Децибелы в волоконно-оптических системах: расчет потерь и усиления

Глубокое понимание причин возникновения и методов снижения потерь является фундаментом для проектирования надежных волоконно-оптических систем связи. Прежде чем анализировать физические источники затухания, необходимо четко усвоить специальную терминологию, используемую для количественной оценки ослабления и усиления сигнала. Эта терминология универсальна и применяется как для описания электронных усилителей, обрабатывающих сигнал до его ввода в волокно или после детектирования, так и для характеристик самого оптического кабеля. Корректное оперирование этими понятиями позволяет инженерам точно рассчитывать бюджет мощности всей системы.

Ключевым термином в измерительной практике является децибел (дБ), представляющий собой логарифмическую единицу измерения отношения двух величин. Использование децибел является эффективной математической хитростью, позволяющей заменить операции умножения и деления простым сложением и вычитанием. Для этого десятичный логарифм от отношения двух величин умножается на определенный коэффициент, равный 10 или 20. Например, для системы, оперирующей напряжениями, коэффициент усиления напряжения вычисляется по формуле (10-18), где Vout – выходное напряжение, а Vin – входное.

Положительное значение результата в децибелах указывает на усиление сигнала (Vout > Vin), тогда как отрицательное значение однозначно характеризует потери, или ослабление. Если, к примеру, отношение выходного напряжения к входному составляет 0,5/6, результат расчета по формуле (10-18) даст значение –21,6 дБ, что и будет выражением уровня потерь. Таким образом, одно и то же численное значение, но с разными знаками, может описывать как усиление (+21,6 дБ), так и ослабление (-21,6 дБ). Аналогичный принцип применим и для усилителей токов, где коэффициент усиления определяется по формуле (10-19) через отношение выходного и входного токов (Iout / Iin).

В контексте волоконно-оптических систем первостепенное значение имеет измерение мощности, для которого используется модифицированная формула (10-20). Ее вид обусловлен тем, что электрическая мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока. Удобство использования децибел для мощностей заключается в возможности линейного сложения и вычитания значений для каскадных элементов системы, что значительно упрощает расчет общего коэффициента усиления или ослабления тракта. Приведенные три формулы (10-18, 10-19, 10-20) являются основой для расчета отношений сигналов в логарифмических единицах.

Особенностью волоконно-оптических систем является прямая зависимость между оптической мощностью и электрическим током на приемной стороне. Ток, протекающий через фотодиод, прямо пропорционален мощности падающего на него оптического сигнала. Это приводит к важному следствию: снижение оптической мощности на входе фотодиода на 10 дБ вызывает снижение выходной электрической мощности на 20 дБ. Данный факт необходимо обязательно учитывать при проектировании приемных узлов и расчете общего энергетического потенциала системы связи, чтобы обеспечить надежную регистрацию сигнала на фоне шумов.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.