Волоконно-оптические системы передачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

1. Волоконные световоды и оптические кабели

световод оптический волокно фотоприемник

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

Ответ: Это явление отражения световой волны от границы двух сред с различным показателем преломления (для ступенчатых волокон) и искривление светового луча в среде с переменным показателем преломления (для градиентных волокон).

2. Назовите основные виды дисперсии в ОВ и причины, её вызывающие.

Ответ: Основные виды дисперсии:

1) модовая (межмодовая) дисперсия проявляется в результате различного времени распространения каждой моды;

2) внутримодовая (волноводная) дисперсия проявляется в результате нелинейности частотной зависимости групповой скорости в пределах каждой моды;

3) материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;

4) материальную и волноводную дисперсии можно определить общим названием «хроматическая», так как они вызваны наличием определенного спектра сигнала.

3. Какие виды дисперсии являются определяющими для многомодовых и одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления?

Ответ: Для многомодовых ОВ определяющей является межмодовая дисперсия. Для одномодовых ОВ определяющей является хроматическая дисперсия.

4. Какой вид дисперсии характерен для световодов с градиентным профилем показателя преломления?

Ответ: Для световодов с градиентным профилем показателя преломления все три вида дисперсии являются величинами одного порядка, т. е. необходимо учитывать полную дисперсию.

5. Какие длины волн в ОВ соответствуют минимуму его затухания?

Ответ: Минимуму затухания в кварцевых ОВ соответствуют длины волн 0,85; 1,3; 1,55 мкм.

6. Какие характерные размеры сердцевины и оболочки многомодовых и одномодовых ОВ вам известны?

Ответ: Характерные размеры сердцевины:

- для многомодовых ОВ - 50±3 мкм;

- для одномодовых ОВ - 10±1 мкм; 8,5±1мкм.

Диаметр оболочки для всех ОВ - 125±3 мкм.

7. Назовите особенности конструкции оптического кабеля (ОК)?

Ответ:

1) оптическое волокно;

2) первичное защитное покрытие;

3) вторичное защитное покрытие;

4) силовой элемент;

5) внешняя оболочка.

8. С какими целями в некоторых конструкциях ОК используются металлические стержни и провода?

Ответ: Металлические провода используются для подачи дистанционного питания (или сигналов управления, сигнализации и пр.), а также в качестве силового несущего элемента.

9. Какими преимуществами и недостатками обладают ОК по сравнению с металлическим кабелем (МК)?

Ответ: Преимущества:

1) широкополосность, большая информационная емкость;

2) нечувствительность к электромагнитным помехам;

3) меньший вес и диаметр;

4) малое затухание, увеличенная длина усилительного участка;

5) использование дешевого сырья - кварца;

6) гальваническая развязка приемника и передатчика.

Недостатки:

1) высокая стоимость производства;

2) критичность к изгибам;

3) сложность и более высокая стоимость монтажа и обслуживания.

Задача № 1

Определить дисперсию ОВ, его числовую апертуру, полосу пропускания и максимальную скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну длиной с показателями преломления , затуханием , дБ/км. Источник излучения работает на длине волны и характеризуется шириной спектра излучения , измеренной на уровне 0,5 от величины максимальной мощности.

Исходные данные варианта:

1) тип ОВ - ГМОВ;

2) км;

3) мкм;

4) нм;

5) ;

6) ;

7) дБ/км.

Решение:

Определяем числовую апертуру ОВ:

Определяем дисперсию для ГМОВ по формуле (4) [4]:

с/км пс/км

Полосу пропускания участка ОВ находим из соотношения (6) [4]:

, МГц

где - для ГМОВ.

Гц = 62,922 МГц

Максимальная скорость передачи цифровой ВОСП, работающей по данному волокну в идеале численно равна тактовой частоте и полосе пропускания, но с учетом помехоустойчивого кодирования она будет меньше, в зависимости от используемого кода. Для рассчитанной скорости применяются коды типа mBnB. Например, для кода 5B6B, который применяется в аппаратуре «Сопка-3», линейные и тактовые частоты связаны соотношением . Таким образом, максимальная скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну составит:

Мбит/c

2. Источники излучения и оптические модуляторы

1. Какие источники света (ИС) применяются в ВОСП?

Ответ: В современных ВОСП применяются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ).

2. Какие основные характеристики ИС вам известны?

Ответ: Основные характеристики ИС:

1) длина волны;

2) выходная мощность;

3) ток накачки;

4) ширина спектральной линии.

3. Почему в качестве одного из основных параметров ИС используется ток накачки, а не напряжение на ИС?

Ответ: Мощность оптического излучения является функцией тока накачки. Сопротивление полупроводника нелинейное, поэтому связь между напряжением и мощностью излучения косвенная.

4. Чем отличается суперлюминесцентный диод (СЛД) от светоизлучающего диода?

Ответ: Суперлюминесцентный диод (СЛД) отличается от светоизлучающего диода (СИД) наличием усиливающей области. В результате СЛД имеет более узкие спектр и диаграмму направленности.

5. Чем отличается лазер от СИД?

Ответ: В области p-n перехода ППЛ содержит активный слой - тонкую пленку, расположенную между двумя зеркалами -резонатор Фабри-Перо. За счет возбуждения активного слоя спонтанными фотонами, отраженными от зеркал, возникает вынужденное излучение. При определенном токе накачки этот процесс протекает лавинообразно, в результате мощность излучения резко увеличивается. Основные отличия - наличие резонатора и стимулированное излучение.

6. Какие типы лазеров могут использоваться в ВОСП?

Ответ: Основные типы лазеров:

1) лазеры на гомоструктуре;

2) лазеры на двойной гетероструктуре;

3) волоконные лазеры;

4) объемные микролазеры.

7. С какой целью в лазере применяются гетеропереходы?

Ответ: Основные причины применения гетеропереходов:

1) активный слой имеет резкий скачок показателя преломления по отношению к соседним слоям, в результате чего оптическое поле локализуется в нем значительно сильнее;

2) активный слой имеет меньшую ширину запрещенной зоны по отношению к соседним слоям, в результате снижаются потери вне активного слоя;

3) инверсия населенности сосредоточена в активном слое, в результате чего снижается порог тока накачки.

8. Какие требования предъявляются к спектральной характеристике лазера ВОСП?

Ответ: Основные требования к спектральной характеристике:

1) длина волны излучения должна соответствовать одному из окон прозрачности оптических волокон;

2) мощность излучения должна быть сосредоточена на основной длине волны;

3) ширина спектра основной моды должна быть по возможности меньше.

9. Почему в настоящее время большинство ВОСП цифровые?

Ответ: Это связано с тем, что аналоговые системы требуют большой линейности по всему тракту и обеспечения большого соотношения сигнал-шум, а применяемые в настоящее время полупроводниковые лазеры обладают большой нелинейностью. Кроме того, в аналоговых системах происходит накопление помех. Цифровые системы лишены этих недостатков, но требуют широкой полосы пропускания линейного тракта. Оптоволоконные линии связи значительно более широкополосные, чем металлические кабели, что делает возможным построение цифровых систем большой мощности. Кроме того, применение цифровых методов передачи позволяет автоматизировать работу и достичь интеграции различных видов связи.

10. Какие методы применяются для компенсации ватт-амперной характеристики лазера?

Ответ: Основные методы компенсации нелинейности:

1) применение АРУ и отрицательной обратной связи;

2) выбор рабочей точки;

3) предискажения;

4) применение импульсных методов модуляции.

11. Чем отличается когерентный источник света от некогерентного?

Ответ: Фаза колебаний некогерентного источника является случайной величиной. Фаза колебаний когерентного источника постоянна, либо изменяется по определенному закону.

12. Какие меры применяются для уменьшения количества мод, возбуждаемых в лазере?

Ответ: Основные меры:

1) применение гетероструктуры;

2) подбор размеров резонатора Фабри-Перо из условия существования одной моды (селекция мод);

3) стабилизация частоты посредством обратной связи;

4) выбор и стабилизация тока накачки.

13. В чем заключается прямая модуляция интенсивности излучения?

Ответ: Прямая модуляция - это изменение тока накачки модулирующим сигналом. При изменении тока накачки изменяется мощность излучения, т. е. происходит модуляция мощности.

14. Почему частотная характеристика модулятора с СИД имеет «завал» на высоких частотах?

Ответ: Полоса частот СИД ограничена временем жизни носителей.

15. Почему искажается импульсный модулирующий сигнал при обработке в оптическом модуляторе?

Ответ: Основные причины:

1) нелинейность источника излучения;

2) ограниченность полосы пропускания источника излучения;

3) применение в схеме оптическом модуляторе нелинейных и реактивных элементов.

16. Нарисовать структурную схему оптоэлектронного модуля, указать назначение элементов и узлов, входящих в него?

Ответ: Структурная схема представлена на рисунке 2.1. Назначение основных частей:

1) дифференциальный усилитель служит для предварительного усиления модулирующего сигнала , коэффициент усиления регулируется напряжением обратной связи;

2) усилитель сигнала обратной связи;

3) фотодиод служит для контроля выходного оптического сигнала и преобразования в электрический сигнал;

4) модулятор служит для модуляции тока накачки исходным сигналом;

5) источник излучения;

6) термостабилизирующее устройство служит для поддержания температуры в заданных пределах.

Задача № 2

Пользуясь ватт-амперной характеристикой ППЛ (табл. 3 [4]) выбрать ток смещения так, чтобы сигнал с мА преобразовывался в мощность излучения без искажений. Найти пороговый ток. Определить глубину модуляции и максимальную мощность излучения.

Решение: Строим ватт-амперную характеристику (рис. 2.2). По характеристике определяем пороговый ток мА. Выбираем рабочую точку на линейном участке от до мА. Общая длина линейного участка 6 мА, следовательно, сигнал с мА можно преобразовать в мощность излучения без искажений. Выбираем рабочую точку мА. Таким образом, рабочая область располагается в пределах мА - мА. Излучаемая мощность составит: мкВт; мкВт. Определяем глубину модуляции:

Задача № 3

Пользуясь таблицей 4 [4], определить полупроводниковый материал, из которого можно изготовить источник излучения с длиной волны , заданной в таблице 1 [4].

Решение: Из таблицы 1 [4] определяем, что необходимо изготовить источник с длиной волны мкм, следовательно, частота излучения должна быть Гц. Для получения излучения на данной частоте необходим материал с энергией запрещенной зоны , где эВ·с - постоянная Планка. Вычисляем:

эВ

Указанные в таблице 4 [4] материалы не обладают энергией запрещенной зоны, достаточно близкой к требуемой, поэтому для получения заданного источника излучения требуется применение более сложных соединений, например, четверного соединения GaInAsP.

Задача № 4

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

Решение: Из таблицы 1 [4] определяем:

мкм м;

нм м.

Если считать, что находится точно на середине диапазона , то максимальная и минимальная длины волн излучения составят:

м;

м.

Определяем соответствующие этим длинам волн минимальную и максимальную частоты излучения:

Гц;

Гц.

Ширина спектральной линии в Гц:

Гц ГГц

Средняя частота излучения:

Гц.

Добротность резонатора лазера:

3. Фотоприемники

1. Из каких основных элементов состоит фотоприемник (ФПУ)?

Ответ: Основные элементы ФПУ:

1) приемник излучения;

2) согласующие элементы;

3) усилитель электрического сигнала.

2. Какие типы фотодиодов применяются в ФПУ ВОСП?

Ответ: В современных ВОСП используются p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД).

3. Почему на p-i-n фотодиоды подается обратное смещение?

Ответ: В связи с тем, что прямой ток значительно превышает фототок.

4. Какие основные элементы содержит эквивалентная схема фотодиода и ФПУ?

Ответ: Основные элементы эквивалентной схемы:

1) сопротивление и емкость закрытого ФД;

2) сопротивление соединительных проводников и контактов;

3) монтажная емкость схемы;

4) сопротивление смещения;

5) комплексное входное сопротивление усилителя.

5. Чем определяется полоса пропускания ФПУ?

Ответ: Полоса пропускания ФПУ определяется:

1) быстродействием приемника излучения;

2) частотной характеристикой входной цепи;

3) частотной характеристикой усилителей.

6. Назовите основные характеристики фотодиода.

Ответ: Основные характеристики:

1) длина волны;

2) чувствительность;

3) темновой ток;

4) быстродействие;

5) напряжение смещения;

6) собственная емкость ФД;

7) коэффициент умножения ЛФД;

8) температурный коэффициент напряжения ЛФД.

7. Чем отличается лавинный фотодиод от p-i-n фотодиода?

Ответ: Основные отличия:

1) ЛФД кроме n⁺, p⁺ и i-областей содержат слаболегированную p-область;

2) обратное напряжение на ЛФД близко к пробивному;

3) в ЛФД энергия носителей , возникающих под действием излучения, достаточна для образования новых пар носителей, т. е. происходит умножение носителей.

8. Что такое длинноволновая граница чувствительности фотодиода?

Ответ: Это максимальная длина волны излучения, при которой фотоны еще обладают достаточной энергией для образования в i-слое пар носителей.

9. Что такое внутренняя и внешняя квантовые эффективности ФД?

Ответ: Внутренняя квантовая эффективность определяет, какая часть фотонов, попадающих на активную область, порождает электроны. Поскольку часть фотонов отражается и поглощается в покрытии ФД, рассматривается внешняя квантовая эффективность.

10. Какие типы усилителей применяются в ФПУ?

Ответ: Основные типы усилителей ФПУ:

1) интегрирующий усилитель (ИУ);

2) трансимпедансный усилитель (ТИУ).

11. Какие шумы создает ФПУ?

Ответ: Основные шумы ФПУ:

1) тепловые щумы;

2) дробовые шумы;

3) полупроводниковые шумы.

12. Как определить напряжение на выходе ФПУ?

Ответ: а) Для ФПУ с интегрирующим усилителем напряжение сигнала на выходе ФПУ определяется выражением:

где - фототок;

- коэффициент умножения ЛФД;

- входное сопротивление усилителя;

- коэффициент усиления ИУ при нулевой частоте.

в) Для ФПУ с трансимпедансным усилителем:

где - сопротивление обратной связи.

13. Как рассчитать отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ?

Ответ: Отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ определяется выражением:

где - заряд электрона;

- коэффициент шума ЛФД;

- коэффициент шума усилителя;

- постоянная Больцмана;

- абсолютная температура;

- электрическая полоса пропускания ФПУ.

Задача № 5

Определить отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ цифровой ВОСП, если в ФПУ применен интегрирующий усилитель.

Исходные данные варианта:

1) км - длина регенерационного участка;

2) мкм - основная длина волны излучения;

3) дБ/км - затухание кабеля;

4) мВт - мощность на выходе источника излучения;

5) МГц - тактовая частота импульсного сигнала;

6) кОм - эквивалентное сопротивление входной цепи;

7) - квантовая эффективность фотодиода;

8) - коэффициент лавинного умножения;

9) - коэффициент шума ЛФД;

10) - температура в градусах Кельвина;

11) - коэффициент шума усилителя;

12) тип ФД - p-i-n.

Решение:

Считаем темновой ток и ток засветки пренебрежимо малыми. Определяем фототок по формуле:

,

где Кл - заряд электрона;

Дж·с - постоянная Планка;

Гц - частота излучения (из задачи 3);

- оптическая мощность на приеме.

Вт

А

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

4. Линейный тракт цифровых ВОСП

1. Нарисуйте структурную схему линейного тракта (ЛТ) цифровой ВОСП, укажите наименование узлов, входящих в ЛТ.

Ответ: Основные узлы линейного тракта цифровой ВОСП (рис. 4.1):

1) ПГС-П - преобразователь линейного сигнала передачи;

2) ПЛС-Пр - преобразователь линейного сигнала приема;

3) РЛ - линейный регенератор;

4) ОК - оптический кабель

5) НРП - необслуживаемый регенерационный пункт;

6) ОРП - обслуживаемый регенерационный пункт.

2. Какие требования предъявляются к линейному сигналу?

Ответ: Основные требования к линейному сигналу:

1) спектр линейного сигнала не должен содержать постоянную составляющую;

2) спектр линейного сигнала должен содержать тактовую частоту или ее гармонику;

3) линейный сигнал должен быть двухуровневым;

4) линейный код должен быть балансным и избыточным.

3. Какие коды используются в качестве линейных?

Ответ: В качестве линейных используются следующие коды:

1) коды типа mBnB;

2) коды типа mB1C;

3) коды ПЗИ;

4) коды AMI и CMI;

5) скремблированный код NRZ.

4. Где возникают потери в ЛТ ВОСП?

Ответ: Потери в ЛТ ВОСП возникают:

1) потери в источнике излучения;

2) потери при вводе излучения в волокно;

3) затухание волоконного световода;

4) несогласованность выхода световода с фотодетектором;

7) потери на стыках строительных длин кабеля;

8) потери на разъемных соединениях и ответвителях;

9) потери на изгибах оптического кабеля.

5. Назовите основные характеристики ЛТ цифровой ВОСП.

Ответ: Основные характеристики:

1) энергетический бюджет;

2) допустимая вероятность ошибок;

3) скорость передачи.

6. От каких параметров ЛТ зависит длина участка регенерации?

Ответ: Длина участка регенерации зависит:

1) от затухания оптического кабеля;

2) от потерь в линейном тракте;

3) от скорости передачи;

4) от величины дисперсионных искажений.

7. Чем определяется дальность действия цифровой ВОСП?

Ответ: Максимальная дальность действия цифровой ВОСП определяется допустимым коэффициентом ошибок одного участка регенерации.

8. Какие устройства применяются для восстановления сигнала в ЛТ?

Ответ: Для восстановления сигнала в ЛТ применяются регенераторы.

9. Что такое энергетический потенциал ВОСП?

Ответ: Энергетический потенциал ВОСП - это максимальное затухание участка регенерации без учета передающего и приемного стыка.

10. Что такое минимально допустимый уровень приема на входе регенератора?

Ответ: Минимально допустимый уровень приема на входе регенератора - это такой уровень оптической мощности, при котором еще обеспечивается заданная вероятность ошибок.

11. Чем определяется максимальный уровень передачи оптического сигнала?

Ответ: Максимальный уровень передачи оптического сигнала определяется мощностью и диаграммой направленности источника излучения, а также эффективностью ввода излучения в волокно.

12. Какие искажения возникают в линейном тракте ВОСП? Какие методы разработаны для их коррекции?

Ответ: В линейном тракте ВОСП возникают следующие виды искажений:

1) затухание сигнала, компенсируется усилителями;

2) краевые искажения (дисперсия), компенсируется применением одномодовых волокон и уменьшением спектра излучения;

3) шумы (тепловой, дробовой и фоновый), компенсируются применением фильтров и умножителей фотоэлектронов;

4) флуктуации интенсивности, компенсируются созданием необходимого запаса мощности;

5) нелинейные искажения, компенсируются стабилизацией источника излучения и применением линейного кодирования.

Задача № 6

Определить длину регенерационного участка цифровой ВОСП с длиной волны по данным, приведенным в таблице 6 [4].

Исходные данные варианта:

1) мкм - основная длина волны излучения;

2) дБ/км - затухание кабеля;

3) дБ - потери при вводе излучения в волокно;

4) мВт - мощность на выходе источника излучения;

5) км - строительная длина кабеля;

6) дБ - потери на стыке длин ОК;

7) дБ - среднеквадратичное отклонение затухания ОВ в строительных длинах ОК;

8) дБ - энергетический потенциал ВОСП;

9) дБ - энергетический запас на нестабильность параметров участка регенерации;

10) Мбит/с - скорость передачи оптического сигнала;

11) дБ - потери на стыке между ОВ и ФПУ;

12) км - длина магистрали.

Решение:

Определяем длину регенерационного участка без учета отклонения затухания в строительных длинах ОК:

км

На длине км укладывается строительных участка, следовательно, среднеквадратичное отклонение затухания на 1 км ОВ составит (по методике [3]):

дБ/км

Для всей длины вероятное отклонение затухания составит:

дБ

Корректируем длину усилительного участка с учетом отклонения затухания в строительных длинах кабеля:

км

Определяем, удовлетворяет ли найденная длина участка требованиям необходимой полосы пропускания:

- определяем требуемую полосу пропускания для заданной скорости передачи: , где тактовая частота численно равна скорости передачи МГц;

- определяем полосу пропускания регенерационного участка по формуле (6) [4]:

,

где с/км; (из задачи №1)

МГц

Найденная длина участка удовлетворяет требованиям по дисперсии ОВ

Количество участков на магистрали:

Количество регенераторов . Регенерационные участки должны быть примерно равной длины, следовательно, оптимальная длина участка регенерации:

км

Рассчитываем уровень приема на входе первого от ОСА регенератора:

,

где дБ - уровень мощности источника излучения.

дБ

Поскольку для цифровых систем передачи вероятность ошибок на каждом регенерационном участке можно считать случайной независимой величиной, допустимая вероятность ошибок одиночного регенератора участка длиной 520 км зоновой ВОСП (максимальная длина тракта 600 км) составит:

,

где - допустимая вероятность ошибок в тракте зоновой ВОСП;

- количество регенераторов в системе (включая станционный).

Список литературы

Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1992.

Ионов А.Д. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Часть 1: Учебное пособие. - СибГАТИ, 1998.

Заславский К.Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Часть 2: Учебное пособие. - СибГАТИ, 1999.

Заславский К.Е. Методические указания к контрольному заданию по дисциплине «Волоконно-оптические системы передачи». - СибГАТИ, 1996.

Размещено на Allbest.ru