Анотація

Об'єктом дослідження є способи збільшення пропускної спроможності каналів волоконнооптичних систем передачі шляхом передачі сигналів по одному оптичному волокну у двох напрямках.

Мета роботи - визначення способу збільшення пропускної спроможності каналів, що підходить для використання на з'єднувальних лініях міської телефонної мережі. І розробка відповідного передавального пристрою.

Обрано тип одноволоконнооптіческой системи передачі, розроблена її структурна схема, розроблена принципова схема передавального пристрою і джерело живлення.

У процесі роботи складено огляд методів передачі сигналів по одному оптичному волокну у двох напрямках і визначений спосіб збільшення пропускної спроможності каналів, що підходить для використання на з'єднувальних лініях міської телефонної мережі.

У дипломному проекті дано огляд існуючих методів організації волоконнооптичних систем передачі, а також висвітлені можливі способи побудови одноволоконного систем передачі.

В ході роботи здійснено розробку структурної схеми передавального пристрої, крім того, наведені варіанти структурних схем можливих способів побудови одноволоконного систем передачі.

ЗМІСТ

1. Вступ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 4

2. Принципи побудови та основні особливості волокон -

нооптіческіх систем передачі в міських телефонних мережах ... ... ... ... .. 5

2.1 Лінійні коди в волоконнооптичних системах передачі .... ... ... ... ... ... ... ... ... 7

2.2 Джерела випромінювання волоконнооптичних системах передачі ... ... ... ... ... ... ... 9

2.3 Детектори волоконнооптичних систем передачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .10

2.4 Оптичні кабелі в волоконнооптичних системах передачі ... ... ... ... ... ... ... .11

2.5 Особливості одноволоконного оптичних систем передачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... 13

2.6 Побудова передавальних і приймальних пристроїв в волоконнооптичних

системах передачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 16

2.6.1 Види модуляції оптичних коливань ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16

2.6.2 Оптичний передавач прямий модуляції ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18

2.6.3 Оптичний приймач ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 20

3. Вибір і обгрунтування структурної схеми передавача ... ... ... ... ... ... ... .. 21

1. Методи побудови структурних схем одноволоконного оптичних

систем передачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 21

3.1.1 волоконнооптичні системи передачі на основі різних способів

розгалуження оптичних сигналів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21

3.1.2 волоконнооптичних система передачі, заснована на використанні

поділу різноспрямованих сигналів за часом ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 24

3.1.3 волоконнооптичних система передачі, на основі використання

різних видів модуляції ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25

3.1.4 волоконнооптичних система передачі з одним джерелом випромінювання ... .. 28

3.2 Остаточний вибір структурної схеми передавача ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 30

3.2.1 Вибір способу організації одноволоконного оптичного тракту ... ... ... ... 30

3.2.2 Структурна схема оптичного передавача ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 30

4. Розрахунок електричної принципової схеми ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32

4.1 Загальні міркування з розрахунку принципової схеми пристрою ... ... ... ... ... .. 32

4.2 Розрахунок потужності випромінювання передавача і вибір типу випромінювача ... ... ... ... .. ... .34

4.3 Розрахунок вихідного каскаду ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 35

4.4 Розрахунок согласующего підсилювача ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 39

4.5 Розрахунок пристрої автоматичного регулювання рівня оптичного сигналу ... .. 41

4.6 Розрахунок схеми термостабилизации ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 43

4.7 Розрахунок джерела живлення одноволоконного оптичної системи передачі ... ... .. 45

4.8 Розрахунок ємностей у схемі оптичного передавального пристрою ... ... ... ... ... ... ... .49

4.8.1 Розрахунок емітерний ємності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 49

4.8.2 Розрахунок розділової ємності ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 49

4.8.3 Розрахунок ємностей фільтрів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50

4.9 Номінали елементів схеми ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 50

принципова схема оптичного передавача ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 52

принципова схема джерела живлення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... .. 53

5. Конструктивний розрахунок друкованої плати одноволоконного

оптичної системи передачі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... 54

5.1 Вибір матеріалу друкованої плати ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... .54

5.2 Розміщення елементів і розробка топології друкованої плати ... ... .. ... ... ... ... .55

6. Розрахунок надійності волоконнооптичної передавального

устрою ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... ... ... ... ... .. 59

7. Техніко-економічний розрахунок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 63

7.1 Аналіз ринку ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 63

7.2 Визначення собівартості одноволоконного оптичного передавача ... .... ... 65

7.2.1 Витрати на придбання матеріалів ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 65

7.2.2 Витрати на покупні вироби та напівфабрикати ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 66

7.2.3 Основна заробітна плата виробничих робітників ... ... ... ... ... ... ... ... ... 67

7.2.4 Калькуляція собівартості блоку волоконнооптичної передавача .... ... 69

7.3 Визначення рівня якості виробу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 70

7.4 Визначення ціни виробу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 72

7.4.1 Нижня межа ціни виробу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 72

7.4.2 Верхня межа ціни виробу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 73

7.4.3 Договірна ціна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 73

7.5 Визначення мінімального обсягу виробництва ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 73

8. Заходи з охорони праці ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 75

8.1 Лазерна безпека ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .75

8.2 Вимоги безпеки при експлуатації лазерних виробів ... ... ... ... ... ... ... 78

8.3 Заходи з виробничої санітарії ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 79

8.4 Вимога до висвітлення і розрахунок освітленості ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 84

8.5 Заходи щодо поліпшення умов праці ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 90

8.5.1 Розрахунок місцевого відсмоктування ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 90

8.6 Заходи щодо пожежної безпеки ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... 91

8.7 Заходи щодо блискавкозахисту будівлі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... 94

9. Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 95

Додаток ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 96

1. Введення

Цифрова зв'язок по оптичних кабелях, що набуває все більшої актуальності, є одним з головних напрямків науково-технічного прогресу.

Переваги цифрових потоків в їх відносно легкої оброблюваності за допомогою ЕОМ, можливості підвищення відносини

сигнал / шум і збільшення щільності потоку інформації.

Переваги оптичних систем передачі перед системами передачі працюють по металевому кабелю полягає в:

-Можливості отримання світловодів з малим загасанням і дисперсією, а значить збільшення дальності зв'язку;

-Широкій смузі пропускання, тобто великої інформаційної місткості;

-Оптичний кабель не має електропровідність і індуктивністю, тобто кабелі не піддаються електромагнітним впливом;

-Пренебрежимо малих перехресних перешкод;

-Низькою вартістю матеріалу оптичного кабелю, його малий діаметр і маса;

-Високої скритності зв'язку;

-Можливості удосконалення системи при повному збереженні сумісності з іншими системами передачі.

Лінійні тракти волоконнооптичних систем передачі будуються як Двоволоконні однополосні одне кабельні, Одноволоконні одне смугові однокабельние, Одноволоконні багатосмугові одне кабельні (зі спектральним ущільненням).

Враховуючи, що частка витрат на кабельне обладнання становить значну частину вартості зв'язку, а ціни на оптичний кабель в даний час залишаються досить високими, виникає завдання підвищення ефективності використання пропускної здатності оптичного волокна за рахунок одночасної передачі по ньому більшого обсягу інформації.

Цього можна добитися, наприклад, передачею інформації у зустрічних напрямках по одному оптичному кабелю.

Мета роботи - визначення способу збільшення пропускної спроможності каналів, що підходить для використання на з'єднувальних лініях міської телефонної мережі. І розробка відповідного передавального пристрою.

2. Принципи побудови та основні особливості

волоконнооптичних систем передачі в міських телефонних мережах.

Особливістю з'єднувальних ліній є відносно невелика їх довжина за рахунок глибокого районування мереж. Статистика розподілу протяжності з'єднувальних ліній міської телефонної мережі в найбільших містах свідчить, що сполучні лінії протяжністю до 6 км становлять 65% від усього числа з'єднувальних ліній.

Значні відстані між регенераційних пунктами волоконнооптичних систем передачі дають можливість відмовитися від устаткування регенераторів в колодязях телефонної каналізації, а також від організації дистанційного живлення (ріс2.1).

У найбільш загальному вигляді принцип передачі інформації в волоконно-оптичних системах зв'язку зображений на рис.2.2.

На стороні передачі на випромінювач світла, в якості якого в волоконнооптичної системі зв'язку використовується світлодіод або полупровод-ників лазер, надходить електричний сигнал, призначений для передачі по лінії зв'язку. Цей сигнал модулює оптичне випромінювання джерела світла, в результаті чого електричний сигнал перетвориться в оптичний. На прийом - іншої стороні сигнал з оптичного волокна вводиться в фотодетектор. У сучасних волоконно-оптичних системах передачі як фотоде - тектора використовують pin або лавинний фото діод.

Фотодетектор перетворить падаюче на нього оптичне випромінювання в вихідний електричний сигнал. Потім електричний сигнал надходить на підсилювач (регенератор) і відправляється одержувачу повідомлення.

Вибір елементної бази при реалізації волоконнооптичних систем передачі та параметри її лінійного тракту залежать від швидкості передачі символів цифрового сигналу. Існують встановлені правила об'єднання цифрових сигналів і визначена ієрархія апаратури тимчасового об'єднання цифрових сигналів електрозв'язку. Сутність ієрархії полягає в ступінчастому розташуванні зазначеної апаратури, при якому на кожному ступені об'єднується певне число цифрових сигналів, що мають однакову швидкість передачі символів, відповідну попереднього ступеня. Цифрові сигнали під вторинної, третинної, і т.д. системах виходять об'єднанням сигналів попередніх ієрархічних систем. Для європейських країн встановлені наступні стандартні швидкості передачі для різних ступенів ієрархії (відповідно ємності в телефонних каналах): перша ступінь-2.048 Мбіт / с (30 каналів), друга-8.448 Мбіт / с (120 каналів), третя-34.368 Мбіт / с ( 480 каналів), четверта-139.264 Мбіт / с (1920 каналів). Згідно з наведеними швидкостями можна говорити про первинної, вторинної, третинної і четвертинної групах цифрових сигналів електричного зв'язку (у цьому ж порядку присвоєні назви системам ІКМ).

Апаратура, в якій виконується об'єднання цих сигналів, називається апаратурою тимчасового об'єднання цифрових сигналів. На виході цієї апаратури цифровий сигнал обробляється скремблер, тобто перетвориться за структурою без зміни швидкості передачі символів для того, щоб наблизити його властивості до властивостей випадкового сигналу (рис.2.3). Це дозволяє досягти стійкої роботи лінії зв'язку незалежно від статистичних властивостей джерела інформації. Ськремблірованний сигнал може подаватися на вхід будь-якої цифрової системи передачі, що здійсню-ється за допомогою апаратури електричного стику.

Скрембі-лер

Перетворень-тель коду стику

Перетворення Ватель коду

Передавальний оптичний модуль

- Структурна схема волоконнооптичної системи передачі

Апаратура стику

Апаратура оптичного лінійного тракту

Рис.2.3

Апаратура тимчасового

об'єднання

Для кожної ієрархічної швидкості рекомендуються свої коди стику, наприклад для вторинної - код HDB-3, для четверичной - код CMI і т.д. Операцію перетворення бінарного сигналу, що надходить від апаратури тимчасового об'єднання в код стику, виконує перетворювач коду стику. Код стику може відрізнятися від коду прийнятого в оптичному лінійному тракті. Операцію перетворення коду стику в код цифровий волоконнооптичної системи передачі виконує перетворювач коду лінійного тракту, на виході якого виходить цифровий електричний сигнал, модулюючий ток випромінювача передавального оптичного модуля. Таким чином, волоконно-оптичні системи передачі будуються на базі стандартних систем ІКМ заміною апаратури електричного лінійного тракту на апаратуру оптичного лінійного тракту.

1. Лінійні коди в волоконнооптичних

системах передачі

Оптичне волокно, як середовище передачі, а також оптоелектронні компоненти фотоприймача й оптичного передавача накладають обмежують вимоги на властивості цифрового сигналу, що надходить в лінійний тракт. Тому між обладнанням стику і лінійним трактом волоконнооптичної системи передачі поміщають перетворювач коду. Вибір коду оптичної системи передачі складна і важлива задача. На вибір коду впливає, по-перше, нелінійність модуляційної характеристики і температурна залежність випромінюваної оптичної потужності лазера, які призводять до необхідності використання дворівневих кодів.

По-друге, вид енергетичного спектру, який повинен мати мінімальний вміст низькочастотних (НЧ) і високочастотних (ВЧ) компонент. Енергетичний спектр містить безперервну і дискретну частини. Безперервна частина енергетичного спектру цифрового сигналу залежить від інформаційного сигналу і типу коду. Для того, щоб цифровий сигнал не спотворювався в підсилювачі змінного струму фотоприймача, бажано мати низькочастотну складову безперервної частини енергетичного спектра пригніченою. В іншому випадку для реалізації оптимального прийому перед вирішальним пристроєм регенератора потрібне введення додаткового пристрою, призначеного для відновлення НЧ складової, що ускладнює устаткування лінійного тракту. Існує ще одна причина для зменшення низькочастотної складової сигналу - оптична потужність, яку випромінює напівпровідниковим лазером, залежить від навколишньої температури і може бути легко стабілізована за допомогою негативного зворотного зв'язку (ООС) за середнім значенням випромінюваної потужності в тому разі, коли відсутня НЧ частину спектру, що змінюється в часі. Інакше в ланцюг ООС доведеться вводити спеціальні пристрої, що компенсують ці зміни.

По-третє, для вибору коду, високий вміст інформації про тактовом синхросигнали в лінійному сигналі. У приймальнику ця інформація використовується для відновлення фази і частоти синхрон-рующего коливання, необхідного для управління прийняттям рішення в пороговому пристрої. Здійснити синхронізацію тим простіше, чим більше число переходів логічного рівня в цифровому сигналі. Кращим з точки зору відновлення тактової частоти і простоти реалізації схеми виділення синхронизирующей інформації, є сигнал, що має в енергетичному спектрі дискретну складову на тактовій частоті.

По-четверте, код не повинен мати будь-яких обмежень на передава-емое повідомлення і забезпечувати однозначну передачу будь послідовно-сті нулів і одиниць.

По-п'яте, код повинен забезпечувати можливість виявлення та виправлення помилок. Основною величиною, що характеризує якість зв'язку, є частота появи помилок або коефіцієнт помилок, визначається ставленням середнього кількості неправильно прийнятих посилок до їх загального числа. Контроль якості зв'язку необхідно виробляти, не перериваючи роботу лінії. Ця вимога припускає використання коду, що володіє надмірністю, тоді досить фіксувати порушення правил формування коду, що б контролювати якість зв'язку.

Крім перерахованих вище вимог на вибір коду впливає простота реалізації, низьке споживання енергії і мала вартість устаткування лінійного тракту.

У сучасних оптоволоконних системах зв'язку для міської телефонної мережі ІКМ-120-4 / 5 та ІКМ-480-5 для передачі як лінійного коду використовується код CMI, що відповідає більшості перерахованих вище вимог. Особливістю даного коду є поєднання простоти кодування і можливості виділення тактовою частоти заданої фази з допомогою вузькосмугового фільтра. Код будується на основі коду HDB-3 (принцип побудови представлений на рис. 2 .4). Тут символ +1 перетворюється на кодове слово 11, символ -1-в кодове слово 00, символ 0-в 01. З малюнка 2.4 видно, що для CMI характерно значне число переходів, що свідчить про можливість виділення послідовності тактових імпульсів. Поточні цифрові суми кодів мають обмежене значення. Це дозволяє контролювати величину помилки досить простими засобами. Число однойменних наступних один за одним символів не перевищує двох - трьох. Надмірність коду CMI можна використовувати для передачі службових сигналів.

2. Джерела випромінювання волоконнооптичних систем передачі

Джерела випромінювання волоконнооптичних систем передачі повинні мати великий вихідний потужністю, допускати можливість різноманітних типів модуляції світла, мати малі габарити і вартість, великий термін служби, ККД і забезпечити можливість введення випромінювання в оптичне волокно з максимальною ефективністю. Для волоконнооптичних систем передачі потенційно придатні твердотільні лазери, в яких активним матеріалом служить ітрій алюмінієвий гранат, активоване іонами ніодіма з оптичною накачкою, у якого основний лазерний перехід супроводжується випромінюванням з довжиною хвилі 1,064 мкм. Вузька діаграма спрямованості і здатність працювати в одномодовом режимі з низьким рівнем шуму є плюсами такого типу джерел. Проте великі габарити, малий ККД, потреба в зовнішньому устрої накачування є основними причинами, за якими це джерело не використовується в сучасних волоконно-оптичних системах передачі. Практично у всіх волоконнооптичних системах передачі, розрахованих на широке застосування, як джерела випромінювання зараз використовуються напівпровідникові світловипромінюючі діоди і лазери. Для них характерні в першу чергу малі габарити, що дозволяє виконувати передають оптичні модулі в інтегральному виконанні. Крім того, для напівпровідникових джерел випромінювання характерні невисока вартість і простота забезпечення модуляції.

3. Детектори волоконнооптичних

си з тим передачі

Функція детектора волоконнооптичної системи передачі зводиться до перетворення вхідного оптичного сигналу, який потім піддається посиленню і обробці схемами фотоприймача. Призначений для цієї мети фотодетектор має відтворювати форму прийнятого оптичного сигналу, не вносячи додаткового шуму, тобто володіти необхідної широкосмугового, динамічним діапазоном і чутливістю. Крім того, фотодетектор повинен мати малі розміри (але достатні для надійного з'єднання з оптичним волокном), великий термін служби і бути не чутливим до змін параметрів зовнішнього середовища. Існуючі фотодетектори далеко не повно задовольняють перерахованим вимогам. Найбільш відповідними серед них для застосування в волоконнооптичних системах передачі є напівпровідникові pin фотодіоди та лавинні фотодіоди. Вони мають малі розміри і досить добре стикуються з волоконними световодами.

Перевагою лавинних фотодіодів є висока чутливість (може в 100 разів перевищувати чутливість pin фотодіода), що дозволяє використовувати їх в детекторах слабких оптичних сигналів. Однак, при використанні лавинних фотодіодів потрібна жорстка стабілізація напруги джерела живлення і температурна стабілізація, оскільки коефіцієнт лавинного множення, а отже фотострум і чутливість лавинного фотодіода, сильно залежать від напруги і температури. Проте, лавинні фотодіоди успішно застосовуються в ряді сучасних волоконно-оптичних системах зв'язку, таких як ІКМ-120 / 5, ІКМ-480 / 5.

4. Оптичні кабелі в волоконнооптичних сі з тим ах передачі

Оптичний кабель призначений для передачі інформації, що міститься в модульованих електромагнітних коливаннях оптичного діапазону. В даний час використовується діапазон довжин хвиль від 0.8 до 1.6 мкм, відповідний ближнім інфрачервоним хвилях. оптичного діапазону.

Передача світла по будь-якому світловод може здійснюватися в двох режимах: одномодовом і многомодовом.

де  - Довжина хвилі переданого випромінювання, n1 і n2 - показники заломлення матеріалів световода.

Якщо нерівність (1.1) не задоволено, то в світловоді встановлюється багатомодовий режим. Очевидно, що тип модового режиму залежить від характеристик световода (а саме радіусу серцевини і величини показників заломлення) і довжини хвилі переданого світла.

Розрізняють світлопроводи із ступінчастим профілем, у яких показник заломлення серцевини n 1 однаковий по всьому поперечному перерізу, і градієнтні - з плавним профілем, які n 1 зменшується від центру до периферії (рис.2.6).

Фазова і групова швидкості кожної моди в світловод залежать від частоти, тобто световод є дисперсною системою. Викликана цим волноводная дисперсія є однією з причин викривлення переданого сигналу. Різниця групових швидкостей різних мод в многомодовом режимі називається модової дисперсією. Вона є дуже істотною причиною спотворення сигналу, оскільки він переноситься частинами багатьма модами. У одномодовом режимі відсутня модовая дисперсія, і сигнал спотворюється значно менше, ніж у многомодовом, однак у багатомодовий світловод можна ввести велику потужність.

На сьогоднішній день промисловістю випускаються оптичні кабелі мають чотири і вісім волокон (марки ОК). Конструкція ОК-8 наведена на рис.2.7. Оптичні волокна 1 (багатомодові, ступінчасті) вільно розташовуються в полімерних трубках 2. Скрутка оптичних волокон - повівной, концентрична. У центрі - силовий елемент 3 з високоміцних полімерних ниток в пластмасовій трубці 4. Зовні - поліетиленова стрічка 5 і оболонка 6. Кабель ОК-4 має принципово ті ж конструкцію і розміри, але чотири ВВ у ньому замінені пластмасовими стержнями.

До недоліків волоконнооптичної технології слід віднести:

А. Необхідність використання оптичних конекторів з малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення. Точність виготовлення таких елементів лінії зв'язку дуже висока. Тому виробництво таких компонентів оптичних ліній зв'язку дуже дороге.

Б. Монтаж оптичних волокон потрібно прецизійне, а тому дороге, технологічне обладнання.

В. При аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище,

ніж при роботі з мідними кабелями.

Тим не менш, переваги від застосування волоконно-оптичних ліній зв'язку настільки значні, що, незважаючи на перераховані недоліки оптичного волокна, ці лінії зв'язку все ширше використовуються для передачі інформації.

5. Особливості одноволоконного оптичних

систем передачі

Широке застосування на міській телефонній мережі волоконно-оптичних систем передачі для організації між вузлових з'єднувальних ліній дозволяє вирішити проблему збільшення пропускної здатності мереж. У найближчі роки потреба у збільшенні кількості каналів буде швидко рости. Найбільш доступним способом збільшення пропускної здатності волоконних оптичних систем передачі в два рази є передача по одному оптичному волокну двох сигналів в протилежних напрямках. Аналіз опублікованих матеріалів і завершених досліджень і розробок одноволоконного оптичних систем передачі дозволяє визначити принципи побудови таких систем.

Найбільш поширені і добре вивчені Одноволоконні оптичні системи передачі, що працюють на одній оптичної несучої, крім оптичного передавача і приймача містять пасивні оптичні розгалужувачі. Заміна оптичних розгалужувачів на оптичні циркулятори дозволяє зменшити втрати у лінії 6 дБ, а довжину лінії - відповідно збільшити. При використанні різних оптичних несучих і пристроїв спектрального ущільнення каналів можна в кілька разів підвищити пропускну здатність і відповідно знизити вартість у розрахунку на один канало-кілометр.

Збільшити розв'язку між протівонаправленних оптичними сигналами, знизити вимоги до оптичних перехідником, а отже, рівень перешкод і збільшити довжину лінії можна шляхом спеціального кодування, при якому передача сигналів одного напрямку здійснюється в паузах передачі іншого напряму. Кодування зводиться до зменшення тривалості оптичних імпульсів і утворення тривалих пауз, необхідних для розв'язки сигналів різних напрямів. У волоконнооптичних системах передачі, побудованих таким чином, можуть бути використані ербіевие волоконнооптичні підсилювачі. Дуплексний зв'язок організовується за принципом поділу за часом, що змінюється за допомогою зміни напрямку накачування.

Розв'язку між оптичними сигналами можна збільшити, не вдаючись до звуження імпульсів, якщо для передачі в одному напрямку використовується когерентне оптичне випромінювання і відповідні методи модуляції, а в іншому - модуляцію сигналу по інтенсивності. При цьому істотно зменшується вплив як оптичних розгалужувачів, так і зворотного розсіювання оптичного волокна.

Якщо дозволяє енергетичний потенціал апаратури, на відносно коротких лініях може бути використаний тільки один оптичний джерело випромінювання на одному кінці лінії. На іншому кінці замість модульованим оптичного джерела застосовується модулятор відбитого випромінювання. Такий метод двостороння одному оптичному волокну забезпечує високу надійність обладнання та застосування волоконно-оптичних систем передачі в екстремальних умовах експлуатації.

Після досягнення високого рівня розвитку волоконнооптичної техніки, коли стане практично можливим передавати оптично сигнали на різних модах оптичного волокна з достатньою для волоконнооптичної системи передачі розв'язкою, дуплексний зв'язок по одному оптичному волокну може бути організована на двох різних модах, що поширюються в різних напрямках, з використанням модових фільтрів і формувачів мод випромінювання.

Кожна одноволоконного оптична система передачі з розглянутих типів має переваги і недоліки. У таблиці 2. 1 показані гідності (знаком «+») систем, їх можливості щодо досягнення найкращих параметрів.

Таблиця 2.1 - Порівняльна характеристика принципів побудови одноволоконного оптичних систем передачі.

6. Побудова передавальних і приймальних пристроїв в волоконнооптичних системах передачі

1. Види модуляції оптичних коливань.

Для передачі інформації по оптичному волокну необхідно зміна параметрів оптичної несучої в залежності від змін вихідного сигналу. Цей процес називається модуляцією.

Існує три види оптичної модуляції:

Пряма модуляція. При цьому модулюючий сигнал управляє інтенсивністю (потужністю) оптичної несучої. В результаті потужність випромінювання змінюється за законом зміни модулюючого сигналу (рис.2.9).

Зовнішня модуляція. У цьому випадку для зміни параметрів несучої використовують модулятори, виконані з матеріалів, показник заломлення яких залежить від впливу або електричного, або магнітного, або акустичного полів. Змінюючи вихідними сигналами параметри цих полів, можна модулювати параметри оптичної несучої (рис.2.10).

Внутрішня модуляція. У цьому випадку вихідний сигнал управляє параметрами модулятора, введеного в резонатор лазера (рис.2.11).

Для зовнішньої модуляції електрооптичні (ЕОМ) і акустооптичні (АОМ) модулятори.

Принцип дії електрооптичного модулятора заснований на електрооптичний ефект - зміні показника заломлення низки матеріалів під дією електричного поля. Ефект, коли показник заломлення лінійно залежить від напруженості поля, називається ефектом Поккельса. Коли величина показника заломлення нелінійно залежить від напруженості електричного поля, то це ефект Керра.

Акустооптичні модулятори засновані на акустооптичні ефекті - зміні показника заломлення речовини під впливом ультразвукових хвиль. Ультразвукові хвилі збуджуються в речовині за допомогою п'езокрісталла, на який подається сигнал від генератора з малим вихідним опором і великий акустичної потужністю.

Н аиболее простим з точки зору реалізації видом модуляції є пряма модуляція оптичної несучої по інтенсивності на основі напівпровідникового джерела випромінювання. На рис.2.12 представлена ​​схема найпростішого прямого модулятора. Тут вихідний сигнал через підсилювач подається на базу транзистора V 1, в колектор якого включений випромінювач V 2. Пристрій зсуву дозволяє вибрати робочу точку на ваттамперной характеристиці випромінювача.

2. Оптичний передавач прямий модуляції

Структурна схема оптичного передавача прямий модуляції наведена на рис.2.13, є оптимальною, оскільки найбільш раціонально реалізує всі функціональні можливості і гідності обраного виду модуляції.

Перетворювач коду ПК перетворює стикового код, в код, що використовується в лінії, після чого сигнал надходить на модулятор. Схема оптичного модулятора виповнюється у вигляді передавального оптичного модуля (ПОМ), який крім модулятора містить схеми стабілізації потужності і частоти випромінювання напівпровідникового лазера або светоизлучающего діода. Тут модулюючий сигнал через диференціальний підсилювач УС-1 надходить у прямий модулятор з випромінювачем (МОД). Модульований оптичний сигнал випромінюється в основне волокно ОВ-1. Для контролю потужності випромінюваного оптичного сигналу використовується фотодіод (ФД), на який через допоміжне волокно ОВ-2 подається частина випромінюваного оптичного сигналу. Напруга на виході фотодіода, що відображає всі зміни оптичної потужності випромінювача, посилюється підсилювачем УС-2 і подається на інвертується вхід підсилювача УС-1. Таким чином, створюється петля негативного зворотного зв'язку, що охоплює випромінювач. Завдяки введенню ООС забезпечується стабілізація робочої точки випромінювача. При підвищенні температури енергетична характеристика лазерного діода зміщується (рис.2.14), і при відключених ланцюгах стабілізації потужності рівень оптичної потужності при передачі «0» (Р0) і при передачі «1» (Р1) зменшуються, різниця струму зміщення I б і порогового струму I п збільшується, а різниця Р1-Р0 зменшується. Після часу встановлення перехідних процесів в ланцюгах стабілізації встановлюються нові значення I б і I п і відновлюються колишні значення Р1-Р0 і Рср. Для зменшення температурної залежності порогового струму в передавальному оптичному модулі є схема термостабілізації (СТС), що підтримує потужність випромінювання передавального оптичного модуля постійної при зміні температури від номінального значення.

3. Оптичний приймач

Структурна схема оптичного приймача (ОДР) показана на рис.2.15. Приймач містить фотодетектор (ФД) для перетворення оптичного сигналу в електричний. Малошумящий підсилювач (УС) для посилення отриманого електричного сигналу до номінального рівня. Посилений сигнал через фільтр (Ф), що формує частотну характеристику приймача, що забезпечує квазіоптимального прийом, надходить у пристрій лінійної корекції (ЛК). У лінійному корекції компенсуються частотні спотворення електричного кола на стику фотодиода і першого транзистора підсилювача. Після перетворень сигнал надходить на вхід вирішального пристрою (РП), де під дією тактових імпульсів, що надходять від пристрою виділення тактової частоти (втч), приймається рішення про прийняте символі. На виході оптичного приймача є перетворювач коду (ПК), що перетворює код лінійний в стикового код.

3. Вибір і обгрунтування структурної

схеми передавача

3.1. Методи побудови структурних схем одно-волоконних оптичних систем передачі

Як згадувалося в попередньому розділі, на мережах зв'язку знаходять широке застосування волоконнооптичні системи передачі зі спектральним ущільненням. Крім того, на низьких швидкостях передачі, до 140 Мбіт \ СБ де спостерігається взаємодія між протівонаправленних сигналами через зворотного розсіювання, можуть бути ефективно використані системи з поділом за часом.

Нижче розглянуті кілька методів і схем побудови одно-волоконних оптичних систем передачі різних типів і різного призначення.

1. У олоконнооптіческіе системи передачі на основі різних способів розгалуження

оптичних сигналів.

Дана група схем включає в себе Одноволоконні оптичні системи передачі з оптичними разветвителями, з оптичними циркуля-никами, пристроями спектрального ущільнення, а також фільтрами поділу мод оптичного випромінювання. На малюнку 3.1 показана схема оптичної системи передачі з модуляцією сигналу по інтенсивності, що містить блоки оптичного передавача (ОП), оптичного приймача (ОП) пристрою з'єднання станційного та лінійного кабелю (УССЛК), роз'ємні з'єднувачі (РС), пристрої об'єднання і розгалуження оптичних сигналів ( УОРС).

Оптичний передавач (ОП) містить перетворювач коду (ПК), що перетворює стикового код в код, що використовується в лінії; підсилювач (У C), що підсилює електричний сигнал до рівня, необхідного для модуляції напівпровідникового лазера (ПЛ); лазерний генератор (ЛГ), що включає в себе пристрій термостабілізації і прямий модулятор; погоджують пристрої (С) напівпровідникового лазера з оптичним волокном.

Оптичний приймач (ОПР) містить согласующие пристрої (С) оптичного волокна з фотодіодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторний підсилювач (У); фільтр (Ф), що формує частотну характеристику приймача, що забезпечує квазіоптимального прийом сигналу; пристрій лінійної корекції (ЛК), компенсує частотні

спотворення електричного кола на стику фотодиода і першого транзистора підсилювача; вирішальне пристрій (РУ), пристрій виділення тактової частоти (втч) і перетворювач коду (ПК), що перетворює код лінії в стикового код.

Пристрої об'єднання і розгалуження оптичних сигналів, залежно від типу одноволоконного оптичної системи передачі, може являти собою: оптичний розгалужувач або циркулятор при роботі на одній оптичній частоті в обох напрямках, будову спектрального ущільнення при роботі на різних оптичних частотах; модовий фільтр при роботі на різних модах випромінювання оптичного волокна.

З метою оцінки основних характеристик одноволоконного оптичної системи передачі можна використовувати наближені співвідношення для розрахунку довжини регенераційної ділянки (РУ).

М
аксімальная довжина регенераційної ділянки волоконнооптичної системи передачі даного типу визначається співвідношенням:

де Емі - енергетичний потенціал одноволоконного оптичної системи передачі, ДБ;

 ів - загасання сигналу на одному кілометрі оптичного волокна, ДБ / км;

 уорс   - те ж, у пристрої об'єднання і розгалуження сигналів, ДБ;

 усслк - те ж, в УССЛК, ДБ;

 рс,  нс - те ж, в роз'ємних і нероз'ємних з'єднувачах, ДБ;

l
с - будівельна довжина оптичного кабелю, км. При цьому:

де Емі '- енергетичний потенціал, ДБ, волоконнооптичних система передачі при відсутності шуму зворотного розсіювання випромінювання в оптичному волокні;

Ршор / Рш - частка шуму зворотного розсіювання в повному шумі на вході вирішального пристрою.

Розрахуємо довжину регенераційної ділянки одноволоконного оптичної системи передачі першого типу при наступних вихідних даних: Емі = 35 ДБ, Зе = 6 ДБ,  ів = 1 ДБ,  нс =  усслк = 0.1 ДБ,  рс = 1 ДБ, l с = 2 км. Так за формулою (2.1), при використанні оптичних розгалужувачів з  уорс = 4дБ:

2. У олоконнооптіческая система передачі, заснована на використанні поділу різноспрямованих

сигналів за часом.

У другій групі схем для поділу різноспрямованих сигналів за часом використовуються оптичні розгалужувачі, перемикачі та оптичні підсилювачі (ОУ). У схемі одноволоконного оптичної системи передачі сигналу з модуляцією по інтенсивності, на відміну від першої групи схем, замість пристрої об'єднання і розгалуження оптичних сигналів використані пристрої оптичного перемикання УОП (рисунок 3.2).

Будемо розглядати пристрої оптичного перемикання двох варіантів - оптичні перемикачі (П) і з'єднання оптичного разветвителя ОР з оптичним підсилювачем ОУ. Керуючий сигнал надходить у першому випадку на керуючий вхід перемикача, у другому - по ланцюгу керування напрямком оптичної хвилі накачування оптичного підсилювача.

Максимальна довжина регенераційної ділянки для другої групи схем визначається співвідношенням:

,
де  УОП - загасання сигналу в УОП, ДБ;

Емі "- енергетичний потенціал одноволоконнооптіческой системи передачі, визначається співвідношеннями:

Емі "= Емі 'при використанні оптичних перемикачів (Емі'-

енергетичний потенціал звичайної волоконнооптичної системи

передачі з урахуванням спеціального кодування).

1. Емі "= Емі'-10lg (1 + Ршоу / РШ) при використанні оптичного разветвителя з оптичним підсилювачем, де Ршор і Рш - потужності еквівалентного шуму на вході оптичного приймача і шуму оптичного підсилювача на його виході, ДБ.

Загасання сигналу в пристрої оптичного перемикання визначається співвідношеннями:

1.  УОП =  п при використанні оптичного перемикача, де  п - загасання сигналу в оптичному перемикачі;

  УОП =  ор-Коу при використанні оптичного разветвителя з оптичним підсилювачем, де Коу - коефіцієнт посилення ОУ, ДБ.

Довжина регенераційної ділянки l2 для наведених вище значень параметрів апаратури та використанні оптичних перемикачів ( УОП = 3.5ДБ), згідно з формулою (2.3), становить:

На вартість одноволоконнооптіческой системи передачі другої групи істотно впливає вибір типу пристрою оптичного перемикання, особливо в разі використання оптичних підсилювачів. Надійність волоконнооптичної системи передачі цієї групи, на відміну від розглянутої вище, істотно залежить від надійності пристрою оптичного перемикання в разі застосування оптичного підсилювача, так як для накачування таких підсилювачів застосовуються напівпровідникові лазери.

3. Волоконнооптичних система передачі, на основі використання різних видів модуляції.

Третя група схем одноволоконного оптичних систем передачі заснована на використанні різних видів модуляції оптичних і електричних сигналів. І відповідних методів обробки сигналів з ​​метою усунення взаємного впливу різноспрямованих сигналів.

У схемі цієї групи (рисунок 3.3) застосовані когерентні методи передачі і прийому оптичного сигналу, амплітудна (для одного напрямку передачі) і частотна (для іншого напряму) модуляція сигналу. На відміну від волоконнооптичної системи передачі першої групи (малюнок 3.1), оптичні передавачі - когерентні (КОП) і містять системи стабілізації оптичної частоти та формування вузької лінії випромінювання (СЧУЛ) і блоки, що забезпечують обробку сигналів із заданою модуляцією.

У когерентних оптичних приймачах (Копра) використовується місцевий лазерний генератор (млг) з вузькою лінією випромінювання і пристрій автоматичного підстроювання його частоти (АПЧ), оптичний суматор (ОС), підсилювач проміжної частоти (ППЧ), а також демодулятор (ДМ), амплітудний або частотний, залежно від виду модуляції сигналу. У такій схемі досягається максимальна довжина регенераційної ділянки.

Крім того можлива інша схема одноволоконного оптичної системи передачі третьої групи, в якій в одному напрямку передачі використана модуляція за інтенсивністю, а в іншому - когерентна модуляція (ЯКІ-АМ або ЯКІ-ЧМ) оптичного сигналу.

На малюнку 3.4 приведена схема, в якій використана модуляція за інтенсивністю оптичних сигналів електричними сигналами, описаними ортогональними (на тактовом інтервалі) функціями. На відміну від волокон-нооптіческой системи передачі першої групи (малюнок 3.1), оптичні передавачі таких систем містять генератори ортогональних сигналів (ГОС1 і ГОС2), а в оптичних приймачах використані кореляційні демодулятори (КДМ). Для підстроювання генератора ГОС2 використовується виделітелямі ортогонального сигналу (ВОС) і компаратор (КОМ).

Для передачі інформаційного сигналу може бути використана поднесущая частота, розташована вище діапазону частот, де неістотно вплив зворотного розсіювання в оптичному волокні на характеристики одноволоконного оптичної системи передачі (вище 200 Мгц). Таким чином, усувається шум зворотного розсіювання і тим самим підвищується енергетичний потенціал. На відміну від волоконнооптичної системи передачі першої групи, в даній системі використовуються генератори піднесе частоти, смугові фільтри та пристрої відновлення піднесе частоти.

Максимальна довжина регенераційної ділянки одноволоконного оптичної системи передачі третьої групи визначається виразом:

г
де:

n = 11, 22, 33;

Е 11 '= Екоі-ам, Е22' = Екоі-чм, Е33 '= Емі' - енергетичний потенціал когерентних волоконнооптичної системи передачі з амплітудної і частотної модуляцією і волоконнооптичної системи передачі з модуляцією по інтенсивності.

На відміну від розглянутих вище одноволоконного оптичних систем передачі першої та другої груп, системи даної групи можуть бути несиметричними, а максимальні довжини регенераційних ділянок для передачі в різних напрямках - різними. Зокрема Е11 'більше Е33' на 10 .. 15 ДБ, а Е22 'більше Е11' на 3 ДБ.

Довжина регенераційної ділянки для направлення передачі, де використовується ЯКІ-АМ (Е11 '= 45дБ) становить:

Вартість когерентних напівпровідникових лазерів і систем стабілізації частоти лазерів, що використовуються в системах передачі волоконно-оптичних третьої групи, поки ще висока, що значною мірою обмежує область застосування одноволоконного оптичних системах передачі з використанням когерентних методів передачі та обробки сигналу. Показники надійності визначаються головним чином надійністю роботи напівпровідникових лазерів і систем стабілізації їх частоти.

3. Волоконнооптичних система передачі з одним

джерелом випромінювання.

В особливих умовах експлуатації можуть бути використані методи побудови одноволоконного оптичних систем передачі за схемою на рис.3.5 В оптичному передавачі на одному кінці лінії замість напівпровідникового лазера використовується модулятор відбитого випромінювання (МОЇ), пристрій зняття модуляції (УСМ) і оптичний розгалужувач з великим відношенням потужності на виходах 1 і 2. Велика потужність надходить в модулятор відбитого випромінювання, а менша - в оптичний приймач. В оптичному передавачі прийнятий сигнал піддається модуляції другому інформаційному сигналом. І через пристрій об'єднання і розгалуження оптичних сигналів (УОРС) надходить в оптичний кабель і далі в оптичний приймач на іншому кінці лінії.

Такі волоконнооптичні системи передачі можуть бути використані в екстремальних умовах експлуатації на одному кінці лінії, так як напівпровідникові лазери надзвичайно чутливі до нестабільності умов експлуатації.

Максимальна довжина регенераційної ділянки розглянутої одноволоконнооптіческой системи передачі значно менше, ніж у систем, описаних вище, і визначається співвідношенням:

Де  ор1,  мої - відповідно загасання сигналу в оптичному розгалужувачі на виході 1 і в модулятор відбитого випромінювання, ДБ.

Довжина l4 для  ор1 = 1 ДБ,  мої = 3 ДБ та наведених у пункті 2.1.1 значень інших параметрів апаратури згідно з формулою (2.6) складає:

П
оказателі надійності одноволоконного оптичної системи в даному випадку визначаються головним чином надійністю оптоелектронних елементів обладнання, що знаходиться в екстремальних умовах експлуатації.

3.2. Остаточний вибір структурної схеми передавача.

1. Вибір способу організації одноволоконного н ого оптичного тракту.

При проектуванні одноволоконного оптичних систем передачі з оптимальними характеристиками вибір структурної схеми системи і використовуваних технічних засобів визначається критеріями оптимальності. Якщо критерієм є мінімальна вартість, то в оптимальній системі повинні використовуватися оптичні розгалужувачі.

Максимальна довжина регенераційної ділянки вимагає застосування оптичних циркуляторов, перемикачів, оптичних підсилювачів, когерентних методів передачі сигналу. Вимоги високої надійності та стійкості до зовнішніх впливів визначають вибір системи з оптичним джерелом на одному кінці лінії, а вимога максимального обсягу переданої інформації - системи зі спектральним ущільненням або з когерентним методами передачі.

З урахуванням того, що проектований оптичний передавач призначений для використання на з'єднувальних лініях міської телефонної мережі, для нього характерні наступні критерії оптимальності:

- Вартість і простота реалізації;

- Довжина регенераційної ділянки не менше 8 км;

- Відносно низька швидкість передачі (8.5 Мбіт \ с).

Найкращим варіантом реалізації одноволоконного оптичної системи передачі, з точки зору наведених критеріїв оптимальності, є схема волоконнооптичної системи зв'язку з модуляцією по інтенсивності, із застосуванням оптичних розгалужувачів (рисунок 3 .1). Дана схема відрізняється простотою реалізації оптичного передавача і приймача, невисокою вартістю пристроїв об'єднання і розгалуження оптичних сигналів (оптичних розгалужувачів). Схема забезпечує довжину регенераційно - ного ділянки до 18 км, що задовольняє вищенаведеним критеріям оптимальності.

2. Структурна схема оптичного передавача.

Структурна схема оптичного передавача представлена ​​на рис.3.6. Сигнал в коді HDB від цифрової системи ущільнення каналів надходить на перетворювач коду (ПК), в якому код HDB перетворюється в лінійний код оптичної системи передачі CMI. Отриманий електричний сигнал надходить на підсилювач (УС), що складається з двох каскадів: попереднього каскаду посилення (ПКУ) і кінцевого каскаду посилення (ОКУ), де посилюється до рівня, необхідного для модуляції оптичної несучої. Посилений сигнал надходить на прямий модулятор (МОД), що складається з пристрою зсуву (УСМ), службовця для завдання робочої точки на ват - амперноюхарактеристиці випромінювача і, власне, самого прямого модулятора, зібраного за класичною схемою з напівпровідникового оптичного випромінювача V1 і транзистора V2. Для забезпечення стабільності роботи випромінювача, в схему лазерного генератора (ЛГ) введені пристрій зворотного зв'язку (УТОС) та система термостабілізації (СТС). З виходу модулятора оптичний сигнал, Промодулірованний за інтенсивністю цифровим електричним сигналом в коді CMI, надходить на пристрій узгодження напівпровідникового випромінювача з оптичним волокном (СУ).

У наступному розділі, на підставі структурної схеми передавача, розроблятиметься його принципова схема і електричний розрахунок основних вузлів.

5. Конструктивний розрахунок друкованої

плати одноволоконного

оптичної системи передачі

5.1 Вибір матеріалу друкованої плати

Матеріал ДП повинен мати високу механічну міцність, гарними електроізоляційними властивостями, мати високу нагревостойкость, а також мати високу ступінь агдезіі друкованих провідників.

Основними найбільш часто вживаними матеріалами друкованих плат є гетинакс і склотекстоліт. Проведемо порівняльний аналіз цих матеріалів.

Основні характеристики гетинаксу і стеклотекстолита наведені в таблиці 4.1.

Таблиця 5.1 Основні характеристики матеріалів призначених для виготов-лення друкованих плат.