Реферат: Оптоволоконные линии связи

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной ВОСП третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

На рисунке 5.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от ВОСП первой группы (рисунок 5.2), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной ВОСП (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от ВОСП первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

 Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной ВОСП третьей группы определяется выражением:

n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных ВОСП с амплитудной и частотной модуляцией и ВОСП с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных ВОСП первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях – различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 дБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 дБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45дБ) и аппаратура, имеющая приведенные в пункте 2.1.1 параметры, составляет:

5.1.4.    ВОСП с одним источником излучения.

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных ВОСП по схеме на рисунке 5.5.  В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в МОИ, а меньшая – в оптический приёмник. В оптическом передатчике примятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом и через УОРС поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

Такие ВОСП могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконной ВОСП значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Где aор1, aмои – соответственно затухание сигнала в ОР на выходе 1 и в МОИ, дБ.

Длина l4 для aор1=1 дБ, aмои=3 дБ и приведенных в пункте 5.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

5.2.    Окончательный выбор структурной схемы передатчика.

5.2.1.    Выбор способа организации одноволоконого оптического тракта.

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители. Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации – системы со спектральным разделением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях ГТС, для него характерны следующие критерии оптимальности:

1)   Минимальная стоимость и простота реализации;

2)   Длина регенерационного участка не менее        8 км;

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических циркуляторов. Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических циркуляторов). Схема обеспечивает длину регенерационного участка до   18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

5.2.2.    Структурная схема оптического передатчика.

Структурная схема оптического передатчика представлена на рисунке 5.6. Сигнал           в коде HDB от цифровой системы разделения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной  характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).

5.3.    Выводы

В данной главе производится выбор способа организации одноволоконного оптического тракта на основе критериев оптимальности и разработка структурной схемы оптического передатчика для выбранного способа построения ВОСП.

В главе приведены четыре группы схем построения одноволоконных ВОСП:

1)     ВОСП, на основе различных способов разветвления оптических сигналов;

2)     ВОСП, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени;

3)     ВОСП, на основе использования различных видов модуляции;

4)     ВОСП с одним источником излучения;

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП для соединительной сети ГТС является схема волоконооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 2.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерационного участка до   18 км. Данная схема наилучшим образом удовлетворяет требованиям, предъявляемым к проектируемому оптическому передатчику:

1)   Минимальная стоимость и простота реализации;

2)   Длина регенерационного участка не менее        8 км;

На рис. 3.6 приведена соответствующая структурная схема оптического передатчика. В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.

6.1.    Общие соображения по расчёту принципиальной схемы устройства

Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства ВОСП является выбор типа и марки оптического излучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикам требований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

-  мощность излучения;

-  длина волны излучения;

-  ширина спектра излучения;

-  частота модуляции;

-  ток накачки;

-  пороговый ток.

Для правильного выбора оптического излучателя в первую очередь следует задаться верным значением  мощности излучения. Для этого необходимо определить требуемую оптическую мощность на выходе оптического передающего устройства. Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора V2 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора (Рисунок 6.1). Транзистор вбирают исходя из  характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчёт элементов схемы модулятора.

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение – ток (рисунок 6.1). Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.

Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод V3, подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рисунок 6.1).

6.2.    Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя

Для проектируемой одноволоконной системы связи затухание участка составит:

,где l=8 км - длина участка;

aов=5 дБ/км - затухание сигнала на одном километре оптического волокна;

aуорс=2 дБ - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов;

aусслк=1 дБ - то же, в устройстве УССЛК;

aрс=1 дБ, aнс=0.5 дБ - то же, в разъемных и неразъемных соединителях;

,где Pпр=-50 дБ – уровень оптического сигнала на приёме.

То есть мощность излучения на выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт. Кроме того, источник излучения должен работать на длине волны 1.3 и 1.55 мкм и обеспечивать частоту модуляции не менее 8.5 МГц. Принимая во внимание вышесказанное, остановимся на выборе полупроводникового лазерного излучателя ИДЛ 5С-1300, структуры MOCVD выпускаемого НИИ «Полюс». Его технические характеристики:

Длина волны l:                                 1270 – 1300 Нм

Мощность излучения Р:                    5 мВт

Ток накачки Iн:                                  50 мА

Рабочее напряжение Uр:                           1,5 В

Пороговый ток In :                                      30 мА

Расходимость пучка:                         200 - 350

Ширина спектра:                               3 нм

Диапазон рабочих температур:        -400 - +600 С.

6.3.    Выбор транзистора и расчёт сопротивлений в схеме прямого модулятора

При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

-  Постоянный ток коллектора не менее 120 мА;

-  Частота среза не менее 8.5 МГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях  вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры:

-  Статический коэффициент передачи h21э тока в схеме ОЭ при     Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

-  Напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

-  Напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас’ при Iк=10 мА, Iб=1 мА, не более: 0.035 В;

-  Напряжение насыщения база – эмиттер Uбэнас при  Iк=500 мА,     Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

-  Ёмкость коллекторного перехода Ск при Uкб=10 В, не более: 10 пФ;

-  Обратный ток коллектора Uкобр при Uкб=10 В, не более: 1 мкА;

-  Обратный ток эмиттера Uэобр при Uбэ=4 В, не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

-  Постоянное напряжение коллектор – база Uкбmax: 30 В;

-  Постоянное напряжение коллектор – эмиттер Uкэmax                         при Rбэ<1 кОм: 30 В;

-  Постоянное напряжение коллектор–эмиттер Uкэmax при Iэ£10мА: 25 В

-  Постоянное напряжение база–эмиттер Uбэmax: 5 В;

-  Постоянный ток коллектора Iкmax: 800 мА;

-  Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pmax: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы. При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо £ 0.45×Uкmax. Пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В. Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит Iкм=120 мА, тогда Uкэм=1.7 В и Iбм=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и Амплитудное значение Uбм=0.74 В.

Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

-  напряжение покоя коллектора:                Uкэо=6 В;

-  ток покоя коллектора:                               Iко=40 мА;

-  ток покоя базы:                                         Iбо=0.135 мА;

-  напряжение покоя базы:                           Uбо=0.71 В;

-  Амплитуда тока базы:                               Iбм=0.47 мА;

-  Амплитуда напряжения на коллекторе:   Uкэм=1.7 В;

-  Амплитуда тока коллектора:                             Iкм=120 мА;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12