Szélessávú hírközlési kísérletek az optikai tartományban

TAKÁCS SÁNDOR B M E Elméleti Villamosságtan Tanszék

Szélessávú hírközlési kísérletek az optikai tartományban ETO

Közel 20 éve m á r , hogy az első lézerek elkészítése n y o m á n a fejlett ipari országokban megkezdődtek és egyre fokozódó intenzitással folynak jelenleg is a hír­ közlési felhasználásukat célzó kutató-fejlesztő mun­ k á k [1—15]. B á r kozmikus és rövid t á v ú atmosz­ férikus összeköttetéseket elég gyorsan sikerült léte­ síteni, az á t ü t ő sikerek sokáig v á r a t t a k magukra. Ennek o k á t főként a megfelelő választékú és minő­ ségű optikai, illetve elektronikai alkatrészek hiányá­ ban kell keresnünk, de az atmoszférikus turbulencia is v á r a t l a n u l nagy a k a d á l y n a k bizonyult a szabad­ téri terjedés ú t j á b a n . A 70-es évek elején a figyelmet új i r á n y b a terelték a kis csillapítású ( < 2 0 d B / k m ) optikai szálak, i l ­ letve a belőlük készített optikai kábelek. A gyors ü t e m b e n javuló minőségű szálak a megfelelő fény­ forrásokkal ( L E D , lézer dióda) és fotodetektorokkal e g y ü t t egy, a h a g y o m á n y o s vezetékes (kábeles) hír­ közlő rendszerrel analóg optikai megoldás lehetősé­ gét h o z t á k magukkal [11 — 15]. E t t ő l kezdve az at­ moszférikus összeköttetések i r á n t az érdeklődés ro­ h a m o s á n csökkent, b á r ezek bizonyos (elsősorban rövid t á v ú , mobilis) feladatok ellátására előnyösebbek, s még v á r h a t ó a n hosszú ideig jóval olcsób­ bak is. E z é r t az ilyen irányú vizsgálatok teljes meg­ szüntetése műszaki és gazdaságossági szempontból is indokolatlan. Fentiek alapján, számot vetve a koherens optikai eszközök (egyelőre) szűkös beszerzési lehetőségeivel és általában magas á r u k k a l is, olyan széles sávú ( ~ 3 MHz) hírközlő vonal tervezését, építését és gyakorlati kipróbálását t ű z t ü k k i célként, ^amely a rendelkezésünkre álló, illetve k ö n n y e n beszerezhető eszközökkel megvalósítható, s ugyanakkor alkalmas az optikai frekvenciatartomány átviteli tulajdonsá­ gainak demostrálására, építési és üzemeltetési ta­ pasztalatok gyűjtésére. Az a l á b b i a k b a n röviden le­ í r t kísérleteket — diplomatervező hallgatók rész­ vételével [16—19] — az elmúlt években végeztük. Ennek során a B M E k é t épülete k ö z ö t t , k b . 200 m távolság áthidalására alkalmas egyirányú lézeres öszszeköttetést létesítettünk. A m e g é p í t e t t vonalon fe­ kete-fehér TV-képet, majd egy 24 csatornás PCM berendezés jeleit t o v á b b í t o t t u k , igen jó minőséggel. Eddigi kedvező tapasztalataink a kísérletek folyta­ t á s á r a és kiterjesztésére ösztönöznek.

1. Az optikai hírközlő rendszer elvi felépítése A z i m é n t e m l í t e t t átviteli kísérletek időben e g y m á s t k ö v e t t é k . A kétféle feladat, számos közös vagy igen Beérkezett: 1979. X . 15.

350

621.375.826.038.823:621.391.63.018.424

4— Lézer; 2—Optikai modulátor; 3—Modulátor meghajtó egység-) 4-Kódoló berendezés^ 5- Optikai adóantenna; 6-Optikai csatorna; 7—Optikai vevőantenna; 8—Optikai vevő; 9-Jelfeldolg, egység: iO-Deköder 1

EHÖZHT1

1. ábra. Az egyirányú optikai összeköttetés tömbvázlata

hasonló vonása mellett, főként az a d ó - és vevőoldali á r a m k ö r ö k tekintetében jelentősen különbözik is egymástól. Ennek megfelelően, m i n d k é t optikai öszszeköttetésre megadható azonos t ö m b v á z l a t ( 1 . á b ­ ra), az egyes t ö m b ö k funkciója és felépítése azonban esetenként eltérő, s ezért külön ismertetést igényel. E l s ő k é n t azokat az optikai rendszerelemeket tekint­ j ü k á t röviden, amelyeket m i n d k é t kísérletnél azo­ nos módon használtunk fel. 1.1. Koherens optikai generátor Az optikai vivőhullámot egy M O M g y á r t m á n y ú , GL—8 t í p u s ú , 5 m W teljesítményű He—Ne lézerrel* állítottuk elő. A k i b o c s á t o t t nyaláb hullámhossza A = 632,8 n m , gyakorlatilag egymódusú, átmérője a kilépő a p e r t ú r á n d ^ l m m , divergenciája $c-1...2 mrad. E lézertípus jellegzetessége az e m i t t á l t sugár­ zás nagyfokú monokromatikusság (a spektrális vo­ nalszélesség ~0,01 nm), s az ezzel összefüggő igen nagy ( ~ 10 m) koherenciahosszúsága, illetve 0,3 s nagyságrendű koherenciaidő. Ezen a l a p v e t ő fizikai tulajdonságok eredményezik a lézersugárzás nagy spektrális intenzitását, s együttesen teszik alkalmas­ sá a iézert hírátviteli feladatok ellátására [4—6, 9]. s

Gyakorlati szempontból feltétlenül megemlítendő, hogy az e m i t t á l t n y a l á b i n t e n z i t á s á b a n jelentős nagyságú (3...5%) ingadozást tapasztaltunk. Ezt a lézertápegység nem elég gondos szűrésének tulajdo­ nítjuk, megszűntetésére azonban nem vállalkoztunk. Ugyanakkor t u d o m á s u l kellett v e n n ü n k , hogy — adott m o d u l á t o r t í p u s mellett — az A M alapsávi á t ­ vitel ( p l . fekete-fehér TV-kép esetén) eleve lehetetlen ekkora teljesítményingadozás esetén.

TAKÁCS S.: SZÉLESSÁVÚ HÍRKÖZLÉSI K Í S É R L E T E K A Z O P T I K A I TARTOMÁNYBAN

1.2. Optikai

modulátor

Az optikai vivőhullám modulálását a K D P ( K H P 0 ) egykristályban külső térerősség h a t á s á r a fellépő l i ­ neáris elektrooptikai (Pockels) effektus alapján vé­ geztük [4, 5, 6, 9, 16]. Ezek a kristályok a tetragonális osztályba tartoznak (jelölésük: 42 m), oldat­ ból növesztik őket gondos, de nem túlságosan bonyo­ l u l t eljárással. H a z á n k b a n t ö b b helyen is előállíta­ nak ilyen kristályokat ( M T A Kristályfizikai K u t a t ó L a b o r a t ó r i u m a , B M E Fizikai Intézete). H a a meg­ felelő kristálytani tengely m e n t é n k i v á g o t t és opti­ kailag m e g m u n k á l t K D P hasábon fényt v e z e t ü n k keresztül, amely például a fenti lézerből lineáris polarizációval lép k i , akkor az egymásra merőleges villamos térerősség-komponensek k ö z ö t t az eltérő fázissebességek következtében a rákapcsolt feszült­ ségtől függő fázistolás jön létre ( i n d u k á l t k e t t ő s ­ törés). Ennek eredményeként a kristályon áthaladó fényhullám polarizációs síkja elfordul, s ha a kilépő nyaláb útjába analizátort helyezünk, annak kimene­ tén m á r a r fázistolástól, vagyis végső soron a moduláló feszültségtől függő fényintenzitás jelenik meg (2. ábra) [20]. 2

4

A kiviteltől függően ú n . longitudinális vagy transz­ verzális K D P modulátorról beszélünk. A k é t típus működési módja és tulajdonságai is különbözők. A z előbbi esetben a fényhullám a z-tengellyel p á r h u z a ­ mosan terjed, és ilyen irányú (longitudinális) a kris­ tályra kapcsolt külső t é r is. A fényhullám villamos térerősségének k é t ortogonális komponense k ö z ö t t fellépő fáziskülönbség a m o d u l á t o r k i m e n e t é n :

r=F(u/u,ú,

(i)

ahol U — a moduláló feszültség és — a r=n nagyságú fázistoláshoz t a r t o z ó ú n . félhullámfeszült­ ség, amely a kristály optikai paramétereinek és a fény hullámhosszának a függvénye. Az ilyen modu­ látor fázistolása független a kristály geometriai ada­ taitól, félhullámfeszültsége viszont kényelmetlenül nagy ( ~ 8 k V ) , így széles sávú moduláció megva­ lósítására nem alkalmas. Ennek ellenére első kísér­ leteinknél ilyen m o d u l á t o r t h a s z n á l t u n k , és n é h á n y százalékos modulációs mélység mellett is kielégítő minőségű fekete-fehér T V - k é p á t v i t e l t é r t ü n k el [16 — 17]. A transzverzális m o d u l á t o r b a n a fényhullám to­ v á b b r a is a z-tengely m e n t é n halad, a kristályra kapcsolt külső tér azonban merőleges a fény terje­ dési i r á n y á r a , s a longitudinális megoldástól eltérő

3. ábra. Az optikai modulátor kvalitatív karakterisztikája

a kristálytani tengelyek orientációja is [4, 9 ] . Ez esetben a fényhullám villamos térerősségének k é t ortogonális komponense k ö z ö t t fellépő fáziskülönb­ ség a kristály geometriai adatáitól is függ, és az l/d hányadossal a r á n y o s (l — a kristály h o s s z ú s á g a , d — a keresztmetszeti mérete). Nagy előnye ennek az elrendezésnek, hogy félhullámfeszültsége a fenti értéknél k b . egy nagyságrenddel kisebb. E z é r t széles sávú modulátor g y a n á n t jól felhasználható, s a digi­ tális hírközlő rendszerekben nagy jövő előtt áll. Az analizátorral ellátott transzverzális K D P mo­ dulátor kimenetén a fényhullám i n t e n z i t á s a :

I=

(2)

I sm*(r/2), m

ahol I — a beeső hullám intenzitását jelöli és F — a m o d u l á t o r b a n létrejövő fázistolás. Egy ilyen modu­ látor k v a l i t a t í v karakterisztikája (a relatív intenzi­ t á s a modulációs feszültség függvényében) a 3. á b ­ r á n l á t h a t ó . Mivel a r fáziseltolás arányos a m o d u ­ láló feszültséggel, analóg moduláció esetén j e l e n t ő s torzítások keletkezhetnek. Ennek csökkentése céljá­ ból, megfelelő előfeszültség alkalmazásával a k r i s t á l y m u n k a p o n t j á t a i" —jr/2-nek megfelelő pontba t o l ­ t u k el. A kellő linearitás érdekében még a m o d u l á l ó feszültség a m p l i t ú d ó j á t is korlátozni kell ( í / a x — 0,25í/ y ). Széles sávú modulációnál szerepet j á t s z i k még a modulátor kapacitása, ezt méréssel 30—40 p F nak t a l á l t u k , és az optikai csillapítása is, amelyet azonban nem t u d t u n k megmérni ( n é h á n y dB-re be­ csültük). Az általunk használt K D P modulátorok a B M E Fizikai Intézetben készültek, a k r i s t á l y o k a t is o t t növesztették, a modulátorok pontos specifikációja azonban nem állt rendelkezésünkre. m

1

m

;

2

1.3. Optikai detektor

Modulálatlan lézernyaláb

y.

-©-

,„.„ , ,,, Analizátor 'KDP modulátor IM lézernyaláb

IH690-T5 2I

2. ábra. Az optikai modulátor vázlatos felépítése

A modulált optikai vivőhullám detektálására egy H I K I g y á r t m á n y ú (típusjel nélküli) szilícium lavina fotodiódát h a s z n á l t u n k , amelynek jellemző adatait az irodalomból [31] v e t t ü k á t : érzékeny felület érzékeny t a r t o m á n y lavina üzemi előfeszültség érzékenység záróréteg kapacitása

0,3 m m 0,5.. .1,1 [xm 80 V 100 n A / l x k b . 20 p F 2

351

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X X . É V F . 11—12. SZ.

2. Fekete—fehér TV-képátvitel [16, 17]

100 " >10 MHz

sokszorozási tényező határfrekvencia

A. lavina-fotodióda a fotoelektron-sokszorozóval ana­ lóg működésű félvezető eszköz, amelynek azonban nagyobb s ö t é t á r a m s ennélfogva kisebb érzékenység a jellemzője. Ezenkívül a belső sokszorozási folya­ mat járulékos zajt termel. Ugyanakkor a lavina­ fotodiódának igen jó a k v a n t u m h a t á s f o k a . Mindezen fizikai tulajdonságai k ö v e t k e z t é b e n a lavina-fotodió­ da használatával jelentősen növelhető a széles sávú optikai vevőkészülékek érzékenysége, s igen el is terjedtek a gyakorlatban [3, 5, 6, 9, 11]. A z t tapasztaltuk, hogy ha a lavina-fotodiódát nem éri megfelelő nagyságú fényáram, akkor jelen­ tősen megnő a zaja. Ez azzal m a g y a r á z h a t ó , hogy ilyen esetben hiányzik az a szükséges energia, amely az egyébként spontán . lezajló lavinafolyamatokat koordinálja. í g y a megnövekedett zajfeszültség, amely közelítőleg normális eloszlású, a k á r teljesen el is nyomhatja a gyengén vehető jelet. H a azon­ ban megfelelő intenzitású [22] fényhullám éri a de­ tektor felületét, az abban feszültséggé á t a l a k í t o t t jel majdnem zajmentessé válik. A diódán átkény-, szerített, a jel/zaj viszony szempontjából kedvező e g y e n á r a m o t 100.. .150 u.A-nek t a l á l t u k . 1.4. Adó- és vevőoptikák A 2.1. szakaszban m á r e m l í t e t t ü k , hogy a kohe­ rens optikai oszcillátorként használt lézerből elég nagy divergenciájú nyaláb lép k i . A viszonyokat az optikai m o d u l á t o r t o v á b b rontja. E z é r t nagyobb távolságokon ( m á r 100 m-en is!) jó minőségű hír­ átvitel csak megfelelő a d ó - és v e v ő o p t i k á k (lencsék, t ü k r ö k ) alkalmazásával lehetséges. Erre a célra az adó oldalon kollimátor g y a n á n t fordított t á v c s ö v e t é p í t e t t ü n k be (4'. ábra), / i = 1 7 m m és / = 1 4 6 m m fókusztávolságokkal. Ezzel elértük, hogy a modulá­ torból kilépő nyaláb átmérője a belépő n y a l á b é n a k 146/17=8,6-szerese, divergenciája viszont 8,6-szer kisebb legyen. Ha t e h á t a lézernyaláb eredeti diver­ genciája 2 marad, akkor 200 m t á v o l s á g b a n a k b . 400 m m átmérőjű fényfolt helyett csak k b . 50 m m átmérőjű fényfolt jelenik meg. Vevőoptika g y a n á n t egy 3,5/80-as lencserendszert h a s z n á l t u n k , amelynek d = 8/3,5 = 2,3 cm az á t m é ­ rője és ^4„ = 4,15 c m a hatásos vevőfelülete. Ma­ guknak a lencséknek az optikai csillapítását n é h á n y dB-re becsültük. 2

A kísérlet célja egy kisméretű SONY k a m e r á b ó l származó, k b . 3 M H z sávszélességű video-jel kis t á ­ volságú átvitele volt. Az összeköttetést az 1. á b r a szerint é p í t e t t ü k fel. A részletes tervezés e l ő t t az a d o t t s á g a i n k n a k leginkább megfelelő modulációs m ó ­ dot kellett kiválasztanunk. A lézeroszcillátor 2.1. szakaszban e m l í t e t t intenzitás ingadozásai és az ^at­ moszférikus csatorna járulékos (sztochasztikus) amp­ litúdómodulációja miatt is, a v e t t T V - k é p z a v a r ó villogásainak csökkentése érdekében F M — A M mo­ dulációs-rendszert alkalmaztunk. A segédvívő frek­ venciáját — az áramköri nehézségek elkerülése cél­ jából — viszonylag alacsony é r t é k ű n e k v á l a s z t o t ­ t u k , s i l y módon lehetővé v á l t az a d ó - és v e v ő ­ oldali á r a m k ö r ö k jelentős egyszerűsítése. 2.1. Az adó oldal felépítése Á bemeneti fokozat erősítőből és szűrő á r a m k ö r b ő l áll. A video-jel a 75 Q impedanciájú b e m e n e t r ő l szintszabályzó potencióméteren á t földelt emitteres tranzisztor bázisára j u t . A kimeneti tranzisztor föl­ delt kollektoros kapcsolásban m ű k ö d i k , a k ö v e t k e z ő fokozathoz szükséges -kis csatlakozási impedancia biztosítása céljából. A k é t tranzisztor k ö z ö t t helyez­ kedik el a 3 M H z határfrekvenciájú, m a x i m á l i s a n lapos karakterisztikájú aluláteresztő szűrő.

o—l

IH 690-7551

ő. ábra. Az FM segédvivő előállítását és modulálását végző egység

v

2

'.ezer

Modulátor

A következő fokozat egyszerű, diódás feketeszint­ rögzítő áramkörből és hídkapcsolású kivezérlésjelző indikátorból áll. Ezt követi egy oszcillátor- és modu­ látorfokozat (5. ábra), amelynek feladata az F M segédvívő előállítása és modulálása. A k í v á n t frek­ vencialöket elérése v é g e t t relaxációs oszcillátort épí­ t e t t ü n k . A moduláció feszültségvezérelt á r a m g e n e ­ r á t o r segítségével történik ( T 1). Az á r a m g e n e r á t o r diódás kapcsolón keresztül szolgáltatja a t ö l t ő k o n ­ denzátorok á r a m á t , és így hozza létre az FM-modulációt. A T I tranzisztor emitter-körében elhelye­ zett R —C elemekkel az eredő frekvenciamenetet j a v í t o t t u k . A multivibrátor tranzisztorainak emit­ ter-körében levő R —C híd pedig az egyenletes a m p l i t ú d ó m e n e t e t biztosítja. Az optikai m o d u l á t o r meghajtásához szükséges fe­ szültséget első alkalommal egy széles sávú E M G oszcilloszkóp függőleges erősítő és eltérítő egysége x

í

2

[H690-T54I 4. ábra. Az adókollimátor felépítése és elhelyezése

3&2

2

TAKÁCS S.: SZÉLESSÁVÚ HÍRKÖZLÉSI K Í S É R L E T E K AZ O P T I K A I TARTOMÁNYBAN

szolgáltatta, k é t R~C tagon keresztül. Ez u t ó b b i a k feladata volt a kristály m u n k a p o n t j á n a k beállítása. Ez a meghajtó rendszer max. 400 V _ feszültség előállítására volt alkalmas, ami — különösen longi­ tudinális m o d u l á t o r használata esetén — csak cse­ kély modulációs mélységet biztosított.,

a megépített á r a m k ö r ö k nem nagyon k é n y e s e k a tápfeszültség ingadozásaira, egyszerű, k b . 0,5 Q k i ­ meneti ellenállású áteresztő stabilizátort alkalmaz­ tunk.

2.2. A vevő oldal felépítése [23]

A fentiekben leírt adó és vevő berendezéseket laboratóriumi körülmények között p r ó b á l t u k k i . Az egyes fokozatokon elvégzett ellenőrző m é r é s e k ren­ deltetésszerű működést ígértek. Ezek felsorolása ter­ jedelmi okokból nem lehetséges, a [16, 17]-ben azon­ ban megtalálhatók. A v e t t TV-képet V I D E O T O N g y á r t m á n y ú monitoron szemléltük, és s z u b j e k t í v e igen jó minőségűnek t a l á l t u k . B á r a t o v á b b i a k b a n egy sor á r a m k ö r módosított, lényegesen j a v í t o t t v á l t o z a t á t is elkészítettük, kellő műszerezettség hiá­ n y á b a n a fekete-fehér T V képek k v a n t i t a t í v m i n ő ­ sítésére eddig nem k e r ü l t sor.

p

p

A vevő oldal fényérzékelő eleme a 1.3. szakaszban leírt Si lavina-fotodióda. M u n k a p o n t j á t a lavina­ letörés t a r t o m á n y á b a kell helyezni, s az ehhez szük­ séges előfeszültséget 10 kHz-en m ű k ö d ő transzverterrel állítottuk elő. Munkaponti á r a m á n a k a nagy­ ságát az optimális, zajszegény beállítás követelmé­ nye szabja meg. K a t ó d j á t egy 100 n F k o n d e n z á t o ­ ron á t leföldeltük, s a hasznos jelet az anódról v á l a s z t o t t u k le. A dióda k b . 20 pF-os kapacitása m i a t t a szükséges nagy sávszélesség megvalósítása csak kis bemeneti impedanciájú bemenő fokozattal volt lehetséges. A bemenő fokozattal szemben t o v á b b i igények is v o l t a k : minimális zaj, kellően nagy sávszélesség és kis (75 Q) kimeneti impedancia. Ezeket egy egy­ szerű, B F 224-es tranzisztorokkal megépített k é t ­ fokozatú erősítő jól teljesítette. A kis be- és k i ­ meneti i m p e d a n c i á k a t negatív visszacsatolással ér­ t ü k el, ami egyben igen stabil munkapontot is ered­ m é n y e z e t t . Az erősítő frekvenciamenetében az első t ö r é s p o n t 20 MHz-re esett. A v e t t jel t o v á b b i fel­ dolgozása során egy integrált á r a m k ö r ö s ( T B A 120S) fokozattal kiszajú erősítést, h a t á r o l á s t és F M de­ modulálást v é g e z t ü n k (6. ábra). Az erősítő és a l i m i ter dc csatolású differenciálerősítő lánc. A demodu­ lálást egy 4/4-es szorzóval felépített szimmetrikus koincidencia demodulátor végezte. A fázistolást egy 6 MHz-es, a nagy löket miatt erősen lerontott j ó ­ ságú rezgőkör biztosította. Végül a vivőfrekvencia és a különböző eredetű zajok elnyomására 3 M H z hasznos sávszélességű a k t í v szűrőt h a s z n á l t u n k . A szűrő ötödfokú, maxi­ málisan lapos karakterisztikájú aluláteresztő tag. Erre az egyenletes fázismenet biztosítása m i a t t v o l t szükség. Ellenkező esetben a TV-kép elmosódott v o l ­ na. A fokozat be- és kimeneti impedanciája egy­ a r á n t 75 Q. Az adó és vevő oldal á r a m k ö r e i t is azonos fel­ építésű, stabilizált tápegységekről t á p l á l t u k . Mivel

2.3. Az összeköttetés

működése

8. PCM jelátvitel [25] A kísérlet célja kb. 200 m távolság á t h i d a l á s á r a alkalmas egyirányú optikai PCM összeköttetés léte­ sítése volt. A felhasznált optikai rendszerelemek ugyanazok voltak, mint a fent részletezett T V - k é p átvitel esetében. A vonal m i n d k é t végén egy-egy szabványos 24 csatornás PCM végberendezéshez csat­ lakozott, amelyeket a T E L E F O N G Y Á R á l l í t o t t elő. Ezek a berendezések h a t á r o z t á k meg a teljes á t ­ viteli rendszer minimálisan szükséges sávszélességét. A PCM végberendezés 1,544 M H z alapfrekvenciával [(24 csatorna X 8 bit + 1 keretszinkron) X 8 k H z mintavételi frekvencia] szolgáltatja a „ 0 " szimbólu­ moknak megfelelő azonosan nulla, illetve az „ 1 " szimbólumoknak megfelelő 3 V-os R Z t í p u s ú jele­ ket. Annak érdekében, hogy vezetékes távközlésnél a kábel feltöltődését elkerüljék, minden m á s o d i k „ 1 " szimbólumhoz t a r t o z ó jelet invertálják. í g y jön létre a 3 állapotú, ún. A M I kód, az adott esetben T = 6 4 8 ns időréssel és 50% kitöltési tényezővel. A rendelkezésre álló optikai eszközökkel csak egyenes detektálású átviteli rendszer j ö h e t e t t szó­ ba. Az a l k a l m a z h a t ó optikai moduláció I M , illetve P M , ez u t ó b b i esetben azonban modulációkonverzió szükséges, lehetőleg a vevő oldalon. Ez a gyakorlat­ ban azt jelenti, hogy a modulátor kimenetéről az analizátort a vevő detektora elé helyeztük. Ennek eredményeként a kisugárzott átlagteljesítmény t ö b b mint a kétszeresére nőtt. Az információt a l a p s á v b a n v i t t ü k át, mert nem sikerült a jobb átviteli megoldáshoz ( F S K ) szüksé­ ges á r a m k ö r i elemeket beszereznünk. Az alapsávi átvitel h á t r á n y a i t a 3. fejezetben m á r felsoroltuk. Tapasztalataink szerint azonban a lavina-fotodiódá­ val megépített vevő oldalon rövid t á v ú átvitel ese­ tén ezek a h á t r á n y o k nem jelentősek. 3.1. Az adó oldal felépítése

ÍH690^fS6] 6. ábra. A vett jel kis zajú erősítését, limitálását és PM demodulálását végző egység x

A h á r o m á l l a p o t ú A M I k ó d ú jelek átvitele az adó oldalon körülményesen, de megoldható. A vevőben viszont a háromszintű jelfelismerés zajos h á t t é r b e n igen nehéz. E z é r t célszerűnek véltük az A M I k ó d ú

353

H Í R A D Á S T E C H N I K A X X X . É V F . 11—12. SZ.

jelek kétállapotú jelekké való á t a l a k í t á s á t , majd a vevő oldalon az eredeti jelek visszaállítását. E z t az á t a l a k í t á s t v á l t o z t a t h a t ó impulzusidejű, T T L szintű monostabil multivibrátorral végeztük el, amely T/2 impulzusidő esetén nullára visszatérő ( R Z ) , T impulzusidő mellett pedig nullára vissza nem t é r ő ( N R Z ) jelsorozatot szolgáltatott. Az adó oldalon, kisebb sávszélessége miatt ez' utóbbi használata a kedvezőbb, de a vevő oldalon szinkronizálási nehéz­ ségek lépnek fel. Az RZ jelek mentesek ettől a h á t r á n y t ó l , k ö z v e t lén átvitelük mégis nehezebb, mert jelentős ampli­ túdójú kisfrekvenciás komponenseik vannak. E prob­ léma áthidalása céljából az RZ jeleket ún. a k t í v szünetű (ASZ) jelekké a l a k í t o t t u k át. Ezeket egysze­ r ű b b e n lehetett átvinni, a szinkronizáló órajel frek­ venciáját nagy a m p l i t ú d ó v a l t a r t a l m a z t á k , és meg­ felelő vevőben kisebb bithiba-valószínűséget e r e d m é ­ nyeztek, mint az RZ jelek. Az ASZ jelek azonban csak nagy erősítés u t á n alkalmasak a K D P m o d u l á t o r meghajtására. Kellően nagy feszültségű és gyors működésű tranzisztorok h i á n y á b a n a k b . 500 V _ direkt meghajtó feszült­ séget k é t ellenütemben m ű k ö d ő P L 500-as elektron­ csővel állítottuk elő. Ekkora moduláló feszültség szükséges a k b . 60%-os feszültségkivezérléshez, ami ~80% fényintenzitás-változást eredményez. p

p

A k é t elektroncső kivezérlése 40 V feszültséget igé­ nyelt. Ezt egy ellenütemű tranzisztoros meghajtó áramkörrel á l l í t o t t u k elő', amelyben 2N3632 t í p u s ú a d ó t r a n z i s z t o r o k a t h a s z n á l t u n k fel. A m e g h a j t á s u k ­ hoz szükséges 2.20 mA á r a m o t egy T T L á r a m k ö r „ H " szinten nem képes leadni. „ L " szinten azonban 40 m A elnyeléséhez 3 db T T L kapu elegendő. Ezzel a megoldással az ellenütemű meghajtáshoz egyetlen SN74S04-es Schottky T T L integrált á r a m k ö r is ele­ gendő volt. 3.2. A vevő oldal felépítése [24] A vevőkészülék működése elvben megegyezik • a 3.1. szakaszban ismertetett vevőével, de a részletek­ ben m á r sok különbség van (7. á b r a ) . A polari­ zációmodulált lézersugárzást v e v ő o p t i k a segítségé­ vel a fotódetektor érzékeny felületére fókuszáltuk. E k ö z b e n a n y a l á b á t h a l a d t a modulációkonverziót ( P M — I M ) megvalósító analizátoron és egy kes­ keny sávú optikai szűrőn. A lavina-fotodiódáról a jel egy max. 100 dB erősítésű, k é t láncba kapcsolt

Döntő PLL

tó

ák.

differenciálerősítőből álló széles sávú (30 M H z ) , kis zajú erősítőbe jutott, onnan pedig a k ü s z ö b d e t e k ­ torra került. A küszöbszintet a szintrögzítő á r a m k ö r által szolgáltatott jel megfelelő leosztásával állítot­ t u k be. A küszöbdetektálást végző k o m p a r á t o r k i ­ menete T T L kompatibilis. Mivel a rendszerbe k e r ü l t zajok miatt a v e t t j e l jitteres, szükség volt egy jelregeneráló egységre is. Ennek segítségével a vett jelsorozatból k i n y e r t ü k az adó oldali mintavételezés frekvenciáját. E z t az alap­ frekvenciás jelet egy szabályozható késleltetésű á r a m ­ körbe v e z e t t ü k . Ezzel állítottuk be azt a p e r i ó d u s ­ időn belüli relatív mintavételi időpontot, amikor a döntő á r a m k ö r „ m i n t á t vesz" a k o m p a r á t o r kime­ neti jeléből. Az így keletkezett N R Z jelet R Z jellé a l a k í t o t t u k á t , majd az ÁMI kódolóba v e z e t t ü k . Ennek a k i m e n e t é t transzformátoros elválasztó fo­ kozaton keresztül a PCM végberendezéshez csatla­ koztattuk. 3.3. Az összeköttetés

működése

A m e g é p í t e t t optikai PCM hírközlő vonalat labo­ r a t ó r i u m b a n és k b . 200 m távolságon tiszta időben szabad t é r b e n is k i p r ó b á l t u k . Tapasztalataink egyér­ t e l m ű e n kedvezőek, s mivel a rendszer ezen a t á v o l ­ ságon kollimátor nélkül is m ű k ö d ö t t , feltehetően kollimátorral és tiszta időben minden nehézség nél­ kül á t h i d a l h a t ó vele a k á r 1 km-es t á v o l s á g is. Ez esetben azonban m i n d k é t oldalon szükség van célzó távcsövekre és kellően stabil állványokra is. A 200 m-en m é r t jel/zaj viszony értéke 50 dB v o l t , s ez igen jó eredménynek t e k i n t h e t ő .

4. Következtetések A fentiekben leírt kísérletsorozat arról g y ő z ö t t meg b e n n ü n k e t , hogy viszonylag egyszerű optikai alkatrészek is alkalmasak koherens optikai hírközlés megvalósítására, ha az adó és vevő oldali á r a m k ö r ö k jól átgondolt rendszert alkotva, gondos kivitelben készülnek el. Az adó oldalon a fő nehézséget egy jó minőségű optikai m o d u l á t o r hiánya okozta. Az op­ t i k a i rendszerelemekkel egyéb p r o b l é m á i n k lényegé­ ben nem voltak. A munka döntő részét az egyes á r a m k ö r ö k tervezése, megépítése és bemérése tette k i . Elkészítésük során jól érzékeltük, hogy az átviteli sáv szélesítését igénylő gyors optikai c s a t o r n á k lé­ tesítése legalább olyan gyorsan fokozza a k ö v e t e l m é ­ nyeket az áramkörökkel szemben, m i n t az optikai elemekkel szemben. Eddigi kedvező tapasztalataink a kísérletek folytatására és kiterjesztésére ösztönöz­ nek.

NRZa%t. AMI

A fent ismertetett kísérletek elvégzésében igen je­ lentős é r d e m e k e t szereztek az elmúlt é v e k b e n vég­ °ntemaA PCM vegberend. zett hallgatóink, K o v á c s József, Vörös József, Gu­ felé lyás József és Honfi Géza oki. villamosmérnökök, IH 6S0-T5TI akiknek igen hozzáértő és lelkes m u n k á j a nélkül ez az ismertetés sem készülhetett volna el. 7. ábra. A PGM összeköttetés vevőoldalának blokkvázlata Apt. sáv szűrő ^odutááö-konverziót létrehozó analizátor t

354

kód.

TAKÁCS S.: SZÉLESSÁVŰ HÍRKÖZLÉSI K Í S É R L E T E K AZ O P T I K A I TARTOMÁNYBAN

IRODALOM [1] Special Issue on Quantum Electronics, Proc. I E E E 51 (1), 1963. [2] CSERNÜSOV, V. N. et. al.: Lazerü v szisztyemah szvjazi. Izd. „Szvjaz", Moszkva, 1966. [3] ROSS, M.: Laser Receivers. Wiley, New York, 1966. [4] YARIV, A.: Quantum Electronics. Wiley, New York, 1967. (Második, bővített kiadás: 1975.) [5] PRATT, W. K.: Laser Communication Systems. Wiley, New York, 1969. [6] Special Issue on Optical Communications, Proc. I E E E 58 (10), 1970. [7] SEREMETYEV, A. G.: Sztatyisztyicseszkaja tyeorija lazerooj szvjazi. Izd. „Szvjaz", Moszkva, 1971. [8] HO VERSIEN, E. V.: Optical Communication Theory. Laser Handbook, Vol. 2. E d . A R E C C H I , F . T . — S C H U L Z —DuBOIS, E . O. North-Holland Publ. Co., Amsterdam, 1972. Bőséges irodalmi hivatkozással. [9] SEREMETYEV, A. G.—TOLPAREV, R. G.: Lazernaja szvjaz. Izd. „Szvjaz", Moszkva, 1974. [10] GAGLIARDI, R. M.—KARP, S.: Optical Communica­ tions. Wiley, New York, 1976. [11] Fundamentals of Optical Fiber Communications. E d . B A R N O S K I , M. K . Academic Press, New York, 1976. [12] UNGER, H. G.: Optische Nachrichtentechnik. Elitera, Berlin, 1976. [13] HARRY, J. E.: Ipari lézerek és alkalmazásaik. Műsza­ ki Kiadó, Budapest, 1979. [14] Special Issue on Fiber Optics. Trans. I E E E , COM—16 (7), 1978. 115] MIDWINTER, J. E.: Optical F"ibers for Transmission. Wiley, New York, 1979. [16] KOVÁCS József: Nagysebességű optikai hírközlő rend­ szer adóoldalának tervezése. Diplomaterv. B M E Elméleti Villamosságtan Tanszék, 1977. [17] VÖRÖS József: Nagysebességű optikai hírközlő rendszer vevőoldalának tervezése. Diplomaterv. B M E Elméleti "Villamosságtan Tanszék, 1977. [18] GULYÁS József: Szabadtéri lézeres PCM hírközlő rend­ szer adóoldalának tervezése. Diplomaterv. B M E Elmé­ leti Villamosságtan Tanszék. 1978. [19] HONFI Géza: Szabadtéri lézeres PCM hírközlő rend­ szer vevőoldalának tervezése. Diplomaterv. B M E Elmé­ leti Villamosságtan Tanszék. 1978. [20] MUSZTEL, E. R.: Metodü moduljacii i szkanyirovanyija szveta. Izd. „Nauka", Moszkva, 1970. [21] PANTER, P. F.: Modulation, Nőise and Spectral Analysis. McGraw—Hill, New York, 1965. [22] CLARK, M. A. G.: Avalanche Photo-Diodes íor High Frequency Applications. Optics and Laser Technology 7 (1), 1975. [23] GOELL, J. E.: An Optical Repeater with High Impedance Input Ampliíier. B. S. T. J . 53 (4), 1974. [24] PERSONICK, S. D.: Receiver Design for Digital Fiber Optic Communication System. I — I I . B. S. T. J . 52 (6)J 1973. 843—886 p. [25] LAJKÓ—LAJTA, Szerk., PCM a távközlésben. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978. [26] M AGY ARI Béla: Tranzisztor atlasz. Műszaki Könyvkia­ dó, Budapest, 1976. [27] M AGY ARI—GLOFÁK—THEISZ: Digitális IC atlasz. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1977. [28] Dr. GORDOS—Dr. VARGA: Adatátvitel és adatfeldol­ gozás. Tankönyvkiadó, Budapest, 1975. [29] Dr. SZITTYA Ottó: Logikai rendszerek és szekvenciális automaták. Tankönyvkiadó, Budapest, 1975. [30] Dr. SZITTYA—HUNWALD: Logikai elemek adatgyűj­ teménye. Tankönyvkiadó, Budapest, 1976. [31] SZENTIDA Y Klára: Félvezető fotodetektorok. Műsza­ ki Könyvkiadó, Budapest, 1977. [32] FÜLÖP Tamás: Tervezési segédlet I I . Tankönyvkiadó, Budapest, 1978. [33] The Optoelectronics Data Book Texas Instruments, Inc., 1975. [34] The T T L Data Book for Design Engincers. 2nd. E d . Texas Instruments, Inc., 1977.

SZEMLE A világ első optikai tárolós, diódás-lézeres adattárolóját a Philips Data System nemrég mutatta be. Kiindulási alap a tv-képlemez L P változata volt. Maga a képlemez 30 cm át­ mérőjű, mindkét oldalán tellúr-tartalmú anyaggal bevont lemez. Ebben a rétegbe éget a lézersugár 1 jim átmérőjű lyu­ kakat. Az így felírt adatbitek lézer-sugárral azonnal visszaolvashatók. A lemezre Irt adatoknak természetesen címmel is kell rendelkezniük. Az objektív lencséje mintegy 2 mm távol­ ságra van a lemeztől, így kizárták a karcolás veszélyét. Az opitkai tároló felhasznólójának minden egyes szektoron (összesen 45 000 x 128 szektor van) 1 kbit-nyi információ áll rendelkezés­ re. A lemez másodpercenként 2,5 fordulatot tesz meg, ami átlagosan 250 ms-os elérési időt eredményez. A tároló kapa­ citása 5 Gbit (5 x 10 bit), ebből következik, hogy a rendszer írási és olvasási sebessége 300 kBaud. Nagyobb fordulatszám­ nál már 6 MBaud-ot is elértek. A lézer-dióda anyaga AlGaAs, élhosszúsága csupán 0,1 mm, elfér egy szokványos tranzisz­ tor-tokban is. (Elektor, 1979. febr. [630]). 9

* A Los Angelesben 1978 októberében megtartott speciális ülésszakon — melynek témája az „Üj tárolótechnológiák hatása a számítógépek tervezésére" — a szakemberek érde­ kesnek tartották a „Floppy Disks" és a „Magnetic Bubbles" kombinációjának lehetőségét. A hibridtárolók irányába mutató fejlődés eredményeként ki­ alakított új tároló a „Flubble". Működésénél nagy a valószínű­ sége annak, hogy ha a központi egységnek a következő' művelethez adatsorra van szüksége, amely a buborék-puffertárolóban van, egy mágneslemezből és egy másnesbuborékból álló hibridtároló rendszer sebességét jelentősen megemeli. A fejlesztés más elképzelhető útját azok a hibridtárolók jelentik, amelyeknek az állandóra beépített mágneslemezek helyettesítésére van lehetőségük. A buboréktárolók biten­ kénti árát 1985-re 20 millicentre becsüli, a hibridtárolókét pedig 0,1 millicentre. (Elektrotechnische Zeitschrift, 1978. dec. 20. [631]). * Az Optronic Fort, Cambridge cég új, kis veszteségű műanyag optikai szál forgalomba hozatalát jelentette be. A csillapítás mintegy 50 dB/km nagyságú. Olcsó termék és ideálisan hasz­ nálható igen rövid távolságú adatátvitelre, jelzésátvitelre, optoelektronikai szigetelésre és megjelenítőkre. A szál kapható borítás nélkül, vagy polietilén védőréteggel bevonva. Az átmérő lehet 1 mm, 0,75 mm, 0,5 mm és 0,25 mm. A maximális folytonos hosszúság 500 m felcsévélt állapotban. (Electronic Engineéring, 50. kötet 616. [632]).

Az eddigiek során csak Berlinben üzemelt négy teszt-rendszer, amelyek bosszúsága 4,3 km volt. Frankfurt—Finnhem és Oberursel között azonban egy 15,44 km hosszú kábelt helyez­ tek üzembe, amely a nyilvános telefonhálózat részeként 480 beszélgetést továbbit fényimpulzusok — 34 millió másodper­ cenként — formájában egy 0,1 mm szálátmérőjű üvefszálpár segítségével. A 15,44 km-es szakaszon a fényimpulzusokat kétszer rege­ nerálják; a szakasz végpontjain impulzus-kód-modulációs berendezések fogják össze a 480 egyedi jelet egyetlen idő multiplex digitális jellé. A íényhullámvezetőknek a rézkábelekkel szemben előnyös műszaki tulajdonságai vannak: kisebb súly, alacsonyabb csil­ lapításérték, villamos és mágneses zavarásokkal szembeni érzéketlenség, valamint a fémmentes felépítés miatt a külön­ böző potenciálú berendezések közötti egyszerű jelátvitel lehe­ tőségé. Az üvegszálak költségei az elmúlt három év során a huszad­ részükre csökkentek. E z azt mutatja, hogy az üvegszálkábelek jelenlegi 15 DM/m-es ára már a közeljövőben lecsökken a rézvezetők 4 DM/m-es árára. Az üvegszálkábelek mellett szól az is, hogy csak ó. . .8 km-enként van szükségverűsítőrc, szem­ ben a hagyományos kábelek 2 . . . 4 km-enkénti igényével. (•Folytatás a 362. oldalon)

355