Передавальний пристрій одноволоконної оптичної мережі

Введення

Цифровий зв'язок по оптичних кабелях , що здобуває усе велику актуальність, є одним з головних напрямків науково-технічного прогресу.

Переваги цифрових потоків у їх щодо легкої оброблюваності за допомогою ЕОМ, можливості підвищення відносини сигнал/шум і збільшення щільності потоку інформації.

Переваги оптичних систем передачі перед системами передачі працюючими по металевому кабелі полягає в:

можливості одержання світловодів з малим загасанням і дисперсією, а значить збільшення дальності зв'язку;

широкій смузі пропущення ,тобто великої інформаційної ємності;

оптичний кабель не має електропровідність і індуктивністю, тобто кабелі не піддаються електромагнітним впливом;

дуже малих перехресних перешкод;

малий діаметр і маса оптичного кабелю;

високої скритності зв'язку;

можливості удосконалення системи при повному збереженні сумісності з іншими системами передачі.

Лінійні тракти волоконнооптичних систем передачі будуються як двоволоконні одно смугові одно кабельні, одно волоконні одно смугові одно кабельні, одно волоконні багато смугові одно кабельні (зі спектральним ущільненням).

З огляду на, що частка витрат на кабельне устаткування складає значну частину вартості зв'язку, а ціни на оптичний кабель у даний час залишаються досить високими, виникає задача підвищення ефективності використання пропускної здатності оптичного волокна за рахунок одночасної передачі по ньому більшого обсягу інформації.

Цього можна домогтися, наприклад, передачею інформації в зустрічних напрямках по одному оптичному кабелі.

Ціль роботи - визначення способу збільшення пропускної здатності каналів, що підходить для використання на сполучних лініях міської телефонної мережі. І аналіз відповідного передавального пристрою.

1. Принципи побудови й основні особливості волоконнооптичних систем передачі в міських телефонних мережах

Особливістю сполучних ліній є відносно невелика їхня довжина за рахунок глибокого районування мереж. Статистика розподілу довжини сполучних ліній міської телефонної мережі в найбільших містах свідчить, що сполучні лінії довжиною до 6 км складають 65% від усього числа сполучних ліній.

Значні відстані між регенераційними пунктами волоконнооптичних систем передачі дають можливість відмовитися від устаткування регенераторів у колодязях телефонної каналізації, а також від організації дистанційного живлення (рис2.1).

У найбільш загальному вигляді принцип передачі інформації у волоконнооптичних системах зв'язку зображений на рисунок 2.2.

На передавальній стороні на випромінювач світла, у якості якого у волоконнооптичній системі зв'язку використовується світло діод або напівпровідниковий лазер, надходить електричний сигнал, призначений для передачі по лінії зв'язку. Цей сигнал модулює оптичне випромінювання джерела світла, у результаті чого електричний сигнал перетвориться в оптичний. На приймальній стороні сигнал з оптичного волокна вводиться у фотодетектор. У сучасних волоконнооптичних системах передачі в якості фотодетектора використовують p-i-n або лавинний фото діод.

Фотодетектор перетворить падаюче на нього оптичне випромінювання у вихідний електричний сигнал. Потім електричний сигнал надходить на підсилювач (регенератор) і відправляється одержувачеві повідомлення.

Вибір елементної бази при реалізації волоконнооптичних систем передачі і параметри її лінійного тракту залежать від швидкості передачі символів цифрового сигналу. Існують установлені правила об'єднання цифрових сигналів і визначена ієрархія апаратури тимчасового об'єднання цифрових сигналів електрозв'язку. Сутність ієрархії складається в східчастому розташуванні зазначеної апаратури, при якому на кожній ступіні поєднується визначене число цифрових сигналів, що мають однакову швидкість передачі символів, що відповідає попередньої ступіні. Цифрові сигнали у вторинної, третинної, і т.д. системах виходять об'єднанням сигналів попередніх ієрархічних систем. Для європейських країн установлені наступні стандартні швидкості передачі для різних ступіней ієрархії (відповідно ємності в телефонних каналах): перша ступінь-2.048 Мбіт/с (30 каналів), друга-8.448 Мбіт/с (120 каналів), третя-34.368 Мбіт/с (480 каналів), четверта-139.264 Мбіт/с (1920 каналів). Відповідно до приведених швидкостей можна говорити про первинну, вторинну, третинну і четвертинну групи цифрових сигналів електричного зв'язку (у цьому ж порядку привласнені назви системам ІКМ).

Апаратура, у якій виконується об'єднання цих сигналів, називається апаратурою тимчасового об'єднання цифрових сигналів. На виході цієї апаратури цифровий сигнал обробляється скремблером, тобто перетвориться за структурою без зміни швидкості передачі символів для того, щоб наблизити його властивості до властивостей випадкового сигналу (рисунок 2.3). Це дозволяє досягти усталеної роботи лінії зв'язку поза залежністю від статистичних властивостей джерела інформації. Скремблерованний сигнал може подаватися на вхід будь-якої цифрової системи передачі, що здійснюється за допомогою апаратури електричного стику.

