Приемник оптических сигналов

(56) Заявка РСТ М 88/10034, Н 01988,Заявка Японии М 63-25738, Н 04 В 9/00,1988.Расчет помехоустойчивости систем передачи дискретных сообщений:Справочник/Коржик В.И,; финк Л;МЩелкунов К.Н.; под ред. Л,М,финка. - М.: Радиои связь, 1981, с, 175-179, рис, 2,4.(54) ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ(57) Изобретение относится к передаче иприему сигналов в оптическом диапазоневолн, а более конкретно - к устройствамоптимального приема оптических сигналов.Изобретение позволяет повысить помехоустойчивость приема оптических сигналов спассивной паузой в канале с переменными Изобретение относится к области передачи и приема сигналовв оптическом диапазоне волн, а более конкретно - к устройствам оптимального прйема оптических сигналов, и может быть использовано для повышения помехоустойчивости оптических систем передачи.Целью изобретения является повышение помехоустойчивости приемника за счет синтеза оптимальной структуры приемника, учитывающей различные статистические характеристики квантовых шумов при некогерентном приеме оптических сигналов с пассивной паузой и изменения этих характеристик при флуктуациях принимаемого сигнала за счет случайных изменений коэффициента передачи канала. параметрами за счет использования информации о средней мощности принимаемого сигнала и синтеза оптимальной структуры адаптивного некогерентного приемника.Для этого электрический сигнал фотодетектора последовательно проходит через квадратор и интегратор, на выходе которого получается величина, равная средней мощности принимаемого сигнала, которая через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления поступает на вход сумматора, на другой вход которого поступает с выхода бесселевско-логарифмического усилителя 1 величина, пропорциональная огибающей результата оптимальной обработки принимаемого сигнала, Из этой суммы в вычитающем устройстве вычитается переменная константа от устройства адаптации и ре зультат сравнивается в пороговом устройстве с нулевым порогом, при превышении порога принимается решение о приеме и 1",; в противном случае иО". 1 з,п. ф-лы, 2 ил,Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство приема оптических сигналов при некогерентном фотодетектировании и некогерентной последетектор- Оной обработке, содержащее (Я последовательно соединенные фотодетек- фЬ, тор, согласованный фильтр, амплитудный Я детектор, бесселевско-логарифмический усилитель, еычитеащее устроистео, пороге. ) вое устройство, причем к другому входу вычитающего устройства подключен выход источника эталонного напряжения, дополнительно введены последовательно соединенные интегратор, усилитель, сумматор, причем выход фотодетектора одновременно подключен к входу квадратора, сумматор включен между бесселевско-логарифмическим усилителем и вычитающим устройством таким образом, что выход бесселевскологарифмического усилителя подключен к другому входу сумматора, выход которого подключен к входу вычитающего устройства, Также введено устройство адаптации, информационный вход которого подключен к выходу интегратора, а управляющий вход устройства адаптации - к,выходу порогового устройства, Один выход устройства адаптации подключен к управляющему входу усилителя для регулировки коэффициента усиления, а другой выход подключен к другому входу вычитающего устройства.При этом исключается источник эталон ного напряжения, который был в прототипе,Устройство адаптации, в свою очередь, включает в себя; первый буферный запоминающий элемент, первый запоминающий элемент, первый вычитающий элемент, до полнительный усилитель, первый источник эталонного напряжения, первый сумматор, первый квадратор, второй источник эталонного напряжения, элемент извлечения квадратного корня; второй вычитающий 25 элемент, третий делитель напряжения, третий делитель напряжения на два, второйквадратор, первый перемножитель, второй перемножитель, второй сумматор, второй буферный запоминающий элемент, второй З 0 запоминающий элемент, первый делитель напряжения, логарифмический делитель, третий перемножитель, третий сумматор, первый делитель напряжения на два, третий вычитающий элемент, второй делитель на- З 5 пряжения, второй делитель напряжения на два, инвертор, причем выход интегратора (информационный вход устройства адаптации) одновременно подключен к информационному входупервого буферного 40 запоминающего элемента и к входу первого вычитающего элемента; выход первого буферного запоминающего элемента подключен к входу первого запоминающего элемента, выход которого одновременно 45 подключен к; другому входу первого вычитающего элемента, другому входу второго сумматора, другому входу первого делителя напряжения, другому входу третьего вычитающего элемента и другому входу второго 50 делителя напряжения. Выход первого вычитающего элемента подключен к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения, выход которого подключен к входу 55 третьего делителя напряжения на два, выход которого одновременно подключен к входу второго перемножителя и к входу второго квадратора. выход которого подключен к входу первого перемножителя, выход которого подключен к другому входу третьего сумматора; выход первого источника эталонного напряжения одновременно подключен к управляющему входу дополнительного усилителя, другому входу третьего делителя напряжения, и к другому входу первого перемножителя; выход второго источника эталонного напряжения одновременно подключен к другому входу второго перемножителя, другому входу второго вычитающего элемента и входу первого квадратора, выход которого подключен к другому входу первого сумматора. Выход второго перемножителя подключен к входу второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго буферного запоминающего элемента, выход которого подключен к входу второго запоминающего элемента, выход которого одновременно подключен к входу первого делителя, другому входу третьего перемножителя и входу третьего вычитающего элемента, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения, выход кото. рого подключен к входу второго делителя напряжения на два, выходкоторого является первым выходом устройства адаптации и подключен к управляющему входу усилителя, Выход первого делителя напряжения подключен к входу логарифмического усилителя, выход которого подключен к входу третьего перемножителя, выход которого подключен к входу третьего сумматора, выход которого подключен к входу первого делителя напряжения на два, выход которого является вторым выходом устройства адаптации и подключен к другому входу вычитающего устройства. Выход порогового устройства (управляющий вход устройства адаптации) одновременно подключен к входу считывания второго буферного запоминающего элемента и к входу инвертора, выход которого подключен к входу считывания первого буферного запоминающего элемента,Принцип создания предлагаемого устройства основан на дополнительном определении средней мощности принимаемого сигнала и использовании полученной информации о средней мощности для оптимального принятия решения о том, какой сигнал передавался,Такое построение устройства, в отличие от прототипа, где для принятия решения используется только результат некогерентной последетекторной обработки сигнала и не используется информация о средней мощности принимаемого сигнала, обладает следующим преимуществом. Повьн естся помехоустойчивость приема, т,к. определе.ние средней мощности принимаемого сигнала позволяет учесть различные .дисперсии квантовых шумов 01 и Оо при приеме"1" и "0" соответственно и их измерения прифлуктуациях коэффициента передачи канала и, следовательно, обеспечить оптимальное по критерию идеального наблюдателяпринятие решения б том, какой сигнал передавался, т.е, достичь потенциальной помехоустойчивости приема, 10Таким образом, поскольку предлагаемое устройство имеет отличия от прототипа,оно обладает новизной, При этом данныеотличия следует считать существенными,т,к. заявителю не известны решения, в которых бы использовались сходные отличия,приводящие к повышению помехоустойчивости некогерентного приема оптическихсигналов с пассивной паузой в каналах спеременными параметрами, 20На фиг,1 изобракена структурная схемаприемника оптических сигналов, на фиг,2 -структурная схема устройства адаптации,Приемник оптических сигналов содержит фотодетектор 1, согласованный фильтр 252, амплитудный детектор 3, бесселевско-логарифмический усилитель 4, сумматор 5, вычитающее устройство б, пороговоеустройство 7, квадратор 8, интегратор 9,усилитель 10 с регулируемым усилением, 30.устройство адаптации 11,При этом выход фотодетектора 1 одновременно подключен к входам квадратора 8и согласованного фильтра 2, выход которогоподключен к входу амплитудного детектора 353, выход которого поключен к входу бесселевско-логарифмического усилителя 4, выход которого подключен к другому входусумматора 5, выход которого подключен квходу вычитающего устройства б, выход которого подключен к входу порогового уст-ройства 7; выход квадратора 8 подключен квходу интегратора 9, выход которого одновременно подключен к информационномувходу устройства адаптации 11 и входу усилителя 10, выход которого подключен к входу сумматора 5. К выходу пороговогоустройства 7 одновременно подключеныполучатель информации и управляющийвход устройства адаптации 11, выход которого подключен к управляющему входу усилителя 10, а другой выход устройства,адаптации 11 подключен к другому входувычитающего устройства б,Приемник оптических сигналов работает следующим образом, Как известно, принекогерентной обработке сигнал нэ выходефотодетектора О 11) отличается от сигнала вслучае когерентной обработки тем, что егоначальная фаза неизвестна и решение принимэется не по самому результату оптимальной обработки сигнала, а по огибающей Е(1) результата оптимальной обработки.Кроме того, в предлагаемом устройстве дляпринятия решения используется информация о средней мощности принимаемого сигнала Цт), Поэтому электрический сигнал О(т)с выхода фотодетектора 1 одновременно подается на выходы согласованного фильтра 2и квадратора 8. Согласованный фильтр 2выполняет оптимальную обработку принимаемого сигнала. С выхЬда согласованногофильтра 2 результат оптимальной обработки подается на вход амплитудного детектора 3, где выделяется огибающая входногосигнала Е(1), Необходимо отметить, что огибающая может быть выделена и другим способом, с помощью корреляторов, но этотспособ более громоздкий в реализации.С выхода амплитудного детектора 3 огибающая Е(т) подается на вход бесселевскологарифмического усилителя 4, в котором,как и в прототипе, амплитудная характеристика первого каскада соответствует модифицированной функции Бесселя нулевогопорядка 1 о(Е), а амплитудная характеристика второго каскада - логарифмическая, т.е.1 п 1 о(Е). Таким образом, на выходе бесселевско-логарифмического усилителя 4 присутствует натуральный логарифм функции .Бесселя от огибающей 1 п 1 о(Е), который используется при принятии решения и поступает на другой вход сумматора 5,Кроме того, с выхода квадратора 8 сигнал О (т) поступает на вход интегратора 9,2где интегрируется и на выходе образуетсясигнал, соответствующий средней мощности Ри сигнала Ос), т,е.и1 Т 2Затем в усилителе 10 с регулируемымкоэффициентом усиления величина Риумнокается на устанавливаемый по сигналам свыхода устройства адаптации 11 коэффициО 1 - Ооент усиления К= о, где О и Ов -Оодисперсии шумов при приеме "1" и "0" соответственно, изменяющиеся приизменениикоэффициента передачи канала и определяемые в устройстве адаптации 11,С выхода усилителя 10 сигнал величи- .О 1 Оо 1 Т 2ной - О - 1 О ( т)дс поступает наОо овход сумматора 5 и с его выхода сумма 1 о 1 1 ТО 2 )д2 Оо Т опоступает на вход вычитающего устройства б, где из этой суммы вычитается поступаю5101520 25 30 40 45 50 55 щая в другого выхода устройства адаптации11 величина- (Р+ 01 п - ),1 О2 Оогде Р= - 3 51(1)бс - средняя мощность1 тТ опрошедшего канал сигнала 31(1), соответствующего "1",С выхода вычитающего устройства бполученная величина Хх =и (к)+ 3 ц Ыб - (Рв+01 - Оо 1 т 2 120 о Т о 2+ 01 п - ).(1)Оопоступает на вход порогового устройства 7, .где сравнивается с нулевым порогом, Еслипорог превышен, т.е. Х О, то принимаетсярешение о приеме "1", в противном случае- "0"Согласно фиг,2 устройство адаптациивключает в себя первый буферный запоминающий элемент 12, первый запоминающий элемент 13, первый вычитающийэлемент 14, дополнительный усилитель 15,первый источник эталонного напряжения16, первый сумматор 17, первый квадратор18, второй источник эталонного напряжения 19, элемент извлечения квадратногокорня 20, второй вычитающий элемент 21;третий делитель напряжения 22, третий делитель напряжения на два 23, второй квад-ратор 24, первый перемножитель 25, второйперемножитель 26, второй сумматор 27, второй буферный запоминающий элемент 28, 3второй запоминающий элемент 29, первыйделитель напряжения 30, логарифмическийусилитель 31, третий перемножитель 32,третий сумматор 33, первый делитель напряжения на два 34, третий вычитающийэлемент 35, второй, целитель напряженияЗб, второй делитель напряжения на два 37.инвертор 38. При этомвыход интегратора 9информационный вход устройства адаптации) одновременно подключен к информационному входу первого буферногозапоминающего элемента 12 и к входу первого вычитающего элемента 14; выход первого буферного запоминающего элемента12 подключен к входу первого запоминающего элемента 13, выход которого одновременно подключен к; другому входу первого,вычитающего элемента 14, другому входувторого сумматора 27, другому входу первого делителя напряжения 30, другому входутретьего вычитающего элемента 35 и другому входу второго делителя напряжения 36.Выход первого вычитающего элемента 14подключен к входу дополнительного делителя 15, выход которого подключен к входу первого сумматора 17, выход которого подключен к входу элемента извлечения квадратного корня 20, выход которого подключен к входу второго вычитающего элемента 21, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения 22, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения на два 23, выход которого одновременно подключен к входу второго перемножителя 26 и к входу второго квадратора 24, выход которого подключен к входу первого перемножителя 25, выход которого подключен к другому входу третьего сумматора 33, выход первого источника эталонного напряжения 16 одновременно подключен к управляющему входу дополнительного усилителя 15, другому входу третьего делителя напряжения 22, и к другому входу первого перемножителя 25; выход второго Источника эталонного напряжения 19 одновременно подключен к другому входу второго перемножителя 26, другому входу второго вычитающего элемента 21 и к входу первого квадратора 18 выход которого подключен к другому входу первого сумматора 17. Выход второго пере- множителя 26 подключен к входу второго сумматора 27, выход которого подключен к информационному входу второго буферного запоминающего элемента 28, выход которого подключен к входу второго запоминающего элемента 29, выход которого одновременно подключен к входу первого делителя напряжения 30, другому входу третьего перемножителя 32 и входу третьего вычитающего элемента 35, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения 36, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения на два 37, выход которого является выходом устройства адаптации 11 и подключен к управляющему входу усилителя 10, Выход первого делителя напряжения 30 подключен к входу логарифмического усилителя 31, выход которого подключен к входу третьего перемножителя 32, выход которого подключен к входу третьего сумматора 33, выход которого подключен к входу первого делителя напряжения на два 34, выход которого является другим выходом устройства адаптации 11 и подключен к другому входу вычитающего устройства 6. Выход порогового устройства 7 (управляющий вход устройства адаптации 11) одновременно подключен к входу считывания второго буферного запоминающегоэлемента 28 и к входу инвертора 38, выход которого подключен к входу считывания первого буферного запоминающего элемента 12,боты адаптивного оптимального приемникавеличины, В третьем вычитающем элементе35, втором делителе.напряжения 36 и вто-ром делителе напряжения на два 37 формиО 1 Ооруется величина Кз= 2, равная20 отребуемому коэффициенту усиления усилителя 10 и ооступающая на его управляющийвход.В первом делителе напряжения 30, логарифмическомусилителе 31, третьем перемножителе 32, третьем сумматоре 33 и первомделителе напряжения на два 34 формируется1 О 1величина к 4= - (Р+О 1 и - ), поступающая2 .Оона другой вход вычитающего устройства 6 инеобходимая для оптимальной установки порога принятия. решения, Очевидно, что формируемые величины Кз и К 4 позволяютотслеживать и учитывать изменения состояния канала, обеспечивая при.всех изменени. -ях оптимальные условия принятия решения опередаваемом сигналеТехнические преимущества предлагаемого приемника оптических сигналов заключаются в повышении помехоустойчивостиприема оптических сигналов с пассивной па. узой за счет обеспечения оптимальных условий приемаоптических сигналов в канале спеременнымипараметрами как с активной,так, в отличие от прототипа, и с пассивнойпаузой путем использования, информации осредней мощности принимаемых сигналов,тогда как в прототипе эта информация неиспользуется и обеспечиваются оптимальныеусловия приема только оптических сигналов сактивной паузой, в канале с постояннымипараметрами, что обусловлено принципом,работы прототипа.Как показано.в выражении (4), вероятность ошибочного приема символа при. некогерентном детектировании иоптимальной некогерентной последетекторной обработке равнар= - (1-0( - :-- )+ехр( - , )1; (5)1 А, Хв 3 бо2 ХО 1 ."ГО 12 Оогде 0(Х,У)-0 -функция Маркума;, А - амплитуда сигнала 51(1);Еп 1 и Ъог величины пороговых значенийдгибающих при передаче" 1" и "0" соответственно.В случае приема оптических сигналов сактивной паузой,. когда О 1=-00, и канала спостоянными параметрами общие выракения для решающего правила (1) и вероятности ошибки (5) преобразуются к известным,используемым в прототипе,Пбои требуемой вероятности ошибкир 10 выигрыш по мощности сигнала достигает 12 дБ при разнице между верхней инижней границами оценки до 5,5 дБ, что доказывает высокую эффективность предлагаемого адаптивного оптимального приемника оптических сигналов.Формула изобретения 1. Приемник оптических сигналов, содержащий последовательно соединенные фотодетектор, согласованный фильтр, амплитудный детектор, бесселевско-логарифструктуры приемника, учитывающей различные статистические характеристики квантовых шумов при некогерентном приеме оптических сигналов с пассивной паузой, и изменения этих характеристик при флуктуациях принимаемого сигнала за счет случайных изменений коэффициента передачи канала, в него введены подключенные к выходу фотодетектора и последовательно соединенные квадратор, интегратор, усилитель и сумматор, другой вход которого соединен . с ВЫХОДОМ бесселевско-логарифмического усилителя, а выход подключен к входу вь 1 читающего устройства, также введено устройство адаптации, один из входов которого соединен с из выходов устройства адаптации соединеК с управляющим входом усилителя, а другой 35 выход соединен с другим входом вычитающего устройства,2. Приемник по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что устройство адаптации содержит первый буферный запоминающий элемент, первый запоминающий элемент, первый вычитающий элемент, дополнительный усилитель, первый источник эталонного напряжения, первый сумматор, первый квадратор, второй источник эталонного напряжения,элемент извлечения квадратного корня, второй вычитающий элемент, третий делитель напряжения, третий делитель напряжения на два, второй квадратор, первый перемножитель, второй перемножитель, второй сумматор, второй буферный запоминающий элемент, второй запоминающий элемент, первый делитель, логарифмический усилитель, третий перемнокитель, третий сумматор, первый делитель напряжения на два,55 третий вычитающий элемент, второй делитель напряжения, второй делитель напряГкения на два, инвертор, причем выход первого буферного запоминающего элемента подключен к входу первого запомина.,- щего элемента, выход кот,рого 510 мический усилитель, а также вычитающееустройство и соединенное с ним пороговое устройство, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости приемника путем синтеза оптимальной 152025304045одновременно подключен к другому входу первого вычитающего элемента, другому входу второго сумматора, другому входу первого делителя, другому входу третьего вычитающего элемента и другому входу второго делителя напряжения, информационный вход устройства адаптации (выход интегратора) одновременно подключен к информационному входу первого буферного запоминающего элемента и к одному из входов первого вычитающего элемента, выход которого подключен к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к одному из входов первого сумматора, выход которого подключен к входу элемента извлечения квадратного корня, выход которого подключен к одному из входов второго вычитающего элемента, выход которого подключен к одному из входов третьего делителя напряжения, выход которого подключен к входу третьего делителя напряжения на два, выход которого одновременно подключен к одному из входов второго перемножителя и к входу второго квадратора, выход которого подключен к одному из входов первого перемножителя, выход которого подключен к другому входу третьего сумматора, выход первого источника эталонного напряжения одновременно подключен к управляющему входу дополнительного усилителя, другому входу третьего делителя напряжения и другому входу первого перемножителя, выход второго источника эталонного напряжения одновременно подключен к другому входу второго перемножителя, другому входу второго вычитающего элемента и входу первого квадратора, выход которого подключен к другому входу первого сумматора, выход второго перемножителя подключен к одно му из входов второго сумматора, выход которого подключен к информационному входу второго буферного запоминающего элемента, выход которого подключен к входу второго запоминающего элемента, выход 10 которого одновременно подключен к одномуиз входов первогоделителя напряжения, другому входу третьего перемножителя и к одному из входов третьего вычитающего элемента, выход которого подключен к од ному из входов второго делителя напряжения, выход которого подключен к входу второго делителя напряжения на два, выход которого является выходом устройства адаптации и подключен к управляющему 20 входу усилителя, выход первого делителяподключен к входу логарифмического усилителя, выход которого подключен к одному из входов третьего перемножителя, выход которого подключен к одному из входов 25 третьего сумматора, выход которого подключен к входу первого делителя напряжения на два, выход которого является другим выходом устройства адаптации и подключен к другому входу вычитающего устройст ва, управляющий вход устройстваадаптации (выход порогового устройства) одновременно подключен к входу считывания второго буферного запоминающего элемента и входу инвертора, выход которого 35 подключен к входу считывания первого буферного запоминающего элемента.1809542от 7Составитель Ю,Яременко Редактор М,Васильева Техред М,Моргентал Корректор П Гереш аз 1291 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, ужгород, ул. Гага