Конструктивные особенности систем кабельного телевидения на основе волоконно-оптического кабеля

Способы построения волоконно-оптических СКТВ. По распределительной сети СКТВ, выполненной с использованием ВОЛС, телевизионные сигналы могут передаваться способами частотного уплотнения [47].

Частотное уплотнение ВОЛС возможно либо с помощью набора несущих частот с модуляцией каждой несущей частоты своим телевизионным сигналом, либо посредством формирования полного многоканального сигнала с частотно-уплотненными каналами на относительно низких частотах с последующим переносом уже сформированного сигнала на оптическую несущую. Однако первый из названных способов в настоящее время в оптическом диапазоне практически не может быть реализован из-за отсутствия необходимого набора оптических генераторов и фильтров разделения каналов; для реализации второго способа требуются широкополосные ВОЛС на одномодовых оптических волокнах (ОВ).

Чрезвычайно малые размеры поперечного сечения и масса ОВ делают выгодным использование пространственного уплотнения телевизионных сигналов (телевизионному сигналу каждой программы отводится свое ОВ в ВОЛС). Целесообразность применения этого метода объясняется еще и тем, что требуемая ширина полосы частот каждого из каналов, организованных на одиночном ОВ, относительно невелика (порядка 6...8 МГц) и ее легко реализовать не только на градиентных, но даже на ступенчатых волокнах. В данном случае по каждому ОВ рассматриваемой ВОЛС СКТВ предполагается передавать аналоговый телевизионный сигнал, сигнал звукового сопровождения ЧМ поднесущей, расположенной за пределами видеоспектра, и служебный цифровой сигнал (для передачи данных) на второй поднесущей, расположенной еще выше по шкале частот. При использовании принципа пространственного уплотнения суммарный сигнал, включающий в себя телевизионный, звуковой и служебный сигналы, модулирует оптическую несущую, которая может быть одинаковой для всех ОВ кабеля. В будущем при переходе на ОВ с лучшими показателями по затуханию и широкополосности для уменьшения количества ОВ в ВОЛС при передаче телевизионных сигналов большого числа различных программ станет целесообразным формирование для каждого ОВ многоканального сигнала с частотно-уплотненными телевизионными сигналами нескольких программ.

Возможная функциональная схема СКТВ, использующей ВОЛС с пространственным разделением телевизионных сигналов, реализующей принцип обратной связи от абонентов (режим интерактивности), приведена на рис. 9.19. В состав данной СКТВ входят ГС 1, содержащая устройства приема, преобразования и усиления телевизионных сигналов вещательных программ 2, видеомагнитофон 3, телекинодатчик 4, телевизионный синтезатор знаков 5, блок приема, обработки телевизионных сигналов, принимаемых непосредственно от абонентов с целью их передачи другим абонентам 6, мини-ЭВМ 7, которая управляет работой всех СКТВ; передающие оптические устройства 8 на базе лазерных диодов, приемное оптическое устройство 9, содержащее фотодиод; распределительная сеть, состоящая из магистральных ВОЛС 10 с магистральными разветвителями 11, субмагистральных ВОЛС 12 с направленными ответвителями 13 абонентских линий; видеокоммутаторы 14, имеющие на входах и выходах приемные 15 и передающие 16 оптические устройства, включающие в себя электронный коммутатор телевизионных сигналов 17, управляющую микроЭВМ 18; абонентское оборудование 19, которое состоит из блока оптических соединений 20, приемного 21 и передающего 22 оптических устройств, оконечного управляющего устройства 23, телевизионного приемника 24, передающей камеры 25 и клавиатурного устройства 26.

Рис. 9.19. Функциональная схема СКТВ, использующей ВОЛС с пространственным разделением телевизионных сигналов

На ГС от приемных антенн или по специальным линиям связи поступают телевизионные сигналы различных программ, а также телевизионные сигналы от абонентов. Кроме того, ряд программ может формироваться непосредственно самой ГС, например, с помощью видеомагнитофона, телекинодатчика, телевизионного синтезатора знаков. Магистральные и субмагистральные ВОЛС должны соединить несколько десятков ОВ, которые используются в основном для передачи телевизионной информации от ГС к абонентам, однако часть волокон предназначается для передачи видеоинформации от абонентов к ГС. Видеокоммутаторы служат для подключения абонентского оборудования к соответствующему ОВ субмагистральной ВОЛС с целью выбора требуемой телевизионной программы. Микро-ЭВМ видеокоммутатора связана как с мини-ЭВМ ГС, так и с клавиатурными и оконечными управляющими устройствами, находящимися непосредственно у абонентов, и станциями для подачи команд на выбор телевизионных программ. Микро-ЭВМ управляет подачей абоненту телевизионного сигнала выбранной программы по команде, поступающей от абонента, а также передачей видеоинформации, формируемой у абонентов, в ГС. От видеокоммутатора через блок оптических соединений отходят абонентские линии, содержащие два ОВ. По одному ОВ передается телевизионный сигнал выбранной программы, по другому - телевизионная информация от абонентов в видеокоммутаторы.

Недостатками такой схемы построения СКТВ на ВОЛС являются необходимость использования электронных коммутаторов для подключения абонентских отводов к тому ОВ, по которому передается телевизионный сигнал выбранной программы, а также техническая сложность осуществления большого количества разветвлений и отводов телевизионных сигналов от ОВ.

Основные сведения о компонентах волоконно-оптических систем передачи. Важнейшими компонентами волоконно-оптических систем передачи являются источники и приемники оптического излучения.

Рис. 9.20. Изменение выходной оптической мощности от силы тока накачки:

1 - для СИД; 2 - для ЛД

В системах связи по ВОЛС широко применяются источники излучения двух видов: светоизлучающие (СИД) и лазерные (ЛД) диоды. Как в СИД, так и в ЛД, генерация света обусловлена рекомбинацией электронов и дырок в полупроводниках, результатом которой является образование фотонов. Для СИД и ЛД характерна прямая модуляция интенсивности излучения путем изменения тока накачки l_н, проходящего через излучатель. Примерные зависимости интенсивности излучения (выходной оптической мощности) Р от значений тока накачки l_н[Р = f(l_н)], называемые ватт-амперными характеристиками излучателей, показаны на рис. 9.20.

Важнейшим параметром излучателей света является эффективность ввода излучения в ОВ η_в; η_в = Р_в/Р_∑, где Р_∑ - полная мощность излучения; Р_в - мощность излучения, попавшая в ОВ. При использовании типовых ОВ η_в для СИД составляет (1...5)∙10^-3, а для ЛД 0,2..,0,5. СИД уступают также и по величине максимально допустимой частоты модуляции. Поэтому в широкополосных системах связи, рассчитываемых на максимально допустимые расстояния между промежуточными усилительными пунктами, применяются исключительно ЛД. В системах передачи на короткие расстояния (десятки и сотни метров), когда затухание ОВ невелико, целесообразно применение СИД.

Прогресс в развитии СИД связан с появлением конструкций, в которых осуществляется усиление спонтанного излучения без обратной связи. Подобные СИД называются люминесцентными. Они занимают по параметрам промежуточное значение между ЛД и поверхностными СИД. Спектр излучения суперлюминесцентных СИД сплошной, так же, как и у поверхностных, однако значительно уже (3...5 нм). Диаграмма направленности излучения более узкая, чем у поверхностных СИД. Эффективность ввода суперлюминесцентных СИД в многомодовые волокна выше, чем у поверхностных. Мощность излучения лежит в пределах 1...10 мВт, мощность, вводимая в многомодовый световод, составляет 0,1 ...1 мВт.

Рис. 9.21. Принципиальная схема простейшего передающего оптического модуля со светоизлучающим диодом

Значительные перспективы использования в системах связи по ВОЛС имеют волоконные лазеры.

В качестве оптических передатчиков в СКТВ целесообразно использовать серийные передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), которые предназначены для передачи по ВОЛС цифровых сигналов.

ПОМ состоит из оптической головки и электронной схемы, основным назначением которой является модуляция излучаемого света. В оптической головке с СИД должны находиться: полупроводниковый лазер, модулятор, фотодиод и специальная электрическая схема, с помощью которой стабилизируется режим работы ЛД. Необходимые для стабилизации данные поступают на вход схемы от фотодиода, регистрирующего интенсивность излучения ЛД.

На рис. 9.21 приведена принципиальная схема простейшего ПОМ с СИД. В данном случае модулятор представляет собой микроэлектронную схему - преобразователь «напряжение - код», управляющую током накачки l_н в цепи питания светодиода.

Преобразование оптической мощности (при модуляции по интенсивности) в электрический сигнал осуществляется с помощью полупроводниковых фотодиодов. На практике в основном используются лавинные фотодиоды (ЛФД) и фотодиоды p-i-n типа. ЛФД получили в СКТВ на ВОЛС наиболее широкое распространение, несмотря на то, что они требуют источника высокого напряжения (около 220 В) для получения необходимого напряжения смещения, а также устройства автоматической регулировки для стабилизации величины лавинного усиления и устранения влияния температуры. При передаче по ВОЛС цифровой информации, которая допускает малое отношение сигнал-шум, применяются только ЛФД. P-i-n фотодиоды имеют худшие значения основных параметров по сравнению с ЛФД, но они относительно дешевы.

Серийный приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) представляет собой собранное в общем корпусе устройство, состоящее из фотодетектора (p-i-n фотодиода или ЛФД) и малошумящего предварительного усилителя.

Рис. 9.22. Принципиальные схемы приемных оптических модулей:

а - с интегрирующим усилителем; б - с трансимпедансным усилителем

На рис. 9.22 приведены принципиальные схемы ПРОМ двух типов - модуля с интегрирующим усилителем (схема «прямой линии») и модуля с трансимпедансным усилителем, в котором осуществляется обратная связь через резистор R_f.

При использовании ЛФД в качестве фотодетектора можно изменять подаваемое на него напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения (усиления) фотодиода.

В случае применения p-i-n диода в качестве фотодетектора электронная схема предварительного усилителя упрощается. Она сводится к двойному амплитудному детектору, схеме сравнения и фильтру. Однако тогда динамический диапазон модуля получается значительно меньшим, чем при использовании ЛФД с устройством АРУ. Если в волоконно-оптической системе передачи (ВОСП) используется многоканальная передача телевизионных сигналов на отдельных поднесущих, то оптический приемник содержит в цепи нагрузки фотодиода 1 N последовательно соединенных модулей 2, осуществляющих предварительную обработку принятых сигналов (рис. 9.23). Входная цепь каждого модуля представляет собой двухконтурную колебательную систему 3, где первый контур (L1, С1) непосредственно связан с фотодиодом, а второй (L2, С2, R2) - с предварительным канальным усилителем 4. При такой схеме включения второй контур настраивается на частоту соответствующей поднесущей f_i. Частота настройки первого контура и его индуктивная связь со вторым'выбирается из условия получения более равномерной АЧХ коэффициента передачи входной цепи и обеспечения максимально возможного отношения сигнал - шум ѱ_ш на выходе канального демодулятора 6. Для улучшения избирательности оптического приемного устройства по соседнему каналу перёд каждым демодулятором устанавливается ПФ 5, выделяющий полосу частот поднесущей f_i, модулированной телевизионным сигналом.

Рис. 9.23. Структурная схема многоканального оптического приемника

В зависимости от типа используемого фотодиода (ЛФД, p-i-n типа) и значения поднесущей, на которой осуществляется передача телевизионного сигнала, на выходах демодуляторов обеспечивается отношение сигнал-шум, равное 35...55 дБ. Причем значение ѱ_ш может быть дополнительно увеличено на 4...9 дБ за счет специальной обработки телевизионного сигнала, например с помощью блока адаптивной фильтрации (БАФ) 7. Работа БАФ основана на анализе спектра демодулированного телевизионного сигнала и коммутации частотноограничивающих ФНЧ с частотами среза, соответственно равными 2 и 6 МГц.

Особенности модуляции и демодуляции телевизионных сигналов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи. В современных ВОСП телевизионные сигналы могут передаваться как в цифровой, так и в аналоговой форме. Цифровой способ передачи требует аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований и значительно более широкой полосы пропускания (более 100 МГц на один телевизионный сигнал). В настоящее время цифровой способ практически может быть применен только на магистральных линиях распределительной сети.

Непосредственная модуляция мощности оптического излучения или модуляции интенсивности представляет собой наиболее простой в реализации способ передачи при использовании полупроводниковых оптических излучателей. Однако при передаче телевизионных сигналов по ВОЛС методом непосредственной модуляции оптической несущей по интенсивности трудно обеспечить низкий уровень нелинейных искажений (менее 2 %) телевизионного сигнала при большом (более 50 дБ) отношении сигнал-шум, которое, в первую очередь, зависит от глубины модуляции. С ростом глубины модуляции возрастают и нелинейные искажения.

Способом модуляции, обеспечивающим эффективное использование частотного спектра, является амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой (АМ-ЧПБ). При таком способе модуляции сигналы представлены в виде, в котором они обрабатываются абонентскими телевизорами без каких-либо дополнительных устройств.

ЧМ несущей с последующей модуляцией мощности оптического излучения обеспечивает повышение отношения сигнал - шум по сравнению с AM, но требует более сложной аппаратуры (ЧМ модуляторов и демодуляторов). При этом снижаются требования к линейности модуляционной характеристики, благодаря чему может допускаться большая глубина модуляции, чем при AM, а следовательно, увеличиваться предельная дальность передачи. Системы с ЧМ телевизионных сигналов в основном применяются на магистральных линиях. В распределительных сетях СКТВ системы передачи с ЧМ телевизионных сигналов использовать нецелесообразно из-за их сложности. В этом случае абонентские телевизоры дополнительно оборудуются специальными селекторами ЧМ сигналов, осуществляющими демодуляцию, т.е. преобразование ЧМ телевизионных сигналов в AM сигналы. Частотный разнос между передаваемыми телевизионными сигналами составляет 40 МГц. Многоканальные системы передачи телевизионных сигналов с ЧМ также не являются перспективными для СКТВ на ВОЛС, так как им присущи практически те же недостатки, что и системам с АМ-ОПБ.

Более перспективно в СКТВ применять сложные виды модуляции с использованием импульсного режима работы оптических излучателей, при котором допускается большая глубина модуляции. Поэтому представляет интерес использование в СКТВ помехоустойчивых аналого-импульсных методов модуляции, к числу которых, в первую очередь, относятся широтно-импульсная модуляция (ШИМ), частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).

Среди аналого-импульсных модуляторов и демодуляторов телевизионных сигналов к наиболее освоенным в настоящее время относятся частотные. Известно, что ЧМ при больших индексах модуляции обеспечивает высокое качество передачи телевизионных сигналов в условиях нелинейных характеристик тракта связи. Поэтому очень перспективным является применение ЧИМ, приближающейся по своим параметрам к ЧМ. Переход от ЧМ к ЧИМ достаточно просто осуществляется с помощью амплитудного ограничителя и формирователя импульсов постоянной длительности, частота повторения которых меняется по закону модулирующего сигнала: В спектре ЧИМ сигнала его низкочастотные компоненты несут информацию о модулирующем сигнале.

Непосредственное выделение низкочастотных компонент (линейного спектра частот) из ЧИМ сигнала осуществляется фильтром нижних частот. Предварительно с помощью усилителя-ограничителя (порогового устройства) производится регенерация переданных импульсов постоянной длительности.

В данном случае выделенный линейный сигнал U(t) можно представить в виде суммы следующих сигналов:

,

где U_0i - амплитуда соответствующей несущей частоты при отсутствии AM; m_i - коэффициент глубины модуляции; F_i - частота модулирующего сигнала; f_0i - частоты соответственно несущих телевизионного (яркостного) сигнала (f₀₁ = f_из), сигнала цветности (f₀₂ = f_цв) сигнала звукового сопровождения (f₀₃ = f_зв).

Амплитуды данных несущих частот имеют следующие уровни при отсутствии AM: U₀₁ = 0 дБ; U₀₂ = -8 дБ; U₀₃ = -2 дБ.

После детектирования ЧИМ сигнала осуществляется его частотное преобразование на несущую частоту выбранного телевизионного радиоканала.

ЧИМ позволяет использовать наиболее дешевые элементы волоконно-оптической техники, устройства цифровой техники и обеспечивает качество передачи, мало уступающее цифровым методам, но превосходит их по простоте и стоимости. В будущем системы передачи с ЧИМ полностью перейдут на применение цифровой техники.

В настоящее время цифровой способ применяется на супермагистральных волоконно-оптических линиях, связывающих, например, две ГС различных СКТВ или ГС с местным телецентром. Примером цифровой ВОСП для СКТВ является аппаратура «Телебит-4», предназначенная для передачи со скоростью 486 Мбит/с по ОВ на длине волн 1,3 мкм четырех телевизионных сигналов с использованием восьмиразрядного композитного кодирования сигналов системы SECAM-III с частотой дискретизации 13,5 МГц и девяти стереосигналов звукового сопровождения с использованием четырнадцатиразрядного кодирования с частотой дискретизации 48 кГц [49]. Для улучшения качественных характеристик СКТВ предусмотрено использование десятиразрядного композитного кодирования видеосигнала с частотой дискретизации до 20 МГц и шестнадцатиразрядного кодирования звуковых сигналов с частотой дискретизации 96 кГц.