Способы увеличения пропускной способности каналов волоконнооптических систем линий городской телефонной сети

Аннотация

Объектом исследования являются способы увеличения пропускной способности каналов волоконнооптических систем передачи путём передачи сигналов по одному оптическому волокну в двух направлениях.

Цель работы - определение способа увеличения пропускной способности каналов, подходящего для использования на соединительных линиях городской телефонной сети. И разработка соответствующего передающего устройства.

Выбран тип одноволоконнооптической системы передачи, разработана её структурная схема, разработана принципиальная схема передающего устройства и источник питания.

В процессе работы составлен обзор методов передачи сигналов по одному оптическому волокну в двух направлениях и определён способ увеличения пропускной способности каналов, подходящий для использования на соединительных линиях городской телефонной сети.

В дипломном проекте дан обзор существующих методов организации волоконнооптических систем передачи, а также освещены возможные способы построения одноволоконных систем передачи.

В ходе работы осуществлена разработка структурной схемы передающего устройства, кроме того, приведены варианты структурных схем возможных способов построения одноволоконных систем передачи.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

2. Принципы построения и основные особенности волоконнооптических систем передачи в городских телефонных сетях

2.1 Линейные коды в волоконнооптических системах передачи

2.2 Источники излучения волоконнооптических системах передачи

2.3 Детекторы волоконнооптических систем передачи

2.4 Оптические кабели в волоконнооптических системах передачи

2.5 Особенности одноволоконных оптических систем передачи

2.6 Построение передающих и приемных устройств в волоконнооптических

системах передачи

2.6.1 Виды модуляции оптических колебаний

2.6.2 Оптический передатчик прямой модуляции

2.6.3 Оптический приемник

3. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

3.1 Методы построения структурных схем одноволоконных оптических систем передачи

3.1.1 Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов разветвления оптических сигналов

3.1.2 Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени

3.1.3 Волоконнооптическая система передачи, на основе использования различных видов модуляции

3.1.4 Волоконнооптическая система передачи с одним источником излучения

3.2 Окончательный выбор структурной схемы передатчика

3.2.1 Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта

3.2.2 Структурная схема оптического передатчика

4. Конструктивный расчёт печатной платы одноволоконной оптической системы передачи

4.1 Выбор материала печатной платы

4.2 Размещение элементов и разработка топологии печатной платы

5. Расчет надежности волоконнооптического передающего устройства

6. Технико-экономический расчет

6.1 Анализ рынка

6.2 Определение себестоимости одноволоконного оптического передатчика

6.2.1 Затраты на приобретение материалов

6.2.2 Затраты на покупные изделия и полуфабрикаты

6.2.3 Основная заработная плата производственных рабочих

6.2.4 Калькуляция себестоимости блока волоконнооптического передатчика

6.3 Определение уровня качества изделия

6.4 Определение цены изделия

6.4.1 Нижняя граница цены изделия

6.4.2 Верхняя граница цены изделия

6.4.3 Договорная цена

6.5 Определение минимального объема производства

7. Литература

1. Введение

Цифровая связь по оптическим кабелям , приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса .

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

-возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

-широкой полосе пропускания, т.е. большой информационной ёмкости;

-оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

-пренебрежимо малых перекрестных помех;

-низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

-высокой скрытности связи;

-возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконнооптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением). Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному оптическому кабелю. Цель работы - определение способа увеличения пропускной способности каналов, подходящего для использования на соединительных линиях городской телефонной сети и разработка соответствующего передающего устройства.

2. Принципы построения и основные особенности волоконнооптических систем передачи в городских телефонных сетях

Особенностью соединительных линий является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности соединительных линий городской телефонной сети в крупнейших городах свидетельствует, что соединительные линии протяженностью до 6 км составляют 65% от всего числа соединительных линий.

Значительные расстояния между регенерационными пунктами волоконнооптических систем передачи дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания (рис2.1).

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи изображен на рис.2.2.

На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в волоконнооптической системе связи используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне сигнал из оптического волокна вводится в фотодетектор. В современных волоконнооптических системах передачи в качестве фотодетектора используют p-i-n или лавинный фото диод.

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Принцип передачи информации в волоконнооптических систем связи

Выбор элементной базы при реализации волоконнооптических систем передачи и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. Существуют установленные правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал обрабатывается скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.2.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществля-ется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Структурная схема волоконнооптической системы передачи

Для каждой иерархической скорости рекомендуются свои коды стыка, например для вторичной - код HDB-3, для четверичной - код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой волоконнооптической системы передачи выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

2.1 Линейные коды в волоконнооптических системах передачи

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому между оборудованием стыка и линейным трактом волоконнооптической системы передачи помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во-первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во-вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника, желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной. В противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала - оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В-третьих, для выбора кода, высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты синхронизирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов логического уровня в цифровом сигнале. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения синхронизирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В-четвертых, код не должен иметь каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В-пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, что бы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.2.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ -1 -в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 2.4 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов.

2.2 Источники излучения волоконнооптических систем передачи

Источники излучения волоконнооптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для волоконнооптических систем передачи потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой, у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных волоконно- оптических системах передачи. Практически во всех волоконнооптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

2.3 Детекторы волоконнооптических систем передачи

Функция детектора волоконнооптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, фотодетектор должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконнооптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами.

Достоинством лавинных фотодиодов является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность лавинного фотодиода, сильно зависят от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных волоконнооптических системах связи, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5.

2.4 Оптические кабели в волоконнооптических системах передачи

Оптический кабель предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. оптического диапазона.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом.

где ? - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 - показатели преломления материалов световода.

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.2.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.



На сегодняшний день промышленностью выпускаются оптические кабели имеющие четыре и восемь волокон(марки ОК). Конструкция ОК-8 приведена на рис.2.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон - повивная, концентрическая. В центре - силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи - полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

К недостаткам волоконнооптической технологии следует отнести:

А. Необходимость использования оптических коннекторов с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи очень высока. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Б. Монтаж оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

В. При аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Тем не менее, преимущества от применения волоконнооптических линий связи настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

2.5 Особенности одноволоконных оптических систем передачи

Широкое применение на городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации меж узловых соединительных линий позволяет решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности волоконных оптических систем передачи в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные одноволоконные оптические системы передачи, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей на оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии - соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить стоимость в расчете на один канало- километр.

Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В волоконнооптических системах передачи, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконнооптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления накачки.

Развязку между оптическими сигналами можно увеличить, не прибегая к сужению импульсов, если для передачи в одном направлении используется когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом - модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному оптическому волокну обеспечивает высокую надежность оборудования и применение волоконнооптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.

По достижении высокого уровня развития волоконнооптической техники, когда станет практически возможным передавать оптически сигналы на различных модах оптического волокна с достаточной для волоконнооптической системы передачи развязкой, дуплексная связь по одному оптическому волокну может быть организована на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

Каждая одноволоконная оптическая система передачи из рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 2.1 показаны достоинства (знаком «+») систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.

Таблица 2.1 - Сравнительная характеристика принципов построения одноволоконных оптических систем передачи.

Тип волоконнооптической системы передачи	Минимальное затухание, максимальная длина РУ	Защищенность сигналов	Большой объем передаваемой информации	Относительно низкая стоимость	Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям
С оптическими разветвителями				+
С оптическими циркуляторами	+
Со спектральным уплотнением		+	+
С разделением по времени с использованием оптических переключателей		+
С разделением по времени с использованием оптических усилителей	+	+
С когерентным излучением в одном направлении и модуляцией интенсивности в другом		+	+
С одним источником излучения				+	+
С модовым разделением			+
С когерентным излучением для обоих направлений с разными видами модуляции	+	+	+

2.6 Построение передающих и приемных устройств в волоконнооптических системах передачи

2.6.1 Виды модуляции оптических колебаний

Для передачи информации по оптическому волокну необходимо изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.

