Способ обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях шума спонтанного излучения и воздействия жесткой радиации и реализующий его оптический приемник

 

Изобретение относится к технике волоконной связи и может использовать при создании прикладных систем. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема двоичных символов в условиях шума спонтанного излучения. Для этого принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, подсчитывают в течение интервала наблюдения число фотоэлектронов, которое используют для вычисления отношения правдоподобия, которое сравнивают с нулевым порогом. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптической связи и может быть использовано при создании прикладных систем.

Известен близкий к заявляемому способ различения двоичных когерентных оптических сигналов на фоне аддитивного шума, статистическое распределение фотоэлектронов которого описывается законом Бозе - Эйнштейна (Мартьянов А.Н., Федоров С.Е. Теория передачи информации в оптическом диапазоне. - М.: МО, 1986. - 128 с).

В данном способе, взятом за прототип, осуществляют различение двоичных когерентных оптических сигналов, представляющих собой посылку оптического излучения постоянной амплитуды и длительности Т при передаче ″1″ и отсутствие излучения (паузу) той же длительности при передаче ″0″, следующим образом. В течение интервала наблюдения [0, Т] осуществляют фотодетектирование принимаемого оптического сигнала, представляющего собой аддитивную смесь полезного сигнала и шума при передаче ″1″ или только шума при передаче ″0″, и производят счет полученных в результате фотодетектирования фотоэлектронов. Результат отсчета n используют для вычисления отношения правдоподобия L, при вычислении которого используются также параметры, характеризующие интенсивность полезного сигнала и шума - средние числа ″сигнальных″ n_c и ″шумовых″ n_ш фотоэлектронов, имеющие постоянное значение. Найденное в результате вычисления значение L сравнивают с порогом L₀=1, при превышении которого выносят решение о наличии символа ″1″, в противном случае о наличии ″0″. При этом отношение правдоподобия L вычисляют по формуле

где α=η/ћω₀;

η - квантовая эффективность фотодетектора (ФД);

ћω₀ - энергия кванта узкополосного оптического поля;

L_n - полином Лагерра.

Известен оптический приемник для реализации данного способа (фиг.1), содержащий соединенные последовательно фотодетектор 1, принимающий входной сигнал, электронный ключ 2, счетчик фотоэлектронов 3, вычислительное устройство 4, пороговое устройство 5, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме ″1″ или ″0″, а также устройство синхронизации 6, выход которого соединен со вторыми входами фотодетектора, электронного ключа и счетчика фотоэлектронов.

Недостатками данного способа и реализующего его оптического приемника являются невозможность учета шумов, фотоэлектроны которых имеют различные статистические распределения, а также неизменность величины порога при флуктуациях параметров полезного сигнала и шумов, что ведет к снижению помехоустойчивости приема двоичных символов в условиях шума спонтанного излучения (ШСИ) полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и воздействия жесткой радиации.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости приема двоичных символов в условиях ШСИ ПОУ, гамма-шума, обусловленного воздействием квантов ионизирующего излучения на материал ФД, и теплового шума ФД.

Сущность изобретения заключается в том, что принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, подсчитывают в течение интервала наблюдения [0, Т] число фотоэлектронов n, которое используют для вычисления отношения правдоподобия L, которое сравнивают с нулевым порогом L₀,и принимают решение в пользу ″1″, если L≥L₀, или в пользу ″0″ в ином случае, причем при вычислении L используют значения параметров, характеризующих интенсивность полезного сигнала и шумов - среднее число фотоэлектронов полезного сигнала n_с, ШСИ n_ш теплового шума n_т и гамма-шума n_гш, которые изменяются в зависимости от флуктуации полезного сигнала и шумов, а значение L вычисляют по формуле

Отношение правдоподобия L вычисляют по формуле (2) на основе результирующего распределения фотоэлектронов, представляющего собой сумму статистических распределений фотоэлектронов полезного сигнала, ШСИ, теплового шума и гамма-шума, тем самым учитывают различные статистические распределения ″сигнальных″ и ″шумовых″ фотоэлектронов: распределение фотоэлектронов ШСИ описывается законом Бозе - Эйнштейна, распределения фотоэлектронов полезного сигнала, теплового шума и гамма-шума описываются законом Пуассона. Их результирующее распределение описывается следующим выражением:

Данное распределение составляет основу функций правдоподобия P₁(n) и Р₀(n), характеризующих вероятности подсчета на интервале наблюдения точно n фотоэлектронов при передаче ″1″ или ″0″ соответственно и имеющих следующий вид:

P₁(n) описывает случай присутствия полезного сигнала и шума, a P₀(n) - случай присутствия только шума. Отношение этих функций образует отношение правдоподобия L в виде (2).

При вычислении L, помимо учета различных статистических распределений ″сигнальных″ и ″шумовых″ фотоэлектронов, производят оценку параметров n_c, n_ш, n_т и n_гш, изменяющихся вследствие флуктуации интенсивности полезного сигнала и шумов, и получают конкретные их значения для его вычисления. Таким образом, значение L будет изменяться в зависимости от величины этих параметров, что эквивалентно изменению величины порога в соответствии с флуктуациями полезного сигнала и шумов. В результате минимизируется полная вероятность ошибки, иными словами, повышается помехоустойчивость приема двоичных символов в условиях воздействия ШСИ ПОУ, теплового шума ФД и гамма-шума, обусловленного влиянием жесткой радиации на материал ФД.

На фиг.2 показана сравнительная характеристика зависимости вероятности полной ошибки приема двоичных символов P_ош от среднего числа фотоэлектронов полезного сигнала n_c при фиксированном значении ″шумовых″ фотоэлектронов N_ш=n_ш+n_т+n_гш=5, где кривая 1 получена для известного способа, кривая 2 - для предлагаемого. Можно видеть, что предлагаемый способ обеспечивает более высокую помехоустойчивость приема двоичных символов в рассматриваемых условиях.

На фиг.3 показана структурная схема оптического приемника для реализации предлагаемого способа обработки двоичных когерентных оптических сигналов.

Оптический приемник содержит последовательно соединенные фотодетектор (ФД) 1, принимающий входной сигнал, электронный ключ 2, счетчик фотоэлектронов 3, вычислительное устройство 4, пороговое устройство 5, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме ″1″ или ″0″, и, кроме того, устройство синхронизации 6, выход которого соединен со вторыми входами фотодетектора, электронного ключа и счетчика фотоэлектронов, а также дополнительно введенные блок оценки 7 и фотодетектор-датчик (ФДД) 8, причем их входы соединены с выходом устройства синхронизации, выход фотодетектора-датчика соединен со вторым входом блока оценки, при этом на третий вход блока оценки поступает входной сигнал, а выход блока оценки связан с входами вычислительного устройства.

Оптический приемник работает следующим образом. На апертуру ФД 1 поступает оптический сигнал у(t) в соответствии с передаваемыми символами. В результате детектирования образуется точечный процесс N(t), поступающий через электронный ключ 2 на вход счетчика фотоэлектронов 3. Данный счетчик в течение интервала наблюдения [0, Т] производит счет фотоэлектронов и формирует результат отсчета n. Это значение поступает на вычислительное устройство 4, куда также подаются значения параметров n_c, n_ш, n_т, n_гш с блока оценки 7. В вычислительном устройстве производится вычисление отношения правдоподобия L, значение которого сравнивается в пороговом устройстве 5 с нулевым порогом L₀. В случае превышения порога или равенстве ему выносится решение в пользу ″1″, в ином случае - в пользу ″0″. Работой приемника управляет устройство синхронизации 6, управляющие импульсы которого используются для стробирования ФД 1, электронного ключа 2, счетчика фотоэлектронов 3, блока оценки 7, ФДД 8.

Блок оценки 7 перед началом каждой информационной посылки выполняет определение значений параметров n_ш, n_т и n_гш и с их использованием при приеме сообщения определяет также величину параметра n_c. Полученные значения поступают на вычислительное устройство, где используются при вычислении отношения правдоподобия L. ФДД 8 используется в качестве датчика гамма-шума - темнового тока ФД, обусловленного влиянием радиации, значения которого поступают на блок оценки для определения величины n_гш.

Применение предложенного способа позволит повысить помехоустойчивость обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях ШСИ, теплового шума и гамма-шума, обусловленного воздействием жесткой радиации на материал ФД, на основе приемного устройства, способного удовлетворительно различать оптические сигналы на фоне указанных шумов.

Формула изобретения

1. Способ обработки двоичных когерентных оптических сигналов в условиях шума спонтанного излучения и воздействия жесткой радиации, заключающийся в том, что принимаемый двоичный когерентный оптический сигнал фотодетектируют, подсчитывают в течение интервала наблюдения [О, Т] число фотоэлектронов, которое используют для вычисления отношения правдоподобия, которое сравнивают с нулевым порогом, и принимают решение в пользу логической единицы, если значение отношения правдоподобия превышает порог или равно ему, или в пользу логического нуля в ином случае, отличающийся тем, что при вычислении отношения правдоподобия используют значения параметров, характеризующих интенсивность полезного сигнала и шумов - среднее число фотоэлектронов полезного сигнала, шума спонтанного излучения, теплового шума и гамма-шума, которые изменяются в зависимости от флуктуации полезного сигнала и шумов, а значение отношения правдоподобия вычисляют по формуле

где L - отношение правдоподобия;

n - число фотоэлектронов на интервале наблюдения [О, Т];

n_c - среднее число фотоэлектронов полезного сигнала на интервале наблюдения [О, Т];

n_т - среднее число фотоэлектронов теплового шума на интервале наблюдения [О, Т];

n_гш - среднее число фотоэлектронов гамма-шума на интервале наблюдения [О, Т];

n_ш - среднее число фотоэлектронов шума спонтанного излучения на интервале наблюдения [О, Т].

2. Оптический приемник, реализующий способ по п.1, содержащий последовательно соединенные фотодетектор, принимающий входной сигнал, электронный ключ, счетчик фотоэлектронов, вычислительное устройство, пороговое устройство, формирующее выходной сигнал в виде решения о приеме символа логической единицы или логического нуля, а также устройство синхронизации, выход которого соединен со вторыми входами фотодетектора, электронного ключа и счетчика фотоэлектронов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены фотодетектор-датчик и блок оценки, причем их входы соединены с выходом устройства синхронизации, выход фотодетектора-датчика соединен со вторым входом блока оценки, при этом на третий вход блока оценки поступает входной сигнал, а выход блока оценки связан с входами вычислительного устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3