АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИСВЯЗИ
Кафедра Телекоммуникационных систем
Оптические системы связи в телекоммуникациях
Программа и методические указания к выполнению контрольных работ 1,2 для студентов специальности 050719 – «Радиотехника, электроника телекоммуникации» для заочного отделения
СОСТАВИТЕЛИ: Агатаева Б.Б. Оптические системы связи в телекоммуникациях. Программа методические указания и контроьные задания для студентов специальности 050719 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной формы обучения – Алматы: АИЭС, 2007. – 23 с.
Методические разработки содержат программу и методические указания по курсу «Оптические системы связи в телекоммуникациях», требования к содержанию и оформлению контрольных работ, а также список рекомендуемой литературы, предназначены для студентов по специальности 050719 «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» .
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский институт энергетики и связи» на 2007 г.
Содержание
Введение
1 Задания и методические указания к контрольной работе
1.1Требования к оформлению контрольной работы
2 Программа
3 Контрольная работа №1
4 Контрольная работа №2
5 Вопросы для самопроверки
Список литературы
Введение
Целью курса является изучение основных методов изложения принципов построения оптических систем связи различных уровней иерархии, затрагивает основные аспекты инженерной реализации таких систем, исследуются требования к качеству передачи сигналов оптической системы связи (ОСС), приводятся основные параметры существующих ОСС.
Дисциплина «Оптические системы связи в телекоммуникациях» изучается студентами на шестом семестре и сдается как экзамен комплексного вида.
Методические указания приводят необходимые справочные данные по оборудованию оптических систем связи (ОСС).
Каждый студент выполняет расчетно-графическую работу по индивидуальным исходным данным, полученным от преподавателя.
Алматинский институт энергетики и связи просит студентов бережно относиться к методической литературе, выпускаемой институтом.
1 Задания и методические указания к контрольной работе
Выполнение решений каждой темы следует начинать с изучения относящегося к теме задания теоретического материала. В этом поможет учебная литература, приведенная в списке литературы методического указания. Выполнять задания четко, представляя ход решений. Проверенная работа возвращается студентам, в дальнейшем она должна быть защищена в назначенное преподавателем время. Для успешной защиты необходимо: внести исправления по замечаниям преподавателя, уметь полностью объяснить, обосновать правильность и знать смысл входящих в них материалов.
Задания на контрольную работу (КР) составлены в 100 вариантах. Каждый студент должен выполнить КР по варианту, номер которого определяется двумя последними цифрами номера студенческого билета (цифрой десятков и цифрой единиц). Например, если номер студенческого билета 970037, то студенту следует выполнить работу по 37 варианту.
В работах не требуется вывода формул, их следует брать готовыми из методических указаний или основных учебников. Если формула, норма, схема и прочее взяты из литературы, необходимо указать ее наименование и номер страницы, номер формулы (если он имеется).
В конце расчетно-графической работы необходимо перечислить использованную литературу.
При определении зависимости одной величины от другой рекомендуется решить задачу в общем виде, подставить значения постоянных величин и определить значение неизменной части, а затем уже производить вычисления при различных значениях переменной величины. Результаты вычислений в этом случае должны быть сведены в таблицу.
1.1 Требования к оформлению контрольной работы
1.1.1 Студенты выполняют контрольную работу в виде подробного реферата объемом А4, шрифт 14, одинарный интервал Times New Roman. Работа должна быть аккуратно оформлена, текст разборчиво написан (компьютерный набор) на одной стороне листа. Другая сторона листа предназначена для внесения студентом исправлений и дополнений в результате проверки работы.
1.1.2 Титульный лист контрольной работы (КР) оформляется в соответствии с правилами студенческих работ. Он должен содержать название института, факультета и кафедры, дисциплины, по которой выполнятся работа, название КР, фамилию с инициалами, номером группы и зачетной книжки студента, специальностью, фамилию и инициалы преподавателя, принимающего защиту.
1.1.3 В контрольной работе необходимо подробно освоить данную тему. Допускается углубление изучения отдельной подтемы по согласованию с преподавателем. Название КР согласуется с преподавателем, и выполнение КР возможно по дополнительной тематике.
1.1.4 В начале каждого задания на КР приводятся условия заданий и данные для своего варианта. Страницы текста, рисунки, таблицы и формулы нумеруются. Расчетные формулы записываются в общем виде с расшифровкой буквенных обозначений с указанием размерностей.
1.1.5 При выполнении контрольных работ рекомендуется пользоваться литературой и методическими указаниями. Если при выполнении КР встретятся трудности, следует обратиться за консультацией к преподавателям данного предмета.
1.1.6 В тексте КР должны быть краткие пояснения решения некоторых вопросов, а также ссылки на использованную литературу.
Контрольные работы, выполненные без соблюдения перечисленных требований, возвращается на доработку.
2 Программа
2.1 Введение
Место и роль оптических систем связи и сети в системе связи. Цели и задачи дисциплины. Содержание и последовательность изучения курса. Рекомендуемая литература.
2.1.1 Основы теории распространения излучения в оптических волноводах
Физические процессы, лежащие в основе распространения электромагнитной энергии по диэлектрическим волноводам.
Основные параметры световодов: числовая апертура, коэффициент затухания, полоса пропускания.
2.1.2 Источники излучения и фотоприемники
Когерентные и некогерентные источники излучения. Световоды на основе р-п перехода. Основные параметры.
Инжекционные и полупроводниковые лазеры.. Характеристики излучения лазеров.
Параметры и характеристики фотодиодов. Лавинные фотодиоды.
Шумы фотодиодов: тепловой, дробовой (генерационно-рекомбинационный) фликкер (1/f), радиоционный.
2.1.3 Пассивные элементы оптических трактов
Устройства ввода и вывода излучения оптических волокон. Пути повышения эффективности ввода излучения в световод
Устройства спектрального объединения и деления. Мультиплексоры и демультиплексоры. Принцип действия спектрально-селективных элементов, схемы построения и параметры.
Волоконный фильтр, принцип действия. Построение устройств спектрального объединения и деления на волоконном фильтре.
2.1.4 Оконечные узлы оптических трактов
Передатчики: требования, структурная схема.
Приемники: требования, структурная схема. Определение необходимой оптической мощности для обеспечения заданного отношения сигнал/шум и требуемого коэффициента ошибок.
Регенератор оптического сигнала. Оптические усилители. Построение ретранслятора на оптическом усилителе.
2.1.5 Оптические системы связи
Классификация оптических систем связи (ОСС): цифровые магистральные, внутризоновые, местные и внутриобъектовые ОСС. Оборудование цифровых линейных трактов оконечных и промежуточных станций. Определение длины регенерационных участков.
Методы разделения оптических сигналов. Спектральное и временное разделение, комбинированные методы разделения. Переходные помехи в системах с разделением в оптических световодах и их оценки. Помехи в волоконно-оптических линейных трактах.
2.1.6 Линейные тракты цифровых оптических систем передачи
Коды в линии цифровых ОСС: их основные параметры, общие требования, сравнительная характеристика применяемых линейных кодов. Структурные схемы передающих и приемных преобразователей кодов.
2.1.7 Аппаратура цифровых ОСС
Аппаратура систем передачи «Соната-2», «Сопка-2,3». Технические характеристики, состав оборудования, особенности проектирования и эксплуатации.
Заключение
Перспективы развития ОСС.
3 Контрольная работа №1
Задание 1
Определить число мод, распространяющихся в оптическом волокне оптического кабеля типа ОКК-50-01-4. Исходные данные в таблице 3.1.
Насколько измениться число мод при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы.
