Передающее устройство одноволоконной оптической сети (46210)

Посмотреть архив целиком

Тема проекта:

Передающее устройство одноволоконной

оптической сети


Входные данные к проекту:


  • Оптическая мощность 1,5мВт

  • Длинна волны 0,85мкм

  • Рабочая частота 8,5МГц.

  • Пропускная способность 8,5Мбит/сек.

  • Уровень входного логического сигнала –0,7 В /5,0 В.



Рецензія


на дипломний проект студента групи РТ-51

Андріюка Ростислава Володимировича

Передавальний пристрій одноволоконної

оптичної мережі”


Дипломний проект студента Андріюка Ростислава Володимировича присвячений актуальному питанню проектування волоконнооптичних ліній звязку. Сучасні засоби телекомунікацій базуються на широкому впровадженні волоконнооптичних елементів та систем для швидкого обміну великих обсягів інформації між абонентами. Дипломний проект складається з пояснювальної записки (96 сторінок) та семи листів графічного матеріалу, формату А1. Пояснювальна записка містить розділи:

  • Введення.

  • Принципи побудови та основні особливості волоконнооптичних ситем передачі у міських телефонних мережах.

  • Вибор та обгрунтування структурної схеми передавача.

  • Розрахунок електричної принципової схеми.

  • Конструктивний розрахунок печатної плати.

  • Розрахунок надійності передавального пристрою.

  • Техніко-економічний розрахунок.

  • Заходи по охороні праці.

До переваг дипломного проекту відноситься глибокий науково-технічний аналіз сучасних структурних схем волоконнооптичних систем звязку та досконалий розрахунок електричної принципової схеми передавального пристрою одноволоконної оптичної мережі. Висока якість оформлення текстової, та графічної документації.

Недоліком проекта є відсутність перевірочних експерементальних досліджень запропонованих електричних схем. Відзначений недолік не знижує загальний високий рівень дипломного проекту.

Вважаю, що дипломний проект “Передавальний пристрій одноволоконної оптичної мережі” заслуговує оцінки “відмінно”, а студент Андріюк Р.В. присвоєння кваліфікації спеціаліста з радіотехніки.





К.т.н., доцент кафедри КіВРА _____________________ (Богомолов М.Ф.)




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


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.




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. 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.



    1. 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.
























    1. 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.



    1. 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.




    1. 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 по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.2.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.































На сегодняшний день промышленностью выпускаются оптические кабели имеющие четыре и восемь волокон(марки ОК). Конструкция ОК-8 приведена на рис.2.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи – полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.


















К недостаткам волоконнооптической технологии следует отнести:

А. Необходимость использования оптических коннекторов с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи очень высока. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Б. Монтаж оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

В. При аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше,

чем при работе с медными кабелями.

Тем не менее, преимущества от применения волоконнооптических линий связи настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.





    1. Особенности одноволоконных оптических

систем передачи


Широкое применение на городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации меж узловых соединительных линий позволяет решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности волоконных оптических систем передачи в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные одноволоконные оптические системы передачи, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей на оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить стоимость в расчете на один канало- километр.

Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В волоконнооптических системах передачи, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконнооптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления накачки.

Развязку между оптическими сигналами можно увеличить, не прибегая к сужению импульсов, если для передачи в одном направлении используется когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом – модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному оптическому волокну обеспечивает высокую надежность оборудования и применение волоконнооптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.

По достижении высокого уровня развития волоконнооптической техники, когда станет практически возможным передавать оптически сигналы на различных модах оптического волокна с достаточной для волоконнооптической системы передачи развязкой, дуплексная связь по одному оптическому волокну может быть организована на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

Каждая одноволоконная оптическая система передачи из рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 2.1 показаны достоинства (знаком «+») систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.



Таблица 2.1 - Сравнительная характеристика принципов построения одноволоконных оптических систем передачи.


Тип волоконно- оптической системы передачи


Минимальное затухание, максимальная длина РУ


Защищен-ность сигналов


Большой объем передаваемой информации


Относи-тельно низкая стоимость


Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям


С оптическими разветвителями





+


С оптическими циркуляторами


+





Со спектральным уплотнением



+

+



С разделением по времени с использованием оптических переключателей


+




С разделением по времени с использованием оптических усилителей

+

+




С когерентным излучением в одном направлении и модуляцией интенсивности в другом


+

+



С одним источником излучения




+

+

С модовым разделением



+



С когерентным излучением для обоих направлений с разными видами модуляции

+

+

+





    1. Построение передающих и приемных устройств в волоконнооптических системах передачи


      1. Виды модуляции оптических колебаний.


Для передачи информации по оптическому волокну необходимо изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.

Существует три вида оптической модуляции:


Прямая модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала (рис.2.9).














Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры оптической несущей (рис.2.10).


Внутренняя модуляция. В этом случае исходный сигнал управляет параметрами модулятора, введённого в резонатор лазера (рис.2.11).

Для внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ) модуляторы.

Принцип действия электрооптического модулятора основан на электрооптическом эффекте – изменении показателя преломления ряда материалов под действием электрического поля. Эффект, когда показатель преломления линейно зависит от напряженности поля, называется эффектом Поккельса. Когда величина показателя преломления нелинейно зависит от напряженности электрического поля, то это эффект Керра.

Акустооптические модуляторы основаны на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

Наиболее простым с точки зрения реализации видом модуляции является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. На рис.2.12 представлена схема простейшего прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётся на базу транзистора V1, в коллектор которого включен излучатель V2. Устройство смещения позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной характеристике излучателя.






































      1. Оптический передатчик прямой модуляции


Структурная схема оптического передатчика прямой модуляции приведенная на рис.2.13, является оптимальной, т.к. наиболее рационально реализует все функциональные возможности и достоинства выбранного вида модуляции.



Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается (рис.2.14), и при отключенных цепях стабилизации мощности уровень оптической мощности при передаче «0» (Р0) и при передаче «1» (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iб и порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0 уменьшается. После времени установления переходных процессов в цепях стабилизации устанавливаются новые значения Iб и Iп и восстанавливаются прежние значения Р1-Р0 и Рср. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термостабилизации (СТС), поддерживающая мощность излучения передающего оптического модуля постоянной при изменении температуры от номинального значения.

























      1. Оптический приемник


Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.2.15. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В линейной коррекции компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.



















3. Выбор и обоснование структурной

схемы передатчика



3.1. Методы построения структурных схем одно-волоконных оптических систем передачи


Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 Мбит\сБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Ниже рассмотрены несколько методов и схем построения одно-волоконных оптических систем передачи различных типов и различного назначения.




      1. Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов разветвления

оптических сигналов.


Данная группа схем включает в себя одноволоконные оптические системы передачи с оптическими разветвителями, с оптическими циркуля-торами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 3.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные























искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

Устройства объединения и разветвления оптических сигналов, в зависимости от типа одноволоконной оптической системы передачи, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной оптической системы передачи можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

Максимальная длина регенерационного участка волоконнооптической системы передачи данного типа определяется соотношением:





где Эми – энергетический потенциал одноволоконной оптической системы передачи , ДБ;

ов – затухание сигнала на одном километре оптического волокна, ДБ/км;

уорс- то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов, ДБ;

усслк – то же, в УССЛК, ДБ;

рс, нс – то же, в разъемных и неразъемных соединителях, ДБ;

l с – строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

где Эми’ – энергетический потенциал, ДБ, волоконнооптическая система передачи при отсутствии шума обратного рассеяния излучения в оптическом волокне;

Ршор/Рш – доля шума обратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

Рассчитаем длину регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи первого типа при следующих исходных данных: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, ов=1 ДБ, нс=усслк=0.1 ДБ, рс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формуле (2.1), при использовании оптических разветвителей с уорс=4ДБ:










      1. Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании разделения разнонаправленных

сигналов по времени.


Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной оптической системы передачи сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо устройства объединения и разветвления оптических сигналов использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 3.2).















Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов – оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором – по цепи управления направлением оптической волны накачки оптического усилителя.

Максимальная длина регенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

,где уоп – затухание сигнала в УОП, ДБ;

Эми” – энергетический потенциал одноволоконнооптической системы передачи , определяемый соотношениями:

Эми”=Эми’ при использовании оптических переключателей (Эми’

энергетический потенциал обычной волоконнооптической системы

передачи с учётом специального кодирования).

  1. Эми”=Эми’-10lg(1+Ршоу/РШ) при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Ршор и Рш – мощности эквивалентного шума на входе оптического приемника и шума оптического усилителя на его выходе, ДБ.

Затухание сигнала в устройстве оптического переключения определяется соотношениями:

  1. уоп=п при использовании оптического переключателя, где п – затухание сигнала в оптическом переключателе;

уоп=ор-Коу при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Коу – коэффициент усиления ОУ, ДБ.

Длина регенерационного участка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использовании оптических переключателей (уоп=3.5ДБ), согласно формуле (2.3), составляет:





На стоимость одноволоконнооптической системы передачи второй группы существенно влияет выбор типа устройства оптического переключения, особенно в случае использования оптических усилителей. Надежность волоконнооптической системы передачи этой группы, в отличие от рассмотренной выше, существенно зависит от надежности устройства оптического переключения в случае применения оптического усилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковые лазеры.



      1. Волоконнооптическая система передачи, на основе использования различных видов модуляции.


Третья группа схем одноволоконных оптических систем передачи основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов. И соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 3.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики – когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.






















В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной оптической системы передачи третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

На рисунке 3.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от волокон-нооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

























Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной оптической системы передачи (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи третьей группы определяется выражением:

где:

n=11;22;33;



Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных волоконнооптической системы передачи с амплитудной и частотной модуляцией и волоконнооптической системы передачи с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных оптических систем передачи первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях – различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 ДБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) составляет:



Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в волоконнооптических системах передачи третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных оптических системах передачи с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.



      1. Волоконнооптическая система передачи с одним

источником излучения.


В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных оптических систем передачи по схеме на рис.3.5 В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в модулятор отраженного излучения, а меньшая – в оптический приёмник. В оптическом передатчике принятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом. И через устройство объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС) поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.



























Такие волоконнооптические системы передачи могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконнооптической системы передачи значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:






Где ор1, мои – соответственно затухание сигнала в оптическом разветвителе на выходе 1 и в модулятор отраженного излучения, ДБ.

Длина l4 для ор1=1 ДБ, мои=3 ДБ и приведенных в пункте 2.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

Показатели надежности одноволоконной оптической системы в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях эксплуатации.


3.2.Окончательный выбор структурной схемы передатчика.




      1. Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта.


При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители.

Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации – системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях городской телефонной сети, для него характерны следующие критерии оптимальности:

- Стоимость и простота реализации;

- Длина регенерационного участка не менее 8 км;

- Относительно низкая скорость передачи (8.5 Мбит\с).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконнооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 3.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерацион-ного участка до 18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.



      1. Структурная схема оптического передатчика.


Структурная схема оптического передатчика представлена на рис.3.6. Сигнал в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).





















В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.



4. Расчёт электрической принципиальной схемы


    1. Общие соображения по расчёту принципиальной схемы устройства


Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства волоконной оптической системы передачи является выбор типа и марки оптического излучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикам требований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

-мощность излучения;

-длина волны излучения;

-ширина спектра излучения;

-частота модуляции;

-ток накачки;

-пороговый ток.

Принципиальная схема будет составляться исходя из рассмотренных пунктов «2.6.1.Виды модуляции» и «3.Выбор и обоснование структурной схемы». Как уже говорилось, наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи является схема с модуляцией по интенсивности с применением оптических разветвителей (см. рис 3.1.).

В нашем случае проектирование схемы волоконнооптической системы передачи включает в себя составление следующих узлов:

-входной согласующий усилитель;

-выходной каскад(схема прямого модулятора);

-устройство автоматической регулировки уровня (АРУ) оптического сигнала на выходе;

-система термостабилизации;

-источник питания разрабатываемой волоконнооптической системы передачи;

Упрощённая схема оптического передающего устройства представлена на рис. 4.1.

Согласующий усилитель (СУ) предназначен для усиления сигнала, поступающего с преобразователя кода (с уровнями логического нуля и единицы 0.7 и 5В), до уровня необходимого для модуляции оптической несущей.

Модулятор (МОД) предназначен для изменения параметров оптической несущей в зависимости от изменений входного сигнала. В нашем случае выбрана классическая схема прямой модуляции в которой модулирующий сигнал управляет мощностью оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала .

Схема термостабилизации (СТС) предназначена для обеспечения постоянства выходной мощности излучателя.



Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения стабилизации средней мощности лазерного излучения.

Оптический излучатель выбирается исходя из данных в техническом задании (ТЗ). Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора V2 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора. Транзистор вбирают исходя из характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчёт элементов схемы модулятора.

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение – ток. Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.

Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод VD3, подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рис. 4.1).

Пятый этап - разработка схемы термостабилизации и источника питания для одноволоконного оптического передатчика.




    1. Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя


Значение разности мощности на выходе оптического излучателя и на входе оптического приёмника должно превышать максимальное затухание, вносимое станционными и линейными сооружениями на участке передатчик – приёмник. Существующие в настоящее время приёмные оптические модули обеспечивают достаточно низкий уровень приёма. Приёмные устройства некоторых систем обеспечивают уровень приёма 0.01мквт (-50ДБ), в дальнейшем, для расчётов, будем использовать это значение как типовое.

Для проектируемой одноволоконной системы связи затухание участка составит:

,

где l=8 км - длина участка;

ов=5 ДБ/км - затухание сигнала на одном километре оптического волокна;

уорс=2 ДБ - затухание сигнала в устройстве объединения и разветвления

сигналов;

усслк=1 ДБ - затухание сигнала в устройстве УССЛК;

рс=1 ДБ, нс=0.5 ДБ - затухание сигнала в разъемных и неразъемных

соединителях;

=1 км - строительная длина оптического кабеля.


Тогда минимальный уровень мощности:


Или:

где Pпр=-50 ДБ – уровень оптического сигнала на приёме.

То есть мощность излучения на выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт, что и требуется в техническом задании. Коме того, источник излучения по ТЗ должен работать на длине волны 0.85 мкм и обеспечивать частоту модуляции не менее 8.5 МГц. Полупроводниковый лазер ИЛПН-203 наилучшим образом отвечает приведённым требованиям и имеет следующие характеристики:

мощность излучения: Риз=3.5 мВт;

длина волны излучения: =0.85 мкм;

ширина спектра излучения: =3 нм;

частота модуляции: Fмод=250 МГц;

ток накачки: Iн=120 мА;

пороговый ток: Iпор=40 мА.


    1. Расчёт выходного каскада


При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

-постоянный ток коллектора не менее 120 мА;

-предельная частота усиления более 8.5 МГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры:

-статический коэффициент передачи h21э тока в схеме ОЭ при Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

-напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

-напряжение насыщения коллектор – эмиттер Uкэнас’ при Iк=10 мА, Iб=1 мА, не более: 0.035 В;

-напряжение насыщения база – эмиттер Uбэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

-емкость коллекторного перехода Ск при Uкб=10 В, не более: 10 пФ;

-обратный ток коллектора Uкобр при Uкб=10 В, не более: 1 мкА;

-обратный ток эмиттера Uэобр при Uбэ=4 В, не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

-постоянное напряжение коллектор– база Uкбmax: 30 В;

-постоянное напряжение коллектор– эмиттер Uкэmax при Rбэ<1 кОм: 30 В;

-постоянное напряжение коллектор–эмиттер Uкэmax при Iэ10мА: 25 В

-постоянное напряжение база–эмиттер Uбэmax: 5 В;

-постоянный ток коллектора Iкmax: 800 мА;

-постоянная рассеиваемая мощность коллектора Pmax: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы (рис. 4.2).


























При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо  0.45Еп. Пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В. Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит Iкmax=120 мА, тогда Uкэmax=1.7 В и Iбmax=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора (рис.4.3) определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и амплитудное значение Uбmax=0.74 В.





























Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

-напряжение покоя коллектора: Uкэо=6 В;

-ток покоя коллектора: Iко=40 мА;

-ток покоя базы: Iбо=0.135 мА;

-напряжение покоя базы: Uбо=0.71 В;

-амплитуда тока базы: Iбmax=0.47 мА;

-амплитуда напряжения на коллекторе: Uкэmax=1.7 В;

-амплитуда тока коллектора: Iкmax=120 мА;

-амплитуда напряжения на базе: Uбmax=0.74 В.

Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рис. 4.4). Здесь транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

Падение напряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:

,

где Еп – напряжение питания модулятора.

Зададимся напряжением питания Еп=15 В, тогда:

Сопротивление Rэ рассчитывается по формуле:



Ток делителя Iд должен не менее, чем в 5…10 раз превосходить ток покоя базы Iбо:

Соотношение между напряжением на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой стабилизации режима лучше взять URэ >Uф.

Пусть: , тогда сопротивление фильтра определяется следующим образом:

Падение напряжения на сопротивлении делителя Rб’’ равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:




Тогда сопротивление делителя Rб’’:


Аналогично найдём сопротивление Rб’:


Для схемы с эмиттерной стабилизацией напряжение питания распределяется между тремя резисторами выходной цепи (Rэ, Rк, Rф), лазерным излучателем и транзистором:


где Uд = 2 В – падение напряжения на полупроводниковом лазере;

URф – падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.


Отсюда:


Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:


    1. Расчет согласующего усилителя


Здесь в качестве усилительного элемента предполагается использовать быстродействующий операционный усилитель, включенный по схеме преобразователя напряжение – ток (известной так же в качестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующего усилителя представлена на рис.4.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.

Значение сопротивления R5, определяется исходя из следующего условия:

,

где Rн – сопротивление нагрузки усилителя.

Сопротивлением нагрузки усилителя является входное сопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивлений делителя Rд (из двух параллельно соединённых сопротивлений в цепи базы Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления транзистора Rвхэ.

Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:


Сопротивление делителя:


Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:


Таким образом, сопротивление R5:


Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:



Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ΔUR5) к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии КМДП с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит ΔUвх=5-0.7=4.3 В.

Тогда коэффициент усиления схемы составит:

Обычно номиналы резисторов R1, R3 и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый из них должен превышать сопротивление R5 не менее чем в 20 раз.

Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:

Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы и определяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующих операционных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладает операционный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-n переходом, имеет скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс и частоту единичного усиления 15 МГц. Кроме того, за счёт оригинальной схемы ОУ отличается высокой стабильностью параметров во всём диапазоне питающих напряжений от ±5 до ±16 В.

Быстродействующие усилители менее устойчивы по сравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеме необходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. В нашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции, предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.



    1. Расчет устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала


Устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства должно обеспечивать стабилизацию средней мощности лазерного излучения. Устройство АРУ включает в себя следующие основные элементы (функциональная группа АРУ на рис.4.1):

фотодатчик, детектор автоматической регулировки уровня и усилитель постоянного тока.

Следует обратить внимание на то, что чувствительность фотодиода в данном случае роли не играет, по этому при выборе типа фотодиода будем руководствоваться такими параметрами как надёжность и низкая стоимость.

В нашем случае, при использовании полупроводникового лазера ИЛПН-203, производитель этого лазера предусмотрел, что при применении полупроводниковых лазеров в различных устройствах, разработчики будут использовать метод стабилизации излучения основанный на обратной связи. И по этому конструкция полупроводникового лазера ИЛПН-203 уже содержит фотодатчик с оптическим ответвителем.

Т.е. схема полупроводникового лазера ИЛПН-203 имеет следующий вид:





Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ. Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод VD1.2:


,

где Рпер = 2,43 Дб – средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;

уорс = 2 Дб – затухание оптического разветвителя.

Тогда фототок, протекающий в цепи VD1.2 под действием Рфд:

,

где S = 0.3 А/Вт – монохроматическая токовая чувствительность используемого фотодиода.

Среднее значение напряжения на входе микросхемы равно среднему значению падения напряжения на сопротивлении Rфд в цепи фотодиода:

,

где Rару = 200 Ом.

В качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока предполагается использование интегральной схемы К175ДА1. Её основные характеристики:

-напряжение питания: Uп = 6 В;

-коэффициент передачи АРУ: Кару = 20

-верхняя граничная частота: Fв = 65 МГц.

Значение напряжения на выходе микросхемы:


Далее рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера Rэ’’, служащее для введения напряжения обратной связи, поступающего с устройства АРУ. Для этого зададимся глубиной обратной связи 10 Дб (Fос = 3), и определим сквозную крутизну эмиттерного тока Sэ:

,


где - среднее значение статического коэффициента передачи транзистора.

Тогда сопротивление в цепи эмиттера:


Следовательно:



Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра URф1 = 1.2 В, тогда значение напряжения АРУ Uару на сопротивлении Rэ’’:



Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУ необходимо уменьшить величину сопротивления Rэ’’:


Тогда:


Сопротивление фильтра Rф1 равно:





    1. Расчёт схемы термостабилизации


При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного излучателя необходимо ввести систему термостабилизации, цель которой, обеспечивать стабилизацию рабочей точки излучателя при отклонениях температуры.












На рис. 4.5 представлена принципиальная схема термостабилизации одноволоконного оптического передатчика. Эта схема построена из следующих составных частей:

-генератор стабильного тока(ГСТ);

-температурный датчик(диод);

-усилитель;

В генераторе стабильного тока ток через транзистор VT2, при равенстве сопротивлений R1 и R2, одинаков с током через VT1 и не зависит от сопротивления нагрузки коллекторной цепи VT2.

В правую ветвь включен диод VD у которого ВАХ при различных показаниях температуры имеет следующий вид (рис.4.6):
















Так как ток проходящий через VD имеет постоянное значение и не зависит от температуры то при изменении температуры VD с t1 до t2 - изменяется напряжение на нём. Это обстоятельство и даёт нам возможность управлять выходным напряжением усилителя.

Рассчитаем основные элементы схемы:

Пусть ток ІR1=1мА и сопротивления R1 и R2 равны по 1кОм.

Тогда

Падение напряжения Uбэ составит 0.6В.

Найдём значение сопротивления R3:

VT1 и VT2 выберем из справочника КТ337А. VD выбираем КД102A.

В качестве усилителя возьмём операционный усилитель К544УД1 включенный по классической схеме. Питание ОУ двух полярное 15В.



Диаппазон изменения Uвыхоу должен составлять не менее 0,15 В при изменении температуры от 10С до 40С. При этом изменение UVD составляет 18мВ (0,6мВ/К по справочным характеристикам). Тогда коэффициент усиления по напряжению должен составлять:

Принимаем значение R6=10кОм, тогда:

Таким образом напряжение на выходе ОУ будет прямо пропорционально зависеть от падения напряжения на VD, которое в свою очередь имеет зависимость от температуры термодатчика.











Начального значение будет регулироваться переменным сопротивлением R5=1,5кОм.




4.7 Расчёт источника питания одноволоконной оптической системы передачи


В составленной схеме оптического передатчика имеем следующие номинальные напряжения питания: +6В, +15В, -15В. Необходимо разработать блок питания для одноволоконного оптического передающего устройства и рассчитать основные его элементы.

Найдём токи потребляемые передатчиком для разных номинальных напряжений.

Для Uн= +6В:

В цепи АРУ микросхема К175ДА1 потребляет 3мА.

Возьмём ток нагрузки на выходе БП равным 20мА, т.е. с небольшим запасом. ІН(+6)=20мА


Для Uн= -15В:

В цепи входного усилителя микросхема К140УД11 потребляет 5мА

В цепи температурного стабилизатора К544УД1 потребляет 7мА.

Примем ток нагрузки ІН(-15)=20мА

Для Uн= +15В:

В цепи входного усилителя микросхема К140УД11 потребляет 10мА

В цепи температурного стабилизатора К544УД1 потребляет 7мА и на транзисторах VT2 и VT3 – 2мА.

Оптический модулятор потребляет 200мА.

Примем ток нагрузки ІН(+15)=250мА


Исходные даннные:

На выходе БП должно быть +6В, +15В, -15В при токах нагрузки соответсвенно 20мА, 250мА и 20мА.

На рис.4.8 представлена электрическая схема предполагаемого блока питания.



























Выбор стабилизаторов напряжения

Для получения стабильного постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения Uн и максимального тока нагрузки Iн. Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем - выпрямитель и трансформатор питания.

Так как потребляемая схемой мощность небольшая, в качестве стабилизатора DA5 возьмем специально предназначенную микросхему КР142ЕН5, обеспечивающую выходное напряжение + 6В и ток в нагрузке до 1А. Данная микросхема обеспечивает коэффициент пульсаций на выходе примерно 0.03. Для нормальной работы напряжение на входе микросхемы должно быть не менее 10Вольт, поэтому конденсатор С19 выбираем на рабочее напряжение 25В и емкостью 1000мкФ. VD20 обеспечивает индикацию. Стабилизатор DA5 включен по типовой схеме. С20=С21=2,2мкФ.

Для выходного напряжения питания 15В целесообразно взять микросхему стабилизатора КР142ЕН6А (DA4), обеспечивающую выходное напряжение 15В при токах в нагрузке до 300мА. Для нормальной работы микросхемы, напряжение на входах DA4 должно составлять 20В, поэтому конденсаторы С11 и С12 выбираем на рабочее напряжение 25В и ёмкостью 1000мкФ. Стабилизатор DA4 включен по типовой схеме включения и его основные элементы имеют значения: С13=С14=С15=С16=0,1мкФ; С17=С18=2,2мкФ.


Расчёт диодных выпрямителей

Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме, о выборе его элементов здесь и пойдет речь.

При расчете выпрямителя нужно правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на выходе диодного моста (или входе следующих цепей) Uвых VD и потребляемый ток Iн.

Рассчитаем диодный выпрямитель для Uн= +6В. Исходными данными будут Uвых VD = 10В и Iн.=20мА.

Определим переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

, где

В - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по таблице4.1.


Таблица 4.1

Коэффициент

Ток нагрузки, А

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

В

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

С

2,4

2,3

2,2

2,15

2,1

2


По току нагрузки определяем максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста: