Проектирование волоконно-оптических систем передачи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет "Электронные аппараты"

Кафедра ТАПР

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине: “Конструирование и технология систем обработки информации”

на тему:

“Проектирование волоконно-оптических систем передачи ”

 

 

Выполнил:

ст. гр. ТЗТ-04-2

Тилиженко С.А.

Принял:

Стародубцев Н.Г.

 

 

 

 

 

2007

 

Содержание

 

Введение

1. Анализ исходных данных

1.1 Исходные данные

1.2 Требования к системе

1.3 Топология сети

1.4 Код передаваемого сигнала

2. Выбор элементной базы ВОСП

2.1 Выбор оптического кабеля

2.2 Выбор типа излучателя

2.3 Выбор типа фотодетектора

2.4 Выбор типов оптических соединителей и разветвителей

3. Расчет параметров цифровой ВОСП

3.1 Расчет энергетического потенциала системы

3.2 Расчет потерь в оптическом линейном тракте

3.3 Расчет эксплуатационного запаса системы

3.4 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного затуханием оптического сигнала

3.5 Расчет длины регенерационного участка, ограниченного дисперсией

3.6 Расчет быстродействия системы

Выводы

Список использованной литературы

 

Введение

 

Целью курсового проектирования является приобретение практических навыков проектирования и расчета локальных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).

Задачами курсового проекта являются: обоснование выбора необходимой элементной базы и расчет основных параметров проектируемой ВОЛС.

Научно-технический прогресс в значительной мере определяется объемом и скоростью передачи информации. Возможность увеличения объемов передаваемой информации наиболее полно реализуется при использовании волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). Применение ВОСП решает проблему электромагнитной совместимости, защиты цепей и трактов систем связи от разнообразных воздействий.

ВОСП представляет собой совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ), иначе - волоконным световодам (ВС), с помощью оптических волн. Таким образом, ВОСП - это совокупность оптических приборов и оптических линий передачи для создания, передачи и обработки оптических сигналов. В этом случае оптическим сигналом является модулированное оптическое излучение источника (лазера или светодиода), передаваемое по ОВ в виде совокупности различных типов оптических волн (мод). Средой передачи в ВОСП является оптическое волокно, а носителем информации - электромагнитные колебания оптического диапазона.

В современной технике связи утвердились цифровые средства передачи и обработки информации. Преимущества цифровых систем передачи по сравнению с аналоговыми - высокая помехоустойчивость, нечувствительность к нелинейным искажениям, независимость качества передачи от длины линии связи, стабильность параметров канала связи и др.

Во всем мире достигли значительного прогресса в развитии ВОЛС. В сетях связи Украины широко используются ВОСП для линий связи всех ступеней иерархии: магистральных, зоновых, местных.

Применение ВОСП целесообразно и экономически эффективно на всех участках Единой Национальной Сети Связи Украины. Это не только повышает технико-экономические показатели отрасли связи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания.

В Украине ВОСП наиболее широко используются для организации соединительных линий городской телефонной сети и для зоновой связи.

 

1. Анализ исходных данных

 

1.1 Исходные данные

 

Исходные данные для расчета цифровой ВОСП приведены в табл.1.1.

 

Таблица 1.1 - Исходные данные для расчета цифровой ВОСП

Топология сети	звездообразная
Количество оконечных станций	16
Длина волоконно-оптической линии связи , км	300
Длина волны , мкм	1.55
Затухание в оптическом кабеле , дБ/км	1.5
Ширина спектра излучателя , нм	20
Показатель преломления волоконного световода n1	1,445
Показатель преломления волоконного световода n2	1,440
Потери ввода-вывода вв,, дБ	3
Потери в неразъемных соединениях нз, дБ	0,2
Тип соединителя	SC
Мощность излучателя P, мВт	2.5
Минимальная оптическая мощность на входе оптического приемного устройства Pmin, дБм	-38
Вероятность ошибки при передаче информации Рош10-9	0,5
Удельная хроматическая дисперсия , пс/ (нм·км)	8.5
Строительная длина кабеля lбд, м	2300
Код в линейном тракте	CMI
Перепад температур	<30ºC
Межмодовая дисперсия , пс/км	45
Температурная компенсация	присутствует
Тип оптического кабеля	ОМ
Квантовая эффективность η	0,7
Уровень системы передачи	STM-4
Виды рассогласования	радиальное, угловое
Продольное смещение в неразъемном соединении Хн, мкм	0,7
Угловое смещение в неразъемном соединении н,	1,2
Диаметр волокна 2a1	48
Диаметр волокна 2a2	50

 

1.2 Требования к системе

 

Анализируя исходные данные, можно сказать, что к проектируемой системе предъявляются следующие требования:

1. Скорость передачи системы, определяющая объем предаваемой информации В=622 Мбит/сек.

2. Помехоустойчивость системы характеризуется вероятностью ошибки при передаче информации: Рош10-9.

3. Тип передаваемой информации - цифровой.

4. Рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии на параметры оптического кабеля при заданном типе волокна и длине волны =1.55 мкм приведены в табл.1.2.

 

Таблица 1.2 –

Рекомендации МККТТ относительно оптических кабелей

Наименование параметра	Рекомендация МККТТ
	G.651
Тип волокна	ОМ
Длина волны оптической несущей λ, нм	1550
Характеристики волокон
Диаметр сердцевины, мкм		50 6%
Диаметр оболочки		125 2,4%
Погрешность концентричности		6%
Некруглость сердцевины		6%
Некруглость оболочки		2%
Числовая апертура		0,18…0,24
Коэффициент затухания, дБ/км		меньше 0.5
Удельная хроматическая дисперсия, пс/нм∙ км		меньше 20

 

волоконная оптическая линия связь

Схема выбора оптоэлектронных элементов ВОСП представлена на рис.1.1.

 

 

Рисунок 1.1 - Схема выбора элементов ВОСП

 

Код сигнала в оптическом линейном тракте - NRZ, т.е. цифровой код без возвращения к нулю. Поэтому допустимое быстродействие системы будет определяться выражением: , где В - скорость передачи, бит/с.

 

1.3 Топология сети

 

Проектируемая ВОЛС представляет собой сеть со звездообразной конфигурацией, обобщенная топология которой изображена на рис.1.2.

На рис.1.2 цифрами 1,2,3,.,N-1,N обозначены оконечные устройства (терминалы), которые соединены между собой через оптический разветвитель энергии РЭ типа "звезда" или подключены к узлу коммутации УК, который осуществляет необходимое распределение сообщений.

В проектируемой системе число оконечных станций равно N=14.

 

 

Рис.1.2 - Топология "звезда"

 

1.4 Код передаваемого сигнала

 

Код сигнала в линейном тракте проектируемой системы - код NRZ, наиболее простой код, в котором единица передается импульсом, а нуль - паузой (рис.1.3). NRZ - это код без возврата к нулю на тактовом интервале. Недостатками этого кода являются наличие постоянной составляющей, которая зависит от количества нулей и единиц в передаваемой импульсной последовательности, невозможность выявления ошибки, высокое содержание низкочастотных компонентов.

 

 

Рисунок 1.3 - Формирование линейного кода NRZ

 

2. Выбор элементной базы ВОСП

 

2.1 Выбор оптического кабеля

 

Выбираем кабель исходя из требований ТЗ и рекомендаций МККТТ (табл.1.2). Для проектируемой системы подходят кабели, используемые для ВОЛС местных сетей, - кабели на основе градиентного волокна, с гидрофобным заполнителем межмодульного пространства. Они предназначены для прокладки в телефонной канализации, трубах, коллекторах ручным и механизированным способом. Такие кабели стойки к растягивающим усилиям до 1200 Н, радиус изгиба этих кабелей - 260 мм. Для прокладывания ОК в городской телефонной канализации используются кабели, которые не содержат броневых покрытий (голые). Если предполагается установление необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) в пунктах, имеющих гарантированное электропитание, или использование автономных источников питания, используется кабель, который не содержит проводов дистанционного питания. В этом случае, если разрешают условия прокладывания, следует применить кабель, который не содержит металлических элементов, т.е. кабель с полимерными оболочками.

Выбранный кабель характеризуется следующими параметрами:

– затухание в оптическом кабеле =1.5 дБ/км;

– удельная хроматическая дисперсия =8.5 пс/ (нм·км);

– строительная длина кабеля lбд=2300 м;

– тип оптического кабеля - ОМ;

– межмодовая дисперсия =45 пс/км;

– диапазон рабочих температур - (-40. +50ºC);

– числовая апертура NA=0,21;

количество ОВ кабеле - 4.

 

2.2 Выбор типа излучателя

 

В ТЗ к источнику излучения предъявляются следующие требования:

– ширина спектра излучателя =20 нм;

– потери ввода-вывода вв=3 дБ;

мощность излучателя P=2,5мВт.

Исходя из перечисленных требований, выбираем в качестве излучателя лазер со следующими характеристиками:

– время нарастания импульса излучения τн=1 нс;

– ток накачки Iн=150 мА;

– ресурс работы Т=105 ч;

– структура - AlGaAs.

 

2.3 Выбор типа фотодетектора

 

Применяя схему выбора оптоэлектронных компонентов сети, изображенную на рис 1.1, выбираем в качестве приемника оптического излучения (ПОИ) кремниевый лавинный фотодиод (ЛФД), который характеризуется параметрами:

– время нарастания переднего фронта импульса τн=2,5нс;

– токовая чувствительность SI =12 А/Вт;

– темновой ток Iт =15 нА;

– коэффициент лавинного умножения М=20;

– область спектральной чувствительности - 1.1,7нм.

Чувствительность фотодетектора является одним из факторов, который определяет энергетический потенциал системы. Временные параметры ФД определяют быстродействие системы. Чувствительность фотодетектора определяет коэффициент ошибки цифровой системы передачи.

Для среднескоростных систем передачи целесообразно выбирать лавинные фотодиоды, которые имеют большую интегральную чувствительность и внутренний коэффициент усиления.

 

2.4 Выбор типов оптических соединителей и разветвителей

 

Главным требованием при выборе оптических соединителей является малое затухание соединителя. Для соединения предающего оптического модуля (ПОМ) и принимающего оптического модуля (ПрОМ) с линейным кабелем применяются станционные кабели. Одним концом станционный кабель соединяется с ПОМ (ПрОМ), другим - со станционным ОК, в обоих случаях применяется разъемный соединитель.

Разъемными соединителями присоединяется линейный кабель к ПОМ (ПрОМ) регенератора. Разъемный соединитель должен также сохранять малое затухание при его многократном "присоединении-разъединении" и при изменении температуры внешней среды.

В качестве разъемного соединителя в проектируемой системе применяется соединитель типа РС/РС, параметры которого приведены в табл.2.1.

 

Таблица 2.1 - Параметры разъемного оптического соединителя РС/РС

Тип соединителя	Тип оптического волокна	Внесенные затраты, дБ	Обратные потери, дБ	Количество соединений - разъединений
SC	одномодовое / многомодовое	0,3	40	1000

 

Неразъемные соединения осуществляются при прокладывании ОК, когда соединяются строительные длины ОК. Существует несколько средств соединения строительных длин ОК: склеивание, сваривание, использование иммерсионных веществ.