Определение модуляции и классификация видов

4.1. Определение модуляции  и классификация  видов

Сигналы, поступающие  от источников сообщений (микрофона, телевизионной  камеры, датчика телеметрии и других), как правило, не могут быть непосредственно  переданы по каналу радиодиапазона или  оптического диапазона частот. Чтобы  осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде (атмосфере  или стекловолокне), необходимо перенести  спектр сигналов из низкочастотной области  в область достаточно высоких  частот.

Процедура переноса спектра  из низких частот в  область высоких  частот называется модуляцией.

Обратная  процедура получила название демодуляции.

Модуляция в  оптических системах с одноканальной  и многоволновой передачей должна удовлетворять ряду требований:

• при модуляции должен создаваться компактный спектр сигнала, спектральная эффективность должна приближаться к величине 0.4-0.5 бит/с/Гц (например, полоса 100ГГц при скорости 40Гбит/с);
• модулированный сигнал должен быть максимально устойчив к нелинейным эффектам;
• модулированный сигнал должен быть устойчивым к дисперсионным и нелинейным искажениям в волоконно-оптической линии и устройствах компенсации дисперсии и оптического усиления;
• конфигурация оптического передатчика и приемника должны быть достаточно простыми.

В технике  оптических систем передачи этим требованиям  соответствуют в определенной степени внешняя и прямаямодуляция электромагнитных излучений оптического диапазона.

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду (рисунок 4.1).

Внешняя модуляция  основана на следующих физических явлениях.

Электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Рисунок 4.1 Принцип внешней модуляции

Магнитооптический эффект Фарадея – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Упругооптический эффект –изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (или механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, эффект Рамана – Ната).

Электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Рисунок 4.2 Принцип прямой модуляции

Наиболее  широкое применение в модуляторах  оптических передатчиков получили электрооптический и электроабсорбционный эффекты. Модуляторы на их основе называются ЭОМ и АБОМ. Эти модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 100 Гбит/с и выше).

Прямая  модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения (рисунок 4.2).

Прямая модуляция  отличается относительной простотой  и реализуемостью в интегральных схемах, что труднодостижимо для  внешней модуляции. Однако применение прямой модуляции имеет частотный (скоростной) предел около 5 ГГц (2,5 ? 5,0 Гбит/с) [26, 51]. Это обусловлено конечным временем жизни носителей зарядов и фотонов в средах преобразования (активном слое лазерного диода).

Относительная простота и низкая стоимость прямой модуляции обусловили ее широкое  применение в оптических системах передачи аналоговых и цифровых сигналов с  модуляцией интенсивности (мощности) излучения.

Помимо модуляции  интенсивности излучения нашли  применение методы модуляции фазы, частоты и поляризации оптического  излучения как для передачи информационных сигналов, так и для высокоточных датчиков [2, 3, 24, 50, 60, 71].  

4.2. Прямая модуляция

Выходное  излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно  модулировать изменением характеристик  активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы  получить модуляцию мощности излучения  или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (рисунок 4.3), которое позволяет получить линейный процесс.

Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду  через волновую поверхность площадью один квадратный метр. Однако для описания процесса модуляции часто применяется  просто параметр мощности (4.1, 4.2).

             (4.1)

где Р₀ – постоянная или максимальная мощность излучения в зависимости от выбора величины тока смещения, М – параметр глубины модуляции, который определяется соотношением [24]

             (4.2)

где Р_Р – пиковая мощность оптического излучения, Р_min – минимальная мощность оптического излучения.

Изменение мощности излучения может происходить  импульсно или по закону сигнала  с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 4.3. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции  могут искажаться. Поэтому при  модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.

Рисунок 4.3 Прямая модуляция со смещением

Степенная аппроксимация  ваттамперной характеристики с нелинейностями в окрестностях некоторой рабочей точки   (ток смещения) можно представить в виде зависимости мощности излучения[14]:

             (4.3)

где а₀, а₁, а₂... – коэффициенты аппроксимации.

Полагая, что  ток, проходящий через прибор (СИД  или ППЛ), подчиняется закону

             (4.4)

После подстановки 4.4 в 4.3 и перехода к мощности получится:

P_s = P₀ + P₁cos

_s t + P₂cos2 _s t + P₃cos3 _s t + …..             (4.5)

Таким образом, нелинейные искажения приводят при  модуляции к искажению формы  сигнала и изменению его спектра, т.е. появлению гармоник сигнала P₂cos2 _st, P₃cos3 _st и т.д. Изменение спектра опасно образованием переходных помех в многоканальных системах. По этой причине на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по мощности второй и третьей гармоник

             (4.6)

Минимально  допустимые значения:

а_н2 = 55 дБ, а_н3 = 60 дБ.

Для достижения указанных значений ан2 и ан3 могут применяться различные методы уменьшения нелинейных искажений: предискажение, использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация и другие.

Введение  предискажений в информационный сигнал S(t) до модуляции, обратных тем, которые при модуляции вносит источник излучения, позволяет выполнить требование по минимальной величине а2г и а3г, однако в этом методе реализация модулятора чувствительна к возможным изменениям ваттамперной характеристики [8].

Метод отрицательной  обратной связи широко применяется  для компенсации нелинейных искажений  в усилителях аналоговых систем. Однако при реализации в оптическом модуляторе имеет место особенность в  использовании оптического канала (рисунок 4.4).

Излучаемая  мощность Р_s будет пропорциональна параметрам передачи сигнала в цепи обратной связи, образованной фотодиодом и усилителем 1 (4.7).

Ps ~ Rx[S(t) - KxI_ос]                (4.7)

где R – коэффициент, учитывающий передачу в усилителе 2.

Рисунок 4.4 Схема модулятора с компенсацией нелинейных искажений в цепи обратной связи

Рисунок 4.5 Подавление второй гармоники при  фазовой компенсации

Необходимо  отметить, что кроме компенсации  нелинейных искажений в схеме  с обратной связью стабилизируется  величина средней излучаемой мощности и поддерживается рабочий режим  источника излучения.

Идея метода фазовой компенсации отражена на рисунке 4.5.

При фазовой  компенсации продуктов нелинейности модуляции (второй гармоники) применяется  одновременная модуляция двух близких  по характеристикам приборов. При  этом модулирующие сигналы S(t) сдвинуты по отношению друг к другу на 90° ( /2). Фазы вторых гармоник будут сдвинуты на величину  (180°), т.е. будут интерферировать в общем пути в противофазе.

Для уменьшения влияний нелинейных искажений на качество передачи информации в аналоговых системах применяют предварительную  модуляцию на поднесущей частоте. При этом модулированный сигнал преобразуется в формат импульсного двухуровнего сигнала с частотно-импульсной, широтно-импульсной, время-импульсной модуляцией (ЧИМ, ШИМ, ВИМ).

4.2.1 Модуляционные характеристики  светоизлучающего  диода

Частотная характеристика модуляции СИД имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей  зарядов в активном слое  _S:

             (4.8)

где f – частота модулирующего сигнала S(t). Полоса частот модуляции СИД определяется по частоте, на которой обнаруживается уменьшение средней квадратичной мощности модулированного сигнала в два раза (4.9).

             (4.9)

Это возможно в случае

             (4.10)

В логарифмическом  масштабе это изменение мощности будет соответствовать

На рисунке 4.6 представлен график частотной  характеристики модуляции СИД.

Рисунок 4.6 Частотная характеристика модуляции  СИД

Реальная  полоса частот модуляции СИД зависит  от конструкции прибора и, как  правило, не превышает 100 МГц.

Эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 Эквивалентная схема модулятора с СИД

Заметное  отличие имеют характеристики модуляции  СИД в высокочастотном непрерывном  и импульсном режимах модуляции.

Высокочастотный непрерывный режим предполагает большой ток прямого смещения   , на который накладывается гармоническое воздействие

             (4.11)

где 

В таком случае задержки рекомбинации определяются временем жизни носителей заряда в активном слое ts и внутренней квантовой эффективностью. Достижимая полоса частот модуляции может быть расширена до 200 МГц.

Рисунок 4.8 Характеристика быстродействия СИД  при модуляции

В импульсном режиме модуляции, когда происходит включение и выключение прибора  большим сигналом, скорость релаксации зависит не только от  _s, но и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости p - n перехода (Сд = 10 ? 100 пФ), установлением распределения концентрации носителей зарядов во всей области излучения. При этом наблюдается задержка включения