Файл: Применения лазеров..pdf

логично пространственная фильтрация — уменьшение поля зрения оптического приемника — не является отличитель­ ной чертой короткоимпульсной системы. Временная же дис­ криминация шума, которая может быть осуществлена путем импульсного открывания оптического приемника в момент ожидаемого появления сигнала и которая является ради­ кальным средством подавления фонового шума, применима только при короткоимпульсной модуляции сигнала с низ­ кой скважностью.

Эффективность временной дискриминации шума как средства для повышения качества связи зависит от выбора типа модуляции. В общем случае можно утверждать, что чем короче время приема сигнала, тем эффективнее подав­ ление шума. Действительно, с уменьшением интервала времени, в течение которого приемник открыт для приема сигнала, соответственно уменьшается и количество прини­ маемых фоновых фотонов. Это снижает вероятность того, что статистическая флуктуация уровня фона превысит установленный в приемнике порог и приведет, таким обра­ зом, к ошибкам, связанным с ложной регистрацией сигнала.

Анализ процесса детектирования слабых сигналов, под­ чиняющихся статистике Пуассона, показывает, что с умень­ шением уровня фона резко снижается вероятность ложной регистрации сигнала. Поэтому желательно выбирать интер­ вал времени приема по возможности минимальным с уче­ том длительности импульса, времени импульсного откры­ вания приемника и времени разрешения импульса.

Как уже отмечалось, сигнал сам подвержен статистичес­ ким флуктуациям; поэтому для обеспечения заданной ве­ роятности регистрации сигнала его величина должна быть не ниже определенного уровня. При учете действия фоно­ вого шума на приемник требуется соответствующее повы­ шение допустимого минимального уровня сигнала.

При дискриминации фона, которая может быть осуще­ ствлена методами короткоимпульсной модуляции лазер­ ного излучения, в системе создаются условия для реализа­ ции наивысшей чувствительности, ограничиваемой только фотонным шумом сигнала. Другим потенциальным преиму­ ществом короткоимпульсной модуляции является то, что она открывает возможность для многозначного (в отличие от бинарного) кодирования информации; при этом каждый

В общем случае при создании лазерных информативных систем, работающих в видимом или ближнем ИК-диапа- зоне спектра, желательно применять короткоимпульсную модуляцию излучения. К настоящему времени разработаны концепции нескольких вариантов систем такого типа. Это системы с модуляцией длительности интервалов между импульсами (МДИИ), бинарной импульсной модуляцией интенсивности (БИМИ), бинарной импульсной модуляци­ ей поляризации (БИМП) и позиционно-импульсной моду­ ляцией (ПИМ) [26, 31]. Некоторые виды импульсной мо­ дуляции, например такие, как амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), для лазерных систем оказываются мало­ пригодными.

Бинарная короткоимпульсная модуляция интенсивности излучения (БИМИ) подобна обычной непрерывной бинар­ ной импульсно-кодовой модуляции, при которой 1 бит информации на импульс передается в виде «1» или «О». Разница состоит в том, что при БИМИ лазер работает с очень низкой скважностью, т. е. длительность импульсов составляет малую часть интервала между ними. Существен­ ной отличительной чертой БИМИ является также четкая фиксация момента возможного появления импульса, харак­ терная для лазеров с модуляцией добротности.

Управление интенсивностью импульсов по принципу «пропускание» — «затемнение» для передачи кодовой ин­ формации осуществляется с помощью быстродействующего электрооптического модулятора. В результате фиксации момента появления импульса становится возможным при­ менение оптического приемника с входным импульсным за­ твором для подавления фонового шума. Благодаря этим двум особенностям, обусловленным низкой скважностью сигналов, БИМИ является мощным и эффективным мето­ дом модуляции для высокоинформативных систем. Вид сигналов при этом способе модуляции показан на фиг. 6, а.

Бинарная импульсная модуляция поляризации (БИМП) подобна БИМИ, за исключением способа обозначения символов «1» и «О». Вместо пропускания или перекрытия импульсов лазера с модулированной добротностью, как это имеет место при БИМИ, здесь для передачи «1» или «О»

используется изменение поляризации излучения. Пре­ имущество БИМП состоит в том, что сигнал поступает на приемник в каждом временном интервале, соответствующем периоду генерации; недостатком является то, что приемник при этом должен быть двухканальным (для каждой поля­ ризации канал). Вид сигналов при БИМП показан на фиг. 6, б.

IJ\—у—Л—у—Л—Л_

а — бинарная импульсная модуляция интенсивности (БИМИ); б — бинарная импуль­

сная модуляция поляризации (БИМП).

Модуляция длительности интервалов между импуль­ сами (МДИИ) представляет собой метод многозначного кодирования информации; при этом способе модуляции каждый импульс несет информацию, выражаемую несколь­ кими битами в обычной бинарной системе [46]. Нормаль­ ный промежуток времени между импульсами здесь подраз­ деляется на М дискретных элементарных интервалов, соот­ ветствующих длительности импульса излучения лазера. За этот промежуток времени посылается только один ко­ роткий импульс (фиг. 7), представляющий собой кодовый символ; число битов, передаваемых одним импульсом, при этом равно log2 М.

Чем короче используемые лазерные импульсы, тем больше число элементарных временных интервалов М и,

следовательно, больше объем информации, передаваемой одним импульсом. Дискриминация шума обеспечивается дискретным «опросом» каждого элементарного интервала времени в оптическом приемнике. Очень низкая скважность обусловлена тем, что за М элементарных временных интервалов появляется только один импульс.

При МДИИ, как и при БИМИ, перед модуляцией им­ пульсного излучения лазера предварительно осущест-

Ми н т е р в а л о в

Фи г . 7. Вид сигналов в системах с модуляцией длительности

вляется преобразование аналоговых данных в цифровые, но, кроме того, при МДИИ необходимо дальнейшее преоб­ разование бинарной цифровой информации в М-значную. Передача нескольких битов информации одним импульсом и возможность временной дискриминации шума делают МДИИ чрезвычайно эффективным видом импульсной мо­ дуляции; однако современное состояние электронной тех­ ники для высокоскоростного кодирования сигналов огра­ ничивает достижимую скорость передачи информации.

Позиционно-импульсная модуляция (ПИМ) в наиболь­ шей мере подходит для систем с прямым вводом аналоговой информации. Этот метод по форме аналогичен методу МДИИ, за исключением того, что при ПИМ импульсы не обозначают нумерованных временных интервалов, а частота их сле­ дования должна быть по крайней мере вдвое больше инфор­ мационной полосы согласно теории выборок. Длительность интервалов, с которыми следуют импульсы, соответствует выборочным значениям передаваемых аналоговых сигна­ лов. Аналоговая информация при этом обрабатывается в явном виде (без каких-либо преобразований), и, следова­

тельно, в отличие от МДИИ не требуется высокоскоростного аналого-цифрового преобразования.

Наибольшей информативной емкостью обладает корот­ коимпульсная система с модуляцией типа МДИИ, при кото­ рой число цифровых знаков М может быть чрезвычайно велико в силу низкой скважности импульсов. В такой сис­ теме обнаруживаются преимущества короткоимпульсной модуляции лазерного излучения при низкой скважности и высокой пиковой мощности импульсов. Рассмотрим кон­ цепцию этой системы более подробно. Как уже обсужда­ лось выше, преимущество сокращения времени приема сигнала состоит в снижении числа фоновых фотоэлектро­ нов, возникающих в приемнике, когда он открыт, и в рез­ ком повышении за счет этого вероятности регистрации сигнала.

В приемнике должно вырабатываться решение о нали­ чии или отсутствии сигнала. Вероятность возникновения т фотоэлектронов за интервал времени t составит

В приемнике, позволяющем констатировать наличие или отсутствие сигнала, задается некий пороговый уро­ вень nt, превышение которого регистрируется как приня­ тый сигнал. Очевидно, что, меняя пороговый уровень, мож­ но увеличивать или уменьшать вероятность его превыше­ ния. Анализ показывает [8], что для каждой комбинации числа сигнальных (ns) и фоновых (пь) электронов и скваж­ ности существует оптимальный пороговый уровень, опре­

где п0ПТ — оптимальная величина порога (оптимум соот­ ветствует снижению вероятности ошибок до минимума); Р(0) — вероятность передачи знака «0» (т. е. регистрации отсутствия сигнала); Д(1) — вероятность передачи зна­

ка «1» (т. е. регистрации посылки сигнала); пь— среднее число не относящихся к сигналу фотоэлектронов в секун­ ду (к ним относятся фотоэлектроны, генерированные как

340 Монт Росс

внешними, так и внутренними источниками; т. е. количе­ ство фотоэлектронов, генерированных за время измерения t

в отсутствие импульса, равняется а = nbt)\ ns — среднее число сигнальных фотоэлектронов в отдельном импульсе. Таким образом, если за время измерения t на приемник поступает один сигнальный импульс, то полное число генерируемых за это время фотоэлектронов в среднем рав­ но а = пь t+ ns.

В равенстве (8) предполагается, что ошибки, связанные как с ложной регистрацией, так и с пропуском сигнала, эквивалентны по своему влиянию на качество передачи информации. Однако систему можно построить таким об­ разом, чтобы отрезок времени Т содержал М интервалов с одинаковой длительностью t. Если за М таких интервалов должен передаваться только один импульс, то вероятность передачи нуля будет равна (1—1Ш ); таким образом, для М > 1 она будет существенно близка к 1.

Если решение о наличии или отсутствии сигнала при­

мой от числа коротких интервалов, в которых может появ­ ляться сигнальный импульс. Короткоимпульсная трансля­ ция облегчает детектирование сигналов, но поскольку при этом увеличивается число интервалов, для которых надо

Статистические характеристики сигналов и шумов, описываемые законом Пуассона, таковы, что ответы на этот вопрос могут быть совершенно противоположными. Уве­ личение вероятности детектирования сигнала позволяет снизить частоту ложной регистрации. Эту частоту, как следует из отношения (9), можно сделать сколь угодно малой, повышая порог; при этом, очевидно, уменьшается и вероятность ложной регистрации сигнала в каждом от­ дельном интервале t.

На фиг. 8 показана зависимость вероятности ошибки, отнесенной к одному импульсу, от величины сигнала для