Проектирование волоконно-оптических систем передачи

Наименьшее затухание достигается при использовании специальных автоматических аппаратов для сваривания ОВ. Потери в соединениях, выполненных методом электросварки, составляют для многомодового ВС 0,1-0,3 дБ. При этом методе требования к обработке торцов перед сращиванием невысокие.

В разветвленных сетях используются распределители оптической мощности (РОП). В общем случае РОП - это многополюсное устройство, в котором излучение, подаваемое на входные полюса, делится между выходными полюсами. РОП должны иметь низкое затухание, необходимые для потребителя коэффициенты, которые характеризуют часть ответвленной оптической мощности.

В системах с большим числом абонентов целесообразно использовать звездообразные распределители (рис.2.1). Потери в таких распределителях пропорциональны количеству оконечных устройств N.

 

 

Рисунок 2.1 - Звездообразный распределителей

 

3. Расчет параметров цифровой ВОСП

 

При проектировании цифровых ВОСП возникает потребность в расчетах таких параметров как длина регенерационного участка и быстродействие системы.

В волоконно-оптических цифровых систем передачи (ЦСП) длина регенерационного участка ограничивается двумя факторами: потерями в оптическом линейном тракте и распространением оптических импульсов, что вызывается дисперсией световодов. В общем случае выполняются два расчета длины регенерационного участка, который ограничивается этими факторами и выбирается меньше из полученных значений.

 

3.1 Расчет энергетического потенциала системы

 

Длина регенерационного участка, ограниченного потерями в оптическом линейном тракте Lрвт, ограничивается такими факторами: средней мощностью излучателя Рв; порогом чувствительности ПРОМ Роmin; потерями введения-вывода оптического излучения вв, вил; потерями в разъемных соединителях рз; потерями в неразъемных соединителях нз; затуханием оптического кабеля к.

На рис.3.1 приведена модель волоконно-оптического канала, которая отображает распределение потерь на участке регенерации.

Прежде всего определяется энергетический потенциал системы - разность между эффективной мощностью оптического излучения Рэф ПОМ и порогом чувствительности ПрОМ Р0min (3.1):

 

(3.1)

 

 

Рисунок 3.1 - Модель волоконно-оптического канала

 

Эффективная мощность оптического излучения определяется средней мощностью источника излучения, средством кодирования, температурной и временной деградацией. Средняя мощность излучения ПОМ - среднее значение мощности оптического излучения на исходном оптическом полюсе ПОМ за заданный интервал времени, в заданном углу и при заданном токе накачки. Эффективная мощность излучателя должна превышать все потери в оптическом линейном тракте, уровень оптической мощности на входе фотодетектора должен быть большим, чем порог чувствительности Р0min на некоторое значение, которое называется эксплуатационным (или энергетическим) запасом. Этот запас необходим для учета временной деградации компонентов ВОСП, а также повышения потерь в ОК при проведении ремонтно-возобновительных работ при повреждениях (обрывах) кабеля. Обычно эксплуатационный запас равняется 6 дБ.

Определим эффективную мощность излучателя (3.2):

 

, (3.2)

 

где Рв - средняя мощность оптического излучателя, дБм; РТ - потери вследствие температурной деградации; Рк - потери вследствие кодирования. При использовании кодов без возвращения к нулю Рк = 3 дБ.

В нашем случае Рв = 200 мВт= - 17 дБ, Рт = 1дБ.

Тогда

 

 

 

3.2 Расчет потерь в оптическом линейном тракте

 

Потери при вводе излучения равны (3.3):

 

(3.3)

 

В нашем случае

 

.

 

При соединении ВС с излучателем, фотодетектором, при наличии воздушного зазора между световодами возникает френелевское отражение, которое обусловлено разностью показателей преломления сред. Коэффициент передачи соединения равен (3.4):

 

, (3.4)

 

где n1 и n2 - показатели преломления сред.

 

.

 

Потери френелевского отражения равны (2.5):

 

(2.5)

.

 

При соединении ВС возникают дополнительные потери, которые делятся на внешние и внутренние. Внешние обусловленные несогласованием взаимного расположения ВС - разбросом параметров ВС. Расчетные формулы для радиального и углового несогласований приведенные в табл.3.1.

Таким образом, потери при радиальном смещении равны (значения Хн и а - табл.1.1):

 

.

 

С учетом того, что для воздуха =1, θ =1˚=1/57рад (см. табл.1.1), потери при угловом смещении равны:

 

.

 

Таблица 3.1 - Потери при несогласовании взаимного расположения волокон

Вид несогласования	Расчетная формула
Радиальное смещение 2а	, дБ
Угловое смещение θ	, дБ

 

Полные потери при соединении ВС определяются суммой их составных по квадратичному закону (3.6):

 

(3.6)

Итак, .

 

Потери в звездообразном распределителе оптической мощности будут равны (3.7):

 

+13 (3.7)

 

В нашем случае

 

 

 

3.3 Расчет эксплуатационного запаса системы

 

Энергетический потенциал аппаратуры ВОСП должен компенсировать все потери в оптическом линейном тракте, т.е. имеет место баланс мощностей (3.8):

 

, (3.8)

 

где лт - потери оптического линейного тракта на длине регенерационного участка, Рз - эксплуатационный запас.

Потери в оптическом линейном тракте равны, дБ (3.9):

 

, (3.9)

 

где Nрз - количество разъемных соединений, Nрз - количество неразъемных соединений,  - километрическое затухание кабеля, Lр - длина регенерационного участка. При Lр = 3 км потери в линейном тракте на участке ввода

 

.

 

Из (3.8) и (3.9) получаем выражение для запаса по мощности системы, дБ (3.10):

 

. (3.10)

 

При расчетах ВОСП должна выполняться условие (3.11):

 

Рз  6 дБ (3.11)

 

В нашем случае

 

,

 

т.е. условие (3.11) выполняется.

 

3.4 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного затуханием оптического сигнала

 

Учитывая усредненные потери неразъемных соединений на строительной длине кабеля (Lр /l бд), получим выражение для максимальной длины регенерационного участка, которая ограничивается потерями в оптическом линейном тракте, км (3.12)

 

(3.12)

 

 

3.5 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного дисперсией

 

Ограничение скорости передачи информации цифровых ВОСП обусловлено такими факторами:

инерционностью излучателя;

инерционностью фотодетектора;

дисперсией оптического волокна.

Для исключения влияния дисперсии, приводящей к расширению оптических импульсов, на качество передачи информации необходимо выполнение условия В 0,25/,

где В - скорость передачи, бит/с; ( - среднеквадратичное расширение импульса в кабеле длиной L км, с. Из этого вытекает условие ограничения длины регенерационного участка, км Lр0,25/0В,

где 0 - среднеквадратичное расширение импульса в кабеле длиной 1 км, с/км.

Среднеквадратичное расширение импульса определяется выражением (3.13):

 

(3.13)

 

где мм - межмодовая дисперсия, хр - хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия равна (3.14):

 

(3.14)

 

где  и  - значения, заданные в ТЗ (табл.1.1).

 

, .

 

Тогда

 

Lр

 

Из полученных расчетов длины регенерационного участка выбираем меньшее значение. Итак,

 

3.6 Расчет быстродействия системы

 

Быстродействие системы определяется инерционностью электронных компонентов и расширением импульсов в оптическом кабеле. Быстродействие системы (нс) определяется по формуле (3.15):

 

(3.15)

где

(3.16)

 

где В - быстродействие излучателя, определяющееся продолжительностью переднего фронта импульса; ФД - быстродействие фотодетектора.

 

 

 

 

Быстродействие системы не должно превышать допустимого значения, которое определяется видом сигнала (требование 6, п.1.2):

 

 

 

 

Очевидно, что требуемое быстродействие при заданных параметрах оптоэлектронных устройств и при заданных величинах дисперсии обеспечивается.

 

Выводы

 

В курсовом проекте была спроектирована структурированная кабельная система с применением оптических компонентов и рассчитаны ее основные параметры.

В соответствии с предъявляемыми к проектируемой системе требованиями, для нее были выбраны оптический кабель и такие оптоэлектронные устройства, как оптический излучатель, приемник оптической мощности (фотодетектор), также выбраны соединения, обладающие малыми потерями.

В качестве источника излучения выбран кремниевый светодиод со структурой AlGaAs, в качестве фотодетектора в системе применяется кремниевый лавинный фотодиод.

Произведен энергетический расчет ВОСП, а именно, рассчитаны потери в системе при передаче информации с учетом потерь в разъемных и неразъемных (сварных) соединениях и с учетом затухания в оптическом кабеле; определен энергетический потенциал системы, составляющий Q = 39 дБ. Рассчитан эксплуатационный запас системы, он равен , что соответствует требованию . Однако, стоит отметить, что такой запас достигается только при многократном увеличении мощности излучателя - до 200 мВт - и при уменьшении длины регенерационного участка. Длина регенерационного участка равна , т.е. через каждые 1,8 км сети необходимо устанавливать ретрансляторы, усиливающие передаваемый сигнал и тем самым компенсирующие большие потери в системе передачи. Таким образом, для длины ВОЛС  необходимо установить 300/1,8=157 ретрансляторов. Это позволяет обеспечить функционирование сети, но повышает стоимость всей системы в целом.

Рассчитано требуемое быстродействие системы и быстродействие, реально достигаемое при передаче информации. Выяснено, что при заданных в ТЗ параметрах оптоэлектронных компонентов необходимое быстродействие достигается.

 

Список использованной литературы

 

1. Ковальчук В.К. Волоконно-оптичні системи передачі. Частина 1. Елементи та вузли ВОСП. Навч. Посібник. - Харків: ХТУРЕ, 1997. - 152с. - Рос. мовою.

2. Ковальчук В.К. Волоконно-оптичні системи передачі. Частина 2. Навч. Посібник. - Харків: ХТУРЕ, 2000. - 212с.

3. Справочник по волоконно-оптическим линиям связи. / Л.М. Андрушко, В.А. Вознесенский, В.Б. Каток и др. / Под ред. С.В. Свечникова и Л.М. Андрушко. К.: Техника, 1988. - 259с.

Размещено на Allbest.ru