Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных систем

 

 

 

 

 

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ 

 Методические указания к выполнению расчетно-графических работ

для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2011

Составители:  Е.Ю. Елизарова. Б.Б. Агатаева. Оптические системы связи в телекоммуникациях.  Методические указания к выполнению расчетно-графических работ (для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации). – Алматы: АУЭС, 2011. -   18 с. 

Методические указания содержат общие требования к содержанию и оформлению расчетно-графических работ, а также список рекомендуемой литературы. Даны основные формулы для расчета и методика выполнения. Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

Ил.   0   , табл.   5   ,  библиогр.    8    назв.

  

Рецензент: канд. техн. наук. проф. Г.С. Казиева

  

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2011 год.

 

 

©НАО « Алматинский  университет энергетики и связи» 2011 г. 

 

Введение

 

Целью курса является изучение основных методов изложения принципов построения оптических систем связи различных уровней иерархии,  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.

  В методических указаниях приводятся необходимые справочные данные для расчета оборудования и среды передачи оптических систем связи (ОСС).

  Алматинский университет энергетики и связи просит студентов бережно относиться к методической литературе, выпускаемой университетом.

 

1 Задания и методические указания к расчетно-графической 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 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 на расчетно-графическую работу (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, график, схема и прочее взяты из литературы, необходимо указать ее наименование и номер страницы, и 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 по оформлению расчетно-графической работы 

 

1.1.1 Студенты выполняют расчетно-графическую работу в виде подробного реферата объемом 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 результатом проверки работы.

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

1.1.3 В расчетно-графической работе необходимо освоить подробно данную тему. Допускается углубление изучения отдельной подтемой по согласованию с преподавателем. Название РГР, согласуется с преподавателем и возможно выполнение РГР по дополнительной тематике.

1.1.4 В начале каждого задания на РГР 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 расчетно-графических работ рекомендуется пользоваться литературой и методическими указаниями. Если при выполнении РГР встретятся трудности, следует обратиться за консультацией к преподавателям данного предмета.

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

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

 

2 Расчетно-графическая работа № 1. Расчет параметров волоконных световодов

 

Определить параметры оптического волокна: числовую апертуру, нормированную частоту, число мод, критическую частоту, критическую длину волны, дисперсию, потери, границы изменения фазовой скорости, границы изменения волнового сопротивления

 

Исходные даны приведены в таблице 1:

-           диаметр сердцевины световода 2а,  мкм;

-           диаметр оболочки световода 2b, мкм;

-           показатель преломления сердцевины n1;

-           показатель преломления оболочки n2;

-           длина волны l, мкм;

-           длина проектируемого участка.

 

Т а б л и ц а 1

                            Последняя цифра студенческого билета

 

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

Тип оптического волокна

одномодовое

Многомодовое градиентное

Многомодовое ступенчатое

одномодовое

Многомодовое градиентное

Многомодовое ступенчатое

одномодовое

Многомодовое градиентное

Многомодовое ступенчатое

одномодовое

Предпоследняя цифра студенческого билета

 

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

 

Для выполнения расчетно-графической работы необходимо ответить на вопросы:

1       Благодаря какому физическому явлению световые волны распространяются вдоль оптического волокна (ОВ).

2       Чем отличаются одномодовые оптические волокна (ОВ) от многомодовых;

3       Назовите основные виде дисперсии в ОВ причины, ее вызывающие.

4       Какой вид дисперсии характерен для одномодовых оптических волокон, какой для многомодовых.

5       Дать определение апертурного угла, числовой апертуры.

6       В каком диапазоне волн работают оптические кабели. Какие длины волн  соответствуют минимуму затухания.

Методика расчета:

 

1 Соотношение коэффициентов преломления:

 

.                                           

2 Числовая апертура:

.

 

3 Нормированная частота:

.

 

4 Число мод, распространяющихся по световоду:

 

для ступенчатого световода:

;

для градиентного световода:

.

 

5  Критическая частота, Гц, определяется по формуле

 

,

где с – скорость света, м/с.

 

6 Критическая длина волны, м:

 

.

 

7 Общие потери в волокне, дБ/км, определяются суммой

 

       .

Потери энергии на поглощение (затухание поглощения), Нп/м:

 

,

где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала световода (для кварца 10-10).

 

Для перевода затухания поглощения из Нп/м в дБ/км полученную величину необходимо умножить на 8,69·103.

 

Потери на рассеяние, дБ/км, равны:

 

,

где Кр – коэффициент рассеяния (для кварца 1…1,5 дБ/(км·мкм4)),

l – длина волны, мкм.

 

7       Дисперсия.

Основными причинами возникновения дисперсии являются, большое число мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), некогерентность источников излучения (хроматическая дисперсия).

 

,

Межмодовая дисперсия:

 

Для ступенчатого оптического волокна:

,   при l<lc;

                                           ,  при l>lc                               

где lс – длина связи мод, для ступенчатого оптического волокна составляет 5…7 км;

l – длина линии.

 

Для градиентного оптического волокна:

                                  ,  при  l<lc;

                                   ,  при l>lc 

Длина связи мод градиентного световода 10…15 км.

 

Хроматическая (частотная) дисперсия.

 

     Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.

 

Материальная дисперсия:

 

                              

где ∆l – ширина спектральной линии источника излучения (для лазера 1…3 нм, для светодиода 20…40 нм);

М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км), см.таблицу 1.

 

Волноводная дисперсия:

                                                                    

где В(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км), см.таблицу 1.

 

Удельная хроматическая дисперсия является алгебраической суммой удельных материальной и волноводной дисперсий:

 

                                      D(λ)= М(λ)+ В(λ).                                           

 

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией соотношением:

 

                                      , с/км                                      

где D(λ) – удельная хроматическая дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – ширина спектра излучения источника, нм, см.таблицу 1.

 

 

8 Границы изменения фазовой скорости, км/с, определяются:

 

с/n1<n< c/n2

 

9 Границы изменения волнового сопротивления, Ом:

 

Z0/n1< Z <Z0/n2

 

где Z0 =376,7 Ом – волновое сопротивление идеальной среды. 

 

3 Расчетно-графическая работа № 2. Расчет элементов линейного тракта

 

 Задание 1

 

      Определите ширину спектральной линии в Гц, считая, что длина волны (l) находиться точно на середине диапазона  спектра излучения Dl0,5. Найти добротность резонатора лазера.

 

Т а б л и ц а  2

 
   Последняя цифра студенческого билета

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Dl0,5, 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

 

Для выполнения расчетно-графической работы необходимо ответить на вопросы:

1       Какие источники света применяются в ВОСП?

2       Какие основные характеристики источников света вам известны?

3       Чем отличается лазер от светоизлучающего диода?

4       Какие требования предъявляются к спектральной характеристике лазеров ОСС?

5       Пояснить какой физический смысл имеет спектральная характеристика лазеров.

6       Что такое добротность резонатора лазера?

 

 

    Методические указания:

 

Если считать что l находится точно на середине диапазона Dl0,5, то максимальная и минимальная длины волн 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

с- скорость света = 3·108м  .

 

Добротность резонатора лазера:

.

 

Задание 2

 

Определить длину участка регенерации внутризоновой ВОСП при использовании типовой аппаратуры и оптического кабеля со следующими параметрами: Строительная длина кабеля 2 км, затухание в разъемных соединениях 0,3 дБ/км,  в неразъемных 0,1 дБ/км, ширина спектра излучения, см. таблицу 1, уровень мощности вводимой в ОВ 1 дБм, пороговая чувствительность -29,5 дБм.

 

Т а б л и ц а  3

Последняя цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Энергетический потенциал А,дБ

34

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

100

70

60

80

90

70

120

80

70

150

 

Т а б л и ц а  4

Предп. цифра зачетной книжки

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Коэф. затухания, дБ/км,αк

0,21

0,22

023

0,24

0,25

0,2

0,21

0,3

0,23

0,25

  

Для выполнения расчетно-графической работы необходимо ответить на вопросы:

 

Нарисовать структурную схему линейного тракта цифровой ВОСП и указать наименование узлов, входящих в линейный тракт.

 

Методические указания:

 

Длина регенерационного участка, ограниченная дисперсией, определяется по формуле:

 

,  

                                                     

 где  В - скорость передачи В, Мбит/с;

          - хроматическая дисперсия,, взять из расчетов 1 РГР;

 - ширина спектра излучения, нм, см.таблицу 1;

 

   Максимальная скорость передачи цифровой ВОСП, работающей по данному волокну в идеале численно равна тактовой частоте и полосе пропускания, но с учетом помехоустойчивого кодирования она будет меньше, в зависимости от используемого кода. Таким образом, максимальная скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну составит:

             Мбит/c

Полоса пропускания оптического кабеля измеряется в (Гц·км) и определяется:

                                                                 

где τ – результирующая дисперсия оптического волокна, взять из первой РГР.

 

Полоса пропускания оптического волокна зависит от дисперсии, чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну

При определении длины регенерационного участка, лимитированного затуханием, воспользуемся формулой:

 

                                ,                                     

 

где А – энергетический потенциал системы;

      М – энергетический запас системы;

      aрс  – вносимые потери разъемных оптических соединений;

      aнс – вносимые потери неразъемных оптических соединений;

      Nрс – число разъемных оптических соединений;

       – строительная длина .

 

Произвести сравнение  рассчитанного участка регенерации по дисперсии и по затуханию, выбрать оптимальный вариант. По расчетам дать рекомендации.

  

Задание 3

 

    Нужно определить отношение сигнал/помеха на выходе фотоприемника (ФПР) цифровой ВОСП. Исходные данные в таблице 3.

 

 

Таблица 5    

                            Последняя цифра студенческого билета

 

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

Предпоследняя цифра студенческого билета

 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

R, кОм

52

54

56

48

50

51

49

52

53

50

  Dш

4

3,9

4,1

4,2

4,5

4

3,9

4,1

4,2

4,5

  

Для выполнения расчетно-графической работы необходимо ответить на вопросы:

 

1.      Привести структурную схему фотоприемника и опишите основные элементы.

2.      Какие типы фотодиодов применяются в составе ВОСП. Чем определяется полоса пропускания ФПУ.

3.      Назовите основные характеристики фотодиода

4.      Внутренняя и внешняя квантовые эффективности фотодиодов.

5.       Какие типы усилителей применяются в составе ФПУ? 

 

Методические указания:

 

Считается темновой ток и ток засветки пренебрежимо малыми.

 Фототок определяется по формуле:

 

                                 

  

где q=Кл – заряд электрона;

     h= - постоянная Планка;

     f=, Гц – частота излучения;

     h- квантовая эффективность

     Pпр= - оптическая мощность на приеме;

     ak -  затухание кабеля, см. таблицу 4;

    - длина регенерационного участка, см задание 2 РГР2;

     = 1мВт - мощность на выходе источника излучения; 

     М=1 – коэффициент лавинного умножения.

 

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

 

      

 

где Т=280 – температура в градусах Кельвина;

      Fш (М)=1 – коэффициент шума ЛФД;

      K=1,38·10-23 , Дж·К-1 - постоянная Больцмана;

      R -  входное сопротивление усилителя;

      Dш – коэффициент шума усилителя;

          Df=40·106, Гц -  электрическая полоса пропускания. 

 

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.

  

 

Содержание 

 Введение……………………………………………………………….......3

1.Задания и методические указания к расчетно-графической работе………...3

1.1Требования по оформлению расчетно-графической работы…………..…...5

2 Расчетно-графическая работа №1…………………………………..................5

3 Расчетно-графическая работа  №2…………..…………………..……………10

4 Вопросы для самопроверки……………………………………..……...……..18

Список литературы…………………………………………………..…………..20

 

Сводный план 2011 г. поз.