Основы оптических систем в ТК

Некоммерческое акционерное  общество

«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»

 

Кафедра Телекоммуникационные системы

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

По дисциплине: ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ 

 

 

Специальность: 5B170900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации

Выполнил: Назрапов А.О.                  Группа БРЭ-09-12

Номер зачетной книжки: 093475

Проверил:

   

___________________________«___»__________________________2012 г

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

РГР №1. Задание 1……………………………………………………….4

РГР №2. Задание 1………………………………………………………10

               Задание 2……………………………………………………….12

               Задание 3……………………………………………………….15

Вывод……………………………………………………………………..17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Одним из основных направлений  современного научно-технического прогресса является всестороннее развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность доставки на значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью.

Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии (ВОЛП) большой информационной емкости с длиной регенерационных участков до 200 км и более. Столь интенсивный прогресс волоконно-оптических телекоммуникационных технологий невозможен без достижений в теории передачи информации, физики и технологии изготовления элементов ВОЛП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетно-графическая  работа № 1. Расчет параметров волоконных световодов

Задание 1

Определить параметры  оптического волокна: числовую апертуру, нормированную частоту, число мод, критическую частоту, критическую  длину волны, дисперсию, потери, границы  изменения фазовой скорости, границы  изменения волнового сопротивления

 

 

 

Исходные даны приведены  в таблице 1:

-           диаметр сердцевины световода 2а,  мкм;

-           диаметр оболочки световода 2b, мкм;

-           показатель преломления сердцевины n₁;

-           показатель преломления оболочки n₂;

-           длина волны l, мкм;

-           длина проектируемого участка.

Таблица 1.

Последняя цифра студенческого  билета
	0		1	2	3		4	5	6	7		8		9
l, мкм	1,55		1,3	0,85	1,62		0,85	1,3	1,62	0,85		1,3		1,55
l, км	100		70	60	80		90	70	120	80		70		150
Тип оптического волокна	Одномодовое		Многомодовое градиентное	Многомодовое ступенчатое	Одномодовое		Многомодовое градиентное	Многомодовое  ступенчатое	одномодовое	Многомодовое градиентное		Многомодовое ступенчатое		одномодовое
Предпоследняя цифра студенческого  билета
		0	1	2	3	4		5	6		7		8		9
2а, мкм		50	62	50	62	50		62	50		62		50		62
2b, мкм		125	125	200	200	125		125	200		200		125		125
n1		1.55	1.5	1.505	1.51	1.49		1.5	1.505		1.55		1.52		1.49
n2		1.52	1.49	1.5	1.49	1.4		1.48	1.5		1.53		1.5		1.47
М(λ), пс/(нм·км)		-18	-5	125	-20	125		-5	-20		125		-5		-18
В(λ), пс/(нм·км)		12	8	5	14	5		8	14		5		8		12
∆l, нм		1	2	3	1	2		3	1		2		3		1

 

1 Соотношение коэффициентов  преломления:

.

 

2 Числовая апертура:

.

 

 

 

3 Нормированная частота:

.

 

4 Число мод, распространяющихся  по световоду: 

 

для ступенчатого световода:

 

;

 

 

 

5  Критическая частота, Гц, определяется по формуле 

 

,

, Гц

где с – скорость света, м/с. 

 

6 Критическая длина волны,  м: 

 

, м

, м 

 

7 Общие потери в волокне,  дБ/км, определяются суммой 

 

4.202*10²³

Потери энергии на поглощение (затухание поглощения), Нп/м: 

 

,

,Нп/м

⍺_n=3.2535 , дБ/км

где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь материала световода (для кварца 10^-10). 

 

Для перевода затухания поглощения из Нп/м в дБ/км полученную величину необходимо умножить на 8,69·10³. 

 

Потери на рассеяние, дБ/км, равны: 

 

,

, дБ/км

где К_р – коэффициент рассеяния (для кварца 1…1,5 дБ/(км·мкм⁴)),

l – длина волны, мкм.

7       Дисперсия.

Основными причинами возникновения  дисперсии являются, большое число  мод в световоде (межмодовая или модовая дисперсия), некогерентность источников излучения (хроматическая дисперсия). 

 

_,

_*=2.73*10⁵ , пс

 

Межмодовая дисперсия: 

 

Для ступенчатого оптического волокна:                                          

  ,  при l>l_c      

 

где l_с – длина связи мод, для ступенчатого оптического волокна составляет 5…7 км;

l – длина линии. 

 

 

 

Хроматическая (частотная) дисперсия.  

 

 

     Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.  

 

Материальная дисперсия:

 

2.625*10⁵ , пс

где ∆l – ширина спектральной линии источника излучения (для лазера 1…3 нм, для светодиода 20…40 нм);

М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км), см.таблицу 1. 

 

Волноводная дисперсия:

1.05*10⁴ , пс

где В(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км), см.таблицу 1. 

 

Удельная хроматическая  дисперсия является алгебраической суммой удельных материальной и волноводной  дисперсий: 

 

D(λ)= М(λ)+ В(λ).

D(λ)=125+5=130 , пс/(нм*км) 

 

Хроматическая дисперсия  связана с удельной хроматической  дисперсией соотношением: 

 

, с/км

*10^-12 , с/км

где D(λ) – удельная хроматическая дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – ширина спектра  излучения источника, нм, см.таблицу 1. 

 

 

 

8 Границы изменения фазовой  скорости, км/с, определяются: 

 

с/n₁<n< c/n₂

1.935*<n<1.96* , км/с 

 

9 Границы изменения волнового  сопротивления, Ом:

Z₀/n₁< Z <Z₀/n₂ 

243.022< Z <246.209 , Ом

где Z₀ =376,7 Ом – волновое сопротивление идеальной среды. 

Расчетно-графическая  работа № 2. Расчет элементов линейного  тракта 

Задание 1      

 Определите ширину  спектральной линии в Гц, считая, что длина волны (l) находиться точно на середине диапазона  спектра излучения Dl_0,5. Найти добротность резонатора лазера.  

 

Т а б л и ц а   2

	Последняя цифра студенческого билета
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Dl0,5, нм	5,0	5,01	5,05	5,2	5,4	5,25	5,23	5,41	5,31	5,33
l, мкм	1,55	1,3	0,85	1,62	0,85	1,3	1,62	0,85	1,3	1,55

 

 

Если считать что l находится точно на середине диапазона Dl_0,5, то максимальная и минимальная длины волн находят следующим образом:      

    м; 

, м   

     , м.

, м    

 Тогда соответствующие  этим длинам волн минимальную  и максимальную частоту излучения  определяем:      

  , Гц;   

, Гц      

  , Гц.

, Гц 

 

Ширина спектральной линии:       

  , Гц.

△=9.32* ,Гц

Средняя  частота излучения:       

    ,Гц

,Гц

с- скорость света = 3·10⁸ м/с  . 

 

Добротность резонатора лазера:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 2 

 

Определить длину участка  регенерации внутризоновой ВОСП при использовании типовой аппаратуры и оптического кабеля со следующими параметрами: Строительная длина кабеля 2 км, затухание в разъемных соединениях 0,3 дБ/км,  в неразъемных 0,1 дБ/км, ширина спектра излучения, см. таблицу 1, уровень мощности вводимой в ОВ 1 дБм, пороговая чувствительность -29,5 дБм.  

 

Т а б л и ц а  3

Последняя цифра зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Энергетический потенциал  А,дБ	34	40	30	36	38	35	40	36	38	36
Энергетический запас  М,дБ	3	4	5	3	4	5	3	4	5	6
Длина линии l, км	100	70	60	80	90	70	120	80	70	150

 

 

Т а б л и ц а  4

Предп. цифра зачетной книжки	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Коэф. затухания, дБ/км,αк	0,21	0,22	023	0,24	0,25	0,2	0,21	0,3	0,23	0,25

 

Длина регенерационного участка, ограниченная дисперсией, определяется по формуле: 

 

Lp.d.=715.918                                                      

  

где  В - скорость передачи В, Мбит/с;        

   - хроматическая дисперсия, , взять из расчетов 1 РГР;

 - ширина спектра излучения,  нм, см.таблицу 1; 

 

 

   Максимальная скорость передачи  цифровой ВОСП, работающей по  данному волокну в идеале численно  равна тактовой частоте и полосе  пропускания, но с учетом помехоустойчивого  кодирования она будет меньше, в зависимости от используемого  кода. Таким образом, максимальная  скорость передачи ВОСП, работающей  по данному волокну составит:         

     Мбит/c

                В_мах=1.343*10^-6 , Мбит/с

Полоса пропускания оптического  кабеля измеряется в (Гц·км) и определяется:

       

△F=1.612*10^-6   , (Гц*км)                                                       

где τ – результирующая дисперсия оптического волокна, взять из первой РГР.  

 

Полоса пропускания оптического  волокна зависит от дисперсии, чем  меньше значение дисперсии, тем больший  поток информации можно передать по волокну

При определении длины  регенерационного участка, лимитированного  затуханием, воспользуемся формулой:  

 

 

                                 ,            

Lp.d.=42.571 

 

где А – энергетический потенциал системы;     

 М – энергетический  запас системы;     

 ⍺_рс  – вносимые потери разъемных оптических соединений;     

 ⍺_нс – вносимые потери неразъемных оптических соединений;     

 N_рс – число разъемных оптических соединений;     

   – строительная длина . 

 

Произвести сравнение  рассчитанного участка регенерации по дисперсии и по затуханию, выбрать оптимальный вариант. По расчетам дать рекомендации.

 

 

 

 

Задание 3 

 

 

    Нужно определить отношение  сигнал/помеха на выходе фотоприемника  (ФПР) цифровой ВОСП. Исходные  данные в таблице 3.  

 

 

 

Таблица 5    

Последняя цифра студенческого  билета
		0		1	2	3	4	5	6	7	8	9
h		0,4		0,5	0,6	0,7	0,8	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
l, Мкм		1,55		1,3	0,85	1,62	0,85	1,3	1,62	0,85	1,3	1,55
Предпоследняя цифра студенческого  билета
	0		1		2	3	4	5	6	7	8		9
R, кОм	52		54		56	48	50	51	49	52	53		50
Dш	4		3,9		4,1	4,2	4,5	4	3,9	4,1	4,2		4,5

 

   

Считается темновой ток и  ток засветки пренебрежимо малыми. 

Фототок определяется по формуле:  

 

I_ф=2.211*10^-5  

 

где q= Кл – заряд электрона;    

 h= - постоянная Планка;    

 f= , Гц – частота излучения;    

 h- квантовая эффективность    

 P_пр= - оптическая мощность на приеме;   

  a_k -  затухание кабеля, см. таблицу 4;  

   - длина регенерационного участка, см задание 2 РГР2;    

  = 1мВт - мощность на выходе источника излучения;      

 М=1 – коэффициент лавинного  умножения. 

 

 

   Считая полосу пропускания  фотоприемника равной тактовой  частоте ВОСП, находим отношение  сигнал/помеха по следующей формуле:  

 

 

       

ᵋ=1.214*10³ 

 

где Т=280 – температура  в градусах Кельвина;     

 F_ш (М)=1 – коэффициент шума ЛФД;     

 K=1,38·10^-23 , Дж·К^-1 - постоянная Больцмана;    

  R -  входное сопротивление усилителя;    

  D_ш – коэффициент шума усилителя;        

  Df=40·10⁶, Гц -  электрическая полоса пропускания.  

 

 

Заключение

 

Возможность резкого увеличения объема передаваемой информации наиболее полно реализуется в результате применения волоконно-оптических кабелей  связи, которые по сравнению с  такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные  линии, имеют значительно более  широкую полосу пропускания. Применение оптического кабеля целесообразно  и экономически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи. Это не только значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к  цифровым сетям интегрального обслуживания (сети ISDN). Особенно актуально внедрение  ВОЛС именно сейчас, когда во всем мире ощущается острый дефицит цветных  металлов, особенно меди.

Основные выводы по работе: в случае ограничения дисперсией длины участка регенерации можно  уменьшить скорость передачи для его (участка) увеличения. Если система имеет сложную топологию, то следует учитывать потери α_N во всех участках ОК (разъемы, соединения, излучения оптического источника и др.). К основным показателям ВОЛС относится помехозащищенность. Длина регенерационного участка при уменьшении ширины полосы пропускания уменьшается.