Коммерциялық емес акционерлік қоғам

АЛМАТЫ ЭНЕРГЕТИКА ЖӘНЕ БАЙЛАНЫС УНИВЕРСИТЕТІ

Телекоммуникациялық жүйелер кафедрасы

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯДАҒЫ ОПТИКАЛЫҚ ТАРАТУ ЖҮЙЕЛЕРІ

5В071900- Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар

мамандығының барлық оқу түрінің студенттеріне арналған

есептеу – сызба жұмысы

Алматы 2011

ҚҰРАСТЫРУШЫЛАР: Ағатаева Б.Б., Елизарова Е.Ю., Талшықтағы оптикалық тарату жүйелері. Радиотехника, электроника және телекоммуникация мамандығының барлық оқу түрінің студенттеріне арналған дәрістер жинағы. - Алматы: АЭжБУ, 2011.- 15 б.

Дәрістер жинағы «Телекоммуникациядағы оптикалық тарату жүйелері» курсын өз бетінше оқу және көмек құралы болып табылады. Жинақта талшықты оптикалық тарату жүйесінің (ТОТЖ) негізгі элементтеріне және оптикалық құрылғыларды өндіру барысындағы туған техникалық есептерге шолу жасалған.

Бұл дәрістер жинағын оқыған студенттер қандай да бір тақырыптар мен аспектілерге және сұрақтарға көңіл аударуы және ТОТЖ-да болып жатқан үрдістерді тереңірек түсінеді. ТОТЖ дамуы бір орнында тұрған жоқ, ақпаратты таратудың жаңа стандарттары, оптикалық желілерді құрудың техникалық есептерін шешудің амалдары ізделініп келеді, сондықтан да ТОТЖ құрудың негізгі сұлбаларынан басқа кез келген тақырыпты оқуға арналған әдебиеттер және негізгі құрылымдық және принципиалды сұлбалар берілген.

Дәрістер жинағы 5В071900 – Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар мамандығы бойынша оқитын бакалавр студенттеріне арналған.

Без.32, кесте 5 ., әдеб. көрсеткіші.- 12 атау.

Пікір беруші: техн. ғыл. канд., проф. Г.С. Қазиева.

«Алматы энергетика және байланыс университеті» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2011ж. баспа жоспары бойынш басылады.

Жинақ.жосп.2011ж.,реті 158

Кіріспе

Курстың мақсаты оптикалық байланыс жүйелерінің әр түрлі иерерхия деңгейлерінің құрылу принциптерінің негізгі әдістерін оқыту, осындай жүйелердің инженерлік қалыптасуының негізгі аспектілерін қамтиды, телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жұйелері (ТОБЖ) сигналдар-

ды тарату сапасына қойылатын талаптарды зерттейді, ТОБЖ негізгі параметрлері келтірілген.

Телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жұйелері пәні студенттерге алтыншы семестрде оқытылады және кешенді түрде экзамен ретінде тапсырылады.

Әдістемелік нұсқауда телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жүйесінің құрылғылары бойынша керекті анықтамалық мәліметтері келтірілген.

Алматы энергетика және байланыс университеті студенттерден осы оқу орнында шығарылатын, әдістемелік оқулықтарға, өте мұқият болуын сұрайды.

1 Есептеу-сызба жұмыстың тапсырмалары және әдістемелік нұсқаулар

Әрбір тақырыптың тапсырмасын орындамас бұрын осы тақырып тапсырмасына қатысты теориялық материалдарды оқу керек. Ол үшін әдістемелік нұсқауда әдебиеттер тізімі келтірілген. Тапсырманы орындау барысын келтіре отырып, нақты қорытынды жасау керек.

Тексерілген жұмыс студентке қайтарылады. Оқытушының белгілеген уақытында есептеу сызба жұмысын қорғалуы керек. Сәтті қорғап шығу үшін оқытушының ескертулерін жөндеу, жұмысты толық түсіндіре білу, материалға кіретін тақырыптың мағынасын түсіну, дұрыстығын дәлелдеуі керек.

Есептеу-сызба жұмыста (ЕСЖ) 100 нұсқа құрастырылған. Әрбір студент ЕСЖ ты нұсқа бойынша орындауы керек. Оның номері студенттік билеттің соңғы екі санымен анықталады. Мысалы, егер студенттік билет номері 970037 болса, онда студент жұмысты 37 нұсқа бойынша орындауы керек.

