SERWIS ELEKTRONIKI

Wzmacniacze optyczne
Wzmacniacze optyczne
Mateusz Malinowski
Przysz³oœci¹ telewizji kablowej jest transmisja
programów z czêstotliwoœciami œwiat³a. Do niedawna
zadaniem przekaŸnikowych wzmacniaczy optycznych
by³a demodulacja sygna³ optycznego i przekszta³cenie
go do postaci elektrycznej, wzmocnienie go i ponowna
modulacja. Procedura ta niestety nie jest wolna od
wad, dlatego opracowane zosta³y wzmacniacze czêstotliwoœci
optycznych. Poni¿ej przedstawiony zosta³ opis
tej technologii.
W poszukiwaniu wy¿szych prêdkoœci transmisji i coraz
szerszego pasma ³¹cza kablowe powoli z elektrycznych przechodz¹
na optyczne. Powód takiej ewolucji jest prosty do wyjaœnienia.
Przy czêstotliwoœciach radiowych dostêpna szerokoœæ
pasma wzrasta wraz z czêstotliwoœci¹. Ca³oœæ pasma dla
fal d³ugich zajmuje tylko 110kHz. Zmieœci siê tam dwanaœcie
przekazów audio przy odstêpie 9kHz. Przy falach krótkich ka¿de
pasmo emisji pokrywa przeciêtnie od 300kHz do 600kHz.
Z kolei pasmo Ku u¿ywane przy przekazach satelitarnych pokrywa
od 10.95GHz do 14.5GHz, z ca³kowit¹ szerokoœci¹
3.55GHz. Mo¿e to pomieœciæ 344444 przekazów dŸwiêkowych
u¿ywaj¹c dwuwstêgowej modulacji AM z odstêpem 9kHz. Tak
wiêc z szerokim pasmem wi¹¿e siê du¿a czêstotliwoœæ. Dok³adnie
to samo dotyczy wszystkich rodzajów przekazów: danych,
obrazu czy dŸwiêku.
W przewodach jednak wraz z czêstotliwoœci¹ wzrasta tak-
¿e t³umienie, co znacznie utrudnia przesy³anie na wiêksze odleg³oœci
sygna³ów o czêstotliwoœci powy¿ej 1GHz. Nowoczesne
sieci telewizji kablowej wykorzystuj¹ czêstotliwoœci do
870MHz górnej granicy pasma V. Jednak kabel koncentryczny
o ma³ej stratnoœci dielektrycznej ma du¿¹ œrednicê oraz jest
drogi i trudny w instalacji.
Ruch w stronê technik cyfrowych
Jakiœ czas temu specjaliœci zdali sobie sprawê, ¿e przekaz
analogowy jest nieefektywn¹ metod¹ komunikacji przy du¿ej
wydajnoœci oferowanej przez nowoczesny sprzêt i innowacyjne
projekty obwodów. Spowodowa³o to przejœcie na technologiê
cyfrow¹. Po przekszta³ceniu sygna³u do postaci cyfrowej,
zastosowaniu redundancji oraz innych rodzajów kompresji
maj¹cych na celu wyeliminowanie zbêdnych danych, móg³ on
byæ przesy³any przy znacznych prêdkoœciach. Potrzebna jest
jednak coraz wiêksza szerokoœæ pasma, gdy¿ wzrasta tak¿e iloœæ
przekazów.
Nie nale¿y myliæ przep³ywnoœci z czasem przep³ywu modulowanego
sygna³u z punktu A do punktu B. Prêdkoœæ jest
sta³a zbli¿ona do prêdkoœci œwiat³a (300 milionów metrów na
sekundê). Przep³ywnoœæ, która nas interesuje to iloœæ cyfr binarnych,
która mo¿e byæ przes³ana w danym czasie – czêsto
nazywana tak¿e gêstoœci¹ upakowania. Mo¿na przes³aæ wiêcej
danych u¿ywaj¹c szerszego pasma, jednak jest ona ca³y
czas ograniczona prêdkoœci¹ transmisji.
10 SERWIS ELEKTRONIKI 2/2007
Do osi¹gniêcia bardzo szerokich pasm na krótkich odleg³oœciach
radiowych wystarcza zwiêkszaæ czêstotliwoœæ. Jednak
aby precyzyjnie przes³aæ sygna³ z punktu A do punktu B miêdzy
kontynentami trzeba u¿yæ kabla. Ponadto stwierdzono, ¿e
jednym w³óknem œwiat³owodu przes³aæ mo¿na od kilku do kilkudziesiêciu
fal o ró¿nej d³ugoœci. System taki nazwano Wavelength
Division Multiplexing (WDW). Ka¿da fala mo¿e byæ
modulowana sygna³em o przep³ywnoœci do 40Gb/s. Na rysunku
1 zilustrowano zasadê pracy tego systemu.
Ograniczenia przewodów miedzianych
Miedziany kabel koncentryczny dostarcza odpowiedni¹
wydajnoœæ na œrednich dystansach, tj. kilku kilometrów. Jednak
aby sygna³ mia³ zadowalaj¹ce parametry nale¿y u¿ywaæ
wzmacniaczy, które pozwalaj¹ na zminimalizowanie zniekszta³ceñ
i szumów. W praktyce stosunek sygna³u do interferencji
zwiêksza siê o 6dB kiedy iloœæ wzmacniaczy u¿ytych w kaskadzie
zwiêksza siê dwukrotnie, podczas gdy stosunek sygna³u
do szumów zwiêksza siê o 3dB przy takim samym podwajaniu.
Zmniejszenie poziomu wyjœciowego wzmacniacza
o 3dB zmniejszy stosunek sygna³u do interferencji o 6dB, ale
zwiêkszy stosunek sygna³u do szumów o 3dB. W zwi¹zku z
tym zakres dynamiki lub te¿ przeœwit sygna³ów zmniejsza siê
wraz z rozszerzaniem sieci radiowej.
Zalety œwiat³owodów
Nowoczesne systemy telewizji kablowej do lokalnej dystrybucji
programów o czêstotliwoœci radiowej wykorzystuj¹
sieci zawieraj¹ce przewody koncentryczne (rzadko korzystaj¹cych
z wiêcej ni¿ czterech wzmacniaczy) oraz znacznie bardziej
zaawansowanych sieci dalekosiê¿nych opartych na œwiat³owodach.
U¿ywaj¹ one podczerwieni, zwykle w paœmie o
d³ugoœci fali oko³o 1310 lub 1550 nanometrów, co odpowiada
czêstotliwoœci oko³o 50000000MHz. Nic dziwnego, ¿e szerokoœæ
pasma dostêpna przy tej czêstotliwoœci jest ogromna.
Dodatkow¹ zalet¹ œwiat³owodu jest stosunkowo niskie t³umienie
sygna³u przez przewód, zwykle jest to 0.35dB na ka¿dy
kilometr.
To niewielkie t³umienie musi jednak byæ zrekompensowane
jeœli u¿ywane s¹ d³ugie przewody. Wyjœcie nadajnika optycz-
Punkt A
Wej.1
Wej.2
Wej.3
.
.
.
Wej.x
Laser 1
Laser 2
Laser 3
Laser x
Multiplekser
Œwiat³owód
Demultiplekser
Odb. 1
Odb. 2
Odb. 3
Rys.1. Ilustracja pracy systemu WDW.
Punkt B
Wy.1
Wy.2
Wy.3
Odb. x Wy.x