Файл: Применения лазеров..pdf

трех различных значений М; график показывает, что при заданной вероятности ошибки увеличение М на несколь­ ко порядков требует лишь сравнительно небольшого уве­ личения сигнала. Это означает, что при короткоимпульс­ ной модуляции вероятность ошибки на 1 бит информации будет ниже, чем при модуляции с высокой скважностью,

поскольку в первом случае одним импульсом можно пере­ дать несколько битов (табл. 2).

Такая возможность, как уже было показано на фиг. 7, обусловлена тем, что каждый из М элементарных интер­ валов, на которые можно разделить период модуляции,

Таблица 2

Соотношения между количеством элементарных интервалов М , скважностью 1/Ж и числом битов, передаваемых одним импульсом, при модуляции длительности интервалов между импульсами (МДИИ)

Информация на М , число интервалов l/A f, скважность1 1 импульс

(бит/импульс*)

отображает однозначное число. Если за время Т импульс появляется только в одном из М интервалов (так назы­ ваемая /И-значная система), то каждый импульс переносит log2 М битов. Если в среднем за секунду посылается F им­ пульсов, то скорость передачи информации равна

Число интервалов М не является независимым от частоты следования импульсов, если длительность импульса фик­ сирована. Приняв длительность импульса равной t, по­ лучаем

Можно определить зависимость количества информации на единицу принимаемой энергии сигнала в системе с МДИИ от скважности при фиксированной частоте появления оши­ бок. Заметим, что энергия сигнала в одном импульсе рав­

на Es= hfns, гдеh — постоянная Планка (6,62- ІО-34 Д ж -с), а f — оптическая частота. Средняя мощность оптического сигнала определяется соотношением Рср — ESF. Таким образом, используя выражение (11) и другие приведенные

выше соотношения, для сигнала с длиной волны Х=1 мкм получаем

Выражение (12) получено в предположении, что час­ тота появления ошибки на один бит неизменна. Неизмен­ ными также считаются скорость передачи информации и посторонние засветки приемңика, т. е. единственной неза­ висимой переменной величиной остается скважность им«

Ф и г . 9. Зависимость удельной информативной емкости энергии сигнала при МДИИ от скважности импульсов (скорость передачи равна 1,3-10е бит/с, частота ошибок на 1 бит составляет 10-4, ин­

тенсивность фоновой засветки равна 2 ■10-0 пь Вт).

пульсов. При таких условиях для обеспечения фиксиро­ ванной частоты следования ошибок при изменении скваж­ ности должно изменяться среднее число фотоэлектронов

в импульсе ns. На фиг. 9 приведено семейство расчетных кривых, характеризующих зависимость удельной инфор­ мативной емкости энергии сигнала от скважности импуль­ сов для нескольких значений уровня фоновой засветки.

Представляет интерес сравнить МДИИ с импульсно­ кодовой модуляцией (ИКМ), используемой обычно в ра­ диотехнических системах связи. Рассмотрим простейшую

при МДИИ, в системе с ИКМ необходимо поднимать сред­ ний уровень сигнала в десятки-тысячи раз.

Несмотря на малую длительность импульсов, исполь­ зуемых в системах с МДИИ, скорость передачи информации в таких системах все-таки ограничена, поскольку на по­ сылку каждого импульса затрачивается значительное время. Для сверхскоростной передачи информации пер­ спективны системы с модуляцией типа БИМП или БИМИ. Например, ИАГ—Nd-лазер, работающий в режиме син­ хронизации мод, может обеспечить поток информации при временном уплотнении 30 Гбит/с. Для реализации этой возможности еще предстоит решить множество техничес­ ких проблем, но уже и к настоящему времени в этом на­ правлении достигнут значительный прогресс. Так, в 1967 г.

и

Ф и г . 10. Блок-схема высокоинформативной системы связи с би­ нарной импульсной модуляцией интенсивности излучения (БИМИ).

346 М о н т Р о сс

была продемонстрирована система со скоростью передачи информации 224 Мбит/с [27].

К 1970 г. были проведены эксперименты по определе­ нию потенциальных возможностей методов прямого детек­ тирования в системах с короткоимпульсной модуляцией. Исследовались свойства скоростной (ІО7 бит/с) системы с М-значным кодированием при модуляции типа МДИИ и с применением приемника с субнаносекундным входным затвором, а также сверхскоростной (2-108 бит/с) системы с бинарной модуляцией [49, 50].

Для второй системы (с бинарной импульсной модуля­ цией интенсивности) была экспериментально определена частота следования ошибок. Блок-схема этой системы при­ ведена на фиг. 10. На фиг. 11 полученные эксперименталь­ ные данные относительно частоты ошибок сопоставлены с результатами теоретических расчетов. При цифровом коди­ ровании посылок пичкового излучения лазера было также

Вероятност ь ош ибки

Ф и г . 11. Расчетные и экспериментальные значения частоты следования ошибок для системы с МДИИ, обладающей пропускной

способностью 200 Мбит/с. (пъ G= 0,5 фотоэлектрона на интервал стробирования; N e — коэффициент затухания.)

---------- теоретическая кривая; о, Д экспериментальные кривые.

передано цветное телевизионное изображение. Полученные результаты демонстрируют возможности лазерных корот­ коимпульсных систем связи ослаблять влияние фонового излучения и эффективно передавать информацию.

В экспериментах с линией, рассчитанной на передачу 200 Мбит/с, приемник открывался на доли наносекунды. Были также проведены эксперименты с модуляцией дли-

Ф и г. 12. Блок-схема экспериментальной системы с модуляцией

длительности интервалов между импульсами (МДИИ).

лон времени и синхронизатор приемника; 16 — блок управления приемником.

тельности интервалов между импульсами (МДИИ), вклю­ чая измерение частоты следования ошибок и передачу теле­ визионного изображения. В этих экспериментах с М- значной модуляцией одним импульсом передавалось 12 битов благодаря использованию 4095 цифровых интер­ валов длительностью 1 нс каждый. Блок-схема этой сис­ темы приведена на фиг. 12.

При передаче видеосигналов по лазерной линии связи с МДИИ были сделаны фотографии отдельных кадров на телеэкране с медленной разверткой, соответствующих раз­ ным условиям в оптическом тракте (разные уровни фона и лазерного сигнала). Типичный уровень сигнала составлял

нального импульса. Несколько из полученных при таких условиях фотографий показано на фиг. 13. Белые точки на них обусловлены ошибками, связанными с ложной реги­ страцией сигнала. Средний уровень сигнала определен из частоты следования импульсов и количества сигнальных фотоэлектронов в одном импульсе. В ходе данных пред­ варительных испытаний в силу ограниченных возможностей модулятора и детектора использовались импульсы дли­ тельностью 5 нс.

Для примера оценим величину отношения среднего уровня фона к среднему уровню сигнала в описываемой системе. Пусть, согласно сказанному выше, за время, равное длительности сигнала, в приемнике возникает 5 фоновых фотоэлектронов; это значит, что средний уровень фона составляет ІО9 фотоэлектронов в секунду. Если час­ тота следования импульсов равна 100 кГц, а каждый син­ хроимпульс воспринимается наравне с сигналом, то при 25 сигнальных фотоэлектронах в импульсе средний уровень сигнала составит 5 -10е фотоэлектронов в секунду. Отсюда получаем, что при указанных условиях средний уровень фона в 200 раз превышает средний уровень сигнала. (За­ метим, что в операционной системе нет необходимости посылать синхроимпульс для каждого импульса, несущего информацию.)

На фиг. 14 приведено семейство кривых, характери­ зующих зависимость вероятности ошибки от уровня сигнала для нескольких значений среднего уровня фона в пределах

от 0 до 109 фотоэлектронов в секунду (nsT — количество сигнальных фотоэлектронов на 1 импульс). Приведенные кривые имеют одинаковую форму и отображают предска­ зываемое теорией возрастание вероятности появления ошибки при повышении уровня фона. Соответствующая этим кривым скорость передачи информации составляла 2,5- ІО6 бит/с (2,08ІО5 посылок в секунду, по 12 бит в каж­ дой посылке).

Были также проведены эксперименты при скорости

с точностью не хуже 25% с теоретическими предсказаниями Для уровней сигнала ниже 20 фотоэлектронов на 1 импульс.