Жұмыста формулаларды қорыту талап етілмейді, оларды әдістемелік нұсқаулардан немесе негізгі оқулықтардан дайын күйінде алуы керек. Формула, сұлба және т.б әдебиеттен алынса оның атауын және бет номерін, формула номерін (бар болса) келтіруі керек. ЕСЖ соңында қолданылған әдебиеттер тізімін көрсетуі керек.

Бір өлшем бірлігінің екіншісіне тәуелділігін анықтауда есепті жалпы түрде шешу, тұрақты өлшемдердің мәнін қою және өзгермейтін бөліктердің мәнін анықтау, ал содан соң айнымалы өлшемдердің әр түрлі мәндегі есептеулерін шығару ұсынылады.

1.1 Есептеу сызба жұмысты безендіру талаптары

1.1.1 Студенттер ЕСЖ-н А4 көлемдегі парақта реферат түрде орындайды, шрифт 14, Times New Roman бірлік интервалында. Жұмыс ұқыпты безендірілуі керек, текст парақтың бір жақ бетінде анық жазылуы керек (компьютермен терілуі керек).

1.1.2 ЕСЖ-ның бірінші беті студенттік жұмыс ережесі бойынша безендіріледі. Ол университеттің, факультеттің, кафедра және пәні, ЕСЖ-ның аты, студенттің ата тегі, топ және студенттің сынақ кітапшасының номері, мамандығы, оқытушының ата тегі келтірілуі керек.

1.1.3 ЕСЖ-да берілген тақырыпты нақты түсінуі керек. Оқытушының нұсқауымен жеке тақырыпшаларды терең оқуға болады. ЕСЖ-ның аты оқытушымен келісіледі және ЕСЖ-ны қосымша тематикамен орындауы мүмкін.

1.1.4 ЕСЖ-ның әрбір тапсырмасының басында тапсырманың шарттары және әрбір нұсқа үшін мәндер беріледі. Мәтін беті, суреттер, кесте және формулалар нөмірленеді.

1.1.5 ЕСЖ-н орындауда әдістемелік нұсқауларды және әдебиеттерді пайдалану ұсынылады. Егер ЕСЖ-н орындауда қиындықтар кездессе берілген пән бойынша оқытушысының кеңесіне жүгініңіз.

1.1.6 ЕСЖ мәтінінде кейбір сұрақтардың қысқа шешімдері, сонымен қатар пайдаланылған әдебиет сілтемесі болуы керек.

Келтірілген талаптарсыз жасалған ЕСЖ қайта орындауға жіберіледі.

2 № 1 Есептеу – сызба жұмысы. Талшықты световодтардың параметрлерін есептеу

Оптикалық талшықтың параметрлерін анықтау: апертура саны, нормаланған жиілік, мода саны, критикалық жиілік, талшықтың критикалық ұзындағы, дисперсияны, жоғалтуларды, фазалық жылдамдықтың өзгеру шегін, толқындық кедергі өзгеруінің шегін.

1 кестеде бастапқы мәндер келтірілген:

- световод өзекшесінің диаметрі 2а, мкм;

- световод қабықшасының диаметрі 2b, мкм;

- өзекшенің шағылысу көрсеткіші n₁;

- қабықшаның шағылысу көрсеткіші n₂;

- толқын ұзындығы l, мкм;

- жобаланатын бөлік ұзындығы.

1 Кесте

Студенттік билеттің соңғы саны
	0		1	2	3		4	5	6	7		8		9
l, мкм	1,55		1,3	0,85	1,62		0,85	1,3	1,62	0,85		1,3		1,55
l, км	100		70	60	80		90	70	120	80		70		150
Оптикалық талшық типі	Бірмодалы		Градиентті көпмодалы	Қадамдық көпмодалы	Бірмодалы		Градиентті көпмодалы	Қадамдық көпмодалы	Бірмодалы	Градиентті көпмодалы		Қадамдық көпмодалы		Бірмодалы
Студенттік билеттің шифрының алдынғы саны
		0	1	2	3	4		5	6		7		8		9
2а, мкм		50	62	50	62	50		62	50		62		50		62
2b, мкм		125	125	200	200	125		125	200		200		125		125
n₁		1.55	1.5	1.505	1.51	1.49		1.5	1.505		1.55		1.52		1.49
n₂		1.52	1.49	1.5	1.49	1.4		1.48	1.5		1.53		1.5		1.47
М(λ), пс/(нм·км)		-18	-5	125	-20	125		-5	-20		125		-5		-18
В(λ), пс/(нм·км)		12	8	5	14	5		8	14		5		8		12
∆l, нм		1	2	3	1	2		3	1		2		3		1

Есептеу –сызба жұмысын орындау барысында төмендегідей сұрақтарға жауап беріңіз:

1) Жарық толқындары оптикалық талшық (ОТ) бойымен қандай физикалық құбылыстарға сүйене отырып таралады.

2) Бір модалы оптикалық талшық, көпмодалы талшықтан айырмашылығы неде.

3) ОТ болатын дисперсияның негізгі түрлерін, оларды шақыратын себебін атаңыз.

4) Дисперсияның қай түрі бірмодалы талшықтарда, ал көпмодалы талшықтарда ше.

5) Апертуралық бұрышқа, сандық апертураға анықтама беріңіз..

6) Оптикалық кәбілдер толқынның қай диапазонында жұмыс жасайды. Минималды өшулікке толқын ұзындығының қайсысы сай болады.

Есептеу тәсілдері:

1) Шағылысу коэффициенттерінің қатынасы:

2) Сандық апертура:

3) Нормараланған жиілік:

4) Световодтағы таралатын мода саны:

қадамдық световодтар үшін:

;

градиентті световодтар үшін:

5) Критикалық жиілік, Гц, мына формуламен анықталады

мұндағы с – жарық жылдамдығы, м/с.

6) Толқынның критикалық ұзындығы, м:

7) Толқындағы жалпы жоғалтулар, дБ/км,

(жұтылатын өшулік), Нп/м:

мұндағы, tgd –световод материалы тангенс бұрышының диэлектрикалық жоғалтулары (кварц үшін 10^-10).

Өшулдік жоғалтуларын Нп/м, ауыструда дБ/км-ге алынған шаманы 8,69·10³көбейту керек.

Жайылуға (рассеяние) кететін жоғалту, дБ/км:

мұндағы К_р – жайылу коэффициенті (кварц үшін 1…1,5 дБ/(км·мкм⁴)),

l – толқын ұзындығы, мкм.

7) Дисперсия

Дисперсия туындауының негізгі себептері, световодтағы модалар санының көптігі (модаароалық немесе модалық дисперсия), шағылысу көздерінің когеренттілігі (хроматилық дисперсия).

Модааралық дисперсия:

Қадамдық оптикалық талшық үшін:

, при l<l_c;

, при l>l_c_..

Мұндағы, l_с – мода байланысы ұзындығы, қадамдық оптикалық талшық үшін 5…7 км тең;

l –линия ұзындығы.

Градиентті талшық үшін:

, при l<l_c_;

, при l>l_c .

Градиентнті световодатар мода байланысы ұзындығы 10…15 км.

Хроматикалық (жиіліктік) дисперсия.

Хроматикалық дисперсия материалдық және толқындық құрамалардан тұрады және бірмодалы сол сияқты көпмодалы талшықтарды тарату кезінде құрамында болады.

Материалдық дисперсия:

мұндағы, ∆l –шағылысу көзінің спектралды жолының кеңдігі (лазерлер үшін 1…3 нм, ал светодиодар үшін 20…40 нм);

М(λ) – меншікті материалдық дисперсия, пс/(нм·км), 1 кестені қараңыз.

Толқындық дисперсия:

мұнда В(λ) – меншікті материалдық дисперсия, пс/(нм·км), 1 кестені қараңыз.

Меншікті хроматикалық дисперсия меншікті материалдық және толқындық дисперсиялардың алгебралық қосындысы:

D(λ)= М(λ)+ В(λ).

Хроматикалық дисперсия меншікті хроматикалық дисперсия қатынасымен байланысты болады

, с/км ,

мұндағы D(λ) – меншікті хроматикалық дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – шағылысу көзі спектрінің кеңдігі, нм, 1 кестені қараңыз.

8) Фазалық жылдамдықтар шегінің өзгеруі, км/с,

с/n₁<n< c/n_2.

9) Толқындық кедергі шегінің өзгеруі, Ом

Z₀/n₁< Z <Z₀/n_{2 ,}

мұдағы Z₀ =376,7 Ом –идеалды ортадағы толқындық кедергі.

3 № 2 Есептеу – сызба жұмысы. Сызықты күре жолдың элементтерін есептеу

1 Тапсырма

Спектралды жол кеңдігін анықтау Гц, толқын ұзындығын (l)қосқанда шағылысу спектрі Dl_0,5 диапазонының орта нүктесіне дәл келеді. Лазер резонаторы сапалылығын (добротность) табу.

2 Кесте

	Студент билетінің соңғы саны
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Dl_0,5,нм	5,0	5,01	5,05	5,2	5,4	5,25	5,23	5,41	5,31	5,33
l, мкм	1,55	1,3	0,85	1,62	0,85	1,3	1,62	0,85	1,3	1,55

Есептеу – сызба жұмысын орындау барысында төмендегі сұрақтарға жауап беріңіз.

1. ТОТЖ-де қандай жарық көздері қолданылады?

2. Жарық көздерінің қандай негізгі сипаттамалары сізге белгілі?

3. Лазердің жарықсәулелегіш диодтан айырмашылығы неде?

4. Оптикалық байланыс жүйелері лазерлерінің спектральды сипаттамаларына қандай талаптар қояды?

5. Лазерлердің спектралды сипаттамалары нендей физикалық түсінік береңіз, түсіндіріңіз.

6. Лазердің резонаторлық сапалылығы дегеніміз не?

Әдістемелік нұсқаулар:

Егер толқын (l) ұзындығы тура диапазон ортасында десек, онда максималды және минималды толқын ұзындығын келесі әдіспен табамыз

м;

, м.

Онда сол минималды және максималды жиіліктер шағылысуын толқын ұзындықтарына сай келетін төмендегі формуламен анықтаймыз

, Гц;

, Гц.

Спектралды жол кеңдігі

, Гц.

Шағылысудың орташа жиілігі

,Гц

С - жарық жылдамдығы = 3·10⁸м .

Лазер резонаторының сапалылығы

2 Тапсырма

ТОТЖ аймақішілік регенерациялық бөлік ұзындығын типтік аппаратураны қолдана отырып және оптикалық кабель төмендегі параметрлерін анықтау: Кабелдің құрылымдық (строительная) ұзындығы 2 км, ағытып-қосқыштағы (разьем) өшулік 0,3 дБ/км, ағытылмайтын қосқыш 0,1 дБ/км, шағылысу спектрі кеңдігі, см. 1 кесте, ОТ енгізетін қуат деңгейі 1 дБм, табалдырықты сезгіш -29,5 дБм.

3 Кесте

Есеп кітапшасының соңғы саны	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Энергетикалық потенциал А,дБ	34	40	30	36	38	35	40	36	38	36
Энергетикалық қор М,дБ	3	4	5	3	4	5	3	4	5	6
Линия ұзындығы l, км	100	70	60	80	90	70	120	80	70	150

4 Кесте

Есеп кітап

шасының соңғы саны

ның алды

Өшулік коэффициенті, дБ/км,α_к

0,21

0,22

023

0,24

0,25

0,2

0,21

0,3

0,23

0,25

Есептеу – сызба жұмысын орындау барысында мына сұрақтарға жауап беруге тиіссіздер:

Цифрлы ТОТЖ сызықты күре жолының құрылымдық сұлбасын салып , түйіндер атаулары сол сызықты жолға енгізілетінін көрсетіңіз.

Әдістемелік нұсқаулар:

Регенерациялық бөлік ұзындығы, дисперсия шектеуін мына формуламен анықтаймыз

мұнағы В – таралу жылдамдығы В, Мбит/с;

- хроматикалық дисперсия,, 1 ЕСЖ –нан алыңыз

- шағылысу спектрі кеңдігі, нм, 1 кестені қараңыз.

Цифрлы ТОТЖ максималды тарату жылдамдығы, сол талшықта жұмыс жасайтын идеалды есептегенде тактылы жиілік және өткізу жолағына тең, бірақ ол кезде кодтаудың бөгеуілге қарсы тұрушылығы төмен болады. Сонымен, ТОТЖ бір талшықпен жұмыс істейтін максималды жылдамдығы төмендегідей есептелінеді.

Мбит/c .

Оптикалық кабельдің өткізу жолағы (Гц·км) өлшеніп, анықөталады

мұндағы, τ – оптикалық талшықтың қорытынды дисперсиясы, бірінші есептеу-сызба жұмысынан алынған.

Оптикалық талшықтың өткізу жолағы дисперсиядан тәуелді, дисперсия мәні неғұрлым аз болса, соғұрлым талшықпен үлкен ақпараттар ағынын жіберуге болады.

Регенерациялық бөлік ұзындығын анықтау, лимиттеу кезіндегі төмендегідей формуланы қолдануға болады.

мұндағы А – жүйенің энергетикалық потенциялы;

М – жүйенің энергетикалық қоры;

a_рс –оптикалық ағытып-қосудағы енгізілген жоғалтулары;

a_нс– оптикалық ағытып-қоспаған кездегі енгізілген жоғалтулары;

N_рс – оптикалық қосуда ағытпа саны;

– құрылысты ұзындық.

Регенерациялық бөлік дисперсия мен өшулікті есептеу кезінде салыстыру жүргізген жөн, соның ішіндегі оптималды вариантты таңдау керек. Сол есептеулерге ұсыныс жасаңыз.

3 Тапсырма

Цифрлы ТОТЖ фотоқабылдау шығысындағы сигнал-шуыл қатынасын анықтау керек. Ақпараттарды 3 кестеден қарау керек.

5 Кесте

Студент билетінің соңғы саны
		0		1	2	3	4	5	6	7	8	9
h		0,4		0,5	0,6	0,7	0,8	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
l, мкм		1,55		1,3	0,85	1,62	0,85	1,3	1,62	0,85	1,3	1,55
Студент билетінің соңғы санының алдыңғы саны
	0		1		2	3	4	5	6	7	8		9
R, кОм	52		54		56	48	50	51	49	52	53		50
D_ш	4		3,9		4,1	4,2	4,5	4	3,9	4,1	4,2		4,5

Есептеу – сызба жұмысын орындау барысында келтірілген сұрақтарға жауап беру керек:

1) Фотоқабылдағыш сұлбасын келтіріп оның негізгі элементтерін сиппаттаңыз.

2) ТОТЖ құрамында фотодиодтардың қандай типтері қолданылады? Фотоқабылдағыштардың өткізу жолағы немен анықталады. Фотодиодтардың негізгі сипаттамаларын атаңыз. Фотодиодтардың ішкі және сыртқы кванттық тиімділіктері. Фотоқабылдағыш құрамында қандай күшейткіштер типтері қолданылады?

Әдістемелік нұсқаулар:

Көлеңкелі ток және жарықтандырғыш ток өте аз мөлшерде деп есептелінеді. Фототок мына формуламен анықталынады

мұндағы q=Кл –электрон заряды;

h= - Планка тұрақтылығы;

f=, Гц – шағылысу жиілігі;

h- кванттық тиімділік;

P_пр= - қабылдау жағындағы оптикалық қуат;

a_k - кабел өшулігі, 4-ші кестені қараңыз;

- длина регенерациялық бөлік ұзындығы, 2 ЕСЖ-н қараңыз;

= 1мВт – шағылысу көзі шығысындағы қуат;

М=1 –лавинді коэффициент көбейтіндісі.

ТОТЖ тактілі жиілігі фотоқабылдағыштың өткізу жолағына тең десек, онда сигнал/бөгеуіл қатынасын келесі формула арқылы табамыз

мұнда Т=280 –Кельвин температурасы, градуспен;

F_ш (М)=1 – шуыл коэффициенті КФД;

K=1,38·10^-23, Дж·К^-1– Больцман тұрақтылығы;

R - күшейткіш кірісіндегі тұрақты кедергі;

D_ш – күшейткіш шуыл коэффициенті;

Df=40·10⁶, Гц – электрлік өткізу жолағы.

Әдебиет тізімі

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.

9. Вербовецкий А.А. Основы проектирования цифровых оптоэлектронных систем связи. – М.: Радио и связь, 2000. – 160 с.

10. С.В.Коньшин, Б.Б.Агатаева. Оптические системы связи. Учебное пособие/ Алматы: АИЭС, 2008- 80 с.

11. Ағатаева Б.Б., Елизарова Е.Ю., Шахматова Г.А Телекоммуникациядағы оптикалық байланыс жүйелері. Дәрістер жинағы. - Алматы: АЭжБИ, 2009.- 55 б.

12. Агатаева Б.Б., Елизарова Е.Ю., Шахматова Г.А Оптические системы связм в телекоммуникациях. Конспект лнкции.- Алматы: АИЭС, 2009.- 60 с.

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯДАҒЫ ОПТИКАЛЫҚ ТАРАТУ ЖҮЙЕЛЕРІ

Есептеу тәсілдері:

Студент билетінің соңғы саны