Для кожної ієрархічної швидкості рекомендуються свої коди стику, наприклад для вторинної - код HDB-3, для четверинної - код CMI і т.д. Операцію перетворення бінарного сигналу, що надходить від апаратури тимчасового об'єднання в код стику, виконує перетворювач коду стику. Код стику може відрізнятися від коду прийнятого в оптичному лінійному тракті. Операцію перетворення коду стику в код цифровий волоконнооптичної системи передачі виконує перетворювач коду лінійного тракту, на виході якого виходить цифровий електричний сигнал, що модулює струм випромінювача передавального оптичного модуля. Таким чином, Волоконнооптичні системи передачі будуються на базі стандартних систем ИКМ заміною апаратури електричного лінійного тракту на апаратуру оптичного лінійного тракту [Л. 3].

1.1 Лінійні коди у волоконнооптичних системах передачі

Оптичне волокно, як середовище передачі, а також оптоелектронні компоненти фотоприймача й оптичного передавача накладають обмежуючі вимоги на властивості цифрового сигналу, що надходить у лінійний тракт. Тому між устаткуванням стику і лінійним трактом волоконнооптичної системи передачі поміщають перетворювач коду. Вибір коду оптичної системи передачі складна і важлива задача. На вибір коду впливає, по-перше, не лінійність модуляційної характеристики і температурна залежність випромінюваної оптичної потужності лазера, що приводять до необхідності використання дворівневих кодів.

По-друге, вид енергетичного спектра, що повинний мати мінімальний зміст низькочастотних (НЧ) і високочастотних (ВЧ) компонент. Енергетичний спектр містить безперервну і дискретну частини. Безперервна частина енергетичного спектра цифрового сигналу залежить від інформаційного сигналу і типу коду. Для того, щоб цифровий сигнал не спотворювався в підсилювачі перемінного струму фотоприймача, бажано мати низькочастотну складової безперервної частини енергетичного спектра подавленої. У противному випадку для реалізації оптимального прийому перед вирішальним пристроєм регенератора потрібне введення додаткового пристрою, призначеного для відновлення НЧ складової, що ускладнює устаткування лінійного тракту. Існує ще одна причина для зменшення низькочастотної складового сигналу - оптична потужність, випромінювана напівпровідниковим лазером, залежить від навколишньої температури і може бути легко стабілізована за допомогою негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) за середнім значенням випромінюваної потужності тільки в тому випадку, коли відсутня НЧ частина спектра, що змінюється в часі. Інакше в ланцюг НЗЗ прийдеться вводити спеціальні пристрої, що компенсують ці зміни.

По-третє, для вибору коду, високий зміст інформації про тактовий синхросигнал в лінійному сигналі. У приймачі ця інформація використовується для відновлення фази і частоти синхронизиуючого коливання, необхідного для керування ухваленням рішення в граничному пристрої. Здійснити синхронізацію тим простіше, чим більше число переходів логічного рівня в цифровому сигналі. Кращим з погляду відновлення тактової частоти і простоти реалізації схеми виділення синхронізуючої інформації, є сигнал, що має в енергетичному спектрі дискретну складову на тактовій частоті.

По-четверте, код не повинний мати яких-небудь обмежень на повідомлення що передається і забезпечувати однозначну передачу будь-який послідовності нулів і одиниць.

По-п'яте, код повинний забезпечувати можливість виявлення і виправлення помилок. Основною величиною, що характеризує якість зв'язку, є частість появи помилок або коефіцієнт помилок, обумовлена відношенням середньої кількості неправильно прийнятих посилок до їхнього загального числа. Контроль якості зв'язку необхідно робити, не перериваючи роботу лінії. Ця вимога припускає використання коду, що володіє надмірністю, тоді досить фіксувати порушення правил формування коду, що б контролювати якість зв'язку.

Крім перерахованих вище вимог на вибір коду впливає простота реалізації, низьке споживання енергії і мала вартість устаткування лінійного тракту.

У сучасних оптоволоконих системах зв'язку для міської телефонної мережі ІКМ-120-4/5 і ІКМ-480-5 для передачі як лінійний код використовується код CMI, що відповідає більшості перерахованих вище вимог. Особливістю даного коду є сполучення простоти кодування і можливості виділення тактової частоти заданої фази за допомогою вузько смугового фільтра. Код будується на основі коду HDB-3 (принцип побудови представлений на рисунку 2.4). Тут символ +1 перетвориться в кодове слово 11, символ -1 -у кодове слово 00, символ 0 -у 01. З рисунка 2.4 видно, що для CMI характерно значне число переходів, що свідчить про можливості виділення послідовності тактових імпульсів. Поточні цифрові суми кодів мають обмежене значення. Це дозволяє контролювати величину помилки досить простими засобами. Число однойменних наступний друг за другом символів не перевищує двох - трьох. Надмірність коду CMI можна використовувати для передачі службових сигналів[Л. 3] .

1.2 Джерела випромінювання волоконнооптичних систем передачі

Джерела випромінювання волоконнооптичних систем передачі повинні володіти великою вихідною потужністю, допускати можливість різноманітних типів модуляції світла, мати малі габарити і вартість, великий термін служби, ККД і забезпечити можливість уведення випромінювання в оптичне волокно з максимальною ефективністю. Для волоконнооптичних систем передачі потенційно придатні твердо тільні лазери, у яких активним матеріалом служить ітрій алюмінієвий гранат, активований іонами неодиму з оптичним накачуванням, у якого основний лазерний перехід супроводжується випромінюванням з довжиною хвилі 1,064 мкм. Вузька діаграма спрямованості і здатність працювати в одномодовому режимі з низьким рівнем шуму є плюсами даного типу джерел. Однак великі габарити, малий ККД, потреба в зовнішньому пристрої накачування є основними причинами, по яких це джерело не використовується в сучасних волоконнооптичних системах передачі. Практично у всіх волоконнооптичних системах передачі, розрахованих на широке застосування, як джерела випромінювання зараз використовуються напівпровідникові світло випромінюючому діоди і лазери. Для них характерні в першу чергу малі габарити, що дозволяє виконувати передавальні оптичні модулі в інтегральному виконанні. Крім того, для напівпровідникових джерел випромінювання характерні невисока вартість і простота забезпечення модуляції.

