КАФЕДРА

«БИОМЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Методические указания для лабораторной работы по курсам АПБС ч.3, «Биотелеметрия»

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В БИОТЕЛЕМЕТРИИ

Лабораторная работа №1

Изучение устройства электрооптического модулятора и теоретическое исследование его статической модуляционной характеристики

Лабораторная работа №2

Экспериментальное исследование статической модуляционной характеристики электрооптического модулятора

Профессор, д.т.н. ____________ И.Н. Спиридонов

Доцент, к.т.н. ____________ И.А. Аполлонова

Ассистент ____________ К.Г. Кудрин

Москва 2005

Содержание

Введение 3

1. Лазерные системы связи 3

2. Физическая модель лазерной системы связи 4

3. Модуляция оптических колебаний 5

4. Основные свойства оптически анизотропных сред 7

5. Принцип действия оптических модуляторов, основанных на явлении наведенной анизотропии 13

6. Модуляция лазерного излучения электрооптическими 15

модуляторами 15

7. Методы демодуляции 20

8. Экспериментальная установка для исследования характеристик электрооптического модулятора 22

9. Обработка результатов измерений 22

9.1. Погрешность единичного измерения 22

9.2. Погрешность среднего значения 23

Литература 24

Задание к лабораторной работе №1 25

Задание к лабораторной работе №2 25

Контрольные вопросы 26

Цель лабораторных работ «Оптические системы связи в биотелеметрии» – сформировать представление об устройстве и принципе действия оптической системы связи, теоретически и экспериментально исследовать основные характеристики электрооптического модулятора, фотоприемного устройства.

Введение

При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниями необходимо, чтобы частота модуляции была в 10…100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот и ширина ее определяется объемом передаваемой в единицу времени информации. Например, для передачи телеграфного текста требуется полоса частот 10 Гц, а для телевизионного изображения – полоса частот 10⁷ Гц и несущая частота не менее 10⁸ Гц. Радиодиапазон занимает полосу частот 10⁴…10⁸ Гц и полностью освоен. Информационная емкость канала связи в СВЧ-диапазоне (10⁹..10¹² Гц) выше, но в силу особенностей распространения СВЧ-излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости.

В оптическом диапазоне только видимая область занимает полосу частот от 410¹⁴ до 10¹⁵ Гц. С помощью лазерного луча теоретически можно обеспечить передачу 10¹⁵/10⁷ = 10⁸ телевизионных каналов, что на несколько порядков превышает современные потребности, или 10¹³ телефонных разговоров. Таким образом, одним из преимуществ оптических линий связи является возможность передачи больших объемов информации, обусловленная сверхширокой полосой частот.

Освоение оптического диапазона: создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных светодиодов с малыми потерями, – открывает новые возможности для создания систем связи.

1. Лазерные системы связи

Важным достоинством лазерной системы связи является высокая направленность оптического когерентного излучения. Это позволяет:

а) концентрировать энергию в строго заданном направлении,

б) обеспечить высокую пространственную скрытность и помехоустойчивость.

Однако применение ЛСС имеет и ряд сдерживающих факторов:

а) влияние атмосферы приводит к сильному уменьшению дальности наземной связи,

б) сложность системы поиска, наведения и стабилизации положения.

Однако, несмотря на указанные и многие другие трудности, использование лазеров в системах связи, активность и масштаб работ по решению проблем лазерной связи непрерывно возрастают, особенно при их использовании в космической связи, биологии и медицине.

Существующие ЛСС можно классифицировать по ряду различных признаков:

1. По типу используемого канала связи системы подразделяются на:

а) открытые, в которых передача информации осуществляется через космос, атмосферу или подводный канал,

б) волоконные, в которых передача информации осуществляется через оптические световые волокна.

Открытые линии связи предпочтительны с точки зрения удобства и возможной подвижности оконечных станций, не связанных с приемником. Однако сигнал сильно ослабляется и зашумляется из-за поглощения, рассеяния, рефракции и турбулентности атмосферы.

Волоконные линии связи обладают высокой пропускной способностью, невосприимчивы к электромагнитным помехам, не подвергаются коррозии в агрессивных средах, имеют малые размеры, массу и стоимость, обеспечивают скрытность и находят применение:

а) для внутригородской телефонной связи и телевидении,

б) для передачи сигналов управления на ракетах, самолетах, кораблях и т. п.

2. По способу модуляции ЛСС можно разделить на:

а) аналоговые, б) импульсные, в) цифровые, г) комбинированные.

3. По назначению выделяются ЛСС, осуществляющие передачу телефонной, телевизионной, телеметрической, командной информации между стационарными и подвижными объектами.

2. Физическая модель лазерной системы связи

Любая ЛСС содержит передающее и приемное устройства, разделенные оптическим каналом связи. Структура конкретной ЛСС зависит от цели и назначения системы связи. На рис.1 представлена структурная схема односторонней ЛСС.

В
общем случае информационный сигнал, поступающий на вход аппаратуры преобразования (кодирующего устройства) 1, преобразуется в нем в электрический сигнал, удобный для модуляции, а затем поступает через подмодулятор-усилитель в цепь возбуждения модулятора 2, который осуществляет изменение какого-либо параметра несущего колебания от лазера 3 (амплитуда, частота, фаза или состояние поляризации) в соответствии с изменением информационного сигнала. Промодулированное излучение направляется передающей оптической системой (ОС) 4 на трассу (в канал связи). Приемная оптическая система 5 фокусирует излучение на оптический приемник 6 (ПЛЭ – приемник лучистой энергии), выходным сигналом которого является электрический сигнал. Последующие электрические цепи образуют демодулятор 7 и декодирующее устройство 8, осуществляя окончательное восстановление информационного сигнала из модулированного.

Рис.1

В качестве передающей ОС обычно используется телескопическая система, как правило – Галилея, (рис.2), позволяющая существенно уменьшить расходимость излучения лазера, поскольку угол расходимости зависит от соотношения фокусных расстояний компонент Θ’=(f’₁/f’₂) Θ.

П
риемная система служит для фокусировки падающего излучения и направления его на чувствительную площадку ПЛЭ. Обычно используются 2 типа приемных оптических систем (рис.3): а) фокусирующая, б) коллимирующая (или телескопическая). Кроме того, элементы приемной ОС осуществляют спектральную фильтрацию, подавляя излучение фона.

Рис.2

а б

Рис.3

Связь между переданной и принятой энергией сигнала описывается уравнением дальности действия системы связи. Это уравнение характеризует распространение излучения в линии связи, потери за счет естественной расходимости луча в свободном пространстве (атмосфере) и ослабление сигнала при прохождении в отдельных трактах и компонентах (составных элементах) системы связи.

Потери энергии несущей в модуляторе и оптической антенне передатчика характеризуются коэффициентом пропускания τ_мод и τ_ант соответственно.

τ_пер = τ_мод τ_ант = Р_пер/Р_лаз, (1)

где Р_пер – мощность на выходе передающей системы; Р_лаз – мощность лазера.

Если приемная оптическая антенна с диаметром d_пр расположена на расстоянии R от передатчика и направлена по оптической оси, то угол расходимости луча в дальней зоне α’ = d_пр / /(2R).

При большом R плотность мощности в плоскости фотоприемника почти постоянна и равна максимальному значению по апертуре приемника

(2)

где I₀ = – интенсивность в центре дифракционной картины на единицу телесного угла; d_пер – апертура передатчика; d_пр – апертура приемника; τ_a – пропускание атмосферы; λ– длина волны несущего колебания.

В приемной антенне имеют место потери мощности сигнала. Если характеризовать эти потери коэффициентом пропускания τ_пр (учитывающим ослабление и рассеяние в антенне), а также учесть то, что мощность полезного сигнала из-за ошибок наведения и влияния атмосферы составляет примерно1/2 Р_пр^max, можно получить формулу, связывающую мощность сигнала на входе фотодетектора, мощность лазерного передатчика и дальность действия системы связи

(3)

3. Модуляция оптических колебаний

Модуляцией называется нанесение информации на носители путем определенного изменения параметров некоторых физических процессов, состояний, соединений, комбинаций элементов. Чаще осуществляется изменение параметров физических процессов-колебаний или импульсных последовательностей.

Световая волна в общем случае определяется с помощью четырех параметров: амплитуды, частоты, фазы и поляризации ее электрической компоненты. Поэтому в оптическом диапазоне электромагнитных волн могут быть реализованы следующие методы модуляции: амплитудная модуляция (АМ), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), поляризационная (ПМ), модуляция интенсивности (ИМ). Кроме того, возможны 11 комбинационных видов модуляции с одновременно управляемым изменением сразу нескольких параметров: А-Ч, А-Ф, А-П, Ч-Ф, Ч-П, Ф-П, А-Ч-Ф, А-Ф-П, А-Ч-П, Ч-Ф-П, А-Ч-Ф-П. Первые три простых способа модуляции, а также все комбинационные применяются в оптических линиях связи (ОЛС) менее широко, чем ПМ и ИМ. Это объясняется следующими причинами:

• фотодетекторы ОЛС являются квадратичными по отношению к напряженности поля, что вызывает значительные нелинейные искажения при использовании аналоговой АМ;

• модуляция и демодуляция оптической несущей по фазе, частоте, а также комбинационная модуляция технически достаточно сложны.

Основным преимуществом ПМ является возможность уменьшения (почти в два раза) уровня фона и нечувствительность к атмосферной турбулентности, что важно для линии связи. ПМ позволяет увеличить в некоторых условиях помехоустойчивость ОЛС в 2 раза, если на приемном конце использовать обе поляризационные ортогональные составляющие излучения. Если поляризатор установить на передающей антенне, то по оптическому каналу передается излучение, модулированное по интенсивности.

В оптических системах связи применяются два режима модуляции: без поднесущей и с поднесущей. В первом режиме световая несущая модулируется непосредственно информационным сигналом. Во втором режиме информационным сигналом модулируется сигнал СВЧ поднесущей, а затем СВЧ поднесущая модулирует оптическую несущую.

Для реализации указанных методов модуляции в оптическом диапазоне используют различные физические принципы. Возможные методы модуляции на основе различных физических принципов представлены в таблице 1.