Т а б л и ц а 3.1
|
Последняя цифра студенческого билета |
||||||||||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
n2 |
1.49 |
1.48 |
1.491 |
1.485 |
1.481 |
1.489 |
1.483 |
1.482 |
1.484 |
1.887 |
|
D |
0.01 |
0.02 |
0.01 |
0.03 |
0.01 |
0.021 |
0.022 |
0.011 |
0.012 |
0.013 |
|
Предпоследняя цифра студенческого билета |
||||||||||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
n1 |
1.55 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
1.505 |
|
a |
25-1 |
25-1,5 |
25+1,5 |
25+1,3 |
25-1,3 |
25+1,4 |
25-1,4 |
25-1,2 |
25+1,2 |
25-1,2 |
Методические указания к заданию 1
Передача сигнала осуществляется на длине волны l=1,3 мкм. Для дальнейшего решения воспользуемся формулой
где V – нормированная частота;
а – радиус сердцевины волокна;
n1 – показатель преломления сердцевины волокна;
n2 – показатель преломления оболочки;
l - длина волны оптического сигнала.
Определим значение коэффициента преломления n1
.
Далее определим, насколько изменится число мод, при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы.
Сделать выводы.
Задание 2
Насколько изменится критическая частота в оптических волокнах оптического кабеля типа ОКЛ-01 при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы? Значение параметров ОВ – n2; тип волны HE12.
Т а б л и ц а 3. 2
|
Параметры ОВ |
Последняя цифра номера студенческого билета |
||||||||||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
n2 |
1,49 |
1,47 |
1,48 |
1,46 |
1,43 |
1,44 |
1,45 |
1,41 |
1,42 |
1,40 |
|
|
D |
0,01 |
0,03 |
0,04 |
0,02 |
0,025 |
0,01 |
0,015 |
0,016 |
0,017 |
0,018 |
|
|
Предпоследняя цифра студенческого билета |
|||||||||||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Pnm |
5,52 |
3,832 |
7,016 |
5,538 |
2,405 |
2,445 |
5,136 |
8,665 |
8,654 |
5,32 |
|
|
2а |
10 |
10-1,5 |
10+1,5 |
10+1,3 |
10-1,3 |
10+1,4 |
10-1,4 |
10-1,2 |
10+1,2 |
10-1,2 |
|
Задание 3
Насколько изменится критическая длина волны в оптических волокнах оптического кабеля типа ОКЛ-01 с диаметром сердцевины 10 мкм, если изменился передаваемый тип волны и вместо Е01 передается НЕ21? Значения параметров приведены в таблице 3.3.
Т а б л и ц а 3.3
|
Параметры
|
Последняя цифра номера студенческого билета |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
n1 |
1,504 |
1,503 |
1,501 |
1,500 |
1,504 |
1,505 |
1,506 |
1,501 |
1,502 |
1,503 |
|
D |
0,01 |
0,011 |
0,012 |
0,013 |
0,01 |
0,03 |
0,01 |
0,04 |
0,03 |
0,015 |
|
Pnm для волны Е01 |
2,445 |
2,405 |
5,038 |
7,016 |
3,832 |
5,520 |
5,136 |
7,011 |
2,403 |
3,405 |
|
Предпоследняя цифра студенческого билета |
||||||||||
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Pnm для волны НЕ21 |
5,038 |
7,016 |
2,445 |
2,405 |
5,520 |
3,832 |
2,403 |
3,405 |
5,136 |
7,011 |
Задание 4
Определить насколько изменятся собственные потери в оптическом волокне, если передача сигнала будет передаваться не в третьем, а в четвертом окне прозрачности
Т а б л и ц а 3. 4
|
Параметры
|
Предпоследняя цифра номера студенческого билета |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
n2 |
1,504 |
1,503 |
1,501 |
1,500 |
1,504 |
1,505 |
1,506 |
1,501 |
1,502 |
1,503 |
|
D |
0,01 |
0,011 |
0,012 |
0,013 |
0,01 |
0,03 |
0,01 |
0,04 |
0,03 |
0,015 |
Задание 5
Расчет режимов работы регулярного одномодового волоконного световода.
1. Для заданной длины волны излучения, определить конструктивные параметры волоконного световода, обеспечивающие его одномодовый режим.
2. Определить числовую апертуру этого световода и его апертурный угол.
3. Оценить величину уширения импульса одномодового световода длиной L, считая, что вся его дисперсия определяется дисперсией материала. Световод возбуждается с помощью СИД и ПЛ. Величины среднеквадратичной спектральной ширины (дисперсии) источников излучения s(l) приведены в таблице 3.5, 3.6.
4. Определить эффективность ввода излучения в данный световод, если задан размер излучательной площадки источника излучения (аСИД и аПЛ). Кроме того, следует дать рекомендации по повышению эффективности ввода излучения в световод. Считать, что степень вытянутости диаграммы направленности источников излучения k (каппа) равна для СИД и ПЛ - 5 и 50, соответственно.
5. Нарисовать схему стыковки двух волоконных световодов «встык» с осевым зазором. Определить допустимую величину осевого зазора при стыковке двух одномодовых волоконных световодов, если задана максимальная величина затухания на стыке аст в дБ. Считать, что величины поперечного и углового смещений равны нулю, но следует учесть величину потерь за счет отражений Френеля на торцах световодов.
Т а б л и ц а 3.5
|
|
Последняя цифра номера студенческого билета |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
n1 |
1,458 |
1,46 |
1,47 |
1,45 |
1,444 |
1,462 |
1,465 |
1,468 |
1,452 |
1,455 |
|
l, мкм |
1,31 |
1,33 |
0,85 |
0,92 |
0,55 |
1,55 |
0,57 |
1,5 |
0,62 |
0,98 |
|
s(l)СИД, нм |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
15 |
|
s(l)ПЛ, нм |
0,1 |
0,3 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 |
1,5 |
2,7 |
3,5 |
0,9 |
Т а б л и ц а 3.6
|
|
Предпоследняя цифра номера студенческого билета |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
аСИД, мкм |
500 |
400 |
300 |
200 |
100 |
50 |
70 |
150 |
350 |
450 |
|
аПЛ, мкм |
2,2 |
2 |
1 |
1,6 |
2,5 |
2,2 |
3 |
1,2 |
2,4 |
1,8 |
|
аст, дБ |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
2,4 |
2,6 |
2,8 |
|
L, км |
10 |
22 |
13 |
34 |
15 |
46 |
17 |
28 |
19 |
14 |
Методические указания к заданию 5
Для обеспечения одномодового режима работы световода на заданной длине волны l, следует задаться минимально допустимым из технологических соображений диаметром сердцевины (6…8 мкм), а затем определить величину характеристического угла qс, обеспечивающего одномодовый режим. Определить показатель преломления оболочки n2 световода.
Для одномодовых световодов среднеквадратичное уширение импульса на длине волоконно-оптической линии, длиной L, и длине волны l, определяется выражением
где s(l) - дисперсия (среднеквадратичная ширина) спектра излучения источника излучения, приведена в таблице ;
– удельная дисперсия материала,
зависящая от состава стекла. Типичное значение производной 
, пс / (км×нм2).
Эффективность ввода излучения в световод для случая, когда размер излучательной площадки источника излучения (СИД) аСИД больше размера сердцевины волокна, определяется по формуле
.
А в том случае, когда размер излучательной площадки источника излучения (ПЛ) меньше диаметра сердцевины волокна, определяется по формуле:
где аСИД – радиус излучательной площадки светоизлучающего диода;
а – радиус сердцевины световода;
k (каппа) – коэффициент вытянутости диаграммы направленности источника излучения.
При определении допустимого осевого зазора стыкуемых световодов следует при заданной величине затухания в дБ, определить допустимую величину светопропускания. Для этого следует воспользоваться формулой
где a - затухание на стыке волоконных световодов;
t - величина светопропускания стыка двух световодов.
Далее следует учесть, что величина светопропускания определяется не только за счет осевого рассовмещения, но также и за френелевского отражения на границах стекло-воздух. Таким образом,
где tрасс – величина светопропускания за счет рассовмещения. При осевом рассовмещении
а – радиус сердцевины световода;
z – величина осевого зазора стыкуемых световодов;
U – апертурный угол световода;
tфр – величина светопропускания за счет отражений Френеля. При наличии двух границ раздела стекло-воздух (как в нашем случае) tфр » 1 - 2×rфр. В свою очередь,
где n0 – показатель преломления среды, заполняющей зазор между световодами. В случае заполнения его воздухом, n0 = 1.
4 Контольная работа №2
Задача 1
Нарисовать структурную схему линейного тракта цифровой ВОСП и указать наименование узлов, входящих в линейный тракт.
Определить длину участка регенерации внутризоновой ВОСП при использовании типовой аппаратуры и оптического кабеля со следующими параметрами: коэффициент широкополосности DF=800 МГц, строительная длина 2 км.
Параметры аппаратуры выбираются из таблицы 4.1, параметры кабеля из таблицы 4.2
Т а б л и ц а 4.1
|
Последняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Кол-во каналов ОЦК |
120 |
480 |
1920 |
120 |
480 |
1920 |
120 |
480 |
1920 |
120 |
|
Скорость передачи В, Мбит/с |
8,5 |
34 |
140 |
8,5 |
34 |
140 |
8,5 |
34 |
140 |
8,5 |
|
Энергетический потенциал А,дБ |
50 |
40 |
30 |
36 |
38 |
35 |
40 |
36 |
38 |
36 |
|
Энергетический запас М,дБ |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Длина линии L, км |
45 |
60 |
80 |
70 |
90 |
100 |
50 |
85 |
120 |
65 |
Т а б л и ц а 4.2
|
Последняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Тип ОВ |
Град |
Ступ |
Град |
Ступ |
Град |
Ступ |
Град |
Ступ |
Град |
Ступ |
|
Длина волны, мкм |
0,85 |
1,3 |
1,55 |
0,85 |
1,3 |
1,55 |
0,85 |
1,3 |
1,55 |
0,85 |
|
Коэф. затухания, дБ/км |
1 |
0,7 |
0,2 |
1 |
0,7 |
0,2 |
1 |
0,7 |
0,2 |
1 |
Методические указания к заданию 1
При определении длины регенерационного участка, лимитированного затуханием, воспользуемся формулой
где aрс – вносимые потери разъемных оптических соединений =0,3 дБ;
aрс – вносимые потери неразъемных оптических соединений = 0,1 дБ;
Nрс – число неразъемных оптических соединений.
При определении участка регенерации по дисперсии воспользуемся формулой
.
Произвести сравнение полученных величин и выбрать оптимальный вариант. По расчетам дать рекомендации.
Задача 2
На участке сети SDH в качестве оконечных устройств использованы синхронные транспортные модули STM-N и ОК типа NZDSF. Определить длину регенерационного участка и указать возможности ее увеличения. Строительная длина кабеля 2 км, затухание в разъемных соединениях 0,3 дБ/км, в неразъемных 0,1 дБ/км, ширина спектра излучения (DFB- лазер) 0,1 нм, уровень мощности вводимой в ОВ 1 дБм, пороговая чувствительность -29,5 дБм. Параметры аппаратуры в таблице 4.3, параметры кабеля в таблице 4.4.
Ответить на следующие вопросы:
1. Какие требования предъявляются к линейному сигналу?
2. Какие коды используются в качестве линейных?
3. Где возникают потери в линейном тракте ОСС?
4. От каких параметров зависит длина участка регенерации в линейном тракте?
5. Какие искажения возникают в линейном тракте ОСС? Какие методы разработаны для их коррекции?
Т а б л и ц а 4.3
|
Последняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Модуль |
STM-1 |
STM-4 |
STM-16 |
STM-64 |
STM-256 |
STM-1 |
STM-4 |
STM-16 |
STM-64 |
STM-256 |
|
Скорость передачи В, Мбит/с |
155 |
622 |
2500 |
10000 |
400000 |
155 |
622 |
2500 |
10000 |
400000 |
|
Рабочий диапазон, мкм |
1,3 |
1,31 |
1,5 |
1,53 |
1,56 |
1,31 |
1,5 |
1,52 |
1,54 |
1,57 |
|
Энергетический запас М,дБ |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Длина линии L, км |
80 |
100 |
120 |
130 |
200 |
100 |
150 |
185 |
250 |
300 |
Т а б л и ц а 4.4
|
Последняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Хроматическая
дисперсия, |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
|
Коэф. затухания, дБ/км |
0,21 |
0,22 |
023 |
0,24 |
0,25 |
0,2 |
0,21 |
0,7 |
0,23 |
0,25 |
3адача 3
Пользуясь ватт - амперной характеристикой лазерного диода выбрать ток смещения так, чтобы сигнал преобразовывался в мощность излучения без искажений. Найти пороговый ток. Определить глубину модуляции и максимальную мощность излучения (надо срисовать ватт - амперную характеристику ППЛ).
Т а б л и ц а 4.5
|
|
Последняя цифра номера студенческого билета |
|||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
Im, мА |
5 |
7 |
6 |
5,5 |
6,1 |
5,2 |
5,3 |
6,2 |
7,5 |
6,5 |
Задача 4
Рассчитайте помехозащищенности в некогерентных и когерентных ВОСП. Исходные данные приведены в таблице 4.6.
Т а б л и ц а 4.6
|
Предп цифра студ. билета |
rс, дБм |
aш дБ |
Тип фото-диода |
Si, А/Вт |
lр, мкм |
м |
Посл. цифра студ. билета |
Iт, мкА |
С, пФ |
Df, МГц |
|
0 |
-40 |
3 |
p-i-n |
0.6 |
1.3 |
- |
0 |
3.10-3 |
2 |
100 |
|
1 |
-45 |
5 |
ЛФD |
0.4 |
0.85 |
10 |
1 |
10.10-3 |
3 |
20 |
|
2 |
-38 |
4 |
p-i-n |
0,5 |
1,55 |
- |
2 |
5.10-3 |
4 |
150 |
|
3 |
-35 |
6 |
p-i-n |
0,7 |
0,85 |
- |
3 |
8.10-3 |
5 |
40 |
|
4 |
-42 |
3 |
ЛФD |
0,5 |
1,55 |
15 |
4 |
0,5 |
4 |
150 |
|
5 |
-47 |
6 |
ЛФD(Si) |
0,3 |
0,85 |
20 |
5 |
15.10-3 |
10 |
30 |
|
6 |
-30 |
5 |
p-i-n |
0,4 |
1,3 |
- |
6 |
2.10-3 |
6 |
250 |
|
7 |
-46 |
4 |
ЛФD |
0,7 |
1,3 |
14 |
7 |
0,7 |
4 |
200 |
|
8 |
-33 |
5 |
p-i-n |
0,6 |
0,85 |
- |
8 |
6.10-3 |
3 |
35 |
|
9 |
-50 |
3 |
ЛФD(Si) |
0,4 |
0,85 |
25 |
9 |
12.10-3 |
8 |
15 |
Методическое указание к заданию 4
При решении задачи необходимо все величины, входящие в расчетные формулы, выразить в международной системе единиц SI.
Обратите внимание, что коэффициент шума усилителя фотоприемника является безразмерной величиной. В исходных данных коэффициент шума выражен в децибелах, т.е. aш =10lgFш, дБ.
Обратите внимание также на то, что уровень оптической мощности определяется, как обычно, относительно мощности 1 мВт. Следовательно, если задан уровень оптической мощности r, то сама оптическая мощность Р=100,1r, мВт.
Не забудьте, что под помехозащищенностью Аз в технике связи понимают разность между уровнями мощности сигнала и шума (помехи) или отношения сигнал/шум (с/ш), выраженное в децибелах, т.е. Аз = rс - rш = 10lg (с/ш).
В таблице 1: rс – уровень принимаемой оптической мощности; aш - коэффициент шума усилителя фототока; Si - монохроматическая токовая чувствительность фотодиода на рабочей длине волны lр; м - коэффициент лавинного умножения; Iт - темновой ток фотодиода; С - эквивалентная емкость; Df - полоса пропускания фотоприемника. Во всех вариантах полагается, что абсолютная температура, Т = 300 К, а коэффициент модуляции m = 1.
При расчете помехозащищенности некогерентной ВОСП, с прямой модуляцией интенсивности, необходимо учесть следующее.
1. Сигнальная составляющая фототока I связана с принимаемой оптической мощностью линейной зависимостью I = Sirc = qhrc/hf, где q- заряд электрона; h - квантовая эффективность фотодиода; h – постоянная Планка; f – частота оптического излучения. Отсюда следует, что h = Sihf/q.
2. Составляющая темнового тока лавинных фотодиодов Iтп, обусловленная поверхностными токами утечки, практически никогда не приводится в паспортных данных ЛФД, поэтому в расчетах ее следует принять равной 0.
3. Формула, определяющая предельную помехозащищенность
(С/Ш)пред = rh/2hfDf.
4. Величина х, определяющая избыточный шум лавинного умножения, зависит от материала, из которого изготовлен лавинный фотодиод. Для ЛФД из германия (Ge) можно положить х = 1, а для ЛФД из кремния (Si) х » 0,5.
5. Эквивалентные емкость С и сопротивление нагрузки R фотодиода связаны с полосой пропускания Df приближенным соотношением Df » (2pRC)-1. Отсюда легко найти значение R.
Расчет помехозащищенности некогерентной ВОСП с прямой модуляцией интенсивности следует выполнить и для идеального фотоприемника, у которого собственные шумы отсутствуют. Результаты расчетов помехозащищенности идеального и реального фотоприемников следует сравнить и сделать соответствующий вывод.
Физические постоянные и соотношения, необходимые при выполнении расчетов:
скорость света с »3.108 м/с;
заряд электрона q » 1,6.10-19 Кл;
постоянная Планка h » 6,62.10-34 Вт.с/Гц;
постоянная Больцмана k » 1,38.10-23 Вт/К.Гц.
частота оптическая излучения f связана с длинной волны соотношением f = c/l.
Задача 5
Определить длину регенерационного участка ВОЛС, лимитированную дисперсией. ВОЛС построена на основе кабеля типа ОКК-50-01 с использованием аппаратуры «Сопка -3».
Оценить зависимость длины усилительного участка от изменения ширины полосы пропускания оптического волокна. Исходные данные приведены в таблице 4.7, 4.8.
Т а б л и ц а 4.7
|
Последняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
lx, км |
12 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
60 |
70 |
|
DF1,МГц×км |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
800 |
Т а б л и ц а 4.8
|
Предпоследняя цифра зачетной книжки |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
lc, км |
15 |
2 |
12 |
1 |
20 |
12 |
1 |
10 |
11 |
1 |
Методические указания
Для решения задачи необходимо построить график изменения ширины полосы пропускания рассматриваемой ВОЛС от длины трассы.
Из справочника находим, что в кабеле типа ОКК – 50-01 используется градиентное оптическое волокно, а скорость передачи аппаратуры «Сопка-3» равна 34 Мбит/с.
Рассчитаем изменение ширины полосы пропускания ВОЛС от длины трассы.
- для коротких линий lx< lc, у которых уширение импульсов с длиной растет линейно;
;
- для длинных линий lx> lc, у которых действует закон изменения величины ширины импульсов
где 
— дисперсия на 1 км;
— искомое значение дисперсии;
—длина линии;
—длина линии устанавливающего режима
(5...7 км для ступенчатого и 10...15 км для градиентного волокна).
|
|
 |
Рисунок 1
На основании этого графика определяем длину регенерационного участка. Величина скорости передачи системы соответствует необходимой ширине полосы пропускания регенерационного участка. Например,
 |
|||
|
|||
Рисунок 2
После нахождения длины регенерационного участка, лимитированного дисперсией, проводят его сравнение с найденной ранее длиной регенерационного участка, лимитированного затуханием, и выбирают наименьшее значение.
5 Вопросы для самопроверки
1. Основные преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи перед обычными кабельными линиями.
2. Достоинства и недостатки волоконно-оптических систем передачи.
3. Полное внутреннее отражение.
4. Распространение излучения в двухслойной однородной световодной структуре.
5. Профиль показателя преломления световода ступенчатого световода.
6. Числовая апертура волоконного световода.
7. Дисперсия оптических волокон. Дисперсия волоконного световода ступенчатого профиля показателя преломления.
8. Число мод световода ступенчатого профиля показателя преломления.
9. Градиентные световоды. Профиль показателя преломления.
10. Модовая дисперсия градиентных волокон по сравнению со ступенчатыми.
11. Количество мод градиентного световода.
12. Одномодовые волокна. Пути получения одномодового режима.
13. Основные (паспортные) параметры оптических волокон.
14.Что характеризует обобщенный частотный параметр (нормированная частота) световода?
15. Что показывают нормированные дисперсионные характеристики световодов?
16. Что такое направляемые (сердцевины) моды, вытекающие (оболочки) моды, излучаемые (пространственные) моды?
17. Причины затухания в световодах.
18. Затухание за счет поглощения материала.
19. Затухание за счет рассеяния Рэлея.
20. Спектральные окна прозрачности кварцевых волоконных световодов.
21. Дисперсия в одномодовых световодах. Материальная и волноводная дисперсия.
22. Требования к источникам излучения.
23. Светоизлучающие диоды. Основные характеристики и параметры.
24. Полупроводниковые лазеры. Пути получения когерентного излучения.
25. Основные параметры и характеристики полупроводниковых лазеров.
26. Методы модуляции излучения в ВОЛС.
27. Фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта. P-i-n диоды. Основные параметры фотодиодов.
28. Лавинные фотодиоды. Особенности работы и основные параметры.
29. Ответвители и разветвители. Коэффициент передачи и вносимые потери ответвителей и разветвителей.
30. Основные виды ответвителей и разветвителей: полученные путем сплавления волоконных световодов, путем их механической обработки, с ис-пользованием микрооптических элементов.
31. Устройства спектрального объединения и деления. Мультиплексоры и демультиплексоры.
32. Спектрально-селективные элементы, которые используются для построения устройств спектрального объединения и деления: призмы, дифракционные решетки и интерференционные фильтры. Принцип действия селективных элементов.
33. Функциональные схемы построения параллельных устройств спектрального объединения и деления с использованием призм и дифракционных решеток.
34. Функциональные схемы построения последовательных устройств спектрального объединения и деления с использованием интерференционных фильтров на торцах волоконного световода.
35. Волоконный фильтр. Условие Брэгга для волоконного фильтра. Построение параллельных устройств спектрального объединения и деления с использованием волоконного фильтра.
36. Структурная схема волоконно-оптической системы передачи. Назначение основных узлов.
37. Какие виды сигналов имеют место в различных точках структурной схемы ВОСП?
38. Как подразделяются ВОСП по своему назначению?
39. Какими параметрами характеризуется ВОСП?
40. Для чего требуется перекодировка цифрового сигнала электрических ЦСП в ВОСП? Какие виды кодов используются для этого?
41 .Какие особенности имеет определение длины регенерационного участка ВОСП? Какие физические явления определяют эту длину?
42. Функциональная схема оптического передатчика. Назначение элеменов схемы. Требования к оптическому передатчику.
43. Функциональная схема оптического приемника. Назначение элементов схемы. Требования к оптическому приемнику.
44. Как зависит вероятность появления ошибок от отношения сигнал/ шум? Как определить минимальный уровень оптической мощности на выходе ВОЛС?
45. Функциональная схема линейного регенератора. Требования к регенератору. Назначение элементов схемы.
46. Каково назначение системы передачи «Соната–2»? Где она используется, каковы ее основные параметры?
47. Каково назначение систем передачи «Сопка – 2, 3, 4, 5»? Где они используются, какие их основные параметры?
48. Особенности проектирования ВОСП по сравнению с электрическими системами передачи, особенности определения длины регенерационного участка.
Список литературы
1. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 2000. – 267 с.
2. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Сайрус системс, 1999. – 663 с.
3. Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 238 с.
4. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 1989. – 504 с.
5. Девицына С.Н. Проектирование магистральных и внутризоновых волоконно-оптических линий связи с применением оборудования синхронной цифровой иерархии (SDH): Уч. пособие. – Ижевск: ИжГТУ, 2003. – 88 с.
6. Бутусов М.М., Верник С.М. и др. Волоконно-оптические системы передачи.- М.: Радио и связь, 1992. – 416 с.
7. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение.- М.: Машиностроение, 1987.
8. Гроднев И.И. Одномодовая связь по оптическим кабелям: Уч. пособие. – М.: МИС, 1990.