mail@tvbs.ru
Не забудьте пополнить запасы: коаксиального кабеля, витой пары, делителей, ответвителей, разъемов, переходов и штекеров ...
Оборудование и решения для операторов КТВ, IPTV, GPON
Оптический приемник является электрооптическим прибором для преобразования оптических сигналов в электрические сигналы. Он состоит из оптического детектора и промежуточных соединительных компонентов между оптическим входом и коаксиальным выходом. На вход оптического приемника подается оптический сигнал с выхода волоконно-оптической линии. Приемник обрабатывает полученный электрический сигнал, усиливая его и преобразуя импульсы тока в импульсы напряжения, чтобы сигнал с выхода приемника был совместим с той радиочастотной системой передачи, которая подключается к его выходу. Именно параметры оптического приемника во многом определяют технические возможности распределительной системы, среди которых длина регенерационного участка, рабочая полоса частот реверсного канала и качество выходного сигнала.
1. Чувствительность фотодетектора. Она измеряется соотношением его выходного напряжения к входной оптической мощности.
2. Квантовая эффективность. Это характеристика, которая аналогична чувствительности диода, выраженная как отношение числа фотонов, падающих на диод, к числу порожденных ими электронов, образующих ток во внешней цепи. Эффективность, равная 1 (или 100 %), означает, что каждый фотон увеличивает ток во внешней цепи на один электрон.
3. Темновой ток. Даже в отсутствии падающего света через диод протекает некоторый ток, объясняющийся тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Этот ток, величина которого зависит от температуры прибора, называется темновым или током утечки.
4. Эквивалентная или средняя мощность шума (NEP). Это среднеквадратическая мощность сигнала, требуемая для получения единичного отношения сигнал/шум или минимальная оптическая мощность, необходимая для создания тока, равного собственному среднеквадратическому шумовому току прибора, который аналогичен тепловому порогу детектирования приемника.
5. Время нарастания (время срабатывания). Это время, которое требуется детектору для увеличения уровня его выходного электрического сигнала от 10 до 90 процентов пикового значения. Это время может составлять порядка 1 не для лавинных диодов, около 3 - 4 не для pin-диодов и зависит от напряжения смещения.
6. Напряжение смещения. Работая с током, детектор требует смещения в рабочую область с помощью приложения к нему напряжения смещения. Обычно pin-диоды требуют смещения менее 100 В, тогда как лавинные диоды требуют приложения нескольких тысяч вольт. Тем, что подача напряжения смещения повышает температуру фотодетектора, объясняется его влияние на время отклика, темновой ток и чувствительность прибора. С ростом смещения изменяются рабочие характеристики фотодиода.
Основным элементом приемника является фотодетектор, который преобразует поступающую энергию света в электрическую энергию выходного сигнала. В настоящее время используется главным образом два типа фотодетекторов: PIN-диоды и лавинные диоды APD. Рассмотрим в общих чертах устройство этих приборов.
PIN-диод является полупроводниковой структурой, которая включает область положительных зарядов (positive), область отрицательных зарядов (negative) и разделяющую их нейтральную область (intrinsic), обедненную носителями зарядов. Обедненная область создается обратным смещением перехода, при котором через прибор течет очень слабый обратный ток. При обратном смещении электроны стремятся выйти из n-области во внешнюю цепь и образовать дырки в р-области, обедняя носителями заряда область перехода.
Когда свет падает на поверхность диода, поглощаемые фотоны создают электронно-дырочные пары в обедненной области. Затем электроны и дырки разделяются под действием обратного смещения перехода и текут в направлении своих областей. Каждая электронно-дырочная пара производит ток в один электрон во внешней цепи. Структура PIN-диода и диаграмма напряженности поля в ней показаны на рис. 11.5.
В идеальном PIN-диоде каждый фотон создает одну электронно-дырочную пару. Если на диод падает слабый световой поток, то производимый электрический ток может быть недостаточным, чтобы детектировать его на фоне внутреннего шума самого pin-диода и внешней цепи.
Лавинный фотодиод или APD (Avalanche Photo Diode) является альтернативой фотодетектору на основе PIN-диода. По сравнению с последними он имеет ряд преимуществ. Если на поверхность PIN-диода падает слабый световой поток, то выходной сигнал детектора также слаб, поэтому хотелось бы повысить его уровень перед дальнейшей его обработкой и усилением в электронной части фотоприемника. Это и обеспечивает структура, названная APD, которая показана на рис. 11.6.
Внутри части обедненной области лавинного диода создается сильное электрическое поле, напряженность которого отображена пиком на рисунке. Основные носители зарядов, порожденные падающими на диод фотонами (как и в pin-диодах), при попадании в это сильное поле способны усиливать выходную энергию на несколько электрон-вольт. Сталкиваясь с кристаллической решеткой, основной носитель отдает достаточно энергии для продвижения электрона из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс называется ударной ионизацией. Вследствие этого неосновные носители могут создавать еще больше носителей заряда. В результате происходит явление, известное как лавинный пробой, которым и объясняется внутреннее усиление в диоде.
Количество электронов, образующих ток во внешней цепи диода, равно произведению числа падающих фотонов и коэффициента лавинного умножения прибора. Поэтому APD имеют квантовую эффективность около 4 (т.е. больше 100 %), хотя это может приводить также и к усилению шума на выходе прибора. Лавинные диоды чувствительны к изменению температуры, поэтому обычно в структуру фотодетектора на основе APD включена схема АРУ (автоматического контроля усиления), которая поддерживает стабильное напряжение смещения. Лавинные диоды обладают следующими характеристиками:
Минимальные сведения об устройстве приемников необходимы как разработчику оптической системы передачи, так и обслуживающему техническому персоналу для того, чтобы контролировать работоспособность системы и правильность детектирования. На рис. 11.7 показана структурная схема оптического приемника. Обычно оптический приемник представляет собой чувствительный широкополосный фотодетектор с входным спектральным диапазоном, соответствующим рабочей длине волны (например, 1200 - 1600 нм для волны 1550 нм), который совмещен в одном корпусе с мощным двухступенчатым радиочастотным усилителем, имеющим высокую линейность. Для уверенного детектирования уровень оптического сигнала на входе приемника должен по крайней мере в два раза превышать уровень собственного шума приемника. Для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум или, в случае цифровой передачи, требуемого значения BER желателен более сильный входной оптический сигнал. Это требование аналогично приемлемому соотношению уровня входного сигнала и коэффициента шума прибора в обычной высокочастотной аналоговой системе передачи. Для снижения шума в некоторые схемы оптических приемников включается трансимпедансный усилитель (усилитель напряжения, управляемый током на полевом транзисторе).
Такие приемники, в которых используются детекторы на PIN -диодах, иногда называют устройствами PIN-FET (PIN -диод с полевым транзистором). Полевой транзистор в данном случае используется для усиления выходного сигнала детектора. Поскольку активные области поверхности детектора относительно велики, эффективное введение светового сигнала с выхода волокна в детектор не представляет трудной задачи. Иногда для минимизации потерь при вводе света в детектор применяются волокна с размером сердцевины, большим, чем у используемых в звене передачи, в виде коротких отрезков гибкого волокна. Обычно приемники на основе PIN-диодов устроены более просто, чем APD. Последние, особенно в сочетании с устройством термоэлектрического контроля (ТЕС), являются более сложными приборами.
В настоящее время выпускается множество моделей оптических приемников с различными конструктивными особенностями. Сказать о всех особенностях невозможно, но попробуем осветить главные. В основе обычно лежит модульная конструкция с широким выбором модулей разного назначения. В зависимости от технических требований, предъявляемых к сети, по выбору разработчика в разных моделях могут быть установлены следующие компоненты: модуль АРУ, оптический передатчик обратного канала, диплексер прямого и обратного каналов, дополнительные сменные делители выходного сигнала. Наличие АРУ весьма важно в сетях с меняющейся нагрузкой или в условиях плохой стабильности параметров магистрали, в частности, при низком классе головной станции. Радиочастотный усилитель строится по тем же базовым принципам и схемам, которые были описаны в предыдущей главе. Выходная ступень должна иметь высокую линейность и создается по схеме Push-Pull или Power Doubler, между ступенями усилителя включается межкаскадный эквалайзер и аттенюатор с плавной или ступенчатой регулировкой.
Несмотря на возможность передачи света по волокну в обоих направлениях, обратный канал зачастую организуется по отдельному волокну с помощью передатчиков обратного канала, встроенных в некоторые модели оптических приемников, и оптических приемников обратного канала, устанавливаемых на головной станции. Основой оптического передатчика реверсного канала тоже служит полупроводниковый лазерный диод с системой температурной стабилизации мощности выходного излучения. Регулировка коэффициента модуляции осуществляется изменением уровня сигнала, подаваемого на модулятор излучателя, для чего на входе оптического передатчика установлен аттенюатор. Рабочая полоса частот передатчиков реверсного канала приемников может меняться в зависимости от его загруженности. Рабочая полоса оптического приемника прямого канала по выходу должна соответствовать полосе последующей распределительной сети (50 - 862 МГц или 900 - 2150 МГц).
Описанные характеристики и особенности приемников позволяют создавать разветвленные гибридные интерактивные сети кабельного телевидения большой канальной и абонентской емкости с достаточно протяженными магистралями без оптических репитеров. Один оптический приемник может обслуживать коаксиальный распределительный сегмент, включающий от 500 до 2000 абонентов при трансляции до 80 цифровых и аналоговых сигналов. Например, уровень входного оптического сигнала приемника OR-8601B TVBS составляет -9...+2 дБм, а уровень выходного сигнала составляет 112 - 116 дБмкВ при отношении C/N более 51 дБ. Его входной динамический диапазон, таким образом, составляет не менее 10 дБ при чувствительности -8 дБм на длине волны 1550 нм. При использовании оптического передатчика OT8620SQ TVBS с выходной мощностью 13 дБм на длине волны 1330 нм протяженность оптической магистрали составит более 40 км при одновременной трансляции 40 телевизионных каналов и уровне входного сигнала 2 дБм с учетом того, что потери в волокне составят 0,4 дБ/км. Показатели СТВ и CSO этого приемника составляют соответственно более 65 и 61 дБ.
Приемник может быть снабжен индикаторами отклонениях входного оптического уровня. Электрический выходной порт прибора должен иметь номинальный импеданс 75 Ом (в некоторых частных случаях, указанных в стандарте, допустим импеданс 50 Ом). Коэффициент возвратных потерь должен соответствовать одной из категорий, приведенных в EN 50083.
Усилитель должен быть снабжен индикатором выходной мощности "on", указывающим на излучение света.
Построение крупных кабельных телевизионных сетей невозможно без использования оптического волокна в качестве транспортной или магистральной линии передачи от головного оборудования к распределительным абонентским сегментам, выполняемым, как правило, на основе коаксиального кабеля. В начале оптической линии, на головной станции, устанавливается оптический передатчик. Конечным прибором оптической линии является оптический приемник. При большой протяженности магистрали или транспортной линии возможно включение между передатчиком и преемником оптического усилителя, но в обычных сетях кабельного телевидения в этом нет необходимости. Во многом качество передачи в оптической линии определяется качеством волокна.
Искажения и шумы для цифровых и аналоговых оптических систем определяются разными показателями и измеряются в разных единицах. Преобразование времени нарастания в полосу частот возможно. В спецификации на аналоговое активное оборудование и оптическое волокно обычно даются в тех же терминах, что и спецификации на активное оборудование коаксиальных систем. Это позволяет находить комплексные показатели качества гибридной системы методом комбинирования с помощью диаграмм или аналитических выражений и упрощает, тем самым расчеты при проектировании системы, включающей волоконно-оптические сегменты и коаксиальную структуру. Как и в коаксиальных системах, в аналоговых оптических системах величины интермодуляционных искажений зависят от числа телевизионных сигналов и уровня выходного оптического сигнала передатчика. Величина шума зависит от устройства приемника и уровня оптического сигнала на входе приемника.