Существует три вида оптической модуляции:

Прямая модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала (рис.2.9).

Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры оптической несущей (рис.2.10).

Внутренняя модуляция. В этом случае исходный сигнал управляет параметрами модулятора, введённого в резонатор лазера (рис.2.11).

Для внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ) модуляторы.

Принцип действия электрооптического модулятора основан на электрооптическом эффекте - изменении показателя преломления ряда материалов под действием электрического поля. Эффект, когда показатель преломления линейно зависит от напряженности поля, называется эффектом Поккельса. Когда величина показателя преломления нелинейно зависит от напряженности электрического поля, то это эффект Керра.

Акустооптические модуляторы основаны на акустооптическом эффекте - изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

Наиболее простым с точки зрения реализации видом модуляции является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. На рис.2.12 представлена схема простейшего прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётся на базу транзистора V1, в коллектор которого включен излучатель V2. Устройство смещения позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной характеристике излучателя.



Схема прямой модуляции

2.6.2 Оптический передатчик прямой модуляции

Структурная схема оптического передатчика прямой модуляции приведенная на рис.2.13, является оптимальной, т.к. наиболее рационально реализует все функциональные возможности и достоинства выбранного вида модуляции.

Структурная схема оптического передатчика

Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается (рис.2.14), и при отключенных цепях стабилизации мощности уровень оптической мощности при передаче «0» (Р0) и при передаче «1» (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iб и порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0 уменьшается. После времени установления переходных процессов в цепях стабилизации устанавливаются новые значения Iб и Iп и восстанавливаются прежние значения Р1-Р0 и Рср. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термостабилизации (СТС), поддерживающая мощность излучения передающего оптического модуля постоянной при изменении температуры от номинального значения.



Принцип работы цепей стабилизации передающего оптического модуля

2.6.3Оптический приемник

Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.2.15. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В линейной коррекции компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.



3. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

3.1 Методы построения структурных схем одноволоконных оптических систем передачи

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 Мбит\сБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Ниже рассмотрены несколько методов и схем построения одно-волоконных оптических систем передачи различных типов и различного назначения.

3.1.1 Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов разветвления оптических сигналов

Данная группа схем включает в себя одноволоконные оптические системы передачи с оптическими разветвителями, с оптическими циркуля-торами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 3.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

Устройства объединения и разветвления оптических сигналов, в зависимости от типа одноволоконной оптической системы передачи, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной оптической системы передачи можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

Максимальная длина регенерационного участка волоконнооптической системы передачи данного типа определяется соотношением:

где Эми - энергетический потенциал одноволоконной оптической системы передачи , ДБ;

?ов - затухание сигнала на одном километре оптического волокна, ДБ/км;

?уорс??- то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов, ДБ;

?усслк - то же, в УССЛК, ДБ;

?рс, ?нс - то же, в разъемных и неразъемных соединителях, ДБ;

l с - строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

где Эми' - энергетический потенциал, ДБ, волоконнооптическая система передачи при отсутствии шума обратного рассеяния излучения в оптическом волокне;

Ршор/Рш - доля шума обратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

Рассчитаем длину регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи первого типа при следующих исходных данных: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, ?ов=1 ДБ, ?нс=?усслк=0.1 ДБ, ?рс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формуле (2.1), при использовании оптических разветвителей с ?уорс=4ДБ:

3.1.2 Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени

Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной оптической системы передачи сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо устройства объединения и разветвления оптических сигналов использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 3.2).

Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов - оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором - по цепи управления направлением оптической волны накачки оптического усилителя.

Максимальная длина регенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

где ?уоп - затухание сигнала в УОП, ДБ;

Эми” - энергетический потенциал одноволоконнооптической системы передачи, определяемый соотношениями:

Эми”=Эми' при использовании оптических переключателей (Эми'- энергетический потенциал обычной волоконнооптической системы передачи с учётом специального кодирования).

Эми”=Эми'-10lg(1+Ршоу/РШ) при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Ршор и Рш - мощности эквивалентного шума на входе оптического приемника и шума оптического усилителя на его выходе, ДБ.

Затухание сигнала в устройстве оптического переключения определяется соотношениями:

?уоп=?п при использовании оптического переключателя, где ?п - затухание сигнала в оптическом переключателе;

?уоп=?ор-Коу при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Коу - коэффициент усиления ОУ, ДБ.

Длина регенерационного участка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использовании оптических переключателей (?уоп=3.5ДБ), согласно формуле (2.3), составляет:

На стоимость одноволоконнооптической системы передачи второй группы существенно влияет выбор типа устройства оптического переключения, особенно в случае использования оптических усилителей. Надежность волоконнооптической системы передачи этой группы, в отличие от рассмотренной выше, существенно зависит от надежности устройства оптического переключения в случае применения оптического усилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковые лазеры.

3.1.3 Волоконнооптическая система передачи, на основе использования различных видов модуляции

Третья группа схем одноволоконных оптических систем передачи основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов. И соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 3.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики - когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной оптической системы передачи третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом - когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

На рисунке 3.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от волокон-нооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной оптической системы передачи (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи третьей группы определяется выражением:

где:

n=11;22;33;

Э11'=Экои-ам, Э22'=Экои-чм, Э33'=Эми' - энергетический потенциал когерентных волоконнооптической системы передачи с амплитудной и частотной модуляцией и волоконнооптической системы передачи с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных оптических систем передачи первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях - различными. В частности Э11'больше Э33' на 10..15 ДБ, а Э22' больше Э11' на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11'=45ДБ) составляет:

Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в волоконнооптических системах передачи третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных оптических системах передачи с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.

3.1.4 Волоконнооптическая система передачи с одним источником излучения

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных оптических систем передачи по схеме на рис.3.5 В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в модулятор отраженного излучения, а меньшая - в оптический приёмник. В оптическом передатчике принятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом. И через устройство объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС) поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

Такие волоконнооптические системы передачи могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконнооптической системы передачи значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Где ?ор1, ?мои - соответственно затухание сигнала в оптическом разветвителе на выходе 1 и в модулятор отраженного излучения, ДБ.

Длина l4 для ?ор1=1 ДБ, ?мои=3 ДБ и приведенных в пункте 2.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:



Показатели надежности одноволоконной оптической системы в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях эксплуатации.

3.2Окончательный выбор структурной схемы передатчика

3.2.1 Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители.

Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации - системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях городской телефонной сети, для него характерны следующие критерии оптимальности:

- Стоимость и простота реализации;

- Длина регенерационного участка не менее 8 км;

- Относительно низкая скорость передачи (8.5 Мбит\с).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконнооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 3.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерацион-ного участка до 18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

3.2.2 Структурная схема оптического передатчика

Структурная схема оптического передатчика представлена на рис.3.6. Сигнал в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).



В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.

4. Конструктивный расчёт печатной платы одноволоконной оптической системы передачи

4.1 Выбор материала печатной платы

Материал печатной платы должен обладать высокой механической прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, иметь высокую нагревостойкость, а также иметь высокую степень агдезии печатных проводников. Основными наиболее часто употребляемыми материалами печатных плат являются гетинакс и стеклотекстолит. Проведём сравнительный анализ этих материалов. Основные характеристики гетинакса и стеклотекстолита приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Основные характеристики материалов предназначенных для изготовления печатных плат.

Материал	Плотность		Рабочая температура С	Удельное сопротивление
Гетинакс ГФ1-50 ГОСТ 10316-78	1,4	78	-60 +105
Стеклотекстолит СФ-2-35 ТУ16-503-161-83	1,5	294	-60 +105

Гетинакс значительно дешевле стеклотекстолита. Гетинакс также легче обрабатывается, что способствует повышению технологичности платы.

По электроизоляционным свойствам гетинакс уступает стеклотекстолиту. Тангенс угла диэлектрических потерь у гетинакса 0.06, у стеклотекстолита 0.03. Гетинакс также уступает и по механической прочности и жесткости, что приводит к увеличению требуемой толщины платы. Гетинакс более подвержен воздействиям химических реактивов при химическом методе изготовления печатной платы. Это еще больше ухудшает его диэлектрические свойства

Прочность сцепления проводящего покрытия с гетинаксовым основанием невысокая и резко падает при повышении температуры. Это затрудняет производство плат высоких классов точности на гетинаксовом основании, а также практически исключает возможность замены элементов из-за отслаивания контактных площадок. При изготовлении двухсторонних печатных плат на гетинаксовом основании, практически невозможно выполнить качественную металлизацию отверстий.

Рассмотренные недостатки делают гетинакс практически непригодным для изготовления печатной платы одноволоконного оптического передатчика. Поэтому выбираем в качестве материала печатной платы стеклотекстолит марки СФ2-35-15.

4.2 Размещение элементов и разработка топологии печатной платы

При размещении элементов на печатной плате необходимо руководствоваться следующими принципами:

Длинна соединений между элементами должна быть минимальной.

Необходимо максимально разнести наиболее термочувствительные элементы схемы и тепловыделяющие элементы, за исключением термодатчиков, специально предназначенных для обнаружения изменения температуры тепловыделяющих элементов схемы.

Для обеспечения наибольшей механической прочности платы необходимо равномерно (с точки зрения массы) разместить элементы на поверхности печатных плат.

Элементы стабилизаторов должны находится на максимальном удалении (расстоянии) от входных сигнальных цепей для увеличения помехозащищённости устройства.

Для удобства монтажа однотипные ЭРЭ рекомендуется размещать группами.

Рассчитаем необходимые размеры печатной платы.

В конструкции разрабатываемого блока присутствуют два устройства: источник питания и передающее устройство. Целесообразно разместить эти устройства на разных печатных платах.

Тогда площадь занимаемая всеми ЭРЭ в передающем устройстве рассчитываем по формуле:

(5.1)

где площади занимаемые резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, интегральными микросхемами и разъемами соответственно. Рассчитаем эти площади:

где количество резисторов С2-23-0.125,

С2-23-1, СП3-19А в схеме соответственно. Тогда:

Аналогично находим площади, занимаемые остальными элементами:

Тогда:

Необходимую площадь печатной платы рассчитываем по формуле:

(5.3)

где коэффициент заполнения платы, для профессиональной передающей аппаратуры

Тогда:

В соответствии с требованиями технического задания ширина платы должна быть не более 100мм. Тогда находим необходимую длину печатной платы:

Значит максимальный размер печатной платы для передающего устройства составляет 100х138мм.

Найдём площадь занимаемую всеми ЭРЭ в источнике питания:

 ,

где площади занимаемые резисторами, конденсаторами, диодами, диодными сборками и разъемами соответсвенно. Рассчитаем эти площади:

Тогда:

Необходимую площадь печатной платы источника питания рассчитываем по формуле:

В соответствии с требованиями технического задания ширина платы должна быть не более 80мм. Тогда находим необходимую длину печатной платы:

Значит, максимальный размер печатной платы для источника питания составляет 80х86мм.

По конструкции печатные платы делятся на типы:

односторонние

двусторонние

многослойные

Для данного изделия необходимо использовать двустороннюю печатную плату с металлизированными монтажными и переходными отверстиями. Несмотря на высокую стоимость, двусторонние печатные платы с металлизированными отверстиями характеризуются высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы и позволяет уменьшить габаритные размеры платы за счет плотного монтажа навесных элементов.

Двухсторонние платы с дискретными элементами, микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, при средней насыщенности поверхности печатной платы навесными элементами, относятся к 3-му классу точности по ГОСТ 23751-86. Основные конструктивные параметры печатных плат, соответствующих этому классу точности, приведены в таблице 5.3.

Таблица 4.3

№	Наименование параметра	Значение
1 2 3 4 5 6 7 8 9	Минимальное значение номинальной ширины проводника t, мм. Номинальное расстояние между проводниками S, мм. Гарантийный поясок на наружном слое , мм.

Подобные документы

• Проект ГТС на базе SDH (СЦИ)

  Разработка схемы построения городской телефонной сети на базе систем передачи синхронной цифровой иерархии. Нумерация абонентских линий. Составление диаграмм распределения нагрузки. Структурный состав абонентов. Выбор оптимальной структуры сети SDH.
  
  курсовая работа [1,3 M], добавлен 01.12.2014
  

• Системы передачи со спектральным уплотнением оптических каналов WDM/DWDM

  Стандартная иерархия синхронных систем передачи. Временное разделение каналов. Волоконно-оптические сети 2-го поколения. Контрольно-измерительное оборудование для WDM/DWDM систем передачи сигнала. Параметры передатчика, влияющие на функционирование DWDM.
  
  презентация [1,4 M], добавлен 18.11.2013
  

• Организация сети местной телефонной связи

  Принципы и особенности построения систем автоматической коммутации на примере местной телефонной сети. Разработка схемы сети связи. Расчет телефонных нагрузок приборов ATC и соединительных линий, количества оборудования. Выбор типа проектируемой ATC.
  
  курсовая работа [1019,3 K], добавлен 27.09.2013
  

• Основы теории сжатия информации и уплотнения каналов

  Разработка системы сжатия и уплотнения каналов систем линий связи. Мажоритарное уплотнение каналов. Способы определения функций Уолша. Расчет характеристик и выбор элементов структурной схемы. Структура группового сигнала. Выбор частоты дискретизации.
  
  курсовая работа [110,1 K], добавлен 28.02.2011
  

• Передающее устройство для оптической сети

  Выбор и обоснование структурной схемы передатчика. Методы построения структурных схем одно-волоконных оптических систем передачи. Окончательный выбор структурной схемы передатчика. Мероприятия по охране труда.
  
  дипломная работа [210,0 K], добавлен 18.03.2005
  

• Разработка устройства для передачи сигнала на частоте 88-102 МГц

  Классификация радиопередающих устройств. Разработка принципиальной схемы устройства для передачи сигнала. Выбор и обоснование функциональной и принципиальной схем FM-модулятора. Изготовление печатной платы. Безопасность работы с электронной техникой.
  
  дипломная работа [4,0 M], добавлен 29.12.2014
  

• Реконструкция участка сети для увеличения пропускной способности с применением DWDM-технологии

  Подбор и обоснование телекоммуникационной технологии, в рамках которой будет работать магистральная система передачи. Выбор оборудования для среды передачи. Определение уровней оптических каналов, а также расчет коэффициентов усиления систем передачи.
  
  дипломная работа [1,8 M], добавлен 05.07.2017
  

• Телекоммуникационные системы и технические способы защиты

  Принципы построения систем передачи информации. Характеристики сигналов и каналов связи. Методы и способы реализации амплитудной модуляции. Структура телефонных и телекоммуникационных сетей. Особенности телеграфных, мобильных и цифровых систем связи.
  
  курсовая работа [6,4 M], добавлен 29.06.2010
  

• Разработка элементов цифровой системы передачи

  Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.
  
  курсовая работа [1,7 M], добавлен 20.07.2014
  

• Проектирование цифровой системы передачи информации

  Расчет параметров цифровой системы передачи, спектра АИМ-сигнала. Квантование отсчетов по уровню и их кодирование. Расчет погрешностей квантования. Формирование линейного сигнала. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи с ИКМ.
  
  курсовая работа [4,9 M], добавлен 08.10.2012
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам