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

Введение

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.

                                                         3

Анализ исходных данных

Исходные данные

Топология сети	звездообразная
Количество оконечных станций	16
Длина волоконно-оптической линии связи, км	300
Длина волны, мкм	1.55
Затухание в оптическом кабеле, дБ/км	1.5
Ширина спектра излучателя, нм	20
Показатель преломления волоконного световода n1	1,445
Показатель преломления волоконного световода n2	1,440
Потери ввода-вывода вв,, дБ	3
Потери в неразъемных соединениях нз, дБ	0,2
Тип соединителя	SC
Мощность излучателя P, мВт	2.5
Минимальная оптическая мощность на входе оптического приемного устройства Pmin, дБм	-38
Вероятность ошибки при передаче информации Рош10-9	0,5
Код в линейном тракте	CMI

                                                            4                                                                                                                             

                                                                                                                                                                                                                                                                            

 

                                                                                                                           

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.

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

Наименование параметра	Рекомендация МККТТ
	G.651
Тип волокна	ОМ
Длина волны оптической несущей л, нм	1550
Характеристики волокон

                                                      5

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.                                                                                          

                                                                  6

 

 

                                                                                                                                                               

                                                   

 

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.                                  

                                                     7

 

 

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.

8

 

                                                                              

 

 

 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.

                                                      9

 

 

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.

                                                     10

 

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.

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.    

                                                      13

                                                                   

 

 

                                                                    

 

 

                                                       

.                                                                15

 

 

. (3.10)

При расчетах ВОСП должна выполняться условие (3.11):

Р_з 6 дБ (3.11)

В нашем случае

                                                          16

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):

Источники излучения

Для преобразования электрических сигналов в оптические на передающем конце ВОСП применяют в основном полупроводниковые инфекционные лазеры (ПЛ) и светоизлучающие диоды (СД, СЦД). Передатчик должен обеспечивать эффективный ввод излучения в световод: иметь узкую спектральную полосу излучения; быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения; совместимость с интегральными схемами; устойчивость к механическим, температурным воздействиям; обеспечивать когерентность генерируемого излучения; иметь малые габариты, малую потребляемую мощность, надежность и долговечность. В зависимости от химического состава полупроводникового материала передатчики могут излучать световой поток с различной длиной волны. Основной материал для таких приборов применяют арсенид галлия GaAs, дающий длину волны (?) ~ 0,9 мкм добавка Al уменьшает длину волны до 0,8 мкм GaAlAs добавка фосфида галлия и индия увеличивает волну (?) до 1,6 мкм JnGaAsP, поэтому при выборе сети необходимо обращать внимание и на химическую структуру излучателей.

Инжекционные лазеры

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый прибор с Р-П-переходом (поэтому часто используется термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. Инжекционные лазеры обеспечивают скорость передачи сигналов до 5 Гбит/с и имеют ширину спектра излучения не превышающего 2 нм.

Широкое распространение получили гетеролазеры и особенно двойные гетероструктуры (ДГС) в которых наблюдается односторонняя инжекция при которой работает сверхтонкая активная область, позволяющая получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности.

                                                        25

Световоды

Световоды представляют собой полупроводниковый диод с Р-П-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Светодиоды обеспечивают скорость передачи сигналов до 100 МБит/с и имеют ширину спектра излучения 20 - 40 нм. Наиболее предпочтительно применение суперлюминисцентных светодиодов, которые имеют значительно более высокую яркость при малой излучающей поверхности, что позволяет получать излучение более направленное. Суперлюминисцентные светодиоды обеспечивают передачу сигналов со скоростью до 200 МБит/сек при ширине спектра излучения до 20 нм.

Фотоприемники

Фотоприемник - приемник оптического излучения подразделяются на две группы: тепловые, интегрирующие результаты воздействия излучения за длительное время, и фотоэлектрические, использующие внешний или внутренний фотоэффект.

К фотоприемникам предъявляются следующие основные требования:

Квантово-электронные модули

Наиболее широкое применение получили квантово-электронные модули (КЭМ). Модули выполнены в виде герметичных микросборок (на основе тонкопленочной гибридной технологии), имеющих оптический разъем для подключения оптического кабеля с диаметром сердечника многомодового волокна 50 м. м. «Центром» передающего модуля является излучатель. В качестве излучателя применяют полупроводниковые инжекционные геторолазеры на основе соединений GaAlAs (для диапазона длин волн 0,8 - 0,9 мкм) и JnGaAsP (1,3 - 1,6 мкм). Приемный КЭМ состоит из фотодетектора (P-i-n диода или лавинного фотодиода) и усилителя с системой АРУ.

Для уменьшения потерь на ввод излучения между излучателем и разъемом применены согласующие устройства. Электронная схема обеспечивает его согласование со стандартами сигналами семейства ТТЛ или СЭЛ интегральных схем.

                                                        27      

            7. Структурное построение ВОСП

 

7.1. Основными элементами каждой световодной системы связи являются (черт. 13):

 

блок оптического передатчика, в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы, передаваемые затем в световодную линию связи;

 

волоконно-оптическая линия;

 

блок оптического приемника, принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы, поступающие на выход системы связи после декодирования и усиления.

 

 

7.2. Волоконно-оптические системы передачи могут быть универсальными или специализированными, выполняющими одну или несколько конкретных функций.

 

При проектировании ВОСП для каждой световодной системы связи разрабатывается структура, и определяются ее технические характеристики. Под структурой понимается расположение в системе передающих и принимающих оптических устройств, световодных линий и их соединений и разветвлений, интерфейсов, аппаратуры отображения информации и т.п.

 

 

                                                       

                                                      28

8.Пример анализа структур при проектировании локальное сети

 

8.1. Выбор типа излучателя (передающего устройства)

 

Выбор конкретного типа излучателя определяется необходимым уровнем мощности излучения, вводимой в оптический кабель, интервалом рабочих температур, ресурсом, потребляемой мощностью и стоимостью.

 

По требованию условий нам необходимо иметь излучатель с мощностью Ризл = 1 мВт. Такую мощность излучения нам обеспечит лазерный диод, генерирующий свет с длиной волны? = 1,3 мкм. В то же время лазерные диоды легко обеспечивают значительную долю (> 50 %) ввода излучения в световод с сердцевиной 50 мкм и числовой аппаратурой NA = 0,2. Выбираем многомодовый лазерный диод типа ИЛПН-206, работающий на длине волны? = 1,3 мкм с Pизл? 1 мВт.

 

 

8.2. Выбор оптического кабеля

 

Важнейшими характеристиками оптического кабеля являются: затухание сигнала в оптическом кабеле на определенной длине в зависимости от длины волны передаваемого излучения; веса и размеров (габаритов), простота сращивания и ввода излучения.

 

Выбираем оптический кабель типа 03КГ-1-0,7, имеющий многомодовое волокно с градиентным профилем показателя применение типа «кварц - кварц» 50/125 (диаметр сердцевины ОВ - 50 мкм) рабочую длину волны? = 1,3 мкм, полосу пропускания 800 МГц/км, оптические потери в световодном волокне? = 0,7 дБ/км и строительную длину 2,2 км

                         

 

                                                    29

Выбор фотоприемника

Фотоприемник должен обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне длин волн, малой инерционностью, низким уровнем шума, малым габаритным размером. В фотодиодах со структурой типа P-i-n возможно расширение частотного диапазона фотодетектора без снижения его чувствительности. В диапазоне волн? = 1,3 мкм лучшими характеристиками обладают фотодиоды на основе германия.

Выбираем в качестве фотоприемника германиевый P-i-n и фотодиод типа «Базис-2», работающий в фотодиодном режиме без лавинного умножения на длине волны? = 1,3 мкм.

Для подключения указанного количества абонентских терминалов (10 АТ) «последовательная» структура вынуждает применять дополнительные линии (две линии протяженностью по 10 км с 3-мя АТ и передающим модулем на каждой линии).

3. Гибридная структура «звезда - общая шина» позволяет подключать указанное количество абонентских терминалов (10 АТ), хотя и увеличивает общую длину линий примерно в два раза.

Введение

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