Проектирование приемного оптического модуля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1. Проектирование приемного оптического модуля

трансимпедансный предусилитель приемник резистор

Изобразите упрощённую структурную схему приёмного оптического модуля (ПРОМ) с трансимпедансным предусилителем (ТИУ).

Выберите величину резистора обратной связи ТИУ, рассчитайте и постройте его АЧХ.

Рассчитайте уровни чувствительности ПРОМ на основе PIN фотодиода и на основе ЛФД (при оптимальном коэффициенте лавинного умножения).

Рассчитайте величину оптимального коэффициента умножения и выигрыш в чувствительности от использования ЛФД.

Паразитная ёмкость резистора ОС ТИУ	0,15 пФ
Рабочая волна	1,55 мкм
Линейный код	скремблированный БВН
Материал ЛФД	фосфид индия
Требуемая (целевая) вероятность ошибки	10-12
Рабочая температура	комнатная
Квантовый выход материала фотодетектора, %	80
Коэффициент шума ТИУ, ед.	2
Тактовая частота БВН-сигнала	2.5 ГГц

Решение:

Рис. 1. Упрощённая структурная схема приёмного оптического модуля с трансимпедансным предусилителем



Рис. 2. Структурная схема ТИУ

Такой усилитель является по существу преобразователем «ток-напряжение» с коэффициентом преобразования, имеющим размерность сопротивления. Он состоит из инвертирующего усилителя с большим коэффициентом усиления К и резистора обратной связи Rос, с помощью которого создается глубокая отрицательная обратная связь по напряжению. Элементы, отмеченные пунктиром, в схему усилителя не входят. Конденсатор Сос учитывает паразитную емкость резистора Rос, конденсатор С1 - суммарную емкость фотодетектора, монтажа и входную емкость усилителя, резистор R1 - динамическое сопротивление обратносмещенного ФД, цепей его смещения и входное сопротивление усилителя.

Рассчитаем величину сопротивления резистора Rос:

Рассчитаем и построим АЧХ ТИУ:



, а

Для остальных расчет выполнен программно, результаты сведены в табл. 1, график АЧХ представлен на рис. 3.

Таблица 1

0	1
1.25	0.894
2.5	0.707
5	0.447
7.5	0.316

Гц

Рис. 3. АЧХ ТИУ



Рассчитаем пороговую мощность PIN фотодиода по формуле 26[2]:

Для начала необходимо вычислить .

Уровень чувствительности ПРОМ на основе PIN фотодиода:

Рассчитаем пороговую чувствительность и оптимальный коэффициент умножения для приемника с ЛФД, пользуясь формулой:

С1=, С2=



Присваивая значения 1, 2, 3… получаем функцию , которая при некотором достигает минимума. Координаты этой экстремальной точки являются решением задачи.

Рис. 4. График функции

По графику рис. 4 видно:

Уровень чувствительности ПРОМ на основе ЛФД:

Оптимальный коэффициент умножения ЛФД:

Выигрыш в чувствительности, от использования ЛФД, составляет 8,3 дБм.

Задание 2. Проектирование оптической секции при ограничении хроматической дисперсией

1. Рассчитайте и постройте зависимость максимальной протяжённости оптической регенерационной секции на основе одномодового ОВ от ширины спектра оптической несущей Дл. Исходные данные:

Битовая скорость модулирующего оптическую несущую БВН-сигнала , Гбит/с

Источник излучения одномодовый ИЛД

Рабочая волна 1,55 мкм

Коэффициент дисперсии на рабочей волне

Дополнительные потери оптического тракта 1дБ

2. Рассчитайте величину накопленной дисперсии (в пс/нм), которую необходимо компенсировать, длину компенсирующего ОВ и его затухание, если реальная протяжённость оптической секции в 1,5 раза превышает максимальную. Исходные данные:

Коэффициент дисперсии компенсирующего ОВ на волне 1,55 мкм - 340

Коэффициент затухания этого ОВ 1,56 дБ/км

Полная ширина спектра оптической несущей 0,1 нм

Решение:

Максимальную протяженность секции по дисперсии находят по следующей формуле, рекомендованной МСЭ-Т:



- коэффициент хроматической дисперсии, с/м2,

- рабочая длина волны, м,

- тактовая частота БВН-сигнала, Гц.

- среднеквадратическая ширина спектра оптической несущей, Гц,

Из этих двух выражений следует, что:

С - скорость света в пустоте, м/с,

- не имеющий физической размерности коэффициент, учитывающий допустимую величину межсимвольной помехи, обусловленной хроматической дисперсией (определяющий допустимый раскрыв глаз-диаграммы по вертикали)

Увеличение дисперсии сопровождается ростом межсимвольной помехи и уменьшением раскрыва глаз-диаграммы по вертикали. При этом снижается защищённость сигнала в ТРР от собственной и дробовой помех. Принято учитывать уменьшение помехозащищённости как дополнительные потери оптического тракта. Взаимосвязь и этих потерь Адоп такова:



Подставим все известные данные и соотношения в формулу (2.1):

Примем полную ширину спектра равной 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 нм. Найдем значения максимальной протяженности оптической регенерационной секции для вышеуказанных и построим график на рис. 5:

Аналогично решим для остальных значений с применением программных средств расчета, результаты расчета внесем в табл. 2.

Таблица 2

, нм	, км
0	184,6
0,05	162,6
0,1	125,6
0,2	77,7
0,5	33,7
1,0	17,1



км

нм

Рис. 5

Для , .

По условию задачи, реальная протяженность оптической секции в 1,5 раза превышает максимальную:

Рассчитаем величину накопленной дисперсии:

Рассчитаем длину компенсирующего ОВ:



Рассчитаем затухание ОВ:

Задание 3. Проектирование оптического тракта компьютерной сети на основе многомодового градиентного волокна

1. Рассчитайте максимальную протяжённость оптического тракта локальной компьютерной сети Gigabit Ethernet, ограниченную дисперсией.

Исходные данные:

битовая скорость сигнала БВН 1,25 Гбит/с

рабочая волна 850 нм

длина волны нулевой хроматической дисперсии ОВ 1310 нм

наклон дисперсионной характеристики на этой волне 0,1

среднеквадратическая ширина спектра оптической несущей нм

коэффициент широкополосности ОВ 400+100В=900, МГц•км

2. Для найденной протяжённости рассчитайте отдельно составляющую уширения, обусловленную хроматической дисперсией, а также вторую составляющую, обусловленную межмодовой дисперсией (в пикосекундах). Сопоставьте эти величины, сделайте вывод: какой вид дисперсии преобладает. Рассчитайте результирующее уширение, определите, какую часть тактового интервала оно составляет.

Решение:

Для нахождения максимальной протяженности оптического тракта будем использовать формулу из примера 8[1].

При сравнительно короткой линии, когда допустимо приближенно полагать , решение получается в явном виде:

Подставим в формулу 3.2:

Коэффициент хроматической дисперсии многомодового ОВ на рабочей волне рассчитаем по формуле 5[1]:

Подставим все известные значения в формулу 3.3:

Найдем уширение, обусловленное хроматической дисперсией:

Ширина спектра , подставим в формулу 3.5:

Найдем уширение, обусловленное межмодовой дисперсией:

Километрическое уширение , подставим в формулу 3.7:

Так как , можно сделать вывод, что в данном ОВ преобладает межмодовая дисперсия.

Результирующие уширение:



Тактовый интервал рассчитаем по формуле:

Отношение результирующего уширения к тактовому интервалу:

Задание 4. Проектирование оптической регенерационной секции с оконечными и промежуточными усилителями

Секция включает три оптических усилителя: усилитель передачи (бустер), промежуточный (линейный) и усилитель приёма.

1. Рассчитайте и постройте диаграмму уровней линейного тракта при следующих исходных данных:

Уровень сигнала на входе бустера рвх = - (7 + B) = -12, дБм

Усиление бустера SБ =14 + А = 16, дБ

Затухание кабельного (усилительного) участка от бустера до линейного усилителя АБЛ = 19 + А= 21, дБ

Затухание кабельного участка от линейного усилителя до усилителя приёма АЛП =27 - B = 22, дБ

Линейный и приёмный усилители точно компенсируют затухания прилегающих участков.

2. Рассчитайте помехозащищённость на выходе цепочки усилителей (на входе усилителя приёма), сравните её с нормативом, сделайте вывод. Для всех вариантов задания:

Рабочая волна 1,55 мкм

Коэффициент шума каждого из усилителей 6 дБ

Шумовая полоса частот 80 ГГц

3. Рассчитайте максимально допустимое затухание регенерационной секции, ограниченное оптическим шумом, если все кабельные участки вносят одинаковые затухания.

Необходимые для расчёта исходные данные берут из п. 1 и п. 2 настоящего задания. Затухание кабельного (усилительного) участка находят как полусумму затуханий участков, заданных по вариантам в п.1. Шумами бустера пренебрегают.

Решение:

1. Зная уровень сигнала на входе бустера рвх и усиление бустера SБ, найдем уровень выходного сигнала, который будет одинаков для всех усилителей.

Рассчитаем входную мощность на бустере по формуле 4.3:

Рассчитаем коэффициент усиления бустера по формуле 4.5:

Выходную мощность бустера найдем по формуле 4.2:

Уровень выходного сигнала найдем по формуле 4.6:

Теперь найдем уровень шума на входе усилителей, который одинаков для всех усилителей, т.к. по условию коэффициенты шума усилителей одинаковы.

Найдем уровень входного сигнала усилителя приема:

Найдем уровень входного сигнала линейного усилителя:

Усиление линейного усилителя:

Усиление усилителя приема:



Найдем помехозащищенность бустера:

Найдем помехозащищенность линейного усилителя:

Найдем помехозащищенность усилителя приема:

Рис. 6

2. Мощность шума в точке суммирования, вносимая усилителем приема:



Уровень шума в точке суммирования, вносимого линейным усилителем:

Уровень шума в точке суммирования, вносимого бустером:

Поскольку шумы усилителей независимы, они суммируются по закону сложения мощностей. Таким образом, суммарная мощность оптического шума, приведенная к входу усилителя приема:

Уровень мощности оптического шума:

Защищенность от оптического шума на выходе секции:



Рассчитанная помехозащищенность значительно превышает норматив (, соответственно, это снижает вероятность получения информации с ошибками.

3. В п. 3 задания предполагается, что цепочка состоит из n шумящих усилителей, что все усилительные участки одинаковые, а усилители точно компенсируют их затухания. Общий вид диаграммы уровней, отвечающей перечисленным условиям, показан на рис. 7.

Рис. 7

В данном случае все усилители вносят одинаковые шумы. Результирующая мощность шума на выходе цепочки, приведённая к входу последнего усилителя, и её уровень соответственно равны

Рш = n•Ршвх , рш = ршвх + 10lgn, дБм.

Помехозащищённость на выходе цепочки составит

Аз = рвх - рш = рвх - ршвх - 10lgn = Aзо - 10lgn, дБ,

где Aзо = рвх - ршвх - помехозащищённость одного усилителя (одинаковая для всех ОУ),

рвх = рвых - А,

где А - затухание усилительного участка.

С увеличением количества усилителей помехозащищённость на выходе цепочки уменьшается. При некотором n она окажется ниже нормативной Азн и дальнейшее увеличение количества ОУ станет невозможным. Следовательно, уравнение для расчёта максимального количества усилителей имеет вид

10lgn = Aзо - Азн.

Так как n - целое число, его решение можно записать следующим образом

nм = ent{dec[0,1•(AЗО - Азн)]},

где ent - оператор выделения целой части числа.

После этого находят максимально допустимое затухание секции.

Таким образом, для того, чтобы найти количество усилителей, нам необходимо найти помехозащищенность одного усилителя AЗО:

Затухание кабельного усилительного участка:

- найдено выше в п. 1.

Найдем уровень входного сигнала:



- найдено выше в п. 1.

Теперь найдем помехозащищенность одного усилителя:

Найдем количество усилителей:

Максимально допустимое затухание секции:

Задание 5. Инженерный расчёт показателей надёжности ВОСП-СР при проектировании

Оцените надёжность спектрального канала ВОСП-СР с цепочечной топологией по следующим показателям: коэффициенту готовности и среднему времени между отказами. Сопоставьте ожидаемые и требуемые показатели, сделайте вывод. Исходные данные:

Протяжённость канала, L 350 + (AB)2 = 975, км

Уровень синхронной иерархии

16 - й, если (AB) нечётное число

64 - й, если (AB) чётное число (нуль включая нуль)

Количество равномерно размещённых вдоль линии оптических мультиплексоров ввода/вывода

1 при L ? 1000 км

2 при 1000 < L ? 2000 км

3 при 2000 < L ? 3000 км

и так далее.

Если L ? 600 км, канал считается внутризоновым, если L >600 км - магистральным.

Длина кабельного (усилительного)участка 60…80 км.

Строительная длина кабеля 4 км.

Необходимые для расчёта показатели надёжности оборудования и кабеля возьмите из табл. 3.

Таблица 3

Интенсивность отказов одного километра кабеля из-за внешних причин (работы сторонних организаций, дефекты строительства и монтажа, грозы, ливни и т.д.)	2•10-7 1/(ч•км)
Интенсивность отказов одной строительной длины из-за внутренних причин.	3•10-7 1/ч
Среднее время восстановления линейно - кабельных сооружений, ЛКС (включая время подъезда к месту повреждения)	7 ч
Среднее время между отказами модуля оптического терминального мультиплексора модуля оптического мультиплексора ввода/вывода модуля оптического усилителя модуля транспондера	9104 ч 1105 ч 7104 ч 6104 ч
Среднее время восстановления любого из этих модулей	0,5 ч

Считается, что все перечисленные модули, включая промежуточные (линейные) оптические усилители, размещены в узлах, где имеются обслуживающий персонал и источники гарантированного электропитания. Поэтому они не нуждаются в дистанционном питании, а на их ремонт или замену не требуется много времени.

Решение:

Рассчитаем требуемые нормативные показатели: коэффициент готовности и среднее время между отказами, по формулам 35[2] и 36[2] соответственно, используя данные табл. 3[2].



Однако полученные таким образом результаты окончательными не являются, поскольку они характеризуют надёжность ОЦК, а не спектрального канала, составляющего основу соответствующего сетевого тракта. Легко понять, что надёжность тракта должна быть выше надёжности ОЦК, так как для организации доступа к ОЦК необходимо дополнительное оборудование (синхронные и плезиохронные мультиплексоры), не обладающие, разумеется, стопроцентной надёжностью. Пересчёт норм с ОЦК на тракт (спектральный канал) выполняют по формулам:

где m - уровень условной иерархии PDH/SDH: Е0, Е1, Е2,Е3, Е4/STM-1, STM-4, STM-16, STM-64. В этой иерархии STM-64 занимает седьмую ступень (m=7) относительно ОЦК.



На рис. 8 представлена обобщенная схема ВОСП.

По схеме видно, что в проектируемую ВОСП входят:

- 2 транспондера (Т),

- 2 оптических терминальных мультиплексора (ОТМ),

- 1 оптических мультиплексоров ввода/вывода (ОМВВ),

- 12 оптических усилителя (ОУ),

- 14 участков кабельной линии по 69,6 км каждый, соединяющих объекты связи.

Рассчитаем количество строительных длин кабеля, для этого сначала рассчитаем количество строительных для одного участка между аппаратурными комплексами:

Получившееся число умножим на количество участков:



Рис. 8. Обобщенная схема ВОСП

Рассчитаем интенсивность отказов и коэффициент простоя ЛКС:

Где - интенсивность отказов одного километра кабеля из-за внешних причин,

- интенсивность отказов одной строительной длины кабеля из-за внутренних причин,

- среднее время восстановления ЛКС.

Рассчитаем параметры надежности и безотказности аппаратурного комплекса:

Где - интенсивность отказов одного модуля транспондера и их количество,

- интенсивность отказов одного модуля оптического терминального мультиплексора и их количество,

- интенсивность отказов одного модуля оптического усилителя и иъ количество,

- интенсивность отказов одного модуля оптического мультиплексора ввода/вывода и их количество,

- среднее время восстановления любого из модулей аппаратуры.

Рассчитаем ожидаемые показатели надежности спектрального канала как целого:

Рассчитаем ожидаемое среднее время между отказами:

Рассчитаем ожидаемый коэффициент готовности:



Ожидаемые среднее время между отказами и коэффициент готовности значительно ниже нормативных показателей, следовательно, такую цифровую сеть не стоит вводить в эксплуатацию.

Задание 6. Расчёт пороговых значений показателей битовых ошибок при вводе в эксплуатацию трактов SDH

Рассчитайте пороговые значения показателей битовых ошибок, на основе которых принимают в эксплуатацию однородные тракты VC - 12 и VC - 4. Исходные данные:

Протяжённость трактов 55+(AB)2 = 680, км.

Период контроля 24 часа.

Если (AB) чётное число, то тракты принадлежат к национальному участку, если нечётное, то к транзитному.

Будет ли тракт принят в эксплуатацию, если в течение одних суток испытаний было зафиксировано 25 блоков с фоновой ошибкой и 5 секунд с ошибочными блоками?

Решение.

Так как АВ - нечетное число, значит, тракты принадлежат к транзитному участку.

1. По данным табл. 26[3] находим долю от исходной эксплуатационной нормы.

2. Рассчитаем среднее допустимое количество EST и SEST за период наблюдения T, с:

секунд (6.1)



Где - исходная эксплуатационная норма на коэффициенты ошибок по ESTSEST и BBE для международного соединения протяженностью 27500 км, приведенная в табл. 27[3].

для тракта VC-12.

для тракта VC-4.

k - коэффициент, определяемый назначением эксплуатационного контроля; при вводе в эксплуатацию

Вычислим среднее допустимое количество BBE за тот же период:

блоков (6.2)

Где - количество блоков, передаваемых за одну секунду, табл. 25[3].

для тракта VC-12.

для тракта VC-4.

для тракта VC-12.

для тракта VC-4.

3. Вычисляем пороговые значения.

(6.3)



Тракт VC-12 не будет принят в эксплуатацию, так как если в течение одних суток испытаний было зафиксировано 25 блоков с фоновой ошибкой и 5 секунд с ошибочными блоками, эти значения превышают пороговые показателей.

Тракт VC-4 будет принят в эксплуатацию, так как если в течение одних суток испытаний было зафиксировано 25 блоков с фоновой ошибкой и 5 секунд с ошибочными блоками, эти значения не превысят пороговые показателей.



Список использованной литературы

1. Межсимвольная помеха в оптических системах передачи. Уч. пособие. / С.В. Чёткин, МТУСИ. - М., 2004.

2. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию оптических систем передачи. / С.В. Чёткин, МТУСИ. - М., 2002.

3. Цифровые телекоммуникационные системы плезиохронной и синхронной иерархий. Электронный конспект лекций. Часть 1 и 2. / С.В. Чёткин, МТУСИ. - М., 2013.

Размещено на Allbest.ru