать на высоких частотах. Широко доступны менее скоростные (1 Гбит/с) кремниевые PIN -диоды и ЛФД. Также широко распространены кремниевые PIN -диоды со встроенным трансимпедансным усилителем. В таких детекторах чувствительность является функцией полосы модуляции сигнала и обратно пропорциональна ей. Типичная чувствительность кремниевого PIN -диода составляет -34 Дбм на 155 Мбит/с. Кремниевые ЛФД значительно чувствительнее благодаря внутреннему лавинообразному процессу Значения чувствительности для высокочастотных применений составляют -55 Дбм на нескольких Мбит/с, -52 Дбм на 155 Мбит/с и -46 Дбм на 622 Мбит/с. Кремниевые приемники могут быть большого размера (т.е. 0.2 мм x 0.2 мм ) и могут работать на высоких частотах. Это свойство делает потери минимальными если свет фокусируется на детекторе с помощью линз большого диаметра или параболического отражателя. Недостатком лавинного фотодиода является высокое подводимое напряжение [15][17]

Высокие потери энергии в атмосферном канале, а так же высокая скорость передачи требуют применения высокочувствительных кремниевых лавинных фотодиодов.

В качестве приемного элемента выберем AD500-1.3G-TO5, который содержит помимо приемного элемента встроенный трансимпедасный усилитель. Достоинством данной сборки является низкий уровень вносимых шумов, высокая скорость работы с данными и чувствительность.

Параметры фотодиода приведены на рисунке 4.6, трансимпеданого усилителя на рисунке 4.7

Рисунок 4.7 Параметры фотодиода

Рисунок 4.8 Параметры трансимпедансного усилителя

Асимметричное напряжение, полученное в TIA, усиливается и преобразовывается в дифференциальный сигнал, необходимый для работы последующих каскадов.

Ограничивающий усилитель:

Максимально достижимая крутизна усилителя TIA зависит от рабочей частоты. Чтобы гарантировать устойчивость и требуемую полосу пропускания коэффициент усиления может быть оптимизирован только в пределах узкого диапазона. При маломощном оптическом сигнале это ограничение может сделать выходной сигнал усилителя недостаточным для дальнейшей обработки. Чтобы усиливать небольшие напряжения в диапазоне 1- 2 мВ, после усилителя TIA ставят еще один усилитель, который в большинстве случаев является усилителем-ограничителем (LA). В этот усилитель также включен индикатор малого сигнала, который предупреждает, когда поступающий сигнал падает ниже определенного пользователем порога, устанавливаемого извне. Чтобы при сигнале близком к порогу флаг индикатора не менял свое значение, компаратор выполняется с гистерезисом.

В качестве ограничивающего усилителя выберем MAX3748H. Это многоскоростной ограничивающий усилитель, используемый в оптических ресиверах Gigabit Ethernet. Усилитель работает в широком диапазоне входных напряжений и обеспечивает постоянный уровень выходных напряжений логики с переключением по току (CML) и контролем скоростных ступеней.

Дополнительной особенностью MAX3748H является конфигурируемая функция обнаружения потери сигнала (LOS), функция отключения усилителя (DISABLE) и возможность смены полярности выходного сигнала (OUTPOL). Отключение выхода можно использовать для подавления шума.[29]

Синхронизация и восстановление данных:

Ключевой компонент, который следует за усилителем-ограничителем в приемном устройстве - это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт время и амплитуду восстановленного потока данных.Качество сигнала на выходе усилителя ограничителя обычно низкое, главным образом из-за не идеальных компонентов в оптической системе передачи. Поскольку схема CDR для достижения нормальной, свободной от ошибок работы, должна принять некоторое количество колебаний входных данных, все устройства приемника должны исполнять рекомендации ITU - T по допуску на неустойчивую синхронизацию.

Рисунок 4.9 Функциональная схема MAX3748H

Помимо эффектов колебания (jitter) шум и искажение импульса также уменьшают фазу запаса регулирования. Это усложняет синхронизацию полученной информации и считывание логического уровня каждого бита. Использование системы фазовой автоподстройки частоты (PLL) - неотъемлемая часть в синхронизации генератора тактовых импульсов с потоком данных, чтобы гарантировать выравнивание синхросигнала с серединой информационного слова. Для последующей оптимизации частоты передачи бита ошибки (BER) при асимметричном повышении и падении переходов сигнала полученных данных, система должна включить выбор регулирования фазы зависимости синхроимпульсов и данных. .[29]

В качестве микросхемы CRD выберем AND2805. Область применения данной микросхеме Gigabit Ethernet. Способна работать на скорость до 1.25Гбит\с и может управляться по интерфейсу i2с. К достоинствам данной микросхемы так же относятся низкая потребляемая мощность(типовое значение 390 мВт)

Рисунок 4.10 Функциональная схема AND2805

Оптическая система:

В задачи оптической системы приемника входит прием оптического сигнала и его фокусирование на приемном элементе, уменьшение мощности фоновых шумов. На приемной стороне так же требуется использование защитного стекла. Уменьшение влияния фоновых шумов достигается за счет 2х методов: фильтрация и уменьшение поля зрения приемника. Фильтрация может быть реализована применением светофильтров, ограничивающих полосу принимаемого сигнала, либо посредством косвенного ввода оптического сигнала. Недостатком косвенного ввода является потеря части сигнала на согласование волокна и фотодиода, а так же меньшая площадь приемного элемента(которым выступает торец оптоволокна), что приводит к геометрическим потерям. Таким образом целесообразно использовать оптические фильтры. Выберем KW-IR850100 LEADWIN 100mm IR Filter 850nm с шириной полосы пропускания 10 нм и коэффициентом пропускания 0.95

Угол зрения приемника определяется оптической системой. В данном проекте он равен 4 мрад. Как правило, в приемных устройствах нет необходимости коллимировать луч на входе детектора, поэтому фотодетектор может быть просто помещен в фокальную точку отражательной или рефракционной приемной антенны, как показано на рис. 4,10 (а − линзовая система, б - оптика Ньютона, в − оптика Кассегрена). Для оптических приемных систем с прямым детектированием желательно выбирать диаметр приемной антенны (которой может быть обычный фотообъектив или собирающая линза) как можно большим, что позволит обеспечить максимум сигнальной энергии на входе детектора. Знание фазы не является обязательным при прямом детектировании, поэтому аберрации оптической системы (дисторсия и астигматизм) не имеют большого значения до тех пор, пока размер сфокусированной точки приемной антенны не превышает площади фотодетектора. Для гетеродинных и гомодинных фотоприемников (ФП) размеры оптической антенны ограничены площадью когерентности принимаемого луча.[18]

Используем линзовую систему, т.к применение систем б) и в) нецелесообразно ввиду их стоимости и сложности настройки. Достоинствами линзовой систему, помимо стоимости, является так же простота конструкторского исполнения. Линзы для приемного блока делаются на заказ. Используются линзы диаметром 10 см и фокусным расстоянием 32 см, с просветлением на длине волны 850 нм и коррекцией аббераций.

6.2.3 Интерфейсный блок, блок индикации и управления:

В задачи интерфейсного блока входит кодирование\декодирование сигналов, поступающих по витой паре, помехоустойчивое кодирование(только при сильном ослаблении сигнала), шифрование, формирование модулирующей последовательности импульсов.

Рисунок 4.11 Структуры ФП антенн

В задачи блока управления и индикации входит управление подогревом\охлаждением устройства, включение\выключение передачи данных, индикация неполадок и состояния связи.

В качестве интерфейсного блока используем ПЛИС фирмы Altera: Cyclone IV GX. Данные ПЛИС обладают высокой скоростью работы с данными, средствами отладки и также могут иметь в себе несколько модификаций, позволяющих использовать их в качестве трансиверов. Достоинством ПЛИС Cyclone IV является то, что они нуждаются всего в двух источниках питания, в отличие от четырёх для ПЛИС Cyclone III. Для них не требуется теплоотвод, что упрощает дизайн печатной платы и уменьшает стоимость монтажа. Системы со встроенным трансиверами обладают высокой стоимостью и содержат множество интерфейсов, которые не используются в данном проекте. Поэтому будет использоваться модель ПЛИС серии E(широкого применения) EP4CE55

Рисунок 4.12 Характеристики EP4CE55

В техническом задании требуется обеспечить протокол приема\передачи данных 1000 Base-T. Данный стандарт Gigabit Ethernet использует в качестве передачи данных кабель 5e категории. Для обеспечения скорости передачи 1Гбит\с по такому кабелю используется кодирование РАМ-5, в котором передаваемый сигнал имеет набор из пяти фиксированных уровней. 4 из них используются для кодирования информационных битов, а пятый предназначен для коррекции ошибок.[13]

Для обеспечения работы ПЛИС с интерфейсом 1000BASE-T, будет использована схема, реализующая PHY уровень GbE DP83865.

MAC уровень будет реализован в самой ПЛИС, т.к выбранная микросхема не имеет PCI-E интерфейса для подключения DP83820. MAGNETICS между разъемом RG-45 и DP83865 служат для защиты ПЛИС и увеличения помехоустойчивости.

Блок управления(микроконтроллер) реализован с использованием части ресурсов ПЛИС. Для программирования ПЛИС использовано программное обеспечение Quartus II v10.0 Для конфигурирования ПЛИС могут быть использованы: ByteBlaster II, USB-Blaster, and EthernetBlaster Download Cables. Выберем USB-Blaster, т.к USB, в настоящее время, довольно распространенный и повсеместный интерфейс. Данные о конфигурации ПЛИС будут храниться во внешней FLASH памяти, подключаемой к ПЛИС. Для мониторинга температуры используются данные от драйвера лазера и от термодатчика DS18B20

Рисунок 4.13 Организация подключения витой пары к ПЛИС

Блок индикации реализован с помощью светодиодов и семисегментных индикаторов.

.2.4 Блок питания, блок подогрева\охлаждения:

Питание приемопередающего модуля осуществляется от сети 220В 50 Гц. Для питания микросхем сначала ставится AC/DC преобразователь RS-50-12, 50Вт, вход 88-234 В, выход 12В/4.2A. Далее ставятся стабилизаторы напряжения 12->2.5\3.3\5В. Используем серию LT1763, обладающую широким диапазоном входного напряжения, низкими шумами, стандартными выходными напряжениями: 1.5, 1.8, 2.5, 3, 3.3,5 В

Для питания лавинного фотодиода используем высоковольтный источник питания от фирмы Matsusada Precision, который обеспечивает напряжение от 150 до 300 В, имеет низкий уровень пульсаций и защиту от перегрузок.

Блок подогрева и охлаждения реализован на элементе Пелетье. Элемент Пельтье - это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье - возникновении разности температур при протекании электрического тока. Достоинством элемента Пельтье является небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание - это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования.Недостатком элемента Пельтье является очень низкий коэффициент полезного действия, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, элементы Пельтье нашли широкое применение

.3 Расчет требуемой мощности передатчика

Для расчета требуемой мощности воспользуемся методикой предложенной в[20] Данная методика расчета используется применительно к малым и средним (до 1000м) расстояниям. Учет фонового излучения описан в литературе [20]

Исходные данные для расчета:

Длина волны

Диапазон длин волн принимемых фотоприемником

Расходимость луча

Дальность связи :

Радиус приемного объектива: .

Число приемных объективов: 2

Эквивалентный радиус обоих объективов R=7.07см

Площадь приемного элемента: 

Угол зрения приемника: 

Затухание на трассе при густом тумане для длины волны 850нм: 

Модуляция - ООК

Рисунок 4.14 Зависимость вероятности ошибки от ОСШ для ООК и BPSK модуляций для канала с АБГШ

Требуемое ОСШ  (при вероятности ошибки

) - 15.5дБ