Проектирование линейных трактов волоконно-оптических систем передачи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Задание на курсовой проект

1. Произвести выбор аппаратуры ВОСП;

2. Описать линейный код выбранной аппаратуры и для данного кода определить скорость передачи сигналов линии;

3. Произвести выбор оптического кабеля;

4. разместить регенераторы в линии и привести проверочный расчет длины регенерационного участка;

5. Выполнить расчеты минимальной детектируемой мощности излучения и минимальной мощности оптического сигнала на приеме;

6. оценить быстродействие волоконно-оптической системы в целом;

7. Провести выбор элементов и определение параметров передающего оптического модуля (ПОМ) и приемного оптического модуля (ПРОМ);

8. Рассчитать надежность проектируемого линейного тракта ВОСП.

Таблица 1. Вводные данные

№ вар.	L, км	N, каналов	ДT, C	СТК	Дл, нм	з	С, Пф.	Fm	T0 C	M	tпер, нс.	tпр. нс.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
05	325	350	10	да	0,3	0,8	2	3	20	30	5	2

Где:

L - длина тракта передачи;

N - число необходимых каналов;

ДT 0C - допуск на температурные изменения параметров ВОСП;

СТК - наличие схемы температурной компенсации;

Дл - ширина оптического полосы излучения источника;

з - квантовая эффективность фотодиода;

C Пф - полная емкость цепи фотодиода;

Fm - коэффициент шума усилителя ПРОМ;

T0 - расчетная температура ПРОМ в градусах Кельвина (в таблице даны в градусах Цельсия);

M - коэффициент лавинного умножения фотодиода (используется только в случае применения лавинных фотодиодов, если используется p-i-n фотодиоды, то М = 1);

tпер, нс - быстродействие ПОМ;

tпр, нс - быстродействие ПРОМ

2. Выбор аппаратуры ВОСП

Поскольку число каналов N = 350, считаю возможным применение отечественной ВОСП «Сопка - 3М». Её параметры приведены в таблице 2.

оптический линейный регенерационный фотодетектор

Таблица 2

Параметр / название	Сопка - 3М
Число стандартных каналов ТЧ	480
Скорость передачи, Мбит/с	34,368
Линейный код	2В4В
Тип приемника излучения	PIN-FET
Тип оптического волокна	ООВ
Длина волны, мкм	1,55
Тип источника излучения	ЛД
Энергетический потенциал, дБм	38
Затухание ОВ, дБ/км	0,3
Максимальная длина регенерационного участка, км	70
Рекомендуемый оптический кабель	ОКЛ
Максимальная длина линейного тракта, км	600

ЛД - лазерный диод, ООВ - одномодовое оптическое волокно.

3. Описание линейного кода выбранной аппаратуры и определение для данного кода скорости передачи сигналов в линии

Специфичность оптического сигнала, импульсы которого могут быть только однополярными после преобразования в электрический сигнал, приводит к необходимости использования кодов, специально разработанных для ВОСП. К этим кодам предъявляются ряд требований:

1. Ограниченность энергетического спектра сигнала как в области низких, так и в области высоких частот с целью уменьшения дисперсионных искажений светодиодов, шумов, межсимвольных помех;

2. Упрощение аппаратуры линейного тракта;

3. Структура линейного кода должна обеспечить простоту выделения тактовой частоты из цифрового сигнала для формирования импульсов тактовой синхронизации в регенераторах;

4. Структура линейного кода должна обеспечить контроль качества передачи и исправности оборудования линейного тракта без перерыва связи;

5. Простота реализации кодеров и декодеров;

6. Максимальная помехоустойчивость;

Совокупности указанных требований в полном объеме не удовлетворяет ни один код. Поэтому для разных ВОСП применяются различные коды. Во всех оптических кодах исходная электрическая комбинация в виде простейшего кода NRZ (без возврата к нулю) перекодируется, причем каждым m импульсам исходного кода сопоставляется n импульсов линейного оптического кода, где n > m. Отсюда формула кода mBnB. При этом тактовая частота линейного оптического сигнала:

(1)

где fТ - тактовая частота исходной цифровой последовательности.

Поскольку для выбранного оборудования рекомендуется использовать линейный код 2В4В, остановимся на его описании более подробно.

Код 2В4В называется кодом с позиционно-импульсной модуляцией (ПИМ). В этом коде используются разрешенные комбинации с единственным импульсом, временное положение которого зависит от блочной комбинации двух исходных импульсов. Четырем возможным комбинациям 00, 01, 10, 11 соответствуют в коде с ПИМ комбинации 1000, 0100, 0010, 0001 (рис. 1)

Рис. 1

Достоинством ПИМ комбинаций является выигрыш по мощности передаваемых сигналов. В то же время этому коду присущ ряд недостатков: удвоение передаваемой полосы, сложность кодопреобразователей, проблемы контроля ошибок, возрастание трудностей синхронизации. В высокоскоростных системах используют блочные коды, для которых m>2, n>m, причем чем выше скорость передачи, тем ближе m к n, с целью сокращения передаваемой полосы.

4. Определение скорости передачи сигнала в линейном тракте

На основе формулы (1) по известному коду и скорости передачи ЦСП может быть определена скорость передачи сигнала в линейном тракте.

 МГц

5. Выбор оптического кабеля

Поскольку для данного оборудования наиболее приемлем оптический кабель типа ОКЛ то на нем будет и остановлен выбор. Данный тип кабеля относится к магистральным видам оптического кабеля.

Параметры кабеля сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Параметр	Тип кабеля ОКЛ
Длина волны, мкм	1,55
Число оптических волокон и их тип	4, 8, 16 ОМВ с ГПП
Коэффициент затухания дБ/км	0,3
Дисперсия, пс/(нм*км)	2; 3.5
Числовая апертура	0,1…0,18
Строительная длина, км	1; 2

6. Размещение линейных регенераторов

Поскольку в данном курсовом проекте отсутствует привязка к конкретной трассе прокладки кабеля считаю возможным воспользоваться принципом равномерного распределения регенераторов, максимально используя кратность целому числу строительных длин кабеля.

Для определения количества регенераторов, которые необходимо установить на линии, используем формулу (2):

(2)

где l - длина линии, км, lРУ - максимальная длина регенерационного участка для выбранной аппаратуры.

В данном случае l = 325 км, lРУ = 50 км.

Получаем.

И так, число регенераторов равно семи.

Схема размещения регенераторов в волоконно-оптическом тракте приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема размещения регенераторов: ОП-оконечный пункт; ЛР-линейный регенератор; ОК-оптический кабель

7. Расчет и оптимизация длины регенерационного участка

При проверочном расчете правильного выбора длины участка регенерации руководствуются двумя параметрами: суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического волокна.

При проверочном расчете правильного выбора длины участка регенерации руководствуются двумя параметрами: суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического волокна (ОВ).

Если исходить из затухания с учетом всех потерь, имеющих место в линейном тракте, то расчетная формула длины регенерационного участка выглядит следующим образом:

(3)

Здесь: ЭП - энергетический потенциал ВОСП, дБм определяемый как Эп=Рпер-Рпр и указываемый в технических характеристиках ВОСП (38 дБм);

- коэффициент затухания оптического волокна, (0,3 дБ/км); nрс - число разъёмных соединителей (их количество равно 2, они установлены на вводе и выводе оптического излучения в ОВ); aрс - потери в разъёмном соединителе, дБ;

nнс- число неразъёмных соединителей на участке регенерации, aнс - потери в неразъёмном в соединителе, дБ; at - допуск на затухание потерь оптического волокна с изменением температуры; аB - допуск на затухание потерь, связанных с ухудшением характеристик компонентов регенерационного участка (источники излучения - кабель - приёмники излучения) со временем.

Величина ЭП характеризует необходимый перепад уровней для нормальной работы аппаратуры, а остальные члены в скобках формулы (3) - суммарные потери участка регенерации.

Расчёт проводится для самого длинного участка регенерации. Сначала определяется число строительных длин на участке регенерации:

(4)

где - строительная длина кабеля.

Общее число строительных длин для участка регенерации определяет число неразъёмных соединителей:

(5)

Величина задана в исходных данных для выбранного кабеля и будут равны анс = 0,3 дБ и арс = 0,5 дБ.

Для определения допуска на потери от старения во времени необходимо определить, комбинацию источников излучения передатчика и приемника. Эта комбинация определяется согласно рис.5 для заданного энергопотенциала ЭП, дБ "Сопки-3М" и скорости передачи в линии В = (68,736) МБит/с, определенной ранее. Определив комбинацию этих элементов найти допуски на потери aB, дБ. Для "Сопки-3М" получаем комбинацию ЛД+pinФД с допуском aB = 4 дБ.

Рис. 3

Исходя из полученных значений величин aрс, aнс, at ,аB определим, используя формулу (3), затухание участка регенерации aру:

(6)

и сопоставим величину ару и энергетический потенциал ЭП. При этом необходимо чтобы выполнялось условие:

aру ?ЭП (7)

Если это условие не выполняется, то длина участка регенерации. Получаем:

дБ

27,2 ? 38 условие (7) выполняется.

Правильность выбора длины регенерационного участка lру необходимо также проверить с учётом дисперсионных свойств оптического волокна. Максимальная длина регенерационного участка с учётом дисперсии ОВ выбирается из условия:

, (8)

где В- скорость передачи информации, бит/с; у - среднеквадратичное значение дисперсии выбранного оптического волокна, с/км.

Для одномодовых оптических волокон задается нормированная среднеквадратичная дисперсия ун, пс/(нм·км) (ун,=3,5 пс/(нм·км).

Величина у определяется в этом случае по формуле:

, (9)

где К =10 -12, - ширина полосы оптического излучения, определяемая из справочных данных, соответствующего источника излучения. Для лазерных диодов = 0,2-0,5 нм, (в работе задается в задании =0,3).

Получаем: с/км.

Тогда

Длина регенерационного участка, полученная на основе этого расчёта, должна быть:

, имеем 3450 > 50 (10)

Следовательно длина участка регенерации соответствует условиям (7).

Рис. 4. Расчётная схема регенерационного участка

8. Расчет минимальной детектируемой мощности оптического сигнала

Одним из наиболее важных параметров приемника оптического излучения является минимальная обнаруживаемая мощность оптического сигнала, при которой обеспечивается заданное значение отношения сигнал-шум или вероятности ошибки. Это значение получило название минимальной детектируемой мощности (МДМ). Для магистральных сетей вероятность ошибки в расчете на 1 км длины линейного тракта не должна превышать р' < 1,67·10-11. Исходя из этих значений вероятности ошибки, можно определить вероятность ошибки для полученной длины регенерационного участка.

, (11)

Используя это значение вероятности ошибки на участке регенерации, можно определить с помощью зависимости вероятности ошибки рош от защищенности Аз (рис. 5) численное значение защищенности на входе регенератора. Аз = 22 дБ.

Рис. 5. Зависимость вероятности ошибки рош от защищенности Аз на входе устройства цифрового регенератора

Защищённость Аз определяется отношением сигнал-шум применительно к приёмному оптическому модулю (ПРОМ):

(12)

В этой формуле: - среднеквадратичное значение полезного тока сигнала; - среднеквадратичное значение тока тепловых шумов на эквивалентном сопротивлении нагрузки; - среднеквадратичное значение тока дробовых шумов фотодиода; - среднеквадратичное значение собственных шумов усилителя, приведенных к его входу.

Вводимые обозначения и дальнейшие расчетные величины иллюстрируются рис. 6.



Рис. 6. а) схема входной цепи фотодетектора ПРОМ, б) эквивалентная схема этой же цепи с учётом шумовых источников

На рис.5 приняты следующие обозначения:

Р - мощность падающего светового сигнала на фотодиод;

Ic - фототок полезного сигнала на выходе фотодиода;

Rф - динамическое сопротивление фотодиода;

Сф - ёмкость p-n перехода фотодиода;

IД - ток дробовых шумов фотодиода;

IТ - ток тепловых шумов нагрузки Rн цепи фотодиода (входным сопротивлением усиления К пренебрегаем).

Применительно к p-i-n фотодиодам формула для расчёта защищённости имеет вид:

, (13)

где в основном, учитывается тепловые шумы нагрузки в цепи фотодиода, а также шумы предварительного каскада усиления. В формуле (13) используются следующие величины: k - постоянная Больцмана (k = 1,38·10-23 Дж/К), Т - температура по Кельвину (Т = -253 К), Fш - коэффициент шума усилителя (Fш = 7); S - чувствительность фотодиода:

(14)

где - квантовая эффективность фотодиода ( = 0,8), q - заряд электрона,

- длина волны излучения, ( = 1,55 мкм), h - постоянная планка.

С учётом значения q и h формула (14) трансформируется в формулу:

(15)

[А/Вт]

Величина R может быть определена из условия обеспечения необходимой широкополосности ПРОМ с учётом ёмкости С=Сф+Свх= 2 пФ:

, (16)

где В - ширина полосы пропускания фотодиода или скорость передачи, бит/с.

Динамическое сопротивление фотодиода.

Из формулы (13) можно определить мощность излучения на входе фотодиода Р, удовлетворяющая условию реализации МДМ оптического сигнала:

(17)

Вт

9. Определение минимальной излучаемой мощности передающего оптического модуля

По значению мощности Р можно определить уровень оптического МДМ-сигнала:

, (18)

где Р0 =1 мВт, и значение Р также должно быть в мВт.

дБ.

Однако, порог чувствительности приёмного оптического модуля (ПРОМ) рекомендуется дополнительно повысить с учётом составляющих шума линейного тракта но 30 дБ при использовании p-i-n фотодиодов. Обозначив это значение р'пр.min= -60,151 дБ. Определим минимальную мощность на входе ПРОМ:

(19)

мВт,

и минимальный уровень излучения передающего оптического модуля (ПОМ):

(20)

дБм.

По величине определим минимальную мощность модуля ПОМ:

 (21)

Вт

10. Оценка быстродействия ВОСП в целом

Возможности ВОСП оценивается в целом, учитывая быстродействие модулей ПОМ и ПРОМ, а также уширение импульсов, передаваемых по волоконно-оптической линии передачи. Общее ожидаемое быстродействие определяется:

, (22)

где tпер =5 нс - быстродействие различных передающих оптических модулей; tпр = 2 нс - быстродействие приёмных оптических модулей; tов - уширение импульса на длине регенерационного участка, равно:

(23)

Величины у определена по формуле (9) у = 1,05·10-12 с/км.

с = 0,0525 нс.

нс.

В то же время допустимое быстродействие ВОСП определяется скоростью передачи и характером передаваемого сигнала:

(24)

где в - коэффициент учёта характера кода линейного сигнала, в = 0,7 для кода NRZ и в = 0,35 для всех других кодов.

нс.

Если в результате расчёта по формулам (22) и (24) tож<tУ, то выбор типа ОК и длины lру сделан верно, и величина:

, (25)

нс.

- называется запасом системы по быстродействию.

11. Выбор приёмного и передающего оптических модулей

В доступной справочной литературе нет модулей ПОМ и ПРОМ на длину волны = 1,55 мкм, удовлетворяющих данному заданию. Можно взять излучающий диод LP6250 фирмы GN Nrttest с выходной мощностью -10 дБ, в качестве модуля ПРОМ можно взять модуль фирмы Lazetron (скорость приёма B = 128 Мбит/c, чувствительность pпр=-45 дБм).

Заключение

1. Для расчетной ВОСП было выбрано оборудование «Сопка - 3М» потому как она является наиболее оптимальной в виду следующих причин:

а) Имеет число стандартных каналов ТЧ = 450 (по заданию нужно 350), следовательно, имеется небольшой запас на расширение системы.

б) Длительное время находится в эксплуатации, следовательно, у персонала накоплен значительный опыт по обслуживанию такого оборудования.

в) Отечественного производства, следовательно, имеется высокая доступность к ЗИП.

2. Описаны свойства и причины выбора кода, в данном случае применяется код с формулой mBmB, к его достоинствам относят выигрыш по мощности передаваемых сигналов, к недостаткам: удвоение передаваемой полосы, сложность кодопреобразователей, проблемы контроля ошибок, возрастание трудностей синхронизации.

3. Определена скорость передачи сигнала в данном случае она равна 68,736 Мбит/с. В качестве оптического кабеля выбран кабель марки ОКЛ, потому как он рекомендован к использованию вместе с оборудованием «Сопки - 3М»

4. Определено количество регенераторов, в виду того, что в проекте отсутствовала привязка к определенной местности регенераторы располагаются равномерно и их количество равно 7.

5. Произведен расчет и оптимизация длины регенерационного участка, в виду того, что проект не привязан к определенной местности все участки имеют одинаковую длину ? 50 км, в которую умещается 25 строительных длин кабеля, общее число неразъемных соединителей равно 24, проведено сравнение между энергетическим потенциалом системы и затуханием вносимым направляющей средой.

Размещено на Allbest.ru

...