АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

 

 

Оптические системы связи

 

 Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №1

 

( для студентов очной формы обучения специальности 380241– «Многоканальные телекоммуникационные системы»)

 

 

 

 

                                                                                

Алматы 2006


Составитель: Б.Б.Агатаева. Оптические системы связи.  Методические указания к выполнению расчетно-графических работ №1 (РГР № 1) (для          студентов специальности 380241 – Многоканальные телекоммуникационные системы очной формы обучения). – Алматы: АИЭС, 2006. – 18 с.

 

 

 

Методические указания предназначены для студентов специальности «Многоканальные телекоммуникационные системы» очной формы обучения.

   В работе приводятся основные разделы курса, методические указания для улучшения усвоения теоретического материала и задания. Также приведены рекомендации по последовательности расчетов и их объему, содержатся сведения о используемой технической литературе, требования по оформлению пояснительной записки и рисунков.

Табл.8, библиогр. – 7 назв.

 

 

 

 

Рецензент: канд.техн.наук, доц. Коньшин С.В.

 

 

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

©Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.


Содержание

 

Введение..........................................................................................................4

1 Задания и методические указания к расчетно-графической работе............4

2 Задание 1.......................................................................................................6

2.1 Методические указания к заданию 1.........................................................6

3 Задание 2.......................................................................................................7

3.1 Методические указания к заданию 2.........................................................8

4 Задание 3.......................................................................................................8

4.1 Методические указания к заданию 3.........................................................9

5 Задание 4.....................................................................................................10

5.1 Методические указания к заданию 4.......................................................10

6 Задание 5.....................................................................................................11

6.1 Методические указания к заданию 5.......................................................11

7 Задание 6.....................................................................................................12

7.1 Методические указания к заданию 6.......................................................12

8 Задание 7.....................................................................................................13

8.1 Методические указания к заданию 7.......................................................13

9 Задание 8.....................................................................................................14

9.1 Методические указания к заданию 8.......................................................14

Список литературы…………………………....................……………….......16

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Расчетно-графическая работа №1 по дисциплине «Оптические системы связи» предназначена для студентов, обучающихся по специальности 380141-Многоканальные телекоммуникационные системы (МТС).

Целью курса является изучение основных методов изложения принципов построения оптических систем связи, исследуются требования к качеству передачи сигналов оптических систем существующих ОСС.

Целью курса является изучение основных методов изложения принципов построения оптических систем связи различных уровней иерархии, в нем  затрагиваются основные аспекты инженерной реализации таких систем, исследуются требования к качеству передачи сигналов ОСС, приводятся основные параметры существующих ОСС.

Дисциплина «Оптические системы связи» изучается студентами в восьмом семестре и сдается как экзамен комплексного вида.

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 расчетно-графической работе

1.1 Общие указания к выполнению расчетно-графической работы

 

Выполнение (решений) каждой темы следует начинать с изучения относящегося с теме задания теоретического материала. В этом поможет учебная литература, приведенная в конце методического указания. Выполнять задания четко, представляя ход решений, и уметь обосновать.

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 к расчетно-графической работе (РГР) составлены в 100 вариантах. Каждый студент должен выполнить РГР 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 др. взяты из литературы, необходимо указать наименование и номер страницы, и номер формулы (если они имеются).

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.

 

1.2 Требования по оформлению расчетно-графической работы

 

Студенты выполняют расчетно-графическую работу в виде подробного реферата (объем А4, шрифт 14, одинарный интервал Times New Roman). Работа должна аккуратно оформлена, текст разборчиво написан (компьютерный набор) на одной стороне листа. Другая сторона листа предназначена для внесения студентом исправлений и дополнений по результатам проверки работы.

1.2.1 Титульный лист РГР оформляется в соответствии с правилами студенческих работ. Он должен содержать название института, факультета и кафедры, дисциплины, по которой выполняется работа, название РГР, фамилию с инициалами, номером группы и зачетной книжки студента, специальность, фамилию и инициалы преподавателя, принимающего защиту.

1.2.2 В расчетно-графической работе необходимо освоить подробно данную тему. Допускается углубленное изучение отдельной подтемы по согласованию с преподавателем. Название РГР согласуется с преподавателем, и возможно выполнение РГР по дополнительной тематике.

1.2.3 В начале каждого задания РГР приводятся условия заданий и данные варианта. Страницы текста, рисунки, таблицы и формулы нумеруются. Расчетные формулы записываются в общем виде с расшифровкой буквенных обозначений с указанием размерностей.

1.2.4 При выполнении расчетно-графических работ рекомендуется пользоваться литературой и методическими указаниями. Если при выполнении РГР встретятся трудности, следует обратиться за консультацией к преподавателям данного предмета.

1.2.5 В тексте РГР должны быть краткие пояснения решения некоторых вопросов, а также ссылки на использованную литературу.

Расчетно-графические работы, выполненные без соблюдения перечисленных требований, возвращаются на доработку.

Студенты, первые буквы фамилии которых начинаются от А до М, выполняют следующие задания: 1,3,5,7. А от Л до Я будут выполнять следующие задания: 2,4,6.8.

 

 

 

 

 

 

 

2  Задание 1

 

 

Определить дисперсию ОВ, его числовую апертуру, полосу пропускания и максимальную скорость передачи ВОСП, работающих по данному волокну длиной hу, с показателями преломления n1, n2, затуханием aк, Дб/км. Источник излучения работает на длине волны l0 и характеризуется шириной спектра излучения Dl0,5, измеренной на уровне 0,5 от величины максимальной мощности. Данные для расчета взять из таблицы 1.

 

Таблица 1

 

Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

  Ly, км

31

35

40

47

43

40

36

48

40,5

33,5

  l0, мкм

1,3

0,8

1,55

1,31

1,33

1,51

1,30

0,8

1,31

1,52

  Dl, нм

3

5

6

8

7

5

6

6,3

5,5

5,3

  n1 

1,458

1,46

1,47

1,45

1,444

1,462

1,465

1,468

1,452

1,455

  n2

1,491

1,485

1,471

1,461

1,473

1,472

1,483

1,482

1,453

1,456

 ak, Дб/км

0,7

0,8

0,9

0,77

0,87

0,88

0,75

0,71

0,73

0,72

  

В данном задании необходимо ответить на требуемые вопросы по теме [1]:

 

а)благодаря какому физическому явлению, световые волны распространяются вдоль оптического волокна (ОВ). Приведите рисунок и опишите;

б) назовите основные виды дисперсии в ОВ, причины, ее вызывающие;

в) какой вид дисперсии характерен для световодов с градиентным профилем показателя преломления? Какие длины волн в ОВ соответствуют минимуму его затухания?

      

2.1 Методические указания к выполнению задания 1

 

При решении задачи необходимо все величины, входящие в расчетные формулы, выразить в международной системе единиц SI.

Также нужно прочесть раздел «Волоконные световоды и оптические кабели» {1.3.4}.

При решении необходимо пользоваться следующими аналитическими выражениями

 

       где NA – числовая апертура ОВ;

       n1 и n2 – показатели преломления.

dр=0,584tн= ,  с=,

 

где dр – дисперсия ГМОВ [4].

Полоса пропускания участки ОВ определяется из соотношений [4]

,    [MГц],

где g=0,85 – для ГМОВ.

 

Максимальная скорость передачи цифровой ВОСП, работающей по данному волокну в идеале, численно равна тактовой частоте и полосе пропускания, но с учетом  помехоустойчивости кодирования она будет меньше в зависимости от используемого кода. Для рассчитанной скорости применяются коды типа mB и B. Например, для кода 5В6В, который применяется в аппаратуре «Сопка-3», линейные и тактовые частоты связаны соотношением fл=1.2fт.

Максимальная скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну, составит

Bmax=fmax=.

3  Задание 2

 

Длина волны l0 и ширина спектральной линии спектра излучения Dl0,5 полупроводникового лазера даны в таблице 1 [4]. Определите ширину спектральной линии в Гц, считая, что l0 находится точно на середине диапазона Dl0,5. Найти добротность резонатора лазера. Данные брать из таблицы 2.

В данном задании необходимо ответить на требуемые вопросы и привести необходимые схемы, формулы и рисунки:

а)какие требования предъявляются к спектральной характеристике лазеров ОСС? Пояснить, какой физический смысл имеет спектральная характеристика лазеров;

б)объясните, почему искажается импульсный модулирующий сигнал при обработке в оптическом модуляторе. Приведите основные причины;

в)в чем заключается прямая модуляция интенсивности излучения?

 

 

 

 

 

Таблица 2

 

         Последняя цифра номера зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

l0, мкм

1,31

1,35

1,32

1,33

1,34

1,31

1,30

1,29

1,36

1,34

Dl0,5, нм

5,0

 

5,01

5,05

5,2

5,4

5,25

5,23

5,41

5,31

5,33

 

3.1 Методические указания к заданию 2

 

Если ширину спектральной линии спектра излучения Dl0,5 считать началом, то l0 находится точно на середине этой линии, тогда максимальная и минимальная длины волны излучения находят следующим образом

  [м],     , [м].

 

Тогда соответствующие этим длинам волн минимальную и максимальную частоту излучения определяем

, [Гц],    , [Гц].

 

Ширина спектральной линии

, [Гц].

Средняя  частота излучения    [Гц].

 

Добротность резонатора лазера .

 

4  Задание 3

 

Нужно определить отношение сигнал/помеха на выходе фотоприемного устройства (ФПУ) цифровой ВОСП, если в ФПУ применен интегрирующий усилитель. Исходные данные в таблице 3.

В данном задании необходимо ответить на требуемые вопросы и привести необходимые схемы, рисунки и т.п:

а)привести структурную схему фотоприемника и опишите основные элементы, укажите их необходимость при работе ФПУ;

б)какие типы фотодиодов применяются в составе ВОСП? Чем определяется полоса пропускания ФПУ?

в)внутренняя и внешняя квантовые эффективности фотодиодов. Какие типы усилителей применяются в составе ФПУ? Перечислите шумы, создаваемые фотоприемником.

 

Таблица 3

Предпоследняя цифра номера студенческого билета

Ly, км

λ0, мкм

αк, дб/км

Р0, мВт

fт, МГц

Посл.циф.

студ. бил.

Дш

R, кОм

η

Тип ФД

     0

25

1,1

0,5

1

35

0

4,1

52

0,4

p-i-n

     1

26

1,2

0,6

2

36

1

4,5

54

0,5

p-i-n

     2

29

1,4

0,55

3

38

2

3,0

56

0,6

p-n

     3

27

1,3

0,7

2

37

3

3,5

46

0,5

p-n

     4

29

1,1

0,9

3

39

4

2,8

48

0,7

p-n

     5

30

1,2

0,5

3

41

5

3,7

50

0,8

p-n

     6

31

1,4

0,6

2

40

6

2,9

55

0,5

p-i-n

     7

32

1,3

0,8

1

42

7

3,3

47

0,6

p-i-n

     8

34

1,1

0,7

1

43

8

4,3

49

0,7

p-i-n

     9

31

1,2

0,9

2

45

9

2,6

33

0,8

p-n

         

4.1 Методические указания к заданию 3

 

При решении задания необходимо изучить главы «Фотоприемные устройства» [1,2,5]. После этого можно приступить к решению задания.

Когда считаете темновой ток и ток засветки пренебрежимо малыми, фототок определяется по формуле

  

где q=Кл – заряд электрона;

          h= - постоянная Планка;

          f= Гц – частота излучения;

       Pпр= - оптическая мощность на приеме;

       ak -  затухание кабеля;

       Т=280 – температура в градусах Кельвина;

          Fш (М)=1 – коэффициент шума ЛФД;

          М=1 – коэффициент лавинного умножения.

Считая полосу пропускания фотоприемника равной тактовой частоте ВОСП, находим отношение сигнал/помеха по следующей формуле

 

 

 

 

 

     

5 Задание 4

 

        Определить число мод, распространяющихся в оптическом волокне оптического кабеля типа ОКК-50-01-4. Исходные данные в таблице 4. 

Насколько изменится число мод при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы?

         По ходу решения задания ответить на вопросы:

         а) назовите особенности конструкции оптического кабеля (ОК);

             б) с какой целью в некоторых конструкциях ОК используются металлические стержни и провода?

             в) какими преимуществами и недостатками обладают ОК по сравнению с металлическим кабелем?

 

Таблица 4

                            Последняя цифра номера зачетной книжки

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

       9

n2

1.490

1.480

1.491

1.485

1.481

1.489

1.483

1.482

1.484

    1.487

D

0.01

0.02

0.01

0.03

0.01

0.021

0.022

0.011

0.012

    0.013

n1

1.505

1.505

1.505

1.505

1.505

1.505

1.505

1.505

1.505

     1.505

a

25

25-1,5

25+1,5

25+1,3

25-1,3

25+1,4

25-1,4

25-1,25

25+1,25

      25

  

5.1 Методические указания к заданию 4

 

Для решения этой задачи определим конструктивные параметры оптического волокна, используемого в данном кабеле. Из [5] находим, что в кабеле типа ОКК-50-01-4 используется градиентное оптическое волокно с диаметром отражающем оболочки d= мкм, и диаметром сердцевины, равной мкм. 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;

          l=1,3 мкм.

 

 

Число мод, распространяющихся в оптическом волокне оптического кабеля типа ОКК-50-01-4

.

 

Определим, насколько изменится число мод при изменении диаметра сердцевины ОВ в пределах нормы. Из [5] следует, что диаметр сердцевины может меняться в пределах 50±3 мкм. Поэтому минимальное число мод будет равно

        

.

 

Максимальное число мод будет равно

.

 

 

6 Задание 5

 

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.

 

Таблица 5

  Параметры

   Последняя цифра номера зачетной книжки

ОВ

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

Pnm

5,520

3,832

7,016

5,538

2,405

2,445

5,136

  8,665

  8,654

     5,320

 

 

6.1 Методические указания к заданию 5

 

Предварительно определим конструктивные параметры оптического волокна, используемого в данном кабеле. Из [5] находим, что в кабеле типа ОКЛ-01 используется одномодовое оптическое волокно с диаметром отражающей оболочки, равной 125±3 мкм, и диаметром сердцевины (модового поля), равной 8,5±1 мкм. Передача сигналов осуществляется на длине волны l=1,55 мкм.

Значения коэффициентов преломления n1 определяем по формуле

 .

 

Для нахождения величины критической частоты воспользуемся формулой 

,

 

где n1 и n2 – показатели преломления сердцевины оболочки;

      с= -  скорость света;

      Pnm – значение корней функции Бесселя для различных типов волн;

      D – диаметр сердцевины оптического волокна.

Определим, насколько изменится критическая частота при изменении сердцевины ОВ в пределах нормы. Из [5] следует, что диаметр сердцевины может меняться в пределах 8,5±1 мкм. Минимальное значение критической частоты будет равно

.

 

Максимальное значение критической частоты будет равно

.

 

 

7 Задание 6

 

Насколько изменится критическая длина волны в оптических волокнах оптического кабеля типа ОКЛ-01, если изменился передаваемый тип волны и вместо Е01 передается НЕ21. Значения параметров приведены в таблице 6.

 

Таблица 6

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 Н21

2,445

2,405

2,038

2,016

3,832

3,520

3,136

2,011

2,403

3,405

Pnm для Е21

2,405

2,401

2,301

2,005

2,325

2,321

2,403

2,001

2,301

2,331

 

7.1 Методические указания к заданию 6

 

Для решения используются найденные конструктивные параметры ОВ оптического кабеля типа ОКК-01-01. В кабеле типа ОКК-01-01 используется одномодовое оптическое волокно с диаметром отражающей оболочки, равной 125 мкм и диаметром сердцевины, равной 10 мкм.

Значение коэффициента преломления n2 определяем по формуле

 ,

где D - относительное значение показателя преломления оптического волокна;

       n1- показатель преломления сердцевины оптического волокна;   

       n2 - показатель преломления оболочки оптического волокна.

 

Величину критической длины волны для типа волн Е01 определим по формуле

,

где d – диаметр сердцевины оптического волокна; d=10 мкм.

Найдем величину критической длины волны для типа волны НЕ21

.

 

8 Задание 7

Определить, насколько изменятся собственные потери в оптическом волокне, если передача сигналов будет осуществляться не в третьем, а в первом окне прозрачности. Параметры оптического волокна приведены в таблице 7.

 

Таблица 7

Параметры

 

      Последняя цифра номера студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

D

0,01

0,02

0,03

0,01

0,02

0,01

0,02

0,01

0,03

0,01

tgδ

10-11

10-12

10-10

10-11

10-12

10-10

10-12

10-11

10-10

10-19

n2

1,490

1,470

1,449

1,451

1,436

1,421

1,414

1,411

1,428

1,413

 

8.1 Методические указания к заданию 7

 

В решении задачи 7 рекомендуется руководствоваться главой 3.4 [6]. Предварительно нужно определить значение коэффициента преломления n1.

 

.

 

Потери энергии на поглощение при работе на длине волны 1,55 мкм определяется из выражения

 

, [дБ/км].

 

Потери энергии на поглощение при работе на длине волны 0,85 мкм будут равны соответственно

 

, [дБ/км],

где n1=1,505.

 

Потери энергии на рассеяние, когда λ=1,55, определяются из выражения

 

, [дБ/км].

 

Соответственно когда λ=0,85, определяется

 

, [дБ/км].

 

Собственные потери в третьем и первом окнах прозрачности находятся из выражения

 

αс= αпр , [дБ/км].

 

Следовательно, при изменении передачи сигналов из третьего окна прозрачности в первое собственные потери определяются из выражения

 

Δαс= αс0,85с1,55 , [дБ/км].

 

9 Задание 8

 

Определить, во сколько раз изменится величина дисперсии сигнала ВОЛС, построенной на основе кабеля ОКЛ-01, если заменить источник излучения с лазерного на светодиодный. Параметры приведены в таблице 8.

 

Параметры

 

          Последняя цифра номера зачетной книжки

     0

1

2

3

   4

      5

        6

   7

      8

        9

L, км

    63

68

70

65

61

    72

       66

 63

    61

      65

λ, мкм

   0,6

0,8

1,0

1,2

1,3

   1,4

    1,55

1,6

   1,8

      1,9

М(λ), пс/км∙нм

  400

125

40

10

  -5

     -5

      -18

-20

  - 25

     -26

В(λ), пс/км∙нм

5

5

6

7

   8

      8

       12

 14

    16

       17

П(λ), пс/км∙нм

5

0

1,5

5

2,5

      4

      5,5

6,5

  7,5

      8,5

 

9.1 Методические указания к заданию 8

Для решения задачи нужно воспользоваться методическими указаниями. ОКЛ-01 содержит одномодовые волокна [5], работающие на длине волны 1,55 мкм, необходимо будет рассчитать хроматическую дисперсию, которая в свою очередь делится на материальную, волноводную и профильную.

Для расчетов материальной дисперсии используем упрощенную формулу. Дисперсия при работе лазерного источника излучения равна

 

τмат=Δλ∙LM(λ),

 

где Δλ-ширина спектра излучения источника, обычно соответствует 1-3 нм для лазера и 20-40 нм для СИД;

      M(λ)-удельная материальная дисперсия, для СИД M(λ)=104;

      L-длина линии.

Величина уширения импульсов из-за волноводной дисперсии τвв находится из выражения Δλ=1

 

τвв=Δλ∙L∙В(λ),

 

где В(λ)-удельная волноводная дисперсия.

 

Дисперсия при светодиодном источнике Δλ=20.

Для расчетов профильной дисперсии используется упрощенная формула, для ЛД

 

τпр=Δλ∙L∙П(λ),

 

где В(λ)-удельная профильная дисперсия;

               Δλ-ширина спектра излучения источника, для ЛД Δλ=1, а для СИД Δλ=2.

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной и волноводной дисперсии определяется из выражения

 

,

 

где τмод-модовая дисперсия, равная 0.

Нужно показать во сколько раз превышает (меньше) дисперсия сигнала при работе ЛД источника, чем СИД, или наоборот.

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

      1.Бутусов М.Ф, Верник С.М, Галкин С.Л.

Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1992.

      2.Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения. – М.: Компания «Сайрус Системс», 1999.

       3. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998.

       4. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1990.

       5.Справочник. Волоконно-оптические системы передачи и кабели./Под редакцией И.И. Гроднева. – М.: Радио и связь, 1993.

       6.Ксенофонтов С.Н., Портнов Э.Л. Направляющие системы электросвязи: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия Телеком, 2004.

       7.Дэвид Гринфилд. Оптические сети: Учебник. – М.: Санкт-Петербург – Киев, 2002.

 

 

 

 

 

 

                                                                             План 2006г., поз.

 

 

 

 

 

 

Агатаева Бактыхан Байбориевна

 

 

 

 

 

Оптические системы связи

 

Методические указания к выполнению расчетно-графической работы №1

(для студентов очной формы обучения специальности

380241 – Многоканальные телекоммуникационные системы)

 

 

 

 

 

 

 

Редактор Ж.М.Сыздыкова

 

 

 

Подписано в печать                                   Формат 60х84 1/16.   

Тираж 300 экз.                                            Бумага типографская №1.

Объем 1 –изд.л.                                          Заказ №

                                                           Цена _ тенге

 

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

050013, Алматы, Байтурсынова,126