Xreferat.com » Рефераты по радиоэлектронике » Передающее устройство одноволоконной оптической сети

Передающее устройство одноволоконной оптической сети

Аннотация


Объектом исследования являются способы увеличения пропускной способности каналов волоконнооптических систем передачи путём передачи сигналов по одному оптическому волокну в двух направлениях.

Цель работы – определение способа увеличения пропускной способности каналов, подходящего для использования на соединительных линиях городской телефонной сети. И разработка соответствующего передающего устройства.

Выбран тип одноволоконнооптической системы передачи, разработана её структурная схема, разработана принципиальная схема передающего устройства и источник питания.

В процессе работы составлен обзор методов передачи сигналов по одному оптическому волокну в двух направлениях и определён способ увеличения пропускной способности каналов, подходящий для использования на соединительных линиях городской телефонной сети.

В дипломном проекте дан обзор существующих методов организации волоконнооптических систем передачи, а также освещены возможные способы построения одноволоконных систем передачи.

В ходе работы осуществлена разработка структурной схемы передающего устройства, кроме того, приведены варианты структурных схем возможных способов построения одноволоконных систем передачи.


Анотація


Об’єктом дослідження являються методи підвищення пропускної здатності каналів волоконнооптичних систем передачі шляхом передачі сигналів по одному оптичному волокну у двух напрямках.

Ціль роботи - визначення методу підвищення пропускної здатності каналів, придатного для експлуатаціі на з’єднувальних лініях міської телефонної мережі і разробка відповідного передавального пристрою.

Вибран тип одноволоконнооптичної системи передачі, розроблена її структурна і функціональна схема, розроблена електрична принципова схема передавального пристрою і блока живлення.

У процесі роботи складений огляд методів передачі сигналу по одному оптичному волокну у двух напрямках і визначений спосіб підвищення пропускної здатності каналів, придатний для експлуатації на з’єднувальних лініях міської телефонної мережі.

У дипломному проекті викладений огляд існуючих методів організації волоконнооптичних систем передачі, а також освітленні можливі способи побудови одноволоконних систем передачі.

У ході роботи здійснена розробка структурної схеми передавального пристрою, крім цього, приведені варіанти структурних схем можливих методів побудови оптичних систем передачі.


Annotation


Object of research are the ways of increase of throughput capacity of channels of fiber optic transmission systems by signaling on one optic fibre in two directions.

The purpose of activity - definition of a way of increase of throughput capacity of channels eligible for usage on connecting lines of a urban voice circuit. And mining of the conforming transmission device.

The phylum one of a fiber optic transmission system is selected, its skeleton diagram is designed, the principal diagram of a transmission device and power source is designed.

During activity the view of methods of signaling on one optic fibre in two directions is compounded and the way of increase of throughput capacity of channels eligible for usage on connecting lines of a urban voice circuit is determined.

In the degree project the view of existing methods of organization of fiber optic transmission systems is given, and also the possible ways of construction of one-fibre transmission systems are lighted.

During activity the mining of the skeleton diagram of a transmission device is carried out, besides the versions of the skeleton diagrams of possible ways of construction of one-fibre transmission systems are adduced.



СОДЕРЖАНИЕ


  1. Введение…………………………………………………………………………..4


2. Принципы построения и основные особенности волокон-

нооптических систем передачи в городских телефонных сетях…………..5

2.1 Линейные коды в волоконнооптических системах передачи....……………………7

2.2 Источники излучения волоконнооптических системах передачи…………………9

2.3 Детекторы волоконнооптических систем передачи……………………………….10

2.4 Оптические кабели в волоконнооптических системах передачи………………….11

2.5 Особенности одноволоконных оптических систем передачи……………………...13

2.6 Построение передающих и приемных устройств в волоконнооптических

системах передачи……………………………………………………………………..16

2.6.1 Виды модуляции оптических колебаний………………………………………...16

2.6.2 Оптический передатчик прямой модуляции…………………………………...18

2.6.3 Оптический приемник……………………………………………………………20


3. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика…………………..21

    1. Методы построения структурных схем одноволоконных оптических

систем передачи………………………………………………………………………..21

3.1.1 Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов

разветвления оптических сигналов…………………………………………...21

3.1.2 Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании

разделения разнонаправленных сигналов по времени………………………..24

3.1.3 Волоконнооптическая система передачи, на основе использования

различных видов модуляции…………..………………………………………...25

3.1.4 Волоконнооптическая система передачи с одним источником излучения…..28

3.2 Окончательный выбор структурной схемы передатчика…………………………...30

3.2.1 Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта………...30

3.2.2 Структурная схема оптического передатчика…………………………….…30


4. Расчёт электрической принципиальной схемы……………………………32

4.1 Общие соображения по расчёту принципиальной схемы устройства………...…..32

4.2 Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя…………..….34

4.3 Расчёт выходного каскада…………………………………………………………....35

4.4 Расчет согласующего усилителя…………………………………………………..…39

4.5 Расчет устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала…..41

4.6 Расчёт схемы термостабилизации……………………………………………...……43

4.7 Расчёт источника питания одноволоконной оптической системы передачи……..45

4.8 Расчёт ёмкостей в схеме оптического передающего устройства………………….49

4.8.1 Расчёт эмиттерной ёмкости……………………………………………………49

4.8.2 Расчёт разделительной ёмкости………………………………………………..49

4.8.3 Расчёт ёмкостей фильтров……………………………………………………...50

4.9 Номиналы элементов схемы……………………………………………………...…..50

принципиальная схема оптического передатчика………………………..……52

принципиальная схема источника питания……………………………..……..53


5. Конструктивный расчёт печатной платы одноволоконной

оптической системы передачи……………………………………..…………54

5.1 Выбор материала печатной платы………………………………………….……….54

5.2 Размещение элементов и разработка топологии печатной платы……..………….55


6. Расчет надежности волоконнооптического передающего

устройства………...………………………………………...…….……………..59


7. Технико-экономический расчет………………………………………………63

7.1 Анализ рынка……………………………………………………………………….…63

7.2 Определение себестоимости одноволоконного оптического передатчика…….…65

7.2.1 Затраты на приобретение материалов…………………………………………65

7.2.2 Затраты на покупные изделия и полуфабрикаты………………………………66

7.2.3 Основная заработная плата производственных рабочих…………………...…67

7.2.4 Калькуляция себестоимости блока волоконнооптического передатчика….…69

7.3 Определение уровня качества изделия………………………………………………70

7.4 Определение цены изделия…………………………………………………………..72

7.4.1 Нижняя граница цены изделия……………………………………………………72

7.4.2 Верхняя граница цены изделия……………………………………………………73

7.4.3 Договорная цена……………………………………………………………………73

7.5 Определение минимального объема производства…………………………………73


8. Мероприятия по охране труда………………………………………………..75

8.1 Лазерная безопасность……………………………………………………………….75

8.2 Требования безопасности при эксплуатации лазерных изделий…………………78

8.3 Мероприятия по производственной санитарии………………………………….…79

8.4 Требование к освещению и расчёт освещённости…………………………………84

8.5 Мероприятия по улучшению условий труда…………………………………….…90

8.5.1 Расчёт местного отсоса……………………………………………………...90

8.6 Мероприятия по пожарной безопасности………………………………………..…91

8.7 Мероприятия по молниезащите здания………………………………………..……94


  1. Литература………………………………………………………………………95


Приложение…………………………………………………………...…………96

3



1. Введение


Цифровая связь по оптическим кабелям , приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса .

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения

сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

-возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

-широкой полосе пропускания ,т.е. большой информационной ёмкости;

-оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

-пренебрежимо малых перекрестных помех;

-низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

-высокой скрытности связи;

-возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконнооптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением).

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации.

Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному оптическому кабелю.

Цель работы – определение способа увеличения пропускной способности каналов, подходящего для использования на соединительных линиях городской телефонной сети. И разработка соответствующего передающего устройства.

2



2. Принципы построения и основные особенности

волоконнооптических систем передачи в городских телефонных сетях.


Особенностью соединительных линий является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности соединительных линий городской телефонной сети в крупнейших городах свидетельствует, что соединительные линии протяженностью до 6 км составляют 65% от всего числа соединительных линий.

Значительные расстояния между регенерационными пунктами волоконнооптических систем передачи дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания (рис2.1).








В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи изображен на рис.2.2.

На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в волоконнооптической системе связи используется светодиод или полупровод-никовый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На прием-ной стороне сигнал из оптического волокна вводится в фотодетектор. В современных волоконнооптических системах передачи в качестве фотоде-тектора используют p-i-n или лавинный фото диод.

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.




Выбор элементной базы при реализации волоконнооптических систем передачи и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. Существуют установленные правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал обрабатывается скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.2.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществля-ется при помощи аппаратуры электрического стыка.


Скремб-лер

Преобразова-тель кода стыка

Преобразо-ватель кода

Передающий оптический модуль

- Структурная схема волоконнооптической системы передачи

Аппаратура стыка

Аппаратура оптического линейного тракта

Рис.2.3



Аппаратура временного

объединения



Для каждой иерархической скорости рекомендуются свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой волоконнооптической системы передачи выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.


Линейные коды в волоконнооптических

системах передачи


Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому между оборудованием стыка и линейным трактом волоконнооптической системы передачи помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во-первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во-вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника, желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной. В противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала - оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В-третьих, для выбора кода, высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты синхронизи-рующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов логического уровня в цифровом сигнале. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения синхронизирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В-четвертых, код не должен иметь каких-либо ограничений на передава-емое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательно-сти нулей и единиц.

В-пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, что бы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.2.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 2.4 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов.




Источники излучения волоконнооптических систем передачи


Источники излучения волоконнооптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для волоконнооптических систем передачи потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой, у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных волоконно- оптических системах передачи. Практически во всех волоконнооптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников излучения характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.


Детекторы волоконнооптических

систем передачи


Функция детектора волоконнооптической системы передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, фотодетектор должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконнооптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами.

Достоинством лавинных фотодиодов является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность лавинного фотодиода, сильно зависят от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных волоконнооптических системах связи, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5.


Оптические кабели в волоконнооптических системах передачи


Оптический кабель предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. оптического диапазона.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом.




где - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов световода.

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: