Разработка схемы системы стабилизации передатчика в системах атмосферной оптической передачи данных

ПМД влияет на работу ВОЛС так же, как и хроматическая дисперсия, но механизм уширения импульсов в этих случаях различен. Существенным отличием ПМД от хроматической дисперсии является тот факт, что влияние хроматической дисперсии в линии можно компенсировать, в то время как методов компенсации влияния ПМД в настоящее время не существует. Как отмечалось выше, в прошлом влияние ПМД не принималось во внимание, поскольку скорости передачи, а также расстояния между регенераторами в ВОЛС были относительно невелики. В настоящее время, когда скорости передачи достигают сотен Гбит/с, а расстояния между оптическими регенераторами в ВОЛС - сотен километров, ПМД становится ограничивающим фактором при разработке ВОЛС. Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОЛС возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОЛС, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД может быть ограничивающим фактором как для цифровых, так и аналоговых систем. При создании высококачественных аналоговых систем кабельного телевидения Adminпротяженностью более 50 км уже необходимо учитывать ПМД, так как в таких системах предъявляются высокие требования к отношению сигнал/шум. Сейчас, по видимому, уже и волоконные сети доступа будут нуждаться в спецификации ПМД, иначе они могут не обеспечивать высококачественную передачу сигналов, а также возможность дальнейшего развития систем.

В соответствии с требованиями обеспечения надежности передачи информации выбираем многомодовое волокно, которое по сравнению с одномодовым существенно менее чувствительно к таким конструктивно-эксплуатационным факторам как несоосность, перекосы, межосевые зазоры в соединениях с помощью волоконно-оптических разъемов и соединениях оптическое волокно - линзовый элемент, а также обеспечивает большую мощность оптического излучения по сравнению с одномодовым.

Для оптического согласования ОВ с оконечными устройствами используются стандартные коннекторы типа ST-SC.

6.2 Линии связи между модулями АОЛС

В качестве линии связи между приемопередающими электронными и оптическими модулями используется многомодовый оптоволоконный кабель E132795 1 x 62.5/125 UM (UL) Type OFNR.

7. Приемопередающие модули

7.1 Приемопередающий электронный модуль

В качестве приемопередающего электронного модуля расмотрен конвертер «Gigabit Ethernet Converter» (10/100/1000 Base -TX to 1000 Base-SX/LX), модель DF-1000-1310-SC 20 в состав которого входит лазерный диод и фотоприемник, обеспечивающие передачу информации с быстродействием до 1 Гб/сек. Длина волны лазерного диода 1310 нм, мощность оптического излучения 1.5 мВт, спектральная чувствительность фотоприемника 0,85 А/Вт.

Рис 7.1. Приемопередающий электронный модуль

7.2 Приемопередающий оптический модуль

Оптический модуль состоит из приемного и передающего блока. Передающий оптический блок выполнен на основе двухлинзовогообъектива, в фокальной плоскости которого располагается торец оптического волокна. Приемный оптический блок состоит из четырех линзового объектива, в фокальной плоскости которого расположен торец оптического волокна.



Рисунок 7.2 Схема блока передающего и принимающего оптического модуля. Размер 250х70х70 (мм), диаметр d = 60 (мм)

8. Разработка схемы стабилизации ППМ системы АОЛС

При разработке схемы стабилизации ППМ системы АОЛС было принято решение использовать пьезоэлектрические актюаторы.

8.1 Расчет максимального угла поворота луча системы АОЛС

При проектировании зданий архитекторы рассчитывают чтобы максимальные вертикальные отклонения здания не превышали 1/500 его высоты. Для расчета углов поворота АОЛС это основная характеристика. Для расчета возьмем 10-ти этажное здание высота которого ~ 30 (м). А расстояние между двумя системами АОЛС 2000 (м).

Рис. 8.1 Пример максимального угла поворота луча системы АОЛС:

a - Прохождение луча без отклонений от одной системы АОЛС к другой;

b - Максимальное отклонение здания;

c - Прохождение луча с максимальным отклонением одного здания;

d - Прихождение луча с максимальным отклонением двух зданий;

90-б - Максимальный угол поворота луча системы АОЛС;



По формуле находим максимальный угол поворота луча системы АОЛС

8.2 Расчет максимального сдвига ППМ системы АОЛС

Рис. 8.2 Пример максимального сдвига ППМ системы АОЛС: x - Длина ППМ системы АОЛС; y - Максимальный сдвиг ППМ системы АОЛС;

х = 250(мм) = 25(см) = 0.25(м)

Из рис. 8.2 видно, что для определения максимального сдвига ППМ системы АОЛС нужно воспользоваться формулой.

8.3 Получение результатов сдвига в реальном времени

Для получение результатов сдвига в реальном времени на одну систему АОЛС установим красную лазерную указку. Это самый распространенный тип лазерных указок. В этих указках используется лазерные диоды с коллиматором. Мощность варьируется приблизительно от одного милливатта до ватта. Маломощные указки питаются от маленьких батареек-«таблеток». Красные указки -- одни из самых дешевых по соотношению цена/мощность.

Рис. 8.3. Красная лазеная указка.

На вторую систему АОЛС установим ПЗС матрицу.

В ПЗС матрице очень много светочувствительных площадок (часто их называют пикселами - элементами, принимающими свет и преобразующими его в электрические заряды), от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч и даже нескольких миллионов. Размеры отдельных пикселов одинаковы и могут быть от единиц до десятков микрон.

Рис. 8.4. ПЗС матрица с пикселами.

В ПЗС приёмнике, нет огромного числа электрических контактов для вывода электрических сигналов, которые, казалось бы, должны идти от каждого светоприемного элемента. Зато к ПЗС приемнику подключается электронная схема, которая позволяет извлекать с каждого светочувствительного элемента электрический сигнал, пропорциональный его засветке.

Рис. 8.5 ПЗС матрица

Таким образом при сдвиге системы АОЛС мы узнаем как надо откорректировать ППМ.

Таблицы 8.1. ПЗС матрицы.

Матрица	Размер матрицы (мм)	Разрешение пиксели	Размер пикселя мкм
KAI-29050	36*24	6576*4384	5.5*5.5
KAI-11002	36*24	4008*2672	9*9
KAI-4022	15*15	2048*2048	7.4*7.4
KAI-08060	18.1*13.6	5296*3472	2.3*2.3
KAI-04050	12.3*9.6	1230*960	0.8*0.8
KAI-2020	11.84*8.88	1600*1200	7.4*7.4
KAI-02050	8.8*6.6	1600*1200	5.5*5.5
ICX285	8.77*6.6	1392*1040	6.45*6.45
ICX205	6.32*4.76	1392*1040	4.65*4.65
ICX415	6.32*4.76	782*582	8.3*8.3
ICX617	3.6*2.8	1359*974	2.5*2.5

Рис. 8.6 Пример использования лазеной указки и ПЗС матрицы на ППМ в системе АОЛС: 1 - Передающий блок; 2 - Принимающий блок; 3 - Красная лазерная указка; 4 - ПЗС матрица;

9. Способ корректировки ППМ в система АОЛС

В нашей коректирующей системе сдвиг будет осуществляться с помощью пьезоактюатора. Как мы выяснили ранее максимальный сдвиг у нас составляет ~ 30 (мкм). Из выше сказанного можно отметить что пьезоактюаторы в полной мере подходят для выполнения нашей задачи.

Таблица 9.1 Многослойные пьезоактюаторы.

Параметр	Тип актюатора
	АПМ-2-7	АПМ-2-11	АПМ-2-15	АПМ-2-22
Масса, г,не более	6,5	9,6	12,7	18,8
Кол-во элементов, N	7	11	15	22
L, мм	20	31	41	61
Максимальное перемещение при напряжении 100 В, мкм	14	22	30	44
Воздействие внешних факторов
Рабочий диапазон температур, єС	от минус 30 до +85
Изменение температуры среды, єС	от минус 40 до +85
Срок службы, лет	10
Наработка на отказ (в типовом режиме эксплуатации), циклов	1·10^9

Область применения:

· Оптико-механические устройства с системой стабилизации;

· Системы автоюстировки и настройки лазеров, оптических устройств, включая интерферометры;

· Приводы для адаптивных оптических систем и оптических фазовых модуляторов;

· Юстировка волоконно-оптических систем передачи и приема информации.



Рис 9.1. Конструкторское исполнение АПМ-2-N.

Рис. 9.2. Блок схема работы системы АОЛС со системой стабилизации АОЛС.

Рис. 9.3 Схема ППМ с системой стабилизации луча на пьезоактюаторах.



Рис. 9.4 Схема ППМ без системы стабилизации: 1 - Принимающий блок (см. рис. 7.2); 2 - Передающий блок (см. рис. 7.2); 3 - Многослойный пьезоактюатор АПМ-2-15 (см. таблица 9.1); 4 - Красная лазерная указка; 5 - ПЗС матрица KAI-04050 (см. таблица 8.1);

При колебании здания ПЗС матрица фиксирует сдвиг фокусирующего луча (луч красной лазерной указки) передает информацию о сдвиге в микропроцессор который в свою очередь корректирует систему с помощью пьезоактюаторов по осям X и Y.

10. Безопасность

10.1 Безопасность установки

Лазерная безопасность - это важный аспект. Пучки высокой мощности могут вызвать ожог кожи, но риск повреждения глаз значительно выше из-за их способности фокусировать излучение и, следовательно, концентрировать его энергию. Как правило, лазер безопасный для глаз, является безопасным для кожи. Подобно солнечному свету, излучение лазера представляет собой параллельные лучи, которые, в зависимости от длины волны, глаз фокусирует в точку на сетчатке, покрытой светочувствительными клетками. Как и прямые солнечные лучи (если смотреть на Солнце), лазерное излучение может повредить глаза.

Глаз человека фокусирует на сетчатку только определенный диапазон длин волн - от 0,4 до 1,4 мкм. Другие длины волн поглощаются передней частью глаза (роговицей) до того, как их энергия может сконцентрироваться. Указанное поглощение зависит от длины волны (см. Рис.). Если говорить об ИК диапазоне, коэффициент поглощения излучения роговицей значительно больше для длинных волн (с длиной волны больше 1,4 мкм). Как следствие, поражение глаза ультрафиолетом и видимым солнечным излучением более вероятно чем лучами ИК-диапазона.

Рис. Зависимость поглощения человеческим глазом излучения от длины волны.

10.2 Стандарты лазерной безопасности

Многие страны разработали или адаптировали стандарты безопасности при работе с лазерами, которые относятся ко всем лазерным изделиям, продаваемым в пределах их границ. Обычно указанные стандарты подразделяются на две категории: регламентирующие безопасность лазерного оборудования и относящиеся к безопасному использованию лазеров.

Кроме того, некоторые организации имеют полномочия для разработки юридических стандартов, в то время как другие устанавливают стандарты безопасности при работе с лазерами и рекомендации, которые не осуществимы в соответствии с законом. Вообще, стандарты безопасности при работе с лазерами включают требования к автоматическим или ручным средствам управления безопасности, маркировке и предупреждающим знакам, обучению работе, эксплуатации, и обслуживанию защитного снаряжения. Список основных организаций, разрабатывающих стандарты безопасности при работе с лазерами представлен ниже.

Center for Devices and Radiological Health (CDRH).CDRH - агентство при United States (U.S.) FoodandDrugAdministration (FDA). Оно устанавливает стандарты, касающиеся лазеров и лазерного оборудования, подпадающих под действие закона (21 CFR 1040).

InternationalElectrotechnicalCommission (IEC). IEC публикует международные стандарты связанные со всем электрическим оборудованием, включая лазеры и лазерные устройства ( IEC 60825-1). Эти стандарты не поддерживаются непосредственно законодательством и решение по их адаптации и применению принимается отдельными странами по своему усмотрению.

American National Standards Institute (ANSI). ANSI - Американская организация, публикующая стандарты в области применения лазеров ( ANSI Z 136.1). ANSI стандарты не поддерживаются законодательством, однако лежат в основе законодательных стандартов - « Американских Безопасных условий труда и Администрации Здоровья» ( OSHA ) как и другие подобные стандарты, адаптированные различными государственными службами.

Laser Institute of America (LIA). LIA - организация, продвигающая безопасное использование лазеров, предоставляющая информацию по лазерной безопасности, спонсирующая лазерные конференции, симпозиумы, публикации и тренировочные курсы.

За последние годы, вышеупомянутые организации разработали классификацию лазеров согласно их типу и мощности. Хотя некоторые критерии слегка изменяются, в целом классификация делит лазеры на 4 класса от первого до четвертого по возрастанию мощности. То, что все эти организации приняли слегка различные стандарты и схемы классификации, явилось фактором, сдерживающим компании желающие работать на глобальном рынке. Для разрешения данной проблемы, IEC , CDRH , и ANSI ведут работы по согласованию методов классификации и требований к продукции. Так, 27 мая 2001 года CDRH издало LaserNotice 50 которое разрешает распространение в США продуктов, удовлетворяющих второму разделу стандарта IEC 60825-1. Этот документ - первый шаг в процессе редактирования рекомендаций CDRH с целью их соответствия стандартам IEC .

Согласно новому стандарту IEC идентифицируются специальные классы, каждому из них соответствует определенная маркировка и инструкции безопасности. Документ выделяет требования к установке оборудования, основанные на уровне мощности излучения, определяет опасные зоны в пределах передающей апертуры, в которых нельзя находиться исходя из требований безопасности и ограничивает установку некоторых лазерных систем высокой мощности в общественных местах. Согласно новой схеме классификации, системы Класса 1 и 1М признаются безопасными в непосредственной близости без использования оптических приборов (бинокли) для Класса 1М и даже с их использованием для Класса 1. IEC разрабатывает новый стандарт IEC 60825-12 (в дополнение к части 2 стандарта IEC 60825-1), посвященный классификации именно АОЛС -систем и их использованию. Окончательная редакция этого стандарта ожидается в 2003 г .

Здесь следует отметить, что лазерная классификация (то есть Классы 1, 1М, 3В) основывается не на длинах волн. Другими словами, не существует длины волны, изначально безопасной или наоборот, опасной для человеческого глаза. Это создает фундаментальную возможность создания безопасной лазерной системы на любой длине волны, поскольку лазерная классификация основывается на уровнях выходной мощности (а не на длинах волн). Важным для понимания является то, что новый стандарт регулирует уровень плотности мощности в плоскости апертуры передатчика, а не абсолютное значение мощности лазерного диода, установленного в оборудовании. Так, к примеру, лазерный диод, используемый в АОЛС -системе может соответствовать даже Классу 3 B , хотя оборудование в целом соответствует Классу 1 или 1М если лазерное излучение проходит через объектив, расширяющий область излучения до его выхода в пространство через апертуру прибора.

Новый стандарт устанавливает, что система Класса 1М, работающая на длине волны 1550 нм может передавать мощность примерно в 55 раз большую, чем система с тем же размером апертуры, работающая на длине волны 850 нм. В то же время, возможно увеличение размера выходной апертуры, позволяющее повысить выходную мощность на меньшей длине волны. Другим способом обеспечения Класса 1 или 1М является использование нескольких больших передающих апертур.

Ниже мы расмотрим вопросы лазерной безопасности по классу 1 и 1М, поскольку именно такие системы работают ниже уровня максимальной экспозиции, допустимого для невооруженного глаза и, таким образом, наиболее подходят для широкого применения.

Класс 1 Лазеры данного класса безопасны при соблюдении условий эксплуатации, даже при использовании оптических инструментов при рассмотрении пучка излучения. Системы 1 класса могут устанавливаться в любом месте без всяких ограничений.

Класс 1М Лазерные системы этого класса работают в диапазоне от 302.5 до 4000 нм, который безопасен при соблюдении условий эксплуатации, однако опасность может возникнуть если пользователь воспользуется оптическими инструментами на некоторых участках прохождения луча. В результате, системы класса 1М могут устанавливаться в местах, исключающих возможность использования оптики на опасных участках.

11. Экономическая целесообразность

В своих пределах система АОЛС является выгодной альтернативой проводным системам. Фактически, для решения одной и той же задачи системы АОЛС могут стоить в несколько раз меньше, чем прокладка волокон-оптических кабелей. Они могут быть достаточно быстро развернуты на объекте, в течение нескольких дней. Рытье траншей является не только дорогостоящим мероприятия, но и наносящим вред окружающей среде. Линии АОЛС обходятся дешевле и более выгодны, чем аренда линий связи у провайдера.

11.1 Сравнение FSO и радиочастотной системы

При условии, что система АОЛС выгоднее проводной системы важно сравнить (ее) с системами беспроводной связи, основанными на радиосигналах. В таблице показаны преимущества каждой системы.

Таблица. Сравнение АОЛС с Радиочастотной системой.

ФАКТОР	АТМОСФЕРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА	РАДИОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА
Полоса пропускания	10 Мб/с-- 1.25 Гб/с	11Мб/с - 100 Мб/с
Скорость передачи	Определяется сетью	Определяется частотой
Погода	Лучше при дожде	Лучше при тумане
Препятствия в прямой видимости	Не допустимы	Допустимы
Безопасность	Сигнал трудно перехватить	Сигнал легко перехватить
Стоимость систем	$5,000-$60,000	$1,000-$50,000

11.2 Состояние зарубежного рынка АОЛС

За рубежом наиболее известны следующие производители АОЛС-систем: Canon (Япония), LightPointe Communications Inc. (США), MRV Communications Inc. (США), fSona Communications Corp. (Канада), PAV Data Systems Ltd.(Великобритания), Optel Optical Communication GmbH (Германия), GeoDesy (Венгрия). География применения АОЛС ограничивается не только такими технологически продвинутыми регионами и странами, как западная Европа, США, Канада, Япония, но и включает развивающиеся страны, например, такие, как Египет, Малайзия, Кувейт, Танзания и прочие. Стоимость гигабитных (1 Гбит/с Ethernet, Gigabit Ethernet) АОЛС систем зарубежного производства находится в диапазоне 20-40 тыс. долларов. В 2008 году MRV Communications Inc. выпустило на рынок TS10GE со скоростью передачи 10Гбит/с (ориентировочная цена 50-60 тыс. $)

11.3 Состояние российского рынка FSO(АОЛС)

На отечественном рынке присутствуют компании: «Оптические ТелеСистемы», г. Санк-Петербург (системы с адаптивно изменяемой скоростью «ЛАНтастИКа»); «Мостком», г. Рязань (системы «Artolink»); «Лазерные Информационные Телекоммуникации», г. Екатеринбург, (системы «ОСС»).

Стоимость гигабитных (1 Гбит/с Ethernet, Gigabit Ethernet) FSO систем российского производства находится в диапазоне 5-20 тыс. долларов.



Проанализировав состояние российского и зарубежного рынков можно заключить следующее: в сравнении с проводными и радиочастотными системами АОЛС показывает лучшие результаты. И все-таки самым негативным фактором влияющим на продвижение данной технологии в массовое использование является цена. В данной работе рассматриваются способы реализации, направленные на удешевление построения систем АОЛС.

Заключение

В результате проделанной работы исследована система атмосферно-оптической линии связи.

Была разработана схема системы автоматической корректировки положения луча ППМ системы АОЛС на основе пьезоактюаторов.

Список использованных источников

1 Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи.-М, 2001, № 4(17), с. 26.

2 Ишанин, Г.Г. Источники и приемники излучения : учеб. пособие / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков. - СПб: Политехника, 1991, с. 86.

3 Ишанин, Г.Г. Источники излучения : учеб. пособие / Г.Г. Ишанин, В.В. Козлов. - СПб: СПБГУ ИТМО, 2005, с. 241.

4 Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы : учеб. Пособие, 2008, с. 11.

5 Прохоров Д. Аотмосферно оптические линии связи-Технологии и средства связи № 1, 2004, с. 1.

6 Яременко Ю.И. Применение открытых оптических систем передачи в сетях связи, 2005, с. 1.

7 http://laseritc.ru/?id=124

8 http://lazerlink.ru/1/radus/schem.html

9 http://masters.donntu.edu.ua/2006/fvti/michailov/diss/index.htm

10 http://aols.aksinet.net/

11 http://www.ideasandmoney.ru/Ppt/Details/297592

Размещено на Allbest.ru

...