TTS Moduł 14

Światłowód kwarcowy jako medium transmisyjne zrewolucjonizował technikę transmisji informacji na długich dystansach. O tym już wiemy. Czy w takim razie jest jeszcze miejsce na transmisję radiową? Znasz odpowiedź: oczywiście tak, cała telefonia komórkowa bazuje na transmisji radiowej, wykorzystującej pasma mikrofalowe. W ostatnich latach coraz częściej sięgamy do pasma fal milimetrowych. Jednakże systemy radiowe i światłowodowe nie rozwijają się obok siebie, bez punktów styku. Jest ich wiele. Obie techniki: światłowodowa i radiowa przenikają się wzajemnie I uzupełniają. Popatrzmy w tym wykładzie na niektóre przykłady.

---

Wykład „Systemy radiowo-światłowodowe” zapoznaje studiującego z najnowszymi rozwiązaniami problemu jednoczesnej, szerokopasmowej transmisji danych do lokalnych sieci komputerowych. Połączenie właściwości transmisji radiowej, wykorzystującej pasma fal milimetrowych, z możliwościami transmisji światłowodowej umożliwiło projektowanie systemów elastycznych o dużej przepustowości. Kolejno omówione zostaną podstawowe techniki stosowane w systemach, które są obiektem poważnych prac rozwojowych.

---

Wykorzystanie łączy światłowodowych do transmisji fali nośnej pasm milimetrowych wymaga dużych prędkości modulacji i detekcji, tworzy to określone trudności. Na rysunku pokazano pasma pracy układów modulujących sygnał optyczny i układów odbiorczych. Najszersze pasmo pracy mają fotodetektory diodowe PIN i MSM, natomiast fototranzystory ciągle są rozwijane i nie tworzą dojrzałych konstrukcji. Jeśli chodzi o modulację sygnału optycznego, to realnym stało się uzyskanie pasma modulacji do 40 GHz, choć w najlepszych, pionierskich konstrukcjach osiąga się 80 GHz. Oznacza to, że bezpośrednia transmisja sygnału fali nośnej z pasma fal milimetrowych jest problemem, który nie daje się bezpośrednio rozwiązać.

---

Stałe dążenie do coraz większych prędkości transmisji informacji w telekomunikacji radiowej tworzy nacisk na wykorzystanie pasm fal milimetrowych. Pasma fal milimetrowych (25 GHz, 34 GHz, 43 GHz, 60 GHz) nie zapewniają dużych zasięgów - tłumienie w atmosferze, jednakże umożliwiają one duże prędkości transmisji. Problemem jest połączenie Stacji-Bazy ze Stacją Centralną, gdyż ani linia współosiowa, ani falowody nie mogą być użyte ze względu na tłumienie. Powstała idea wykorzystania do tego celu łącza światłowodowego. Łącze takie winno służyć jednocześnie do: transmisji informacji, transmisji fali nośnej (informacji o jej częstotliwości).

---

Celem jest transmisja sygnału i nośnej z punktu-do-punktu, przy użyciu światłowodu. Użycie modulatora „na wejściu” sytemu – co pokazano w obwodzie a) - jest rozwiązaniem najprostszym. Struktury łącz optycznych do transmisji sygnałów mikrofalowych wykorzystują albo bezpośrednią modulację laserów, albo zewnętrzną modulację nośnej. W układzie z rysunku b) oddzielnie transmitowana jest nośna i sygnał, a proces modulacji realizowany jest po stronie „wyjścia”. Oczywiście można transmitować sygnał i nośną tym samym światłowodem, jeśli użyje się lasery o różnych długościach fali i technikę multipleksacji WDM.

---

W układzie z rysunku c) proces modulacji realizowany jest po stronie „wyjścia”, przy czym funkcję modulatora pełni fotodioda. Oczywiście można transmitować sygnał i nośną tym samym światłowodem, jeśli użyje się lasery o różnych długościach fali i technikę multipleksacji WDM. Sygnał i fala nośna mogą być transmitowane przez jedno łącze optyczne, jeśli tylko pasma zajmowane przez oba sygnały są wyraźnie oddzielone od siebie. Pokazano taki obwód na rysunku d). Obwód wejściowy jest tutaj prostym, liniowym i pasywnym sumatorem. Także w tym przypadku modulatorem może być fotodetektor PIN.

---

Proces modulacji mocy optycznej może być prowadzony zewnętrznym modulatorem, na przykład modulatorem elektrooptycznym. Układy łącz e) i f) pracują analogicznie do układów a) i b), różnica leży w sposobie modulacji. Układy z modulatorem zewnętrznym są bardziej kosztowne, ale dzięki możliwości uzyskania wzmocnienia i mniejszego współczynnika szumów mogą być w wielu zastosowaniach niezastąpione.

---

Modulacja z wykorzystaniem podnośnych (subcarrier multiplexing) jest przykładem równoczesnej transmisji wielu sygnałów mikrofalowych o różnych częstotliwościach. Ten typ przesyłania informacji jest chętnie stosowany w transmisji kanałów telewizyjnych w sieciach telewizji kablowej CATV. W tej technice wszystko, co możliwe jest realizowane z wykorzystaniem układów elektronicznych, łącze optyczne służy jedynie do transmisji.

---

W wielu przypadkach konieczna jest transmisja sygnałów mikrofalowych z pasm powyżej osiągalnego pasma modulacji laserów. Przypadek taki pokazano na rysunku. Problem rozwiązano stosując mieszacz mikrofalowy dolnowstęgowy, wykorzystany tutaj do obniżenia pasma sygnałów z 40-58 GHz do wartości 0-18 GHz, co umożliwia bezpośrednią modulację mocy laserów. Analogicznie po stronie „wyjścia” sygnał z pasma 0-18 GHz po transmisji jest przez mieszacz górnowstęgowy przeniesiony do pasma 40-58 GHz. W opisywanym systemie oddzielnie transmitowana jest nośna, a oddzielnie sygnał. Ponieważ częstotliwość nośnej jest 8 x mniejsza, potrzebne są więc powielacze częstotliwości, po obu stronach systemu.

---

Łącza optyczne w systemach radio-światłowód są najczęściej łączami analogowymi, mimo, że transmitowane są dane cyfrowe. W tym miejscu warto przypomnieć ważny parametr łącza analogowego, jakim jest wzmocnienie. Na rysunku pokazano układ łącza optycznego, analogowego i określono wrota sygnału mikrofalowego. We wrotach wejściowych sygnał mikrofalowy jest skierowany do modulowania prądu lasera, a we wrotach wyjściowych pojawia się sygnał wyjściowy w postaci prądu fotodetektora. Dla tak zdefiniowanego dwuwrotnika można wprowadzić pojęcie wzmocnienia. Zostało to zrobione w jednym z poprzednich wykładów.

---

Na rysunku pokazano układ łącza optycznego z zewnętrzną modulacją. W łączu wykorzystano modulator elektrooptyczny. Także w tym przypadku można określić wrota dwuwrotnika mikrofalowego i wprowadzić pojęcie wzmocnienia. Dokładne wyprowadzenie można znaleźć w jednym z poprzednich wykładów.

---

Charakterystyki wzmocnienia dla obu typów łączy pokazano na rysunku. Jak widać z nich w łączach z bezpośrednią modulacją należy oczekiwać tłumienia transmitowanego sygnału, często o kilkanaście decybeli. Natomiast w łączach z zewnętrznymi modulatorami elektrooptycznymi można uzyskać praktycznie niewielkie wzmocnienia. Projektanci systemów radio-światłowód powinni fakt ten mieć na uwadze.

---

Co można zrobić z “nośną” po transmisji łączem optycznym? Informacja o częstotliwości nośnej może być wykorzystywana w rozmaity sposób. Jeśli częstotliwość nie musi być zmieniana, to najprostszym rozwiązaniem jest użycie wzmacniacza – rysunek a). Transmisja analogowym łączem optycznym połączona jest zwykle z tłumieniem sygnału o 10...25 dB. Stosunek sygnał/szum ulega degradacji o tyle samo decybeli W systemach „fiber-radio” częstotliwość sygnału używana do transmisji radiowej leży zwykle w zakresie fal milimetrowych, powyżej 30 GHz. Często bezpośrednia transmisja sygnału o takiej częstotliwości nie jest możliwa, ponieważ leży poza pasmem modulacji. Trzeba szukać rozwiązań specjalnych. W takim wypadku transmitowana jest częstotliwość kilkakrotnie mniejsza, a na wyjściu fotodetektora stosuje się powielacze częstotliwości. Najczęściej są to powielacze tranzystorowe, rzadziej diodowe.

---