Казахской академии транспорта

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
83
 
 
Рисунок 6 - Уголковый отражатель 
Рисунок  7 – Вид сверху системы 
«уголковый отражатель» 
Максимальное  усиление  антенны  согласно [1] для  угла  α = 90°, достигается  
антенной  при D = 0,33λ  и  может  достигать  величины 10 dBi, при  сопротивлении  из- 
лучения 60 Ом.  При  угле 60° благоприятно  расстояние D = 0,5λ,  и  ему  соответствуют 
усиление  величиной  12,5  dBi  и сопротивление  излучения  75  Ом.  Еще  более  высокое  
усиление  имеет  место  при  угле  раскрыва 45°. Здесь  максимальное  усиление 14,5 dBi  
соответствует  промежутку D величиной 0,6λ,  при  котором  сопротивление  излучения  
составляет 50 Ом и остается достаточно удобным для согласования.  
Для  питания    выгодно    иметь    входные    сопротивления    в    интервале    волновых  
сопротивлений    стандартных    коаксиальных    кабелей.  Питание    всех    перечисленных  
конфигураций    можно    осуществлять    по    коаксиальному    кабелю    в    сочетании    с  
четвертьволновым  заграждающим  объемным  контуром  или  другими  симметрирующими 
устройствами.  В  случае  необходимости  применения 240-омного  фидера  надо  заменить 
линейный полуволновый вибратор петлевым.    
Вывод.
  При  оптимальном  значении  характеристик  диаграммы  направленности 
имеем  определенные  параметры  рефлектора.  В  антенне  типа  «волновой  канал»,  при 
расстоянии  до  рефлектора  равном 0,2λ,  имеем  оптимальные  значения  характеристик: 
ширина раскрыва - 59,1°, Кзд - 8,82 дБ.  
В  зигзагообразной  антенне,  при  расстоянии  до  рефлектора  равное 0,2λ,  имеем 
оптимальные  значения  характеристик  ширине  раскрыва - 61°, Кзд – 12,2 дБ.  При  шаге 
сетки  рефлектора  равном 0,103λ,  имеем  оптимальные  значения  характеристик:  ширине 
раскрыва - 58,5°, Кзд – 12, дБ.  При  превышении  экраном  размеров  антенны  в 0,265λ,  
имеем оптимальные значения характеристик: ширине раскрыва - 69°, Кзд - 23 дБ. 
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Новичков  Д.Л.  Эволюция  антенно-фидерного  и  вспомогательного  оборудования  для 
систем  мобильной  связи  третьего  поколения  [Электронный  ресурс]. – Режим  доступа: 
http://www.tssonline.ru/articles2/podv/evolyuc-anten-fidern-i-vspomogat-oborud-dlya-sistem-mobiln-
svyazi-tretego-pokolen. 
2.  Носов  В.  Эффективное  использование  секторных  антенн  в  сотовых  системах  связи // 
Мобильные телекоммуникации. – М., 2008. – № 4.– С.16-24. 
3.  Антенны. [Электронный  ресурс]. – Режим  доступа: http://www.mikc.ru/article.php?id_ 
catalog=41. 
4.  Антенны  для Wi-Fi-устройств  [Электронный  ресурс]. – Режим  доступа: http:// 
www.compress.ru/article.aspx?id=17784&iid= 822#Штыревая антенна.  
 
 
 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
84
УДК 621.396 
Барлыбаева Жайна Азатовна – магистрант (г. Алматы, КазАТК) 
 
АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ  
В СИСТЕМАХ СВЯЗИ 
 
В  настоящее  время  волоконно-оптические  системы  передачи  являются  наиболее 
применяемыми,  т.к.  они  обеспечивают  передачу  большого  объема  информации  с 
максимально  высокой  скоростью.  Актуальным  является  вопрос  об  исследовании 
алгоритмов приема оптических сигналов системах связи, в связи с чем, в статье приведен 
их анализ. 
Рассмотрим структурную схему типовой оптической системы связи (ОСС) (рис 1). 
Схема  включает  стандартные  блоки,  присущие  любой  схеме  связи.  От  источника 
сообщений поступает непрерывная или цифровая информация. Далее сигнал оптической 
несущей  модулируется  и передается  в  канал.  Оптический  сигнал  в  виде  светового  поля 
луча  распространяется  в  канале  (свободное  пространство,  турбулентная  атмосфера, 
волоконный  световод  и  др.).  На  приемной  стороне  оптическое  поле  собирается  оптикой 
приемника и детектируется фотодетектором.  
 
 
 
 
Рисунок 1 – Структурная схема типовой оптической системы связи 
Функциональные  операции  оптической  системы  связи  аналогичны  операциям 
любой  системы  связи,  за  исключением  того  факта,  что  сигнал  передается  в  оптическом 
диапазоне электромагнитного спектра [1]. 
В  ОСС  возможны  два  способа  приема  сигналов:  прямое  детектирование 
(энергетический  прием)  и  гетеродинирование.  Однако  атмосфера,  как  среда 
распространения  сигналов,  вносит  заметные  искажения  в  амплитуду  и  фазу  оптической 
волны,  поэтому  по  целому  ряду  причин  (главным  образом,  из-за  проблем  сопряжения 
волновых фронтов сигнального и гетеродинного полей) гетеродинный прием практически 
не нашел применения в ОСС. 
Одним  из  важнейших  факторов,  определяющих  основные  характеристики 
фотоприемников, является пороговая чувствительность. По типу шумов, ограничивающих 
пороговую чувствительность, выделяют следующие режимы работы фотоприемника: 
1) режим ограничения внутренним (тепловым) шумом; 
2) режим ограничения фоновым шумом (или просто фоном); 
3)  также  выделяют  режим  ограничения  флуктуациями  сигнала («сигнальными 
шумами») [2]. 
В  выходном  сигнале фотоприемников  выделяют  две  составляющие – постоянную 
составляющую и шумовую составляющую. Постоянная составляющая выходного сигнала 
фотоприемника имеет две компоненты, темновой ток, т.е. ток, присутствующий на выходе 
фотоприемника  при  полном  отсутствии  внешней  освещенности  и  фоновый  ток,  т.е.  ток, 
обусловленный фоновой (внешней) освещенностью. Более сложная ситуация наблюдается 
с шумовой составляющей. 
Все возможные ситуации относительно шумов можно разделить на два типа: 
-  шумы,  не  зависящие  от  постоянной  составляющей,  т.е.  аддитивные  шумы 
(например, тепловые); 
Источник 
информации 
Световой передатчик 
и модулятор 
Световой канал 
 
