Проектирование волоконно-оптических систем передачи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Факультет «Электронные аппараты»

Кафедра ТАПР РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ по дисциплине: «Конструирование и технология систем обработки информации»

на тему:

«Проектирование волоконно-оптических систем передачи «

Выполнил:

ст. гр. ТЗТ-04−2

Тилиженко С.А.

Принял:

Стародубцев Н.Г.

• Введение
• 1. Анализ исходных данных
• 1.1 Исходные данные
• 1.2 Требования к системе
• 1.3 Топология сети
• 1.4 Код передаваемого сигнала
• 2. Выбор элементной базы ВОСП
• 2.1 Выбор оптического кабеля
• 2.2 Выбор типа излучателя
• 2.3 Выбор типа фотодетектора
• 2.4 Выбор типов оптических соединителей и разветвителей
• 3. Расчет параметров цифровой ВОСП
• 3.1 Расчет энергетического потенциала системы
• 3.2 Расчет потерь в оптическом линейном тракте
• 3.3 Расчет эксплуатационного запаса системы
• 3.4 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного затуханием оптического сигнала
• 3.5 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного дисперсией
• 3.6 Расчет быстродействия системы
• Выводы
• Список использованной литературы

Целью курсового проектирования является приобретение практических навыков проектирования и расчета локальных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Задачами курсового проекта являются: обоснование выбора необходимой элементной базы и расчет основных параметров проектируемой ВОЛС.

Научно-технический прогресс в значительной мере определяется объемом и скоростью передачи информации. Возможность увеличения объемов передаваемой информации наиболее полно реализуется при использовании волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). Применение ВОСП решает проблему электромагнитной совместимости, защиты цепей и трактов систем связи от разнообразных воздействий.

ВОСП представляет собой совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ), иначе — волоконным световодам (ВС), с помощью оптических волн. Таким образом, ВОСП — это совокупность оптических приборов и оптических линий передачи для создания, передачи и обработки оптических сигналов. В этом случае оптическим сигналом является модулированное оптическое излучение источника (лазера или светодиода), передаваемое по ОВ в виде совокупности различных типов оптических волн (мод). Средой передачи в ВОСП является оптическое волокно, а носителем информации — электромагнитные колебания оптического диапазона.

В современной технике связи утвердились цифровые средства передачи и обработки информации. Преимущества цифровых систем передачи по сравнению с аналоговыми — высокая помехоустойчивость, нечувствительность к нелинейным искажениям, независимость качества передачи от длины линии связи, стабильность параметров канала связи и др.

Во всем мире достигли значительного прогресса в развитии ВОЛС. В сетях связи Украины широко используются ВОСП для линий связи всех ступеней иерархии: магистральных, зоновых, местных.

Применение ВОСП целесообразно и экономически эффективно на всех участках Единой Национальной Сети Связи Украины. Это не только повышает технико-экономические показатели отрасли связи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания.

В Украине ВОСП наиболее широко используются для организации соединительных линий городской телефонной сети и для зоновой связи.

1. Анализ исходных данных

1.1 Исходные данные

Исходные данные для расчета цифровой ВОСП приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1 — Исходные данные для расчета цифровой ВОСП

1.2 Требования к системе

Анализируя исходные данные, можно сказать, что к проектируемой системе предъявляются следующие требования:

1. Скорость передачи системы, определяющая объем предаваемой информации В=622 Мбит/сек.

2. Помехоустойчивость системы характеризуется вероятностью ошибки при передаче информации: Р_ош10^-9.

3. Тип передаваемой информации — цифровой.

4. Рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии на параметры оптического кабеля при заданном типе волокна и длине волны =1.55 мкм приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2 ;

Рекомендации МККТТ относительно оптических кабелей

волоконная оптическая линия связь Схема выбора оптоэлектронных элементов ВОСП представлена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 — Схема выбора элементов ВОСП Код сигнала в оптическом линейном тракте — NRZ, т. е. цифровой код без возвращения к нулю. Поэтому допустимое быстродействие системы будет определяться выражением:, где В — скорость передачи, бит/с.

1.3 Топология сети

Проектируемая ВОЛС представляет собой сеть со звездообразной конфигурацией, обобщенная топология которой изображена на рис. 1.2.

На рис. 1.2 цифрами 1,2,3,., N-1,N обозначены оконечные устройства (терминалы), которые соединены между собой через оптический разветвитель энергии РЭ типа «звезда» или подключены к узлу коммутации УК, который осуществляет необходимое распределение сообщений.

В проектируемой системе число оконечных станций равно N=14.

Рис. 1.2 — Топология «звезда»

1.4 Код передаваемого сигнала

Код сигнала в линейном тракте проектируемой системы — код NRZ, наиболее простой код, в котором единица передается импульсом, а нуль — паузой (рис. 1.3). NRZ — это код без возврата к нулю на тактовом интервале. Недостатками этого кода являются наличие постоянной составляющей, которая зависит от количества нулей и единиц в передаваемой импульсной последовательности, невозможность выявления ошибки, высокое содержание низкочастотных компонентов.

Рисунок 1.3 — Формирование линейного кода NRZ

2. Выбор элементной базы ВОСП

2.1 Выбор оптического кабеля

Выбираем кабель исходя из требований ТЗ и рекомендаций МККТТ (табл.1.2). Для проектируемой системы подходят кабели, используемые для ВОЛС местных сетей, — кабели на основе градиентного волокна, с гидрофобным заполнителем межмодульного пространства. Они предназначены для прокладки в телефонной канализации, трубах, коллекторах ручным и механизированным способом. Такие кабели стойки к растягивающим усилиям до 1200 Н, радиус изгиба этих кабелей — 260 мм. Для прокладывания ОК в городской телефонной канализации используются кабели, которые не содержат броневых покрытий (голые). Если предполагается установление необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) в пунктах, имеющих гарантированное электропитание, или использование автономных источников питания, используется кабель, который не содержит проводов дистанционного питания. В этом случае, если разрешают условия прокладывания, следует применить кабель, который не содержит металлических элементов, т. е. кабель с полимерными оболочками.

Выбранный кабель характеризуется следующими параметрами:

— затухание в оптическом кабеле =1.5 дБ/км;

— удельная хроматическая дисперсия =8.5 пс/ (нм· км);

— строительная длина кабеля l_бд=2300 м;

— тип оптического кабеля — ОМ;

— межмодовая дисперсия =45 пс/км;

— диапазон рабочих температур — (-40. +50єC);

— числовая апертура NA=0,21;

количество ОВ кабеле — 4.

2.2 Выбор типа излучателя

В ТЗ к источнику излучения предъявляются следующие требования:

— ширина спектра излучателя =20 нм;

— потери ввода-вывода _вв=3 дБ;

мощность излучателя P=2,5мВт.

Исходя из перечисленных требований, выбираем в качестве излучателя лазер со следующими характеристиками:

— время нарастания импульса излучения ф_н=1 нс;

— ток накачки Iн=150 мА;

— ресурс работы Т=10⁵ ч;

— структура — AlGaAs.

2.3 Выбор типа фотодетектора

Применяя схему выбора оптоэлектронных компонентов сети, изображенную на рис 1.1, выбираем в качестве приемника оптического излучения (ПОИ) кремниевый лавинный фотодиод (ЛФД), который характеризуется параметрами:

— время нарастания переднего фронта импульса ф_н=2,5нс;

— токовая чувствительность S_I =12 А/Вт;

— темновой ток Iт =15 нА;

— коэффициент лавинного умножения М=20;

— область спектральной чувствительности — 1.1,7нм.

Чувствительность фотодетектора является одним из факторов, который определяет энергетический потенциал системы. Временные параметры ФД определяют быстродействие системы. Чувствительность фотодетектора определяет коэффициент ошибки цифровой системы передачи.

Для среднескоростных систем передачи целесообразно выбирать лавинные фотодиоды, которые имеют большую интегральную чувствительность и внутренний коэффициент усиления.

2.4 Выбор типов оптических соединителей и разветвителей

Главным требованием при выборе оптических соединителей является малое затухание соединителя. Для соединения предающего оптического модуля (ПОМ) и принимающего оптического модуля (ПрОМ) с линейным кабелем применяются станционные кабели. Одним концом станционный кабель соединяется с ПОМ (ПрОМ), другим — со станционным ОК, в обоих случаях применяется разъемный соединитель.

Разъемными соединителями присоединяется линейный кабель к ПОМ (ПрОМ) регенератора. Разъемный соединитель должен также сохранять малое затухание при его многократном «присоединении-разъединении» и при изменении температуры внешней среды.

В качестве разъемного соединителя в проектируемой системе применяется соединитель типа РС/РС, параметры которого приведены в табл.2.1.

Таблица 2.1 — Параметры разъемного оптического соединителя РС/РС

Неразъемные соединения осуществляются при прокладывании ОК, когда соединяются строительные длины ОК. Существует несколько средств соединения строительных длин ОК: склеивание, сваривание, использование иммерсионных веществ.

Наименьшее затухание достигается при использовании специальных автоматических аппаратов для сваривания ОВ. Потери в соединениях, выполненных методом электросварки, составляют для многомодового ВС 0,1−0,3 дБ. При этом методе требования к обработке торцов перед сращиванием невысокие.

В разветвленных сетях используются распределители оптической мощности (РОП). В общем случае РОП — это многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на входные полюса, делится между выходными полюсами. РОП должны иметь низкое затухание, необходимые для потребителя коэффициенты, которые характеризуют часть ответвленной оптической мощности.

В системах с большим числом абонентов целесообразно использовать звездообразные распределители (рис. 2.1). Потери в таких распределителях пропорциональны количеству оконечных устройств N.

Рисунок 2.1 — Звездообразный распределителей

3. Расчет параметров цифровой ВОСП

При проектировании цифровых ВОСП возникает потребность в расчетах таких параметров как длина регенерационного участка и быстродействие системы.

В волоконно-оптических цифровых систем передачи (ЦСП) длина регенерационного участка ограничивается двумя факторами: потерями в оптическом линейном тракте и распространением оптических импульсов, что вызывается дисперсией световодов. В общем случае выполняются два расчета длины регенерационного участка, который ограничивается этими факторами и выбирается меньше из полученных значений.

3.1 Расчет энергетического потенциала системы

Длина регенерационного участка, ограниченного потерями в оптическом линейном тракте L_рвт, ограничивается такими факторами: средней мощностью излучателя Р_в; порогом чувствительности ПРОМ Р_оmin; потерями введения-вывода оптического излучения _вв, _вил; потерями в разъемных соединителях _рз; потерями в неразъемных соединителях _нз; затуханием оптического кабеля _к.

На рис. 3.1 приведена модель волоконно-оптического канала, которая отображает распределение потерь на участке регенерации.

Прежде всего определяется энергетический потенциал системы — разность между эффективной мощностью оптического излучения Р_эф ПОМ и порогом чувствительности ПрОМ Р_{0min (}3.1):

(3.1)

Рисунок 3.1 — Модель волоконно-оптического канала Эффективная мощность оптического излучения определяется средней мощностью источника излучения, средством кодирования, температурной и временной деградацией. Средняя мощность излучения ПОМ — среднее значение мощности оптического излучения на исходном оптическом полюсе ПОМ за заданный интервал времени, в заданном углу и при заданном токе накачки. Эффективная мощность излучателя должна превышать все потери в оптическом линейном тракте, уровень оптической мощности на входе фотодетектора должен быть большим, чем порог чувствительности Р_0min на некоторое значение, которое называется эксплуатационным (или энергетическим) запасом. Этот запас необходим для учета временной деградации компонентов ВОСП, а также повышения потерь в ОК при проведении ремонтно-возобновительных работ при повреждениях (обрывах) кабеля. Обычно эксплуатационный запас равняется 6 дБ.

Определим эффективную мощность излучателя (3.2):

(3.2)

где Р_в — средняя мощность оптического излучателя, дБм; Р_Т — потери вследствие температурной деградации; Р_к — потери вследствие кодирования. При использовании кодов без возвращения к нулю Р_к = 3 дБ.

В нашем случае Рв = 200 мВт= - 17 дБ, Рт = 1дБ.

Тогда

3.2 Расчет потерь в оптическом линейном тракте

Потери при вводе излучения равны (3.3):

(3.3)

В нашем случае

.

При соединении ВС с излучателем, фотодетектором, при наличии воздушного зазора между световодами возникает френелевское отражение, которое обусловлено разностью показателей преломления сред. Коэффициент передачи соединения равен (3.4):

(3.4)

где n₁ и n₂ — показатели преломления сред.

.

Потери френелевского отражения равны (2.5):

(2.5)

.

При соединении ВС возникают дополнительные потери, которые делятся на внешние и внутренние. Внешние обусловленные несогласованием взаимного расположения ВС — разбросом параметров ВС. Расчетные формулы для радиального и углового несогласований приведенные в табл.3.1.

Таким образом, потери при радиальном смещении равны (значения Хн и, а — табл.1.1):

.

С учетом того, что для воздуха =1, и =1?=1/57рад (см. табл.1.1), потери при угловом смещении равны:

.

Таблица 3.1 — Потери при несогласовании взаимного расположения волокон

Полные потери при соединении ВС определяются суммой их составных по квадратичному закону (3.6):

(3.6)

Итак, .

Потери в звездообразном распределителе оптической мощности будут равны (3.7):

+13 (3.7)

В нашем случае

3.3 Расчет эксплуатационного запаса системы

Энергетический потенциал аппаратуры ВОСП должен компенсировать все потери в оптическом линейном тракте, т. е. имеет место баланс мощностей (3.8):

(3.8)

где _лт — потери оптического линейного тракта на длине регенерационного участка, Р_з — эксплуатационный запас.

Потери в оптическом линейном тракте равны, дБ (3.9):

(3.9)

где N_рз — количество разъемных соединений, N_рз — количество неразъемных соединений, — километрическое затухание кабеля, L_р — длина регенерационного участка. При Lр = 3 км потери в линейном тракте на участке ввода

.

Из (3.8) и (3.9) получаем выражение для запаса по мощности системы, дБ (3.10):

. (3.10)

При расчетах ВОСП должна выполняться условие (3.11):

Р_з 6 дБ (3.11)

В нашем случае

т.е. условие (3.11) выполняется.

3.4 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного затуханием оптического сигнала

Учитывая усредненные потери неразъемных соединений на строительной длине кабеля (L_р?/l?_бд), получим выражение для максимальной длины регенерационного участка, которая ограничивается потерями в оптическом линейном тракте, км (3.12)

(3.12)

3.5 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного дисперсией

Ограничение скорости передачи информации цифровых ВОСП обусловлено такими факторами:

инерционностью излучателя;

инерционностью фотодетектора;

дисперсией оптического волокна.

Для исключения влияния дисперсии, приводящей к расширению оптических импульсов, на качество передачи информации необходимо выполнение условия В 0,25/,

где В — скорость передачи, бит/с; (- среднеквадратичное расширение импульса в кабеле длиной L км, с. Из этого вытекает условие ограничения длины регенерационного участка, км L_р0,25/₀В,

где ₀ — среднеквадратичное расширение импульса в кабеле длиной 1 км, с/км.

Среднеквадратичное расширение импульса определяется выражением (3.13):

(3.13)

где _мм — межмодовая дисперсия, _хр — хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия равна (3.14):

(3.14)

где и — значения, заданные в ТЗ (табл.1.1).

.

Тогда

L_р

Из полученных расчетов длины регенерационного участка выбираем меньшее значение. Итак,

3.6 Расчет быстродействия системы

Быстродействие системы определяется инерционностью электронных компонентов и расширением импульсов в оптическом кабеле. Быстродействие системы (нс) определяется по формуле (3.15):

(3.15)

где

(3.16)

где _В — быстродействие излучателя, определяющееся продолжительностью переднего фронта импульса; _ФД — быстродействие фотодетектора.

Быстродействие системы не должно превышать допустимого значения, которое определяется видом сигнала (требование 6, п. 1.2):

Очевидно, что требуемое быстродействие при заданных параметрах оптоэлектронных устройств и при заданных величинах дисперсии обеспечивается.

Выводы

В курсовом проекте была спроектирована структурированная кабельная система с применением оптических компонентов и рассчитаны ее основные параметры.

В соответствии с предъявляемыми к проектируемой системе требованиями, для нее были выбраны оптический кабель и такие оптоэлектронные устройства, как оптический излучатель, приемник оптической мощности (фотодетектор), также выбраны соединения, обладающие малыми потерями.

В качестве источника излучения выбран кремниевый светодиод со структурой AlGaAs, в качестве фотодетектора в системе применяется кремниевый лавинный фотодиод.

Произведен энергетический расчет ВОСП, а именно, рассчитаны потери в системе при передаче информации с учетом потерь в разъемных и неразъемных (сварных) соединениях и с учетом затухания в оптическом кабеле; определен энергетический потенциал системы, составляющий Q = 39 дБ. Рассчитан эксплуатационный запас системы, он равен, что соответствует требованию. Однако, стоит отметить, что такой запас достигается только при многократном увеличении мощности излучателя — до 200 мВт — и при уменьшении длины регенерационного участка. Длина регенерационного участка равна, т. е. через каждые 1,8 км сети необходимо устанавливать ретрансляторы, усиливающие передаваемый сигнал и тем самым компенсирующие большие потери в системе передачи. Таким образом, для длины ВОЛС необходимо установить 300/1,8=157 ретрансляторов. Это позволяет обеспечить функционирование сети, но повышает стоимость всей системы в целом.

Рассчитано требуемое быстродействие системы и быстродействие, реально достигаемое при передаче информации. Выяснено, что при заданных в ТЗ параметрах оптоэлектронных компонентов необходимое быстродействие достигается.

1. Ковальчук В. К. Волоконно-оптичні системи передачі. Частина 1. Елементи та вузли ВОСП. Навч. Посібник. — Харків: ХТУРЕ, 1997. — 152с. — Рос. мовою.

2. Ковальчук В. К. Волоконно-оптичні системи передачі. Частина 2. Навч. Посібник. — Харків: ХТУРЕ, 2000. — 212с.

3. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи. / Л. М. Андрушко, В. А. Вознесенский, В. Б. Каток и др. / Под ред. С. В. Свечникова и Л. М. Андрушко. К.: Техника, 1988. — 259с.