Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра «Радиоэлектроника и телекоммуникации»

Курсовая работа

по дисциплине: «Волоконная оптика в телекоммуникациях»



Оглавление

• Лабораторная работа № 1 «Контрольно-измерительные приборы NI ELVIS II»
• Часть A «Модули передачи Emona FOTEx»
• Часть В цифровой мультиметр NI ELVIS II
• Часть С Регулируемые источники питания NI ELVIS II
• Часть D Осциллограф NI ELVIS II
• Лабораторная работа № 2 «Передача данных по оптоволокну»
• Часть A «Модули передачи Emona FOTEx»
• Часть В «Использование приемника FOTEx для получения аналогового сигнала»
• Часть С «Использование приемников FOTEx для получения цифровых сигналов»
• Практическое задание


Лабораторная работа № 1 «Контрольно-измерительные приборы NI ELVIS II»

Цель работы: Ознакомится с Цифровым мультиметром NI ELVIS, Регулируемыми источниками питания постоянного тока (их два), осциллографом и генератором функций.

Оборудование:

1. Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

2. NI ELVIS II с USB-кабелем и блоком питания

3. Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов

4. Два проводника с разъ?мами BNC - "банан"

5. Набор соединительных проводников с разъ?мами типа "банан" (2 мм)

Порядок выполнения лабораторной работы и результаты экспериментальных исследований

Часть A «Модули передачи Emona FOTEx»

1. Убедитесь, что питание NI ELVIS выключено, выключатель расположен на задней стенке устройства

2. Осторожно вставьте модуль расширения Emona FOTEx в NI ELVIS

3. Вставьте крепежные винты для фиксации модуля Emona FOTEx в NI ELVIS II

4. Установите переключатель Control Mode (режим управления) на модуле FOTEx (в верхнем правом углу) в положение Manual (ручной).

5. Подключите NI ELVIS II к ПК при помощи кабеля USB.

6. Запустите программу NI ELVIS IImx п



Часть В цифровой мультиметр NI ELVIS II

Вопрос 1В данном случае ничего не подключено ко входу Цифрового мультиметра, почему тогда он показывает очень маленькие значения напряжения и тока, вместо того, чтобы показывать ноль?(из за помех )



Часть С Регулируемые источники питания NI ELVIS II

Соберем схему как показано на рисунке

Часть D Осциллограф NI ELVIS II

В следующей части эксперимента вы ознакомитесь с работой осциллографа NI ELVIS II путем наблюдения и измерения сигнала FOTEx.

Соберите схему, как показано на рисунке ниже

Измерение амплитуды сигнала и определение его частоты при помощи обычного осциллографа немного более сложная задача, чем измерения с использованием цифрового мультиметра. Более того, новички при этом могут гораздо легче совершать ошибки. К счастью, осциллограф NI ELVIS реализует функцию измерения амплитуды и частоты и выводит результаты измерений на экран



Запишите результаты измерения напряжения (среднеквадратическое значение и значение пикового напряжения) и частоты в таблицу

Среднеквадратичное значение напряжения	8,4
Частота	2
Пиковое напряжение	4
Период	0,5



Лабораторная работа № 2 «Передача данных по оптоволокну»

цифровой осциллограф передатчик мультиметр

Цель работы: Изучить работу передатчика Emona FOTEx в аналоговом и цифровом режимах. Далее, при помощи одного из передатчиков загрузить аналоговые и цифровые данные в оптоволоконный кабель и изучить работу модуля приема.

Оборудование:

· Персональный компьютер с соответствующим установленным программным обеспечением

· NI ELVIS II с USB-кабелем и блоком питания

· Модуль расширения Emona FOTEx для выполнения экспериментов

· Два проводника с разъ?мами BNC - "банан" (2 мм)

· Набор соединительных проводников с разъ?мами типа "банан" (2 мм)

· Набор соединительных оптических проводников

Порядок выполнения лабораторной работы и результаты экспериментальных исследований

Часть A «Модули передачи Emona FOTEx»

В первой части эксперимента вы изучим работу Передатчиков Emona FOTEx, используя сначала постоянное напряжение, затем низкочастотный треугольный сигнал

1. Запустим виртуальный прибор NI ELVIS II Variable Power Supply (Регулируемый источник питания).

2. Установим на выходе регулируемого источника питания положительного напряжения уровень, равный 0 В.

3. Выберем один из передатчиков с красным светодиодом и установим его переключатель режимов Mode в положение DIGITAL (Цифровой).

4. Соберите схему, показанную на рисунке, используя передатчик, выбранный вами на предыдущем шаге.

5. Направим свободный конец оптического проводника на стол, чтобы увидеть свет на конце проводника.

6. Будем увеличивать уровень напряжения на выходе регулируемого источника положительного питания, пока не включится светодиод передатчика.

7. Значение, при котором светодиод начинает работать, 2,71 В.



8. Выключаться светодиод будет при 1,78 В

Как можно заметить, значения напряжения для включения и выключения светодиода различаются для достижения эффекта гистерезиса.

9. Изменим уровень положительного напряжения на выходе регулируемого источника питания, оставаясь выше уровня, включившего светодиод.

10. Увидим, что интенсивность света светодиода передатчика не изменяется.

Таблица 1

Пороговое напряжение для перехода в "1"	Пороговое напряжение для перехода в "0"
2,71	1,78

11. Запустим виртуальный прибор NI ELVIS II Function Generator (Генератор функций).

12. Настроим функциональный генератор с помощью виртуальных элементов управления для получения сигнала со следующими параметрами:

· Waveshape (Форма сигнала): Triangular (Треугольная)

· Frequency (Частота): 0.5 Гц

· Amplitude (Пиковая амплитуда): 5 В

· DC Offset (Смещение по постоянному току): 0 В

1. Установим переключатель режимов Mode Передатчика в положение ANALOG (Аналоговый).

2. Соберем схему, как показано на рисунке

3. Увидим, что интенсивность света меняется между минимумом и максимумом с постоянной скоростью.

4. Увеличим частоту сигнала на выходе генератора функций до 5 Гц, 10 Гц, 20 Гц, 30 Гц и 50 Гц. Пронаблюдаем эффект от этих изменений на поведение светодиода.

5. При частоте 5 Гц можно заметить, что свет, подаваемый светодиодом, начинает мерцать с постоянной периодичностью.

6. При увеличении частоты, частота мерцания становится больше.

7. При частоте в 50 Гц можно отметить, что интенсивность стала очень большой, свет из светодиода стал практически постоянен.

8. Изменив амплитуду при начальной частоте 0,5Гц можно заметить, что начал мигать более размеренно

9. Повторяем те же шаги для зелёного светодиода и отмечаем, что ширина мерцания света для светодиодов разных цветов немного различна.

Часть В «Использование приемника FOTEx для получения аналогового сигнала»

В следующей части эксперимента изучим работу модулей приема FOTEx по извлечению аналоговой информации из оптоволоконной линии передачи.

1. Настроим функциональный генератор с помощью виртуальных элементов управления для получения сигнала со следующими параметрами:

· Waveshape (Форма сигнала): Sine (Синусоидальная)

· Frequency (Частота): 1 Гц

· Amplitude (Пиковая амплитуда): 5 В

· DC Offset (Смещение по постоянному току): 0 В

2. Выберем один из передатчиков с красным светодиодом и установим его переключатель режимов Mode в положение ANALOG.

3. Выберем один из приемников и установим его Gain Range (Диапазон усиления) на LO.

4. Повернем ручку Variable Gain (Регулируемый коэффициент усиления) этого приемника против часовой стрелки до упора.

5. Соберем схему, как показано на рисунке.

Передатчик с красным светодиодом преобразует сообщение в свет и передает по оптоволоконному кабелю на приемник, где он преобразуется обратно в электрический сигнал.

Function Generator - генератор функций, Transmitter (Red) - передатчик (с красным светодиодом), Receiver - приемник, Analog Message To CH 0 - аналоговое сообщение к каналу 0, Recovered message To CH 1 - восстановленное сообщение к каналу 1.

6. Настроим осциллограф со следующими изменениями: Channel 1 Scale (Масштаб канала 1): 2 В/дел. вместо 1В/дел Timebase (Масштаб по оси времени): 200 мс/дел. вместо 500 мкс/дел

7. Активируем канал 1 осциллографа, чтобы наблюдать одновременно сигнал на выходе приемника и исходное сообщение.

8. Увеличиваем частоту сигнала (то есть частоту генератора функций) до следующих значений: 10 Гц, 20 кГц, 50 кГц, 100 кГц и 1000 кГц.

Сигнал с частотой в 1Гц

Сигнал с частотой в 10Гц.

Сигнал с частотой в 20Гц.

Сигнал с частотой в 50Гц.



Сигнал с частотой в 100Гц.

Сигнал с частотой в 1кГц.

9. Будем увеличивать амплитуду сообщения (то есть напряжение на выходе генератора функции) с шагом в 1 В, пока не достигнем 10 В, и пронаблюдаем эффект.



Сигнал с амплитудой 6В

Сигнал с амплитудой 7В.



Сигнал с амплитудой 8В.

Сигнал с амплитудой 9В.



Сигнал с амплитудой 10В.

Часть С - «Использование приемников FOTEx для получения цифровых сигналов»

Изучим работу приемников FOTEx при получении цифровой информации с оптоволоконной линии связи.

1. Выберем один из передатчиков с красным светодиодом и установим его переключатель режимов Mode в положение DIGITAL (Цифровой).

2. Выберем один из приемников и установите его Gain Range (Диапазон усиления) на LO.

3. Повернем ручку Variable Gain (Регулируемый коэффициент усиления) этого приемника против часовой стрелки до упора.

4. Соберем схему, как показано на рисунке.



Master Signals - генератор опорных сигналов, Sequence Generator - Генератор последовательностей, Digital Message To CH 0 - цифровое сообщение к каналу 0, Transmitter (Red) - передатчик (с красным светодиодом), Receiver - приемник, Recovered message To CH 1 - Восстановленное сообщение к каналу 1.

5. Изменим следующие настройки осциллографа:

· Coupling (связь с источником сигнала) для обоих каналов: DС (постоянный ток) вместо АС (переменный ток)

· Timebase (Масштаб по оси времени): 200 мкс/дел. вместо 500 мкс/дел.

· Vertical Position (Смещение по вертикали) канала 1: -5В вместо 0В

· Trigger Type (Тип запуска): Digital (цифровой

6. Пронаблюдаем на экране фрагмент 31-разрядной последовательности и ее копии на выходе приемника.

7. Пронаблюдаем сигнал на аналоговом выходе приемника.

Практическое задание

Влияние модулятора на возбуждение колебаний в оптоэлектронном генераторе

На современном этапе развития телекоммуникационных сетей актуальными являются задачи повышения скорости передачи данных и защищенности передаваемых сообщений. На сегодняшний день решение этих задач достигается путем применения оптоэлектронных генераторов для формирования стабильной высокочастотной (от радио- до терагерцового диапазона) несущей. Такая несущая может быть промодулирована импульсами малой длительности (порядка пикосекунд), что позволяет развить высокую скорость передачи данных. Достоинствами оптоэлектронных генераторов является высокая добротность, низкий уровень фазовых шумов, относительная простота изготовления и возможность их применения с уже существующими системами телекоммуникаций. Было показано, что система из двух связанных оптоэлектронных генераторов может обеспечивать скрытую передачу данных со скоростью до 10 ГБ/сек с низким уровнем ошибок (порядка 10^-7/бит). Кроме того, оптоэлектронный генератор допускает формирование хаотической несущей, эффективно маскирующей передаваемое сообщение. Источник лазерного излучения при этом работает в квазистатическом режиме, что позволяет избежать возникновения паразитных импульсов и релаксационных колебаний. Оптоэлектронный генератор является важной функциональной единицей, которая позволяет, с помощью различных модификаций, решать широкий спектр задач: генерация пикосекундных импульсов в радиолокации, скрытая передача данных в режиме хаотической генерации с помощью связанных систем, рекуррентные вычисления. Оптоэлектронный генератор является нелинейной системой с временным запаздыванием, что обусловливает ряд эффектов, приводящих к усложнению его динамики. В последние годы внимание исследователей привлек один из таких эффектов - формирование мультистабильности. При этом остается открытым ряд фундаментальных вопросов. Например, какова структура фазового пространства системы, каков бифуркационный сценарий формирования мультистабильности, какую роль играет время запаздывания в формировании мультистабильности. Прояснение данных аспектов динамики представляет интерес не только с теоретической точки зрения, но и для дальнейших практических приложений к системам передачи информации: используя особенности нелинейной динамики генератора, можно обеспечить его устойчивое функционирование в расширенном диапазоне значений параметров, а также применять направленные переходы между сосуществующими режимами генерации для улучшения характеристик инфокоммуникационной системы.

В рамках данной главы исследована динамика оптоэлектронного осциллятора с использованием математических моделей разного уровня: системы дифференциальных уравнений с отклоняющимся аргументом, а также системы обыкновенных дифференциальных уравнений. С использованием данных моделей удалось установить возможные динамические режимы, реализуемые в системе и определяющие структуру ее фазового пространства. Кроме того, был проведен бифуркационный анализ, объясняющий переходы между режимами и эволюцию структуры фазового пространства при вариации управляющих параметров оптоэлектронного осциллятора.

Схематическое изображение оптоэлектронного осциллятора представлено на (рис. 2.1). В рамках данной статьи мы исследуем математическую модель данной системы. Ее динамика описывается следующим интегро-дифференциальным уравнением:

где . Продифференцировав обе части уравнения по времени, получим:

Таким образом, математическая модель исследуемой системы может быть записана в осцилляторном виде:

(2.1)

где .

Математическая модель 2.1 представляет собой дифференциальное уравнение второго порядка с отклоняющимся аргументом. Фазовое пространство такой динамической системы является бесконечномерным, поскольку для задания начальных условий необходимо указать непрерывное множество значений и на отрезке времени . В предположении малого времени запаздывания возможно использовать приближение, позволяющее перейти от уравнения 2.1 к конечномерной динамической системе.

Разложим в ряд Тейлора функцию . В предположении малого времени запаздывания ограничимся линейными слагаемыми: . Тогда уравнение (2.1) можно переписать в виде динамической системы второго порядка:

(2.2)

где .

Рисунок 2.1 Схематическое изображение экспериментальной установки оптоэлектронного осциллятора

Итак, исследуем динамику модели (2.2), являющуюся простейшей моделью оптоэлектронного осциллятора, полученной в предположении нулевого времени запаздывания. Зафиксируем следующие значения управляющих параметров: и будем изменять величину . На рис. 2.2 представленные фазовые портреты данной динамической системы. При малых величинах параметра нелинейности () в фазовом пространстве системы наблюдается единственный аттрактор - устойчивое состояние равновесия типа фокус (рис. 2.2a). Увеличение параметра нелинейности ведет к потере устойчивости фокусом в результате бифуркации Андронова-Хопфа и рождению устойчивого предельного цикла в окрестности состояния равновесия. Фазовый портрет соответствующего устойчивого предельного цикла при представлен на (рис. 2.2b). Легко видеть, что при данном значении параметра нелинейности система демонстрирует квазигармонические автоколебания, а форма предельного цикла близка к эллиптической. Дальнейшее увеличение параметра нелинейности системы (2) ведет к проявлению эффектов нелинейного ограничения и, как следствию, искажению правильной формы предельного цикла (рис. 2.2c). Дальнейшее увеличение параметра нелинейности ведет к потере устойчивости предельным циклом и уходу фазовой траектории на бесконечность, что свидетельствует о выходе за границы применимости данной модели. Следует отметить, что наблюдаемые динамические режимы полностью соответствуют таковым в модели классического генератора Ван дер Поля.

Рисунок 2.2 Фазовые портреты системы (2) при и (a) ; (b) ; (c) .

Используемая MATLAB-программа:

M-файл с решением дифференциального уравнения

M-файл с вызовом решения дифференциального уравнения

Результаты:

При ;



При ;

Размещено на Allbest.ru