 
Световой приемник 
 
Фотодетектор 
 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
85
-  шумы  пропорциональные  постоянной  составляющей,  т.е.  мультипликативные 
шумы (например, фотонные). 
Эти  шумы  обусловлены  различными  причинами  и  различным  образом 
воздействуют  на  параметры  системы  обнаружения.  Наличие  шумов  ограничивает 
потенциальную чувствительность оптической системы. 
Для  описания  распределения  выходного  сигнала  фотоприемника  используем 
модель  нормального  распределения.  Такая  модель  достаточно  хорошо  согласуется  с 
распределениями  множества  выходных  сигналов  фотоприемников  и  имеет  всего  два 
параметра – математическое ожидание и дисперсию. Полагаем, что корреляция шумов в 
выходном  сигнале  матричного  фотоприемника,  как  правило,  невелика,  поэтому  она  не 
учитывается в модели [3]. 
Учитывая  эти  положения,  модель  выходного  сигнала  фотоприемника  представим 
некоррелированным  гауссовским  (нормальным)  случайным  процессом.  Математическое 
ожидание  имеет  три  составляющих – темновой  ток,  фоновый  ток  и  полезный  сигнал,  а 
дисперсия также имеет три составляющих, обусловленных внутренним шумом, фоновым 
током  и  полезным  сигналом:  у   N(d + b + s, σ2 + ab + as), где     у – выходной  сигнал 
фотоприемника при наличии полезного сигнала, d – темновой ток, b – фоновый ток, s – 
сигнальный ток,  σ2 – дисперсия внутренних шумов, ab – дисперсия фоновых шумов, as – 
дисперсиия  сигнально-зависимых  шумов,  а – коэффициент  пропорциональности  между 
постоянной  составляющей  выходного  сигнала  и  его  дисперсией,  зависящий  от  типа 
применяемого фотоприемника.  
При  отсутствии  полезного  сигнала  выходной  сигнал  фотоприемника  изменяется, 
пропадает полезный сигнал и пропорциональные ему сигнальные шумы x   N(d + b, σ2 + 
ab) . Для двухвыборочной модели и проверяемых гипотез о наличии (Н1);  и отсутствии 
(Н0) полезного сигнала, математическая модель имеет следующий вид: 
Н0: х     N(d + b, σ2 + ab),у   N(d + b,   σ2 + ab); 
Н1: х   Т(d + b, σ2 + ab), у   Т(d + b + s,   σ2+ a + as). 
Математическая  модель  выходного  сигнала  фотоприемника  во  всех  случаях 
описывается  нормальным  распределением  с  двумя  параметрами – математическим 
ожиданием  и  дисперсией.  Таким  образом,  принципиально  возможны  только  три 
различных ситуации изменения параметров: 
- одновременное увеличение математического ожидания и дисперсии; 
- увеличение математического ожидания; 
- увеличение дисперсии [4].  
В  общем  случае,  проверяется  гипотеза  об  одновременном  увеличении  и 
математического  ожидания s > 0 и  дисперсии as > 0, а  математическое  ожидание  и 
дисперсия  имеют  по  три  составляющих.  Никаких  ограничительных  условий  на 
соотношение параметров выходного сигнала в этом случае не накладывается. В этих ус-
ловиях справедлива общая математическая модель: 
H0: x    N(d + b,  σ2+ab), y    N(d + b,  σ2+ab); 
Н1: x    Т(d + b,  σ2 +ab), y   Т(d + b + s,  σ2+ab). 
Определим 
статистики, 
позволяющие 
решить 
соответствующие 
задачи 
обнаружения  в  каждом  из  режимов.  Для  режима  ограничения  внутренним  шумом 
известна  оптимальная  решающая  статистика – Студента,  а  для  режима  ограничения 
сигнальным шумом известна оптимальная решающая статистика – Фишера. 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
86
Однако для общего режима и режима ограничения фоном оптимальные решающие 
статистики  определены  только  для  известных  параметров.  Для  решения  задачи 
обнаружения  полезного  сигнала  в  режиме  ограничения  фоном  при  наличии  мешающего 
параметра фона определено приближенное правило, основанное на нецентральной стати-
стике Фишера. 
Гипотезы Н0 и Н1 принимаются в случае: 
Н0, если  
                         
Н1, если 
 
где 
 - пороговый уровень. 
Решение  задачи  обнаружения  полезного  сигнала  в  общем  режиме  приводит  к 
решающему правилу – модифицированной статистике Фишера: 
Н0 : 
 
Н1 : 
 
где 
среднее  значение  по  фоновой  области, 
 - 
пороговый уровень, a 
  - квантиль распределения Фишера уровня α, с N и M-1 
степенями свободы. 
Данная решающая статистика представляет собой отношение оценки дисперсии по 
сигнальной  области  к  оценке  дисперсии  по  фоновой  области.  В  отличие  от  обычной 
статистики  Фишера,  в  числителе  используется  оценка  математического  ожидания 
фоновой  области,  в  которой  отсутствует  полезный  сигнал.  Это  позволяет  учесть  то,  что 
при появлении полезного сигнала произойдет как увеличение математического ожидания, 
так и дисперсии. 
Рассмотрим  применение  алгоритмов  обнаружения  для  всех  четырех  режимов  в 
условиях  общей  модели.  Это  позволит  сравнить  алгоритмы  в  одинаковых  условиях.  К 
тому  же,  меняя  параметры  модели,  можно  будет  оценить  устойчивость  того  или  иного 
алгоритма к изменению параметров исходной модели. Приведём зависимости вероятности 
правильного обнаружения сигнала от отношения сигнал / шум в диапазоне:  
ε =0..10 для 
статистики  Гаусса  и  нецентральной  статистики  Фишера  при  различных  значениях 
параметров. 
Вычисления  вероятностей  правильного  обнаружения  были  произведены  при 
изменении  относительного  уровня  фона  
τ  в  диапазоне  от 0,1 до 10 и  изменении 
нормированного  коэффициента  пропорциональности  между  средним  и  дисперсией  θ  в 
диапазоне  от 0,1 до 10 для  вероятности  ложной  тревоги 0,5 и  при  числе  элементов 
фоновой области М = 10 и числе элементов сигнальной области N= 10 [5]. 
 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
87
 
Рисунок 2 – Вероятности ошибочного обнаружения β в зависимости от отношения сигнал / шум 
ε,  при τ = 1  и θ = 0 
Вывод.
  Проведен  анализ  алгоритмов  приема  оптических  сигналов.  Как  видно  из 
приведённых  графиков,  гауссовская  статистика  обеспечивает  превосходство  по 
вероятности  ошибочного  обнаружения.  Однако  на  практике  реализовать  оптимальный 
гауссовский  прием  не  всегда  удается. При  соотношении  сигнал  шум    ε = 4  статистика 
Фишера  обеспечивает  примерно  равную  гауссовской  вероятности  ошибочного 
обнаружения.  
ЛИТЕРАТУРА 
1.  Катанович  А.А.,  Нероба  Г.С.  Судовая  светосигнальная  связь. – СПб.:  Судостроение, 
2002. – 236 с. 
2.  Милютин  Е.Р.  Помехоустойчивость  атмосферных  оптических  линий  связи // Вестник 
связи, 2006. – №10. – 36 с. 
3.  Милютин  Е.Р.,  Гумбинас  А.Ю.  Статистическая  теория  атмосферного  канала 
оптических информационных систем. - М.: Радио и связь, 2002. – 258 с.     
4.  Милютин Е.Р. Методы борьбы с замираниями в ОСС // Вестник связи, 2007.– №2. – 36 с. 
5.  Рогачев В.А. Классификация режимов работы фотоприемников в системах локации // 
Инфокоммуникационные технологии. – М., 2008. – №3. – 46 с.  
 
 
УДК 656.254:621.396 
 
Кулымбаева Маржан Шолпанкуловна – к.ф.-м.н., доцент (г. Алматы, КазАТК) 
Барлыбаева Жайна Азатовна – магистрант (г. Алматы, КазАТК) 
АНАЛИЗ МЕТОДОВ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В 
СИСТЕМАХ  ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ  
Развитие  волоконно-оптических  систем  передачи  (ВОСП)  по  всем  показателям 
(характеристикам)  превосходят  все  традиционные  системы  связи.  Они  обеспечивают 
возможность  доставки  пакетов  на  большие  расстояния  чрезвычайно  большого  объема  
информации    с  максимально  высокой  скоростью    передачи  сигналов  и  высокой 
надежностью электронной транспортировки через линии связи пакетных данных любого 
вида. 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
88
Область  применения  ВОСП  не  ограничивается  передачей  пакетных  данных  на 
большие расстояния в различных  системах связи, а простирается  на сферу от локальных 
до 
глобальных 
волоконно-оптических 
телекоммуникационных 
систем. 
Широкомасштабное  использование  волоконно-оптических  линий  связи  (ВОЛС)  дало 
повод  для  строительства  волоконно-оптических  сетей  в  начале  плезиохронной 
(асинхронной – PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy), а  потом  и  синхронной 
(SONET/SDH (Synchronous Optical Networking/Synchronous Digital Hierarchy) цифровых 
иерархий. 
В  настоящее  время  в  широком  масштабе  внедряются  различные  технологии 
реализации волоконно-оптических интерфейсов в таких сетях, как Ethernet, Fast Ethernet, 
Gigabit Ethernet, ATM (Asynchronous Transfer Mode
)
 и т.д. 
Цифровые  волоконно-оптические  системы  передачи  любого  типа,  базируется  на 
PDH  и SONET/SDH системах  различных  иерархий.  Развитие  различных  подходов  к 
реализации  ВОСП  идет  по  пути  разработки  техники  и  технологии  составляющих 
элементов, улучшения качественных показателей функциональных схем, решения новых 
методов мультиплексирования [1]. 
За  последние  ближайшие  годы  ВОСП  прошли  все  этапы  развития,  начиная  от 
первых  аналоговых  систем  на  одномодовых  оптических  кабелях.  Во  всех  этих  этапах 
непрерывно  развивается  технология  оптовоэлектронных  элементов  (подразумевается 
оптические волокна, источники оптического излучения (светодиоды, лазеры), оптические 
приемники (фотодиоды), модуляторы и переключатели оптических сигналов, оптические 
и электронные мультиплексоры и демультиплексоры, согласующие устройства и т.п.).  
При  этом  зарегистрированы  и  действуют  различные  стандарты  на  транспортные 
сети,  на  методы  измерения  и  испытания  их  характеристик  и  т.п.  Что  касается  самих 
процессов  мультиплексирования,  они  также  освещены  в  специальной  литературе. 
Основная  проблема  применения  любого  типа  мультиплексирования  сигналов  состоит  в 
поиске  эффективных  методов  осуществления  этой  процедуры  с  комбинированными 
сигналами  (электронно-оптическими,  оптико-электрическими)  в  цифровой  ВОСП, 
которые  в  звеньях  преобразования  имеют  не  только  электронную,  но  и  оптическую 
природу.  При  помощи  таких  сигналов  (при  прохождении  в  ВОЛС)  осуществляется  как 
симплексные (односторонние),  так и дуплексные (двухсторонние) связи. 
Если рассмотреть проблемы мультиплексирования сигналов в более расширенном 
плане,  в  настоящее  время  применяются  различные  принципы  для  их  реализации. 
Например,  существуют:  частотное (FDM – Frequency Division Multiplexing); модовое 
мультиплексирование по полярности несущей (PDM – Polarization Division Multiplexing) и 
т.п.  При  частотном  методе  мультиплексирования  каждый  информационный  поток 
передается по физическому каналу на соответствующей частоте – поднесущей f
поднес
. 
Модовое  мультиплексирование   применяется  в  волоконно-оптических   системах 
передачи,  где  использовано  многомодовое  оптическое  волокно.  Суть  этого  метода 
заключается в том, что процесс распространения оптического излучения в многомодовом 
оптическом  волокне  рассматривается  с  позицией  геометрической  оптики,  т.е..  если  на 
входной торец (в пределах одного участка) многомодового волокна под углом φ
1
<φ
критич. 
падает  оптический  луч,  то  распространяясь  вдоль  этого  оптического  волокна  по  строго 
определенной для него траектории, он выходит из выходного торца под таким же углом 
φ
1
.  Это  справедливо  и  для  остальных  лучей,  вводимых  в  оптическом  волокне  (ОВ)  под 
своим углом  при  условии,  что  φ
к
<φ
критич
.  Преимущество  модового  мультиплексирования 
заключается  в  том,  что  применяя  для  этой  цели  модовые  селекторы  на  входе  и  выходе 
волокна,  можно  осуществлять  передачу  независимых  информационных  потоков  на 
соответствующих  модах,  которые  выполняют  роль  отдельных  каналов.  При  этом 
необходимо  соблюдать  строгое  правило,  которое  состоит  в  том,  что  модовое 

 
 
ҚазККА Хабаршысы № 6 (73), 2011 
 
 
 
89
мультиплексирование  может  применяться  только  при  отсутствии  перемешивания  или 
взаимного  преобразования  мод,  т.е.  при  строгом  соблюдении  принципа  ввода, 
распространения и вывода (выделения) мод в оптическом волокне [2]. 
Мультиплексирование  потоков  информации    с  помощью  оптических  несущих, 
имеющих  линейную  поляризацию,  называется  мультиплексированием  по  поляризации. 
При  этом  плоскость  поляризации  несущей  должна  быть  расположена  под  своим  углом. 
Этот  метод  мультиплексирования  осуществляется  с  помощью  специальных  оптических 
призм. 
Принцип  мультиплексирования  каналов  по  полярности  заключается  в  том,  что 
положительная  полярность  несущей  модулируется  одним  сигналом,  отрицательная 
другим. При этом, как и для обычной амплитудной модуляции, частота модуляции f
мод
  и 
частоты несущей f
нес
 должны находиться в соотношении f
нес
 ≥ f
мод
. 
Среди  указанных  типов  мультиплексирования  в  настоящее  время  весьма 
перспективным  представляется  применение  временного  мультиплексирования – TDM 
(Time Division Multiplexing). 
Усовершенствование  технологии  изготовления  волоконно-оптических  кабелей 
постепенно  снижает  их  стоимость,  поэтому  сейчас  реально  можно  уже  думать  о 
применении в компьютерных сетях нескольких коммуникационных физических линий на 
их  основе.  Такой  подход  весьма  перспективен,  поскольку  появляется  возможность 
осуществления  дуплексной  коммуникационной  связи  между  хостовыми  и  транзитными 
узлами  сетей.  Для  увеличения  объема  трафика  и  скоростей  обмена  информационными 
потоками  в  реальное  время  можно  успешно  применять  метод  временного 
мультиплексирования  высокоинтенсивных  потоков  оптических  сигналов TDM (Time 
Division Multiplexing).  
Дуплексная  коммуникационная  связь  можно  осуществлять  по  двум  волоконно-
оптическим кабелям, каждый из которых предназначен для передачи информации в одном 
направлении.  Такой  подход  построения  сетей  и  организации  обмена  пакетами  между 
рабочими  станциями  в  диалоговом  режиме,  во-первых,  значительно  увеличивает  объем 
передаваемого  компьютерного  трафика  в  целом  и,  во-вторых,  несомненно,  возрастает 
надежность  передачи  сигналов  при  электронной  транспортировке  пакетов  в 
коммуникационных линиях связи. В  таких  волоконно-оптических системах связи можно 
успешно  использовать  цифровые  системы  передачи  сигналов  с  различным  количеством 
каналов (в любой PDH или SDH цифровой иерархии) [3]. 
Основными  элементами  (компонентами)  такой  коммуникационной  схемы 
передачи-приема  сигналов  является:  оптический  кабель  (ОК);  оптический  передатчик 
(Опер)  и  оптический  приемник  (ОП).  При  этом  передатчик  выполняет  роль 
преобразователя  электрического  сигнала  в  оптический  (ЭОП),  а  приемник  обеспечивает 
обратное  преобразование  оптического  сигнала  в  электрический  (ЭОП).  В  качестве  ЭОП 
наибольшее  применение  получили  полупроводниковый  лазер  (ПЛ)  и  светоизлучающий 
диод (СД), а в качестве ОЭП – фотодиод (ФД). Для преобразования кода и согласования 
элементов  в  звеньях  используются  кодирующие  и  декодирующие  устройства,  а  также 
согласовывающие устройства (СУ). Преобразователь кода (ПК) кодер-декодер формирует 
требуемую  последовательность  импульсов  и  при  помощи  СД  и  ФД  элементы  схемы. 
Передающие  и  приемные  согласовывающие  устройства  согласовывают  диаграммы 
направленности и апертуру между приемо-передающими устройствами (точнее между СД 
и ФП на входах и кабелем) в системах. 
Ниже  рассмотрим  один  из  вариантов  структуры  построения  систем  приемо-
передачи  информации,  осуществляющие  принцип  временного  мультиплексирования 
сигналов, использующие ВОСП. 

жүктеу/скачать 8,59 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: