Проектирование магистральной волоконно-оптической системы передачи повышенной пропускной способности

3.3.2 Результаты сравнения систем передачи

В результате сравнения производителей систем передач были выбраны две наиболее подходящие это система Cisco ONS 15808 и система ПУСК, выпущенная в России фирмой ИРЭ-Полюс. Рассмотрим их более подробно. Сравним их технические характеристики остановимся на магистральных платформах фирмы Cisco, а также на платформе, выпущенной в России фирмой ИРЭ-Полюс.

Cisco. Оптическая платформа дальней связи Cisco ONS 15808 Long Haul/Extended Long Haul DWDM. Cisco ONS 15808 - это продукт операторского класса, обеспечивающий непревзойденную надежность и мощность, высокоскоростной оптический транспорт, способный масштабироваться совместно с ростом сети Интернет. Явившийся продолжением популярнейшей платформы Cisco ONS 15801, он дополнил ее новейшими научными достижениями, удовлетворяя постоянно растущие потребности в пропускной способности. ONS1 5808 объединяет в себе масштабируемость до большого количества каналов с гибкостью Long Haul (LH) или Extended Long Haul (ELH) в одной системе, а также интегрируется с другими технологиями и продуктами Cisco (GSR 12000, ONS 15454, ONS 15200...) под единой системой управления Cisco Transport Manager (CTM), обеспечивая единое решение IP+Optical. Поддерживая до 160 каналов по 10 Гбит/с (готов к поддержке 40 Гбит/с на канал) для приложений LH совместно с будущей поддержкой дополнительных 60 каналов в диапазоне S, ONS 15808 обеспечивает поистине огромную пропускную способность. При этом система проектировалась таким образом, чтобы одновременно с обеспечением максимального числа каналов обеспечивать прекрасные результаты с точки зрения длины одного участка на всех типах волоконно-оптических кабелей. Поддержка ELH (40 каналов в диапазоне L с дальнейшим увеличением до 80) дает возможность во многих случаях избежать промежуточной электрической регенерации (O/E/O) сигнала, используя вместо этого усилители Рамана, что в конечном итоге приводит к сокращению расходов и количества размещаемого оборудования. Возможность комбинирования в одной платформе функциональности LH и ELH позволяет строить и развивать сети с поразительной эффективностью. ONS 15808 комбинирует большое количество каналов с гибкой архитектурой, которая позволяет масштабировать систему в соответствии с будущими потребностями, начиная с небольших начальных затрат, модернизируя систему без прекращения функционирования уже используемых каналов, в режимах LH/ELH и поддерживая (в будущем) 40 Гбит/с каналы и диапазон S. Операционные расходы также минимизированы благодаря использованию лазеров с настройкой на длину волны (tunable lasers) и одинаковых оптических усилителей для различных узлов (уменьшает спектр запасных частей). ONS 15808 поддерживает наложенные сети, передающие различные типы трафика на самые разные расстояния (региональные, национальные, интернациональные), обеспечивая максимальную канальную емкость. Более того, поддержка LH и ELH позволяет одной и той же системе передавать данные различных уровней/направлений (одновременная реализация международных каналов связи совместно с национальными/региональными. Таким образом, в пределах одного волокна могут передаваться как данные между узлами опорной международной сети, так и региональный трафик). Система ONS15 808 позволяет операторам предоставлять высококачественные услуги благодаря системе защиты отдельных каналов, обеспечивающей миллисекундный уровень срабатывания. Встроенные возможности мониторинга сигналов от клиентских устройств совместно с контролем функционирования сети позволяют обеспечивать клиентам заданный уровень сервиса (SLA), постоянно контролировать его, а также предсказывать возможные места сбоя и ликвидировать их в плановом порядке, уменьшая суммарное время простоя сети.

В режиме LH система поддерживает прямо сейчас до 80 каналов в диапазоне С с четким планом миграции к 160 каналам (25 ГГц на канал) в последующих версиях. Система поддерживает передачу еще 40 каналов на расстояние 2000 км в режиме ELH. Режим ELH позволяет передавать информацию на 2000 км без электрической регенерации, используя параллельно с этим диапазон С для каналов LH. Добавление новых каналов как LH, так и ELH осуществляется без прекращения работы уже установленной системы.

К отличительным особенностям системы ONS15808 относятся:

* поддержка режимов LH и ELH в одном устройстве;

* поддержка механизма коррекции ошибок (Out-of-band Forward Error Correction, OOB FEC);

* оптические усилители EDFA и Рамана;

* полная интеграция с системой EMS/NMS Cisco Transport Manager;

* лазеры с настройкой на длину волны;

* модули мультиплексирования 4 х 2,5 Гбит/с и 8 x GigE в один канал 10 Гбит/с;

* модули мультиплексирования 4 х 10 Гбит/с в один канал 40 Гбит/с;

* будущая поддержка 25 ГГц на один канал.

ONS 15808 спроектирован с использованием уникальных оптических технологий и функций. Автоматический контроль мощности сигнала для каждого канала совместно с мощными транспондерами и механизмом самоподстройки, использующем OOB FEC, позволяет значительно повысить качество передаваемого сигнала. Более того, каждый оптический усилитель полностью контролирует разницу уровней выходных сигналов на разных каналах при помощи встроенных регулируемых оптических аттенюаторов (VOA). В зависимости от количества передаваемых каналов могут устанавливаться дополнительные "накачивающие" лазеры (pumps). Специализированный алгоритм управления оптической мощностью управляет и регулирует уровни сигнала, передаваемого в одном направлении в зависимости от количества каналов, используемых в конкретный момент времени. Оптическая безопасность гарантируется поддержкой механизма автоматического выключения лазеров, в то же время специальный механизм предотвращает возможные сбои от мощных рамановских "накачивающих" лазеров. Система ONS 15808 поддерживает функции инициирования/терминирования отдельных каналов (OADM) в режимах LH и ELH (до 50% всех каналов может быть инициировано/терминировано). Любой узел оптического усиления может быть переоборудован в OADM путем добавления необходимых компонентов (ничего менять не надо). Причем это не повлияет на функциональность всей системы. ONS 15808 рассчитана на передачу оптических сигналов с пропускной способностью 2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с (40 Гбит/с в дальнейшем), независимо от протоколов более высокого уровня (SDH, IP, ATM).

Типы транспондеров:

* передающие транспондеры (Transmit Transponder, TT) - принимают сигнал от клиентского оборудования, производят преобразование длины волны и мощности сигнала для дальнейшей передачи через систему WDM в соответствии с рекомендацией ITU-T G.692;

* принимающие транспондеры (Receive Transponder, RT) - рассчитаны на прием сигнала из системы WDM с очень низким уровнем, осуществляют его распознавание и передачу качественного сигнала NRZ клиентскому оборудованию;

* линейные транспондеры (Line Transponders, LT) - используются для полной электрической регенерации (3R) сигнала. В зависимости от необходимого сервиса могут использоваться следующие виды транспондеров:

* OC-48/ STM-16 с поддержкой OOB FEC,

* OC-192/ STM-64 с поддержкой OOB FEC,

* VSR транспондер OC-192/ STM-64,

* транспондер с мультиплексированием 8 потоков Gigabit Ethernet (Muxponder),

* транспондер с мультиплексированием 4 потоков STM-16 (Muxponder),

* транспондеры с настраиваемыми лазерами (20 каналов @ 50 ГГц).

Все оптические интерфейсы для подключения клиентского оборудования полностью соответствуют международным стандартам, описывающим оптические соединения (G.957 и G.691), что позволяет использовать систему ONS 15808 совместно с оборудованием других производителей. Важным путем развития системы является внедрение сигнальных протоколов GMPLS, OIF UNI и NNI, разрабатываемых OIF и IETF. Все разработки в этой области призваны повысить эффективность управления и, соответственно, снизить операционные расходы на этапах внедрения, модернизации и обслуживания развитой оптической инфраструктуры. Использование в системе кода коррекции ошибок, передаваемого параллельно с клиентским каналом (OOB FEC), позволяет повысить производительность системы в части соотношения сигнал/шум (OSNR), длины участка между двумя усилителями и количества поддерживаемых каналов. Код базируется на алгоритме Рида-Соломона (255, 239) и соответствует рекомендации ITU-T G.975. Получаемые при этом каналы функционируют с пропускной способностью 2,66 Гбит/с и 10,66 Гбит/с. Помимо улучшения характеристик системы OOB FEC обеспечивает канал связи для управления, а также критичную информацию для мониторинга параметров отдельного канала - уровень ошибок (исправленных/ неисправленных), что позволяет не только определять уровень предоставляемого сервиса, но и принимать решение о перекоммутации канала в случае его деградации. Кроме того, эта функция позволяет определить распределение ошибок и в соответствии с ним управлять системой для достижения наилучшего уровня BER. ONS 15808 постоянно контролирует ряд параметров в соответствии с рекомендацией ITU-T G.826, основываясь на информации поля B1 и данных системы коррекции ошибок. Эти параметры пересылаются на сервер управления (CTM) каждые 15 минут или 24 часа и включают:

* ES - Errored Seconds (после системы коррекции ошибок),

* SES - Severely Errored Seconds (после системы коррекции ошибок),

* BBE - Background Block Errors (после системы коррекции ошибок),

* UAS - UnAvailable Seconds (после системы коррекции ошибок),

* ECR - Error Corrected Rate,

* UCR - UnCorrected Rate.

Система ONS 15808 предлагает механизм защиты (резервирования) клиентского сигнала в случае, если это требуется, и протоколы более высокого уровня таких механизмов не имеют. Решение об использовании механизма Optical Channel Protection (OCP) может приниматься индивидуально для каждого отдельного канала, при этом гарантируется время переключения в несколько миллисекунд, что гарантирует его срабатывание до начала работы протоколов более высокого уровня. Система позволяет резервировать каждый отдельный канал, используя вышеупомянутый механизм. OCP функционирует на терминальных узлах, обеспечивая резервирование 1+1 для отдельного канала. Механизм обеспечивает защиту канала, срабатывающую на одной из сторон без автоматического возврата. OCP логически размещается между клиентским оборудованием и системой WDM для резервирования путей. OCP состоит из передающего и принимающего компонентов. В передающей подсистеме сигнал, приходящий от клиентского оборудования, разделяется и передается передающим транспондерам основного и резервного путей. В принимающей подсистеме сигнал от принимающих транспондеров основного и резервного путей поступает на оптический коммутатор 1х2, который осуществляет выбор сигнала и переключение в случае проблем на оптическом уровне. Выбранный сигнал затем поступает на клиентское оборудование. Решение о переходе на резервный маршрут принимается не только в случае обрыва (Loss of Signal), но и при деградации сигнала (увеличение количества ошибок), определяемого по FEC, и наличии неверного сигнала (Loss of Modulation). Максимальное время восстановления с момента выхода из строя канала до полного восстановления составляет несколько миллисекунд. Кроме того, решение о переключении может быть сгенерировано с консоли или сервера управления. Более подробная техническая информация о платформе Cisco ONS 15808 представлена на странице:

ИРЭ-Полюс. Фирма ИРЭ-Полюс выпускает магистральную платформу уплотнения спектральных каналов "ПУСК". DWDM система "ПУСК" удовлетворяет всем требованиям построения магистральных транспортных сетей и увеличению пропускной способности ВОЛС по мере роста сети. Оно предназначено для использования в магистральных, зональных и городских оптических сетях и обеспечивает передачу в одном оптическом волокне до 160 спектральных каналов, в каждом из которых битовая скорость цифрового потока может быть от 100 Мбит/c до 10 Гбит/c. Оборудование "ПУСК" предназначено для использования в линиях, использующих одномодовые оптические волокна следующих типов: МСЭ-Т G.652, G.653, G.654, G.655 и G.656.

Работа с SDH, PDH, ATM, Gigabit Ethernet, Fast Ethernet на скоростях до 10 Гбит/с.

До 160 DWDM каналов по одному волокну; длина регенерационного участка до 2000 км; транспондеры с перестройкой каналов и регулировкой выходной мощности; различные схемы резервирования; рост числа каналов без потери трафика; модули компенсации дисперсии; удаленное управление и мониторинг; сертификат "СВЯЗЬ" №ОС-СП-813; лучшая цена среди DWDM систем.

Платформа уплотнения спектральных каналов ПУСК предназначена для передачи до 160 каналов по одному волокну в диапазоне 1530 ч 1610 нм.

Оборудование ПУСК полностью прозрачно для протоколов физического уровня и позволяет осуществлять передачу сигналов ATM, PDH, Gigabit Ethernet, Fast Ethernet, Fibre Channel, ESCON/FICON, FDDI на скоростях 0,1 до 2,7 Гбит/с и каналами SDH от STM-1 до STM-64 (10 Gb/s).

Оборудование "ПУСК" обеспечивает передачу сигнала через каскад оптических усилителей на расстояния до 2000 км без электрической регенерации. Возможен вывод одного или нескольких спектральных каналов в промежуточных пунктах через мультиплексоры ввода/вывода. Высокая мощность усилителей и средства проектирования сети позволяют использовать усилительные участки переменной длины 50-200 км для размещения оборудования только в существующих пунктах. "ПУСК" обеспечивает передачу сигналов по волокнам G.652 - G.655. Система полностью совместима со стандартами G.692 и G.709. Оборудование поддерживает различные схемы резервирования, что повышает надежность сети.

Состав оборудования и технические характеристики

· Универсальные транспондеры для скоростей от 0.1 до 2.5 Гб/c (10 Гб/c), управление мощностью каждого транспондера.

· Транспондер оптического служебного канала.

· Оптические мультиплексоры/демультиплексоры на 4/8/16 каналов.

· Оптические групповые мультиплексоры до 160 каналов

· Мультиплексоры ввода/вывода от 1 до 16 каналов.

· Оптический усилитель передачи мощностью от 60 мВт до 1 Вт.

· Оптический промежуточный усилитель.

· Компенсаторы дисперсии.

· Рамановский предусилитель мощностью до 27 дБм.

· EDFA предусилитель с низким уровнем шумов NF<4,5 дБ.

· Конвертер для двусторонней передачи по одному волокну.

· Коэффициент ошибок BER не хуже 10^-12.

· Оптические интерфейсы FC-UPC/APC, SC- UPC/APC, E2000-APC.

Система контроля и управления

Управление аппаратуры пользователем может осуществляться вручную органами управления на передней панели устройств, либо с помощью внешнего персонального компьютера подключенного через Serial port или RJ-45 port (интерфейсы RS232C и 10/100-Base-TX). Протоколы электрических стыков согласованы с интерфейсами персонального компьютера и локальной сети Ethernet. Также входит блок служебного канала Fast Ethernet и мониторинг оптической мощности каналов DWDM.

На прикладном уровне используются протоколы SNMP и HTTP.

Имеется возможность контроля и управления с помощью удалённой рабочей станции.

Конструкция

Различные устройства аппаратура "ПУСК" могут выполняться в разном конструктивном исполнении.

Оборудование в стандартной комплектации выполняется либо в отдельных корпусах, размещаемых в стойках Европейского стандарта (ETSI), либо в виде модулей, вставляемых в шасси K19, также предназначенное для размещения в стойках Европейского стандарта (ETSI) - стандартные 19" или 21" стойки.

Электропитание

Аппаратура питается от источников постоянного тока с заземленным положительным полюсом через дублированные блоки питания 36 - 72/220В, энергопотребление 120 Вт.

Надежность

Среднее время наработки на отказ устройств аппаратуры "ПУСК" с учетом резервирования не менее 5 лет. Время восстановления при использовании аппаратуры из состава ЗИП не превышает 30 минут. Срок службы аппаратуры составлять не менее 10 лет.

Список всех возможных компонент аппаратуры "ПУСК":

· транспондеры TP

· транспондеры служебного канала TP-SC

· эрбиевые оптические усилители EAU

· эрбиевые оптические усилители c удалённой оптической накачкой ROP-EAU

· оптические усилители на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)RAU

· оптические мультиплексоры OM

· оптические демультиплексоры OD

· оптические мультиплексоры-демультиплексоры OMD

· оптические мультиплексоры ввода-вывода OADM

· оптические аттенюаторы FA

· оптические изоляторы FI

· оптические циркуляторы СR

· оптические разветвители FC

· оптические фильтры TFF

· компенсатор хроматической дисперсии DCU

· модули резервирования оптического тракта BS

· блоки служебной связи AC

· блоки общестоечной сигнализации AS

· блоки питания PS

· блоки управления и контроля CU

· шасси для установки в телекоммуникационную стойку K19

4. Экспериментальная часть - измерение параметров ПОМ

Измерение параметров спроектированного приемо-передающего оптического модуля. Целью экспериментальных исследований является оценка параметров спроектированного бортового приемо-передающего оптического модуля, таких как BER, зависимость скорости передачи устройства от величины вносимых затуханий в линию связи, а также исследование характеристик модуля при изменении температурного диапазона.

Экспериментальное оборудование

Для проведения эксперимента использовалось следующее оборудование:

Ш Блок питания HP E3631A

Выходное напряжение 0 ч 6В с максимальным током 5А, 0 ч +25В и 0 ч -25В с током 1,0 А с точностью регулировки напряжения <0,01% +2мВ и тока <0,01% +250 мА. Выходная мощность 80 Вт.

Ш Генератор Anritsu MP1632A

Частотный диапазон: 50 МГц ч 3,2 ГГц.

Генерирует тестовые последовательности: PRBS 2n-1 (n:7,9,11,15,20,23,31). Программируемая последовательность не более 8 бит. Компактный длинноволновой анализатор, расположенный в генераторе, комбинирует в себе передатчик и приемник и используется для нахождения ошибки в высокоскоростном сигнале со скоростью до 3,2 ГГц.

Ш Электронный осциллограф HP 83480A

Цифровой осциллограф, характеризующий высокоскоростные цифровые коммуникационные сигналы со скоростями от 155 Мбит/с до 10 Гбит/с.Обеспечивает высокоточные измерения. Имеет оптические каналы, откалиброванные для принятия сигналов Fibre Channel, SDH/SONET, Gbit Ethernet. Электрический канал обладает полосой пропускания 50 ГГц, время срабатывания <8пс±0,1%.

Ш Анализатор ошибок HP 70842 A

Анализатор ошибок для цифрового сигнала со скоростью от 100 Мбит/с до 3 Гбит/с. Предельное значение измеряемого коэффициента ошибок 10^-10.

Ш Термокамера Heraeus Votsch

Диапазон изменяемых в температур внутри оборудования составляет от -40 до 50єС. Для проведения наиболее точных измерений в термокамере необходимо выдерживать не менее 20Ї30 минутные паузы после установления необходимой температуры.

Ш Оптический аттенюатор

Оптический аттенюатор используется для внесения затуханий в волоконно-оптическую линию, представляющую из себя многомодовое волокно на 850 нм.

Ш Приемо-передающий оптический модуль

Спроектированное устройство представляет собой плату небольших размеров, с размещенными на ней микроэлектронными элементами и разъемами SMA.

Порядок проведения эксперимента

Экспериментальные исследования спроектированного бортового приемо-передающего оптического модуля проводятся по следующей схеме:

С генератора последовательности импульсов на приемо-передающий модуль и анализатор ошибок подается псевдослучайная последовательность импульсов определенной частоты.

Приемо-передающий модуль осуществляет преобразование входного электрического сигнала в оптический и передает его в волоконно-оптическую линию связи.

С помощью аттенюатора в волоконную линию вносится затухание, что приводит к снижению мощности передаваемого сигнала. На приемную часть модуля поступает маломощный сигнал, что может привести к неверному его приему и дешифрированию.

Принятый сигнал подается на анализатор ошибок и сравнивается с исходным, таким образом, определяется достоверность принятого сигнала.

Рисунок 4.1 Схема измерительного стенда

Генератор последовательности обеспечивает временную синхронизацию сигнала с анализатором ошибок, который осуществляет побитовое сравнение между полученными из тестируемого приемо-передающего модуля данными и исходными из генератора последовательности. Любое различие между двумя символами в детекторе интерпретируется как битовая ошибка. Для большинства цифровых коммуникационных протоколов устанавливают максимальное значение коэффициента ошибок. Для протоколов подобных Fibre Channel и Ethernet, при использовании коротких пакетов битов BER должен быть ниже 10^-12.

Также принятый модулем сигнал подается на осциллограф, на котором отображается глазковая диаграмма, которая отражает на экране принятые двоичные последовательности одна поверх другой. Диаграмма должна демонстрировать максимально возможное открытие "глаз".

Включение в экспериментальную установку анализатора ошибок и осциллографа позволяют наглядно убедиться в зависимости параметров глазковой диаграммы от BER. При закрытии "глаза" схема оказывается подверженной к шуму и ухудшается качество сигнала, в этом случае появляется BER.

При проведении эксперимента вносимые в линию затухания считались приемлемыми до достижения порогового значения BER=10^-10. При достижении этого уровня ошибки анализатор выдавал информацию о превышении порогового уровня и сбое синхронизации.

Проектирование и разработка приемо-передающего оптического модуля является серьезной инженерной задачей. Поэтому тем более важно убедиться, что спроектированное устройство функционирует и обеспечивает предъявленные к нему требования по техническому заданию. Такими параметрами является обеспечение приемо-передающим модулем скорости передачи информации не менее 1 Гбит/с, а также стабильность оптического излучения при изменении температурного диапазона в пределах 100єС.

4.1 Исследование зависимости мощности оптического передатчика от температуры

волоконный оптический приемник ретранслятор

В эксперименте требовалось определить стабильность оптического излучения приемо-передающего модуля при изменении температуры окружающей среды.

Эксперимент проводился по схеме, показанной на рисунке 4.1. Исследуемый модуль был подключен к измерительному оборудованию и помещен в термокамеру, где осуществлялось изменение температурного диапазона окружающей среды в пределах от -40 до +65єС. С генератора последовательности символов на анализатор ошибок и бортовой приемо-передающий оптический модуль подавалась псевдослучайная последовательность символов PRBS7 с частотой 1 ГГц. С помощью аттенюатора в линию связи вносилось затухание до тех пор, пока коэффициент ошибок не достигал предельного значения 10^-10. Полученная величина затухания фиксировалась в таблице вместе с показателем температуры, установленной в термокамере для исследуемого модуля. Изменение температуры окружающей среды влияет на мощность излучения лазерного диода. В спроектированном устройстве предусмотрена система стабилизации интенсивности излучения диода. С помощью аттенюатора и анализатора ошибок косвенно анализировалась оптическая мощность предающего модуля. Внесение аттенюатором затухания в волоконную линию имитирует реальную несколько километровую линию связи. Поэтому если мощность излучения передающего модуля не стабильна, то это неизбежно отобразится на величине вносимых затуханий. Непосредственное значение излучаемой мощности не существенно, а нас интересует влияние на нее различных факторов.

Полученная зависимость изображена на рисунке 4.2.

a,dB	19,9	19,9	19,9	20	20	20	20	20	20	20	20,05	20,1	20,15	20,2	20,2
Т,єС	-40	-30	-20	-10	0	10	20	30	40	45	50	55	60	65	70

Рис. 4.2 Зависимость затуханий вносимых в линию от температуры

Эксперимент наглядно показал, что благодаря схеме термостабилизации влияние температуры на выходную мощность передатчика сведено к минимуму. Изменение выходной мощности приемо-передающего модуля при температурном разбросе в 100єС составляет всего 0,3 дБ, что подтверждает верное схемно-конструктивное решение спроектированного модуля.

4.2 Исследование влияния затухания ВОЛС на скорость передаваемой информации при различной температуре окружающей среды

Второй эксперимент проводился аналогично первому, только фиксировалось допустимое вносимое затухание в линию в зависимости от скорости передаваемой информации при разных температурах окружающей среды. Исследование было произведено для следующих температур окружающей среды: t₁=-30єC, t₂=20 єC, t₃=60 єC. Полученные зависимости представлены на рис. 4.3.

Рис. 4.3 Зависимость затуханий, вносимых в линию, от скорости передаваемой информации и температуры окружающей среды

Из полученных результатов видно, что при всех трех температурных значениях t₁=-30єC, t₂=20 єC, t₃=60 єC, частотные характеристики очень незначительно отличаются друг от друга. То есть частотные характеристики приемо-передающего модуля практически не подвержены влиянию температуры в заданном диапазоне. Так же эксперимент подтверждает, что спроектированное устройство обеспечивает скорость передачи данных до 2,5 Гбит/с, что превышает требования технического задания.

4.3 Глазковые диаграммы

При экспериментальных исследованиях на осциллографе отображались глазковые диаграммы, которые наглядно характеризовали принятый из волоконно-оптической линии сигнал.

Рис. 4.4 Сравнение глазковой диаграммы при t=65єС и при t=-40єС (затухание в обоих случаях нулевое)

Как видно из рис. 4.4, глазковая диаграмма имеет четкие формы, хороший раскрыв, малый джиттер, что подтверждает качественную передачу сигнала при отсутствии затуханий. Так как исследование проводилось на экспериментальной установке, и бортовой приемо-передающий модуль был подключен не к реальной линии достаточной протяженности, а всего к нескольким метрам волокна, то дисперсионные свойства волокна не могли сказаться на столь малых расстояниях, поэтому глазок имеет четкие фронты.

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению раскрыва глазка, но не приводит к появлению шумовой составляющей. При изменении частоты сигнала форма глазка значительно не меняется.

При внесении аттенюатором затуханий в линию уровень глазка значительно снижается, в том числе до критического для распознавания (рис. 4.5). Как видно, глазковая диаграмма имеет большой джиттер, малый раскрыв, что подтверждается большой вероятностью ошибки.

Рис. 4.5 Глазковая диаграмма при t=-40єС затухание а=20 дБ

5. Конструктивно-технологическая часть

5.1 Выбор и обоснование конструкции эрбиевого усилителя

Конструктивно эрбиевый усилитель может быть выполнен в каркасном варианте. За основу каркаса прибора, в результате маркетинговых исследований, были выбраны типоразмеры каркасов компании Schroff как наиболее полно отвечающие возможности разработки разнообразных вариантов усилителей под требования заказчика.

Внутри корпуса размещены основные узлы прибора: модуль управления, модуль электропитания, модуль оптический.

Модуль управления смонтирован на лицевой панели. Конструктивно модуль управления состоит из следующих элементов:

1. Лицевая панель - основной силовой элемент, представляет собой прямоугольную пластину толщиной 3 мм, в которой выполнены отверстия различной формы для расположения на панели органов включения, управления, индикации режимами работы прибора, и входных и выходных оптических разъемов. К лицевой панели крепится экран монитора с помощью рамки экрана, опоры рамки и стоек рамки, плата с элементами управления с помощью стоек, динамик с помощью рамки динамика и кронштейна динамика, замок включения режимов, сетевая кнопка и разъемы. Крепление лицевой панели к корпусу прибора осуществляется с помощью уголков.

Внешняя компоновка - это размещение органов управления и индикации на лицевой панели. Внешняя компоновка лицевой панели усилителя представлена на рис. 5.1.

"Power" - кнопка питания, крышка кнопки квадратная;

"Softkeys" - кнопки вызова функций, крышки кнопок прямоугольные;

"Cursor Keys" - кнопки управления курсором, крышки кнопок прямоугольные;



Рис. 5.1 Расположение органов управления на лицевой панели

"Knob" - энкодер - ручка круглая, регулирует значение на дисплее; с точки зрения эргономики удобная в эксплуатации, вращением ручки можно быстро подбирать необходимое числовое значение параметра;

"Emission Key" - ключ, используется как наиболее надежное устройство, чем кнопка, от случайного нажатия.

Для изображения надписей на лицевой панели используется самоклеющаяся пленка, на которой нанесена необходимая информация.

2. Плата управления крепится к лицевой панели на стойках. Линейные размеры платы определены размерами корпуса Schroff и необходимостью размещения вышеперечисленных элементов на передней панели, поэтому имеет не четко прямоугольную форму.

Из анализа схемы электрической принципиальной сделан вывод, что в качестве способа монтажа целесообразно использовать печатный монтаж. Это объясняется возможностью размещения всех элементов схемы на поверхности одной печатной платы.

В качестве технологии изготовления печатного узла используем технологию поверхностного монтажа, так как схема электрическая принципиальная предполагает наличие микросхем с большим количеством и малым шагом выводов; компоненты поверхностного монтажа позволяют обеспечить заданные габариты корпуса.

Технология поверхностного монтажа имеет следующие достоинства:

более высокая плотность монтажа на единицу площади ПП;

снижение массогабаритных показателей при той же функциональной сложности;

уменьшение величины паразитных индуктивностей и емкостей;

повышение технологичности конструкций вследствие отсутствия операций формовки и обрезки выводов.

На плате расположены разъемы, с помощью которых по шлейфам сигналы поступают на монитор, кросс-плату и к разъемам задней панели.

Задняя панель конструктивно выполнена также в виде прямоугольной пластины толщиной 3 мм, к ней крепятся: сетевой разъем, два коммутационных порта, разъема Interlock, вентилятор кондиционирования прибора, фильтр электропитания, в связи с чем, в ней выполнены отверстия различной формы. Задняя панель крепится к каркасу с помощью уголков.

Модуль электропитания включает в себя блок питания, кросс-плату и платы драйверов лазерных диодов. Кросс-плата крепится горизонтально относительно поддона корпуса прибора, а две платы драйверов крепятся на кросс-плате вертикально. Такая внутренняя компоновка необходима для рационального использования внутреннего пространства прибора. Название "кросс" плата получила в связи с тем, что через нее проходят практически все сигналы и в разных направлениях.

Оптический модуль состоит из блока оптического модуля и разветвительной коробки. Конструктивно блок оптического модуля представляет собой коробку диодов и коробку волокна, расположенную сверху. В коробке диодов расположены 6 лазерных диодов, а в коробе волокна равномерно уложено волокно. Верху блок оптического модуля закрывается крышкой. Разветвительная коробка представляет собой короб с девятью боковыми отверстиями под оптические кабели, который сверху также закрывается крышкой.

5.2 Процесс изготовления и сборки прибора EDFA

1. Получение заказа.

· Корректировка РКД, тех. карт, плана производства под конкретный заказ.

· Заказ материалов, инструментов

· Заказ комплектующих и крепежа

· Заказ чертежных деталей у смежников

2. Изготовление деталей, хранение

· Изготовление деталей

· Предварительная сборка

· Гальванопокрытие

· Покраска

· Хранение

3. Сборка прибора

· Оптический модуль

· Входной контроль компонентов

· Монтаж электронных компонентов

· Монтаж оптических компонентов

· Выходной контроль

· Модуль передней панели

· Изготовление передней панели:

а. Мех. обработка панели, уголков, стоек

б. Установка уголков

в. Г.О.

г. Установка кронштейна и стоек, клеммы "земля"

д. Выравнивание поверхности шпаклевкой

е. Наклейка лицевой этикетки

ж. Монтаж замка и разъемов

з. Монтаж ЖКИ

и. Распайка и монтаж платы и кнопок

к. Монтаж динамика

· Прошивка ПМО

· Выходной контроль

· Модуль задней панели

· Изготовление задней панели:

а. Мех. обработка

б. Нанесение информации и Г.О.

в. Установка уголков

· Входной контроль компонентов

· Монтаж электрических компонентов

· Каркас прибора

· Входной контроль компонентов

· Сборка каркаса Schroff (без облицовочных панелей)

· Установка поддона

· Установка клемм "земля" и стоек кросс-платы

· Установка кронштейна кнопки "Сеть"

· Монтаж в каркасе задней панели

· Распайка и монтаж кросс-платы

· Сборка прибора

· Установка передней панели, кнопки "Сеть"

· Установка блока питания, кросс-платы

· Установка оптического модуля

· Электрический монтаж, подключение узлов

· Выходной контроль, регулировка, тестирование

4. Составление эксплуатационных, сертификационных, сопроводительных документов

5. Упаковка, отгрузка

Рис. 5.2 Эрбиевый усилитель VS 5600

6. Экономическая часть

6.1 Составление плана-графика разработки (календарный план)

Процесс научно-исследовательской работы (НИР) состоит из многих стадий и этапов, выполняемых разными исполнителями, поэтому он должен быть четко скоординирован и увязан во времени.

Научно-исследовательская работа состоит из многих стадий и этапов. Они должны быть скорректированы и "увязаны" во времени для более эффективного использования материалов, ресурсов и труда исполнителей. Чтобы этого добиться, необходимо для каждой работы определить исполнителей, по трудоемкости выполнения работ определить соответствующую продолжительность этапов (по типовым нормам времени), таким образом, чтобы общая продолжительность проведения проектных работ по срокам совпадала с отпущенными на разработку днями. При этом для наиболее полного составления плана необходимо максимально детализировать этапы проработки темы, выбрать такое направление для воздействия на ход подготовки производства, чтобы весь комплекс работ был выполнен в сжатые сроки и с минимальными затратами.

К системе планирования и управления предъявляется ряд требований. График процесса должен отражать те стороны выполняемых работ, которые являются существенными в отношении достижения конечной цели. Он должен учитывать все возможные состояния работ, выполнение их в сроки, возможность их нарушения и последствия этого.

Ленточный график

Традиционные методы планирования используют простейшие модели типа ленточных графиков, представляющих собой схематическое изображение порядка проведения и длительности отдельных этапов работ. С помощью ленточного графика можно получить наглядное представление о взаимосвязи и последовательности различных этапов разработки, о планировании сроков проведения научно - исследовательской работы в целом.

При проведении данной НИР можно выделить 7 этапов:

1. Составление и утверждение технического задания.

2. Анализ ТЗ, подбор литературы и ее изучение, написание обзора.

3. Проведение теоретических расчетов, необходимых для проведения исследований.

4. Выбор методики проведения исследований.

5. Проведение экспериментальных исследований.

6. Оформление пояснительной записки.

7. Оформление графического материала.

В разработке проекта принимают участие два человека: руководитель проекта и инженер. Руководитель совместно с инженером разрабатывает техническое задание, а также предоставляет необходимые исходные данные и материалы, оказывает научно-техническую помощь, контролирует ход дипломного проектирования, оформление пояснительной записки, чертежей и сопроводительных документов. Инженер самостоятельно выполняет пункты 2-7.

В таблице 6.1 представлен план проведения НИР по стадиям разработки.

Таблица 6.1 Этапы проведения работ

Этапы № п/п	Стадии создания проекта	Этапы создания проекта	Продолжительность
			Трудоемкость в человеко-днях	Продолжительность в % от общего времени (инженер)
			Инженер	Руководитель
1	Составление и утверждение технического задания	Обоснование необходимости проекта	1	1	2,22%
		Разработка технического задания	1	1	2,22%
		Утверждение технического задания	1	1	2,22%
Итого:	3	3	5,66%
2	Анализ ТЗ, подбор литературы и ее изучение, написание обзора	Подбор литературы	4	1	6,66%
		Изучение литературы	9	-	9,99%
		Написание обзора	4	-	4,44%
Итого:	17	2	21,09%
3	Проведение теоретических расчетов, необходимых для исследований	Вывод необходимых формул	15	3	20%
4	Выбор методики проведения исследований	Выбор методики проведения исследований	5	1	6,55%
5	Проведение экспериментальных исследований	Исследование	15	2	18,93%
6	Оформление пояснительной записки	Оформление пояснительной записки	20	-	22,22%
7	Оформление графического материала	Оформление графического материала	5	-	5,55%
Всего:	80	10	100%

Таким образом, трудоемкость проекта составляет 90 человеко-дня, время работы инженера над проектом составляет 80 рабочих дней.

Для визуального отображения процесса проектирования был использован ленточный план-график, отражающий длительность каждого этапа работ, представленный на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 Ленточный график проведения работ

6.2 Составление смет затрат на разработку

В смету затрат на выполнение разработки включаются все работы, выполняемые дипломником самостоятельно, а также работниками НИИ и контрагентами. Это даёт возможность определить общие затраты по теме.

Общая сумма затрат на разработку программной системы складывается из следующих видов затрат:

- материальные затраты;

- затраты на оплату труда;

- отчисления на социальные нужды;

- амортизация основных фондов;

- прочие затраты.

6.2.1 Материальные затраты

К этой статье относится стоимость приобретаемого со стороны сырья, материалов, образующих основу выпускаемой продукции или являющихся компонентами при изготовлении продукции.

В данном случае материальные затраты включают затраты на исследуемые материалы и затраты на оплату электроэнергии и канцелярские товары. Перечень затрат по этой статье приведен в таблице 6.2.

Затраты на оплату электроэнергии могут быть вычислены по формуле

где Т_ЭЛ - тариф на электроэнергию;

М_ПОТРЛ - мощность, потребляемая лазером;

М_{ПОТРЭВМ} - мощность, потребляемая ЭВМ;

Т_ПОТРЛ - время использования лазерного оборудования;

Т_{ПОТРЭВМ} - время использования ЭВМ.

Тариф на электроэнергию составляет 1,37 руб. за 1 КВт. Потребляемая лазером мощность - 4 КВт/ч. Потребляемая мощность ЭВМ - 0,5 КВт/ч. Из общего времени выполнения дипломного проекта, равного 80 дням, ЭВМ использовалась в среднем 50 дней по 6 часов в день, лазер использовался в среднем 30 дней по 1 часу. Тогда затраты на оплату электроэнергии за этот период составляют:

Таблица 6.2 Материальные затраты

Материалы	Цена за шт.(м), руб.	Количество, шт. (м)	Сумма, руб.
Бумага для принтера	105,00	1 Пачка	105,00
Ручка шариковая	3,00	1	3,00
Карандаш	2,00	2	4,00
Ластик	2,00	1	2,00
Дискета Verbatum	11,00	3	33,00
Ватман	4,70	10	47,00
Картридж для лазерного принтера	700,00	1	700,00
Комм. шнур, ВО, FC-FC,9/125, Simplex, 2 м	444	4	1776
Комм. шнур, ВО, SC-FC,9/125, Simplex, 2 м	297	2	594
ВО проходной адаптер FC-FC, SM, Simplex	92	2	184
Расходы на электроэнергию	336		336
Итого:	4299
Итого без НДС:	3779

6.2.2 Затраты на оплату труда

В данном проекте эта статья складывается из затрат на заработную плату исполнителей (инженера (студента) и руководителя проекта). Исходными данными для расчета основной заработной платы является трудоемкость отдельных видов работ по категориям работающих.

Таким образом, основная заработная плата составляет:

где S_ДН.С. - дневная ставка; Т _Р. - время работы над проектом.

Оклад руководителя проекта, работающего по пятидневной рабочей неделе, составляет 25000 рублей. Время работы руководителя над проектом - 10 дней. Тогда расходы на оплату труда руководителя составят

Оклад инженера (студента), работающего по пятидневной рабочей неделе, составляет 15000 рублей. Общее время работы студента над проектом - 80 дней. Расходы на оплату труда инженера (студента) составят:

Таким образом, общая заработная плата составит:

Смета затрат на заработную плату исполнителей сведена в таблицу 6.3.

Таблица 6.3 Смета затрат на заработную плату

Исполнитель	Время работы над проектом	Оклад, руб.	Сумма заработной платы, руб.
Руководитель	10	25000	113603,6
Инженер	80	15000	545405,5
Итого:	65909,1

6.2.3 Отчисления на социальные нужды

Отчисления на социальные нужды включают единый социальный налог (26,2%) и отчисление на страхование от несчастных случаев (0,2%) от фонда оплаты труда.

Смета затрат на социальные отчисления сведена в таблицу 6.4.

Таблица 6.4 Смета затрат на социальные отчисления

Отчисления на социальные нужды, руб.	ЕСН 26%	17136,4
	Страховые отчисления 0,2%	13,18
	Итого:	17268,2

6.2.4 Амортизация основных фондов

Годовую сумму амортизации ЭВМ рассчитываем по формуле:

где Н_А - норма годовой амортизации ЭВМ;

С_ЭВМ - балансовая стоимость ЭВМ.

Для ЭВМ, используемых при разработке дипломного проекта норма годовой амортизации устанавливается в пределах 20 - 30%, примем Н_А=20%. Первоначальная (балансовая) стоимость ЭВМ С_ЭВМ составляет 22000 руб.

Сумма амортизационных отчислений определяется с учётом общего времени использования ЭВМ:

где F - действительный годовой фонд работы оборудования (2000 ч);

N_МЧ - количество часов рабочего времени, когда использовалась ЭВМ.

ЭВМ использовалась 50 дней в среднем по 6 часов в день, то есть

N_МЧ = 50 ? 6 = 300 часов.

Тогда

Расчёт суммы амортизационных отчислений представлен в таблице 6.5.

Таблица 6.5 Суммы амортизационных отчислений

Наименование	Количество	Балансовая стоимость, руб.	Время использования по теме, ч	Норма амортизации, %	Сумма амортизации, руб./год	Действ. год. фонд работы ПК, ч	Итого расходов, руб.
Персональный компьютер	1	22 000	300	20	4400	2000	660

6.3 Расчет цены НИР

К данной статье относятся расходы, которые прямо включить в себестоимость данной разработки не представляется возможным (например, расходы, связанные с эксплуатацией зданий, стоимость вспомогательных материалов). Они составляют в среднем 10% от начисленной заработной платы:

В итоге, суммируя затраты по всем пунктам получим сметную стоимость проекта:

Полная смета затрат приведена в таблице 6.6.

Таблица 6.6 Смета затрат на разработку

№ п/п	Статья расходов	Сумма, руб.	Удельный вес, %
1	Материалы (без НДС)	3779	4,1
2	Основная заработная плата	65909,1	70
3	Социальные отчисления	17268,2	18,3
4	Затраты на амортизацию оборудования	660	0,7
5	Прочие расходы	6590,9	7
Итого:	94206,83	100,0

6.4 Выводы по эффективности предложений

Ввиду того, что сравнить экономический расчет не представляется возможным. Оценку данной системы передачи можно дать лишь на стадии промышленного производства. Для сравнения на стадии разработки требуются данные о аналогичных затратах у других фирм, а такие данные являются закрытыми.

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Вопросы обеспечения безопасности труда и защиты окружающей среды

Безопасность при работе с оптическим кабелем. То, что волоконно-оптические системы могут представлять серьезную опасность для работающего с ними человека, совсем не новость. Вместе с тем полезно перечислить известные потенциальные опасности и указать меры по их ослаблению или полному устранению.

В ближайшем будущем почти каждый специалист в области телекоммуникаций будет иметь дело с оптическими системами. Работа с волоконной оптикой станет рутиной для следующего поколения. Поэтому научиться безопасно выполнять различные операции с ней лучше уже сейчас и не доводить дело до несчастных случаев.

Меры предосторожности при работе с источниками света. При работе с ОВ, прежде всего, следует позаботиться о выполнении техники безопасности в отношении источников света. Серьезную опасность могут представлять лазеры, однако наносимый ими вред проще всего предотвратить. Нужно всегда предполагать, что любое волокно активно и в качестве источника используется лазер, а не светоизлучающий диод (LED), который, несмотря на малую мощность, тоже может быть опасен, если выходящий из него свет фокусируется каким-либо смотровым прибором.

Практически во всех телекоммуникационных системах для передачи сигналов применяется инфракрасное излучение (ИК). Это значит, что его невозможно обнаружить визуально. Ни в коем случае нельзя "заглядывать" в волокно. Специальные конверторы или визуализаторы могут преобразовать свет из инфракрасного в видимый диапазон, но даже тогда его будет трудно обнаружить при ярком освещении. Для определения активности волокна лучше всего использовать датчик инфракрасного излучения.

При соединении волокон можно свести риск к минимуму, если держать конец волокна по направлению от себя. На самом деле в процессе соединения вообще не нужно смотреть на торец волокна, так как оно обычно располагается под крышкой сварочного аппарата или внутри механического соединителя. Конец волокна должен находиться на расстоянии вытянутой руки, что также очень важно. Если он сломан, то свет на выходе рассеивается поврежденным торцом и не представляет особой опасности. Если конец волокна сколот, свет, наоборот, остается коллимированным.

Кроме инфракрасного света нужно быть особенно внимательным при работе с ультрафиолетовым излучением (УФ). УФ иногда используется для отверждения клея в разветвителях и соединителях. В этом случае нельзя проводить работу без специальных защитных очков, ослабляющих УФ-излучение.

Оголенное волокно. Обломки оголенного волокна, т.е. волокна, с которого удалили защитную (вторичную) оболочку, оставив открытой стеклянную поверхность, могут быть очень опасными, если с ними обращаться неправильно. Сотни таких осколков образуются при сращивании оптических кабелей.

Каждый осколок нужно вовремя увидеть и избавиться от него. Никогда не стоит оставлять ОВ с оголенным концом. Его необходимо удалить, отрезав ОВ в области защитной оболочки. Ни в коем случае нельзя укорачивать оголенный конец ОВ, отрезая от него небольшую часть. Нужно резать ОВ в области, содержащей защитное покрытие, а затем оголить участок нужной длины. Для невооруженного взгляда конец оголенного волокна может показаться безопасным, но под микроскопом он похож на гарпун (см. рис. 7.1).



Оголенные концы могут легко попасть под кожу и обломаться, вызывая микроповреждения. Осколки волокна могут привести к попаданию инфекции в кожу, серьезным повреждениям глаз или внутренним повреждениям при попадании в легкие или в пищеварительный тракт. Несмотря на то что даже при аккуратном обращении с осколками волокна они могут быть потеряны, необходимо свести вероятность этого к нулю.

Утилизация осколков. В полевых условиях так же, как и в лабораториях, необходимо избавляться от осколков волокна. На сегодняшний день для этого существует два метода: использование специальных контейнеров и клейкой ленты. Специальные контейнеры, так называемые волоконные "урны", можно приобрести в магазинах: они должны иметь правильную маркировку и защиту от попадания осколков наружу. В комплектацию некоторых скалывателей волокна уже входят контейнер для сбора осколков. Можно также соорудить свои "урны" и подписать их соответствующим образом.

Важная деталь в процессе утилизации: куда деть полную осколков волоконную "урну"? Большинство таких контейнеров выбрасывают в мусорные баки. Но если "урна" случайно выпадет или разобьется, осколки могут оказаться снаружи. Поэтому нужно обмотать контейнер широкой изоляционной лентой, затем поместить его в двойной мусорный пакет и только потом выбросить.

Химикаты, острые объекты и электричество. ГН 2.2.5.1313-03 "Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны". В некоторых случаях при работе с оптическим кабелем может потребоваться использование клеев, растворителей и пр. При особой чувствительности к каким-либо из применяемых химикатов необходимо носить защитные рукавицы. При использовании испаряющихся химикатов необходимо тщательно проветривать помещение и не курить. Хотя это часто и кажется лишним, лучше перед работой с конкретным химикатом ознакомиться с соответствующей техникой безопасности.

Бронированные кабели наружной прокладки содержат прочное металлическое покрытие, обычно сделанное из нержавеющей стали. При подготовке кабеля к соединению или разъединению нужно надевать перчатки для защиты от серьезных порезов, которые может нанести кабельная оплетка. Перчатки должны быть из кожи или кевлара. Большинство кабелей снабжены "вытяжным тросом" для создания разреза в кожухе. Лучше использовать щипцы или перчатки для удерживания троса во избежание получения от него травм.

Лазерное излучение. "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров №5804-91", ГОСТ 12.1.040-83 "Лазерная безопасность". Действие лазерного излучения на живую ткань зависит от мощности светового потока и режима облучения. Лазеры непрерывного действия оказывают в основном тепловое влияние. Импульсные лазеры, кроме теплового действия, могут вызывать сложные превращения в ткани (взрывные процессы, процессы ионизации и пр.). Лазерное излучение действует также на нервную систему. Существенное значение имеет диаметр зрачка глаза. При большем диаметре на сетчатку попадает больше энергии лазерного излучения. Поэтому в ярко освещенной комнате возможность поражения меньше, чем в темной комнате. По степени опасности генерируемого излучения лазеры подразделяются на 4 класса. К первому классу относятся лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи. Если лазеры способны нанести вред при облучении глаз прямым или зеркально отраженным излучением, то они принадлежат ко второму классу. В третий класс входят лазеры, представляющие опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности или при облучении кожи прямым и зеркально отраженным светом. Если существует риск при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности, то лазерные установки причисляют к четвертому классу. Международная электротехническая комиссия имеет похожую систему классификации лазеров. Техника безопасности при работе с лазерными источниками подробно описана в таких документах, как ANSI z136.2-1988 или OSHA Technical Manual (раздел 3, глава 6). Опасные и вредные производственные факторы, которые могут иметь место при эксплуатации лазеров 1 - 4-х классов, приведены в таблице.

7.2 Пожарная безопасность

Пожары наносят громадный материальный ущерб и в ряде случаев сопровождаются гибелью людей. Поэтому защита от пожаров является важнейшей обязанностью каждого члена общества и проводится в общегосударственном масштабе.

Цель противопожарной защиты - изыскание наиболее эффективных, экономически целесообразных и технически обоснованных способов и средств предупреждения пожаров и их ликвидации с минимальным ущербом при наиболее рациональном использовании сил и технических средств тушения.