.3 Детектори волоконнооптичних систем передачі

Функція детектора волоконнооптичної системи передачі зводиться до перетворення вхідного оптичного сигналу, що потім піддається посиленню й обробці схемами фотоприймача. Призначений для цієї мети фотодетектор повинний відтворювати форму прийнятого оптичного сигналу, не вносячи додаткового шуму, тобто володіти необхідною широкою смугою, динамічним діапазоном і чутливістю. Крім того, фотодетектор повинний мати малі розміри (але достатні для надійного з'єднання з оптичним волокном), великий термін служби і бути не чуттєвим до змін параметрів зовнішнього середовища. Існуючі фотодетектори далеко не повно задовольняють перерахованим вимогам. Найбільш підходящими серед них для застосування у волоконнооптичних системах передачі є напівпровідникові p-i-n фото діоди і лавинні фото діоди. Вони мають малі розміри і досить добре стикуються з волоконними світловодами.

Достоїнством лавинних фото діодів є висока чутливість (може в 100 разів перевищувати чутливість p-i-n фото діода), що дозволяє використовувати них у детекторах слабких оптичних сигналів. Однак, при використанні лавинних фото діодів потрібна тверда стабілізація напруги джерела живлення і температурна стабілізація, оскільки коефіцієнт лавинного множення, а отже фотострум і чутливість лавинного фото діода, сильно залежать від напруги і температури. Але, лавинні фото діоди успішно використовуються в ряді сучасних волоконнооптичних системах зв’язку, таких як ІКМ-120/5, ІКМ-480/5.

1.4 Оптичні кабелі у волоконнооптичних системах передачі

Оптичний кабель потрібен для передачі інформації, що утримується в модульованих електромагнітних коливаннях оптичного діапазону. В даний час використовується діапазон довжин хвиль від 0.8 до 1.6 мкм, що відповідає ближнім інфрачервоним хвилям. Оптичного діапазону.

Передача світла по будь-якому світловоду може здійснюватися в двох режимах: одномодовому і багатомодовому.

Де - довжина хвилі переданого випромінювання, n1 і n2 - показники переломлення матеріалів світловода.

Якщо нерівність (1.1) не задоволена, то у світловоді встановлюється багатомодовий режим. Очевидно, що тип модового режиму залежить від характеристик світловода (а саме радіуса серцевини і величини показників переломлення) і довжини хвилі переданого світла.

Розрізняють світловоди зі східчастим профілем, у яких показник переломлення серцевини n1 однаковий по всьому поперечному перерізі, і градієнтні - із плавним профілем, у яких n1 зменшується від центра до периферії (рисунок 2.6) [Л. 3].

Фазова і групова швидкості кожної моди у світловоді залежать від частоти, тобто світловод є дисперсною системою. Викликана цим хвиле видна дисперсія є однією з причин перекручування переданого сигналу. Розходження групових швидкостей різних мод у багатомодовому режимі називається кодовою дисперсією. Вона є досить істотною причиною перекручування сигналу, оскільки він переноситься вроздріб багатьма модами. В одномодовому режимі відсутній кодова дисперсія, і сигнал спотворюється значно менше, ніж у багатомодовому, однак у багатомодовий світловод можна увести велику потужність.

На сьогоднішній день промисловістю випускаються велика кількість оптичних кабелів різних марок. Розглянемо конструкцію кабелю марки ОК-8 яка приведена на рисунку 2.7. Оптичні волокна 1 (багатомодові, ступінчасті) вільно розташовуються в полімерних трубках 2. Скрутка оптичних волокон - вита, концентрична. У центрі - силовий елемент 3 з високоміцних полімерних ниток у пластмасовій трубці 4. Зовні - поліетиленова стрічка 5 і оболонка 6. Різні кабелі мають принципово різну конструкцію і розміри, але ми беремо ОК-8 для прикладу [Л. 1].

До недоліків волоконнооптичної технології варто віднести:

А. Необхідність використання оптичних конвекторів з малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення. Точність виготовлення таких елементів лінії зв’язку дуже висока. Тому виробництво таких компонентів оптичних ліній зв’язку дуже дороге.

Б. Монтаж оптичних волокон потрібно прецизійне, а тому дороге, технологічне устаткування.

В. При аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, чим при роботі з мідними кабелями.

Проте, переваги від застосування волоконнооптичних ліній зв’язку настільки значні, що, незважаючи на перераховані недоліки оптичного волокна, ці лінії зв’язку усе ширше використовуються для передачі інформації.

1.5 Особливості одно волоконних оптичних систем передачі

Широке застосування на міській телефонній мережі волоконнооптичних систем передачі для організації меж вузлових сполучних ліній дозволяє вирішити проблему збільшення пропускної здатності мереж. В найближчі роки потреба в збільшенні числа каналів буде швидко рости. Найбільш доступним способом збільшення пропускної здатності волоконних оптичних систем передачі в два рази є передача по одному оптичному волокну двох сигналів у протилежних напрямках. Аналіз опублікованих матеріалів і завершених досліджень і розробок одно волоконних оптичних систем передачі дозволяє визначити принципи побудови таких систем.

Найбільш розповсюджені і добре вивчені одно волоконні оптичні системи передачі, що працюють на одній оптичної несучої, крім оптичного передавача і приймача містять пасивні оптичні розголужувачі. Заміна оптичних розголужувачів на оптичні циркулятори дозволяє зменшити втрати в лінії 6 Дб, а довжину лінії - відповідно збільшити. При використанні різних оптичних несучих і пристроїв спектрального ущільнення каналів можна в кілька разів підвищити пропускну здатність і відповідно знизити вартість у розрахунку на один канало - кілометр.

Збільшити розв'язку між протилежно направленими оптичними сигналами, знизити вимоги до оптичних розголужувачів, а отже, рівень перешкод і збільшити довжину лінії можна шляхом спеціального кодування, при якому передача сигналів одного напрямку здійснюється в паузах передачі іншого напрямку. Кодування зводиться до зменшення тривалості оптичних імпульсів і утворенню тривалих пауз, необхідних для розв'язки сигналів різних напрямків. У волоконнооптичних системах передачі, побудованих подібним чином, можуть бути використані ербієві Волоконнооптичні підсилювачі. Дуплексний зв'язок організується за принципом поділу за часом, що змінюється за допомогою зміни напрямку накачування.

Розв'язку між оптичними сигналами можна збільшити, не прибігаючи до звуження імпульсів, якщо для передачі в одному напрямку використовується когерентне оптичне випромінювання і відповідні методи модуляції, а в іншому - модуляцію сигналу по інтенсивності. При цьому істотно зменшується вплив як оптичних розголужувачів, так і зворотного розсіювання оптичного волокна.

Якщо дозволяє енергетичний потенціал апаратури, на відносно коротких лініях може бути використане тільки одне оптичне джерело випромінювання на одному кінці лінії. На іншому кінці замість моделюючого оптичного джерела застосовується модулятор відбитого випромінювання. Такий метод дуплексного зв'язку по одному оптичному волокну забезпечує високу надійність устаткування і застосування волоконнооптичних систем передачі в екстремальних умовах експлуатації.

По досягненні високого рівня розвитку волоконнооптичної техніки, коли стане практично можливим передавати оптично сигнали на різних модах оптичного волокна з достатньої для волоконнооптичної системи передачі розв'язкою, дуплексний зв'язок по одному оптичному волокну може бути організована на двох різних модах, що поширюються в різних напрямках, з використанням модових фільтрів і формо утворювачів мод випромінювання.

Кожна одно волоконна оптична система передачі з розглянутих типів має достоїнства і недоліки. У таблиці 2.1 показані достоїнства (знаком «+») систем, їхньої можливості у відношенні досягнення найкращих параметрів.

Таблиця 2.1 - Порівняльна характеристика принципів побудови одно волоконних оптичних систем передачі.

.6 Побудова передавальних і прийомних пристроїв у волоконнооптичних системах передачі

.6.1 Види модуляції оптичних коливань

Для передачі інформації з оптичного волокна необхідна зміна параметрів оптичної несучої в залежності від змін вихідного сигналу. Цей процес називається модуляцією[Л. 2].

Існує три види оптичної модуляції:

Пряма модуляція. При цьому сигнал, що модулює, керує інтенсивністю (потужністю) оптичної несучої. У результаті потужність випромінювання змінюється за законом зміни сигналу, що модулює, (рисунок 2.9).

Зовнішня модуляція. У цьому випадку для зміни параметрів несучої використовують модулятори, виконані з матеріалів, показник переломлення яких залежить від впливу або електричного, або магнітного, або акустичного полів. Змінюючи вихідними сигналами параметри цих полів, можна модулювати параметри оптичної несучої (рисунок 2.10).

Внутрішня модуляція. У цьому випадку вихідний сигнал керує параметрами модулятора, введеного в резонатор лазера (рисунок 2.11).

Для зовнішньої модуляції електрооптичні (ЭОМ) і акустооптичні (АОМ) модулятори.

Принцип дії електрооптичного модулятора заснований на електрооптичному ефекті - зміні показника переломлення ряду матеріалів під дією електричного поля. Ефект, коли показник переломлення лінійно залежить від напруженості полючи, називається ефектом Поккельса. Коли величина показника переломлення нелінійно залежить від напруженості електричного поля, те це ефект Керра.

Акустооптичні модулятори засновані на акустооптичному ефекті - зміні показника переломлення речовини під впливом ультразвукових хвиль. Ультразвукові хвилі збуджуються в речовині за допомогою пъезокристала, на який подається сигнал від генератора з малим вихідним опором і великою акустичною потужністю.

Найбільш простим з погляду реалізації видом модуляції є пряма модуляція оптичної несучої по інтенсивності на основі напівпровідникового джерела випромінювання. На рисунок 2.12 представлена схема найпростішого прямого модулятора. Тут вихідний сигнал через підсилювач подається на базу транзистора V1, у колектор якого включений випромінювач V2. Пристрій зсуву дозволяє вибрати робочу крапку на ватт амперної характеристиці випромінювача [Л. 2].

.6.2 Оптичний передавач прямої модуляції

Структурна схема оптичного передавача прямої модуляції приведена на рисунок 2.13, є оптимальної, тому що найбільше раціонально реалізує усі функціональні можливості і достоїнства обраного виду модуляції.

Перетворювач коду ПК перетворить стиковий код, у код, використовуваний у лінії, після чого сигнал надходить на модулятор. Схема оптичного модулятора виповнюється у виді передавального оптичного модуля (ПОМ), що крім модулятора містить схеми стабілізації потужності і частоти випромінювання напівпровідникового лазера або світло випромінюючого діода. Тут модулює сигнал через диференціальний підсилювач УС-1 надходить у прямий модулятор з випромінювачем (МОД). Модульований оптичний сигнал випромінюється в основне волокно ОВ-1. Для контролю потужності випромінюваного оптичного сигналу використовується фото діод (ФД), на який через допоміжне волокно ОВ-2 подається частина випромінюваного оптичного сигналу. Напруга на виході фото діода, що відображає всі зміни оптичної потужності випромінювача, підсилюється підсилювачем УС-2 і подається на вхід підсилювача, що інвертує, УС-1. Таким чином, створюється петля негативного зворотного зв'язку, що охоплює випромінювач. Завдяки введенню ЗНЗ забезпечується стабілізація робочої крапки випромінювача. При підвищенні температури енергетична характеристика лазерного діода зміщається (рисунок 2.14), і при відключених ланцюгах стабілізації потужності рівень оптичної потужності при передачі «0» (Р0) і при передачі «1» (Р1) зменшуються, різниця струму зсуву Iб і граничного струму Iп збільшується, а різниця Р1-Р0 зменшується. Після часу встановлення перехідних процесів у ланцюгах стабілізації встановлюються нові значення Іб і Іп і відновлюються колишні значення Р1-Р0 і Рср. Для зменшення температурної залежності граничного струму в передавальному оптичному модулі мається схема термостабілізації (СТС), що підтримує потужність випромінювання передавального оптичного модуля постійної при зміні температури від номінального значення [Л. 2].

1.6.3 Оптичний приймач

Структурна схема оптичного приймача (ОПр) показана на рисунок 2.15. Приймач містить фотодетектор (ФД) для перетворення оптичного сигналу в електричний. Підсилювач мало шумний (УС) для посилення отриманого електричного сигналу до номінального рівня. Підсилений сигнал через фільтр (Ф), що формує частотну характеристику приймача, що забезпечує квазіоптимальний прийом, надходить у пристрій лінійної корекції (ЛК). У лінійній корекції компенсуються частотні перекручування електричного ланцюга на стику фото діода і першого транзистора підсилювача. Після перетворень сигнал надходить на вхід вирішального пристрою (РУ), де під дією тактових імпульсів, що надходять від пристрою виділення тактової частоти (ВТЧ), приймається рішення про прийнятий символ. На виході оптичного приймача мається перетворювач коду (ПК), що перетворить код лінійний у стиковий код [Л. 2].

2. Вибір і обґрунтування структурної схеми передавача

.1 Методи побудови структурних схем одно волоконних оптичних систем передачі

Як згадувалося в попередній главі, на мережах зв'язку знаходять широке застосування Волоконнооптичні системи передачі зі спектральним ущільненням. Крім того, на низьких швидкостях передачі, до 140 Мбіт/с де спостерігається взаємодія між різнонаправленими сигналами через зворотне розсіювання, можуть бути ефективно використані системи з поділом за часом.

Нижче розглянуті кілька методів і схем побудови одне-волоконних оптичних систем передачі різних типів і різного призначення [Л. 2].

2.1.1 Волоконнооптичні системи передачі на основі різних способів розгалуження оптичних сигналів

Дана група схем містить у собі одно волоконні оптичні системи передачі з оптичними розголужувачами, з оптичними циркулями-торами, пристроями спектрального ущільнення, а також фільтрами поділу мод оптичного випромінювання. На рисунку 3.1 показана схема оптичної системи передачі з модуляцією сигналу по інтенсивності, що містить блоки оптичного передавача (ОП), оптичного приймача (ОП) пристрою з'єднання станційного і лінійного кабелю (УССЛК), рознімні з'єднувачі (РС), пристрою об'єднання і розгалуження оптичних сигналів (УОРС).

Оптичний передавач (ОП) містить перетворювач коду (ПК), що перетворить стиковий код у код, використовуваний у лінії; підсилювач (УС), що підсилює електричний сигнал до рівня, необхідного для модуляції напівпровідникового лазера (ПЛ); лазерний генератор (ЛГ), що включає в себе пристрій термостабілізації і прямий модулятор; пристрої, що погодять, (З) напівпровідникового лазера з оптичним волокном.

Оптичний приймач (Копр) містить пристрої, що погодять, (З) оптичного волокна з фото діодом; фотодетектор (ФД); мало шумний транзисторний підсилювач (У); фільтр (Ф), що формує частотну характеристику приймача, що забезпечує квазіоптимальний прийом сигналу; пристрій лінійної корекції (ЛК), що компенсує частотні перекручування електричного ланцюга на стику фото діода і першого транзистора підсилювача; вирішальний пристрій (РУ), пристрій виділення тактової частоти (ВТЧ) і перетворювач коду (ПК), що перетворить код лінії в стиковий код.

Пристрою об'єднання і розгалуження оптичних сигналів, у залежності від типу одно волоконної оптичної системи передачі, може являти собою: оптичний розголужувач або циркулятор при роботі на одній оптичній частоті в обох напрямках; пристрій спектрального ущільнення при роботі на різних оптичних частотах; модовий фільтр при роботі на різних модах випромінювання оптичного волокна.

З метою оцінки основних характеристик одно волоконної оптичної системи передачі можна використовувати наближені співвідношення для розрахунку довжини регенераційної ділянки (РУ) [Л. 3].

Максимальна довжина регенераційної ділянки волоконнооптичної системи передачі даного типу визначається співвідношенням:

де Эми - енергетичний потенціал одно волоконної оптичної системи передачі , ДБ;

ов - загасання сигналу на одному кілометрі оптичного волокна, ДБ/км;

уорс- те ж, у пристрої об'єднання і розгалуження сигналів, ДБ;

усслк - те ж, в УССЛК, ДБ;

рс, нс - те ж, у рознімних і нероз'ємних з'єднувачах, ДБ;з - будівельна довжина оптичного кабелю, км. При цьому:

де Эми’ енергетичний потенціал, ДБ, Волоконнооптична система передачі при відсутності шуму зворотного розсіювання випромінювання в оптичному волокні;

Ршор/Рш - частка шуму зворотного розсіювання в повному шумі на вході вирішального пристрою.

Розрахуємо довжину регенераційної ділянки одно волоконної оптичної системи передачі першого типу при наступних вихідних даних: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, ов=1 ДБ, нс=усслк=0.1 ДБ, рс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формулі (2.1), при використанні оптичних розголужувачів з уорс=4ДБ:

2.1.2 Волоконнооптична система передачі, заснована на використанні поділу різнонаправлених сигналів за часом

В другій групі схем для поділу різнонаправлених сигналів за часом використовуються оптичні розголужувачі, перемикачі й оптичні підсилювачі (ОУ). У схемі одно волоконної оптичної системи передачі сигналу з модуляцією по інтенсивності, на відміну від першої групи схем, замість пристрою об'єднання і розгалуження оптичних сигналів використані пристрої оптичного переключення УОП (рисунок 3.2).

Будемо розглядати пристрою оптичного переключення двох варіантів - оптичні перемикачі (П) і з'єднання оптичного розголужувача ОР з оптичним підсилювачем ОУ. Керуючий сигнал надходить у першому випадку на керуючий вхід перемикача, у другому - по ланцюзі керування напрямком оптичної хвилі накачування оптичного підсилювача.

Максимальна довжина регенераційної ділянки для другої групи схем визначається співвідношенням

де уоп - загасання сигналу в УОП, ДБ;

Эми” - енергетичний потенціал одноволоконнооптичної системи передачі , обумовлений співвідношеннями:

Эми”=Эми' при використанні оптичних перемикачів (Эми'-енергетичний потенціал звичайної волоконнооптичної системи передачі з урахуванням спеціального кодування).

Загасання сигналу в пристрої оптичного переключення визначається співвідношеннями:

1) уоп=п при використанні оптичного перемикача, де п - загасання сигналу в оптичному перемикачі;

уоп=ор-Коу при використанні оптичного розголужувача з оптичним підсилювачем, де Коу - коефіцієнт підсилення ОУ, ДБ.

Довжина регенераційної ділянки l2 для приведених вище значень параметрів апаратури і використанні оптичних перемикачів (уоп=3.5ДБ), відповідно до формули (2.3), складає:

На вартість одноволоконнооптичної системи передачі другої групи істотно впливає вибір типу пристрою оптичного переключення, особливо у випадку використання оптичних підсилювачів. Надійність волоконнооптичної системи передачі цієї групи, на відміну від розглянутої вище, істотно залежить від надійності пристрою оптичного переключення у випадку застосування оптичного підсилювача, тому що для накачування таких підсилювачів застосовуються напівпровідникові лазери [Л. 3].

2.1.3 Волоконнооптична система передачі, на основі використання різних видів модуляції

Третя група схем одно волоконних оптичних систем передачі заснована на використанні різних видів модуляції оптичних і електричних сигналів. І відповідних методів обробки сигналів з метою усунення взаємного впливу різнонаправлених сигналів.

У схемі цієї групи (рисунок 3.3) застосовані когерентні методи передачі і прийому оптичного сигналу, амплітудна (для одного напрямку передачі) і частотна (для іншого напрямку) модуляція сигналу. На відміну від волоконнооптичної системи передачі першої групи (рисунок 3.1), оптичні передавачі - когерентні (КІП) і містять системи стабілізації оптичної частоти і формування вузької лінії випромінювання (СЧУЛ) і блоки, що забезпечують обробку сигналів із заданою модуляцією.

У когерентних оптичних приймачах (Копр) використовується місцевий лазерний генератор (МЛГ) з вузькою лінією випромінювання і пристрій автоматичного підстроювання його частоти (АПЧ), оптичний суматор (ОС), підсилювач проміжної частоти (УПЧ), а також демодулятор (ДМ), амплітудній або частотний, у залежності від виду модуляції прийнятого сигналу. У такій схемі досягається максимальна довжина регенераційної ділянки.

Крім того можлива інша схема одно волоконної оптичної системи передачі третьої групи, у якій в одному напрямку передачі використана модуляція по інтенсивності, а в іншому - когерентна модуляція (КОИ-АМ або КОИ-ЧМ) оптичного сигналу.

На рисунку 3.4 приведена схема, у якій використана модуляція по інтенсивності оптичних сигналів електричними сигналами, описуваними ортогональними (на тактовому інтервалі) функціями. На відміну від волоконнооптичної системи передачі першої групи (рисунок 3.1), оптичні передавачі таких систем містять генератори ортогональних сигналів (ГОС1 і ГОС2), а в оптичних приймачах використані кореляційні демодулятори (КДМ). Для підстроювання генератора ГОС2 використовується відокремлювач ортогонального сигналу (ВОС) і компаратор (КОМУ).

Для передачі інформаційного сигналу може бути використана частота, що піднесе, розташована вище діапазону частот, де несуттєвий вплив зворотного розсіювання в оптичному волокні на характеристики одно волоконної оптичної системи передачі (вище 200 Мгц). Таким чином, усувається шум зворотного розсіювання і тим самим підвищується енергетичний потенціал. На відміну від волоконнооптичної системи передачі першої групи, у даній системі використовуються генератори частоти, що піднесе, смугові фільтри і пристрої відновлення частоти, що піднесе.

Максимальна довжина регенераційної ділянки одно волоконної оптичної системи передачі третьої групи визначається вираженням:

де: n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ - енергетичний потенціал когерентних волоконнооптичної системи передачі з амплітудною і частотною модуляцією і волоконнооптичної системи передачі з модуляцією по інтенсивності.

На відміну від розглянутих вище одно волоконних оптичних систем передачі першої і другої груп, системи даної групи можуть бути несиметричними, а максимальні довжини регенераційних ділянок для передачі в різних напрямках - різними. Зокрема Э11'більше Э33' на 10..15 ДБ, а Э22’ більше Э11’ на 3 ДБ.

Довжина регенераційної ділянки для напрямку передачі, де використовується КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) складає

Вартість когерентних напівпровідникових лазерів і систем стабілізації частоти лазерів, використовуваних у волоконнооптичних системах передачі третьої групи, поки ще висока, що в значній мірі обмежує область застосування одно волоконних оптичних системах передачі з використанням когерентних методів передачі й обробки сигналу. Показники надійності визначаються головним чином надійністю роботи напівпровідникових лазерів і систем стабілізації їхньої частоти [Л. 1].

.1.4 Волоконнооптична система передачі з одним джерелом випромінювання

В особливих умовах експлуатації можуть бути використані методи побудови одно волоконних оптичних систем передачі за схемою на мал.3.5 В оптичному передавачі на одному кінці лінії замість напівпровідникового лазера використовується модулятор відбитого випромінювання (МОИ), пристрій зняття модуляції (УСМ) і оптичний розголужувач з великим відношенням потужності на виходах 1 і 2. Велика потужність надходить у модулятор відбитого випромінювання, а менша - в оптичний приймач. В оптичному передавачі прийнятий сигнал піддається модуляції другим інформаційним сигналом. І через пристрій об'єднання і розгалуження оптичних сигналів (УОРС) надходить в оптичний кабель і далі в оптичний приймач на іншому кінці лінії [Л. 3].

Такі Волоконнооптичні системи передачі можуть бути використані в екстремальних умовах експлуатації на одному кінці лінії, тому що напівпровідникові лазери надзвичайно чуттєві до нестабільності умов експлуатації.

Максимальна довжина регенераційної ділянки розглянутої одноволоконнооптичної системи передачі значно менше, ніж у систем, описаних вище, і визначається співвідношенням

Де ор1, мої - відповідно загасання сигналу в оптичному розголужувачі на виході 1 і в модулятор відбитого випромінювання, ДБ.

Довжина l4 для ор1=1 ДБ, мої=3 ДБ і приведених у пункті 2.1.1 значень інших параметрів апаратури відповідно до формули (2.6) складає

Показники надійності одно волоконної оптичної системи в даному випадку визначаються головним чином надійністю оптоелектронних елементів устаткування, що знаходиться в екстремальних умовах експлуатації.

.2 Остаточний вибір структурної схеми передавача

.2.1 Вибір способу організації одно волоконного оптичного тракту

При проектуванні одно волоконних оптичних систем передачі з оптимальними характеристиками вибір структурної схеми системи і використовуваних технічних засобів визначається критеріями оптимальності. Якщо критерієм є мінімальна вартість, то в оптимальній системі повинні використовуватися оптичні розголужувачі.

Максимальна довжина регенераційної ділянки вимагає застосування оптичних циркуляторів, перемикачів, оптичних підсилювачів, когерентних методів передачі сигналу. Вимоги високої надійності і стійкості до зовнішніх впливів визначають вибір системи з оптичним джерелом на одному кінці лінії, а вимога максимального обсягу переданої інформації - системи зі спектральним ущільненням або з когерентними методами передачі.

З обліком того, що проектований оптичний передавач призначений для використання на сполучних лініях міської телефонної мережі, для нього характерні наступні критерії оптимальності:

Вартість і простота реалізації;

Довжина регенераційної ділянки не менш 8 км;

Відносно низька швидкість передачі (8.5 Мбіт/с).

Найкращим варіантом реалізації одно волоконної оптичної системи передачі, з погляду приведених критеріїв оптимальності, є схема волоконнооптичної системи зв'язку з модуляцією по інтенсивності, із застосуванням оптичних розголужувачів (рисунок 3.1). Дана схема відрізняється простотою реалізації оптичного передавача і приймача, невисокою вартістю пристроїв об'єднання і розгалуження оптичних сигналів (оптичних розголужувачів). Схема забезпечує довжину регенераційної ділянки до 18 км, що задовольняє вищенаведеним критеріям оптимальності.

.2.2 Структурна схема оптичного передавача

Структурна схема оптичного передавача представлена на рисунок 3.6. Сигнал у коді HDB від цифрової системи ущільнення каналів надходить на перетворювач коду (ПК), у якому код HDB перетвориться в лінійний код оптичної системи передачі CMI. Отриманий електричний сигнал надходить на підсилювач (УС), що складається з двох каскадів: попереднього каскаду посилення (ПКУ) і конечного каскаду посилення (ОКУ), де підсилюється до рівня, необхідного для модуляції оптичної несучої. Посилений сигнал надходить на прямий модулятор (МОД), що складає з пристрою зсуву (УСМ), службовця для завдання робочої крапки на ват - амперній характеристиці випромінювача і, власне, самого прямого модулятора, зібраного за класичною схемою з напівпровідникового оптичного випромінювача V1 і транзистора V2. Для забезпечення стабільності роботи випромінювача, у схему лазерного генератора (ЛГ) уведений пристрій зворотного зв'язку (УОС) і система термостабілізації (СТС). З виходу модулятора оптичний сигнал, про модульований по інтенсивності цифровим електричним сигналом у коді CMI, надходить на пристрій узгодження напівпровідникового випромінювача з оптичним волокном (СУ).

У наступній главі, на підставі структурної схеми передавача, буде розроблятися його принципова схема й електричний розрахунок основних вузлів.

3. Розрахунок електричної принципової схеми

.1 Загальні розуміння з розрахунку принципової схеми пристрою

Першим етапом при проектуванні принципової схеми передавального пристрою волоконної оптичної системи передачі є вибір типу і марки оптичного випромінювача виходячи з пропонованих до його технічних характеристик вимог. До основних технічних характеристик випромінювачів відносяться:

потужність випромінювання;

довжина хвилі випромінювання;

ширина спектра випромінювання;

частота модуляції;

струм накачування;

граничний струм.

Як вже говорилося, найкращим варіантом реалізації одно волоконної оптичної системи передачі є схема з модуляцією по інтенсивності з застосуванням оптичних розголужувачів.

У нашому випадку проектування схеми волоконнооптичної системи передачі містить у собі складання наступних вузлів:

вхідний погоджувальний підсилювач ;

вихідний каскад(схема прямого модулятора);

пристрій автоматичного регулювання рівня (АРОВІ) оптичного сигналу на виході;

система термостабілізації;

джерело живлення розроблювальної волоконнооптичної системи передачі;

Погоджувальний підсилювач (СУ) призначений для посилення сигналу, що надходить з перетворювача коду (з рівнями логічного нуля й одиниці 0.7 і 5В), до рівня необхідного для модуляції оптичної несучої.

Модулятор (МОД) призначений для зміни параметрів оптичної несучої в залежності від змін вхідного сигналу. У нашому випадку обрана класична схема прямої модуляції в якій сигнал, що модулює, керує потужністю оптичної несучої. У результаті потужність випромінювання змінюється за законом зміни сигналу, що модулює .

Схема термостабілізації (СТС) призначена для забезпечення сталості вихідної потужності випромінювача.

Схема автоматичного регулювання посилення (АРОВІ) призначена для забезпечення стабілізації середньої потужності лазерного випромінювання.

Оптичний випромінювач вибирається виходячи з даних у технічному завданні (ТЗ). Остаточне рішення про вибір тієї або іншої марки випромінювача приймається на підставі відповідності технічних характеристик приладу необхідній довжині хвилі випромінювання, ширині спектра випромінювання і часу наростання потужності оптичного сигналу.

Другим етапом є вибір транзистора V2 у схемі прямого модулятора (МОД) і розрахунок модулятора. Транзистор убирають виходячи з характеристик визначеного на попередньому етапі оптичного випромінювача, а саме струму накачування і граничного струму. При цьому необхідно враховувати максимально припустиму потужність транзистора і його граничну частоту. Потім задається робоча крапка і виробляється розрахунок елементів схеми модулятора.

На третьому етапі необхідно розрахувати погоджувальний підсилювач ,(СУС). Тут представляється доцільним використання швидкодіючого операційного підсилювача, включеного за схемою перетворювача напруга - струм. Потрібно правильно вибрати тип операційного підсилювача відповідно до необхідної верхньої частоти і потужність, що розсіюється, а також розрахувати елементи схеми перетворювача напруга - струм.

Четвертий етап - організація пристрою автоматичного регулювання рівня оптичного сигналу на виході передавального пристрою (АРОВІ). Для цього буде використовуватися фото діод VD3, підключений до одному з полюсів спрямованого оптичного розголужувачі ОР і детектор АРОВІ, виконