Приемный усилитель и схемы управления передающего устройства

До того как волоконно-оптическая система может быть использована для связи, необходимо обеспечить преобразование электрического сигнала (безразлично, аналогового или цифрового) в оптический модулированный сигнал. Помимо этого необходимы средства и устройства, выполняющие обратное преобразование оптического сигнала в электрический сигнал. Эти функции выполняются соответственно схемой управления передающего устройства и схемой предусиления приемного устройства.

На рис. 10.16 приведены два возможных варианта построения схем управления (или возбуждения линии связи).

Рис. 10.16. Схемы управления передачей аналогового и цифрового сигналов

Рис. 10.16(продолжение)

Как в одной, так и в другой схемах в качестве источника света используются светоизлучающие диоды, СИД. Схема, представленная на рис. 10.16а, более удобна для передачи цифровых данных.

Эти сигналы характеризуются двумя возможными состояниями, Включено/Выключено (либо соответствующими уровнями напряжений, Высокий/Низкий, либо двоичными единицами или нулем, соответственно), которые будут соответствовать включенному либо выключенному состоянию светоизлучающего диода (в зависимости от того, какая именно из двух возможных двоичных цифр должна передаваться в данный момент времени).

Схема управления состоит из цифрового инвертора с открытым коллектором, помещенного в светонепроницаемый корпус. Эти устройства действуют в соответствии с очень простым алгоритмом: если на входе «А» присутствует ВЫСОКИЙ уровень сигнала, то тогда на его выходе «В» будет НИЗКИЙ уровень сигнала, и наоборот, при НИЗКОМ уровне сигнала на входе «А» – на выходе «В» будет присутствовать ВЫСОКИЙ уровень. Таким образом, когда входной цифровой сигнал имеет ВЫСОКИЙ уровень, катод светоизлучающего диода оказывается заземленным, он включается и посылает световой импульс по волоконно-оптическому кабелю.

И когда на входе, куда поступают цифровые данные, присутствует НИЗКИЙ уровень сигнала, светоизлучающий диод оказывается отсоединенным электрически от шины земли (или он выключается), и поэтому оптический луч в волоконно-оптический кабель не поступает. Резистор R1 предназначен для ограничения величины тока, протекающего через светоизлучающий диод, до безопасного уровня. Величина сопротивления резистора определяется в соответствии с законом Ома из условия максимально допустимого значения тока, протекающего через него:

(10-26)

Схема управления, используемая при передаче аналоговых сигналов, которыми являются речевые сигналы и технические сигналы управления, изображена на рис. 10.16б. Данная схема управления построена с использованием операционного усилителя. Необходимо учитывать две особенности данной схемы: путь прохождения сигнала и напряжение смещения постоянного тока. Напряжение смещения необходимо для того, чтобы сместить выходное напряжение к такому значению, при котором световой поток светоизлучающего диода составляет хотя бы половину значения его максимального свечения в момент, когда входное напряжение Vin равняется нулевому значению.

Таким образом, сигнал с отрицательной полярностью будет снижать яркость свечения светоизлучающего диода, однако при этом не выключит его полностью. Иными словами, приложенное смещение позволяет срезать отрицательные пики. Если ожидаемые сигналы будут монополярными, то напряжение V1 должно быть задано на таком уровне, чтобы просто включать светоизлучающий диод, когда входной сигнал принимает нулевое значение.

Сигнал Vin поступает на инвертирующий повторитель с усилением, определяемым отношением сопротивлений резисторов (–Rf/Rin), поэтому общее значение выходного напряжения (отсчитываемого относительно уровня постоянного смещения) составит:

(10-27)

Так как цепь R2/R3 представляет схему делителя напряжения на резисторах, величина напряжения V1 будет изменяться от нулевого значения до максимального, определяемого следующим выражением:

(10-28)

Таким образом можно констатировать, что максимальное значение выходного напряжения Vo(max) составит:

(10-29)

Три различных типа схем предусилителей принимающего устройства приведены на рис. 10.17: версии для аналогового сигнала приведены на рис. 10.17а и 10.17б, тогда как вариант для цифрового сигнала приведен на рис. 10.17в.

Рис. 10.17.Схемы принимающего устройства аналогового и цифрового сигналов

Рис. 10.17(продолжение схемы)

В версиях схем предусилителей принимающего устройства для аналогового сигнала используются операционные усилители. В обоих предусилителях аналогового сигнала в качестве чувствительного элемента используется фотодиод. В подобных диодах, в которых переход между областями с различным типом проводимости соответствует структурам либо p-n-, либо p-i- n-вида, выходной ток Io будет пропорционален интенсивности светового потока, освещающего область перехода фотодиода.

В схеме, приведенной на рис. 10.17а, используется инвертирующая цепь повторителя. Диод подключен к заземленному не инвертирующему входу, следовательно, находится под нулевым потенциалом, а ток диода поступает на инвертирующий вход повторителя. Ток обратной связи If в точности уравновешивает ток диода, следовательно, выходное напряжение будет составлять:

V_o = –I_oR_f. (10-30)

В варианте схемы на базе не инвертирующего повторителя, приведенной на рис. 10.17б, используется ток диода, при прохождении которого на резисторе нагрузки RL возникает падение напряжения (V1). Выходное напряжение для данной схемы может быть найдено с использованием выражения:

(10-31)

Обе схемы, предназначенные для аналогового сигнала, будут реагировать и на цифровые сигналы, однако их применение для такого типа сигналов нельзя признать оптимальным. Для цифровых сигналов после их передачи необходим процесс восстановления из-за некоторой их размытости, вызванной явлением дисперсии. Лучший вариант схемы приводится на рис. 10.17в, где в качестве чувствительного датчика используется фототранзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. При освещении светом базовой области транзистор открывается, при этом напряжение на коллекторном переходе транзистора будет составлять всего несколько десятых вольта относительно потенциала земли.

И наоборот, когда на базу фототранзистора не падает световой поток, напряжение на коллекторе будет составлять величину, очень близкую по своему значению к напряжению источника питания, +V.

Восстановление формы импульса осуществляется в следующем каскаде, в котором используется цифровая схема на базе триггера Шмидта. Выходной сигнал такого устройства резко переходит («опрокидывается» переходит скачкообразно) в состояние ВЫСОКОГО УРОВНЯ, когда напряжение на входе превысит некоторое минимальное пороговое значение и будет оставаться в таком состоянии ВЫСОКОГО УРОВНЯ до тех пор, пока входное напряжение не уменьшится ниже другого порогового значения (пороговые значения напряжений, соответствующих переходам в состояние ВЫСОКОГО УРОВНЯ и состояние НИЗКОГО УРОВНЯ, не равны друг другу). Таким образом, выходной сигнал триггера Шмидта представляет четкий цифровой сигнал, несмотря даже на то, что поступающий с чувствительного элемента сигнал является сильно размытым («смазанным»).

Повторители, периодически устанавливаемые на пути следования сигнала по волоконно-оптической линии связи, являются просто необходимыми для таких линий любого типа. Такая необходимость возникает из-за существования потерь в линии передачи. Повторители усиливают цифровой сигнал и передают его по линии к следующему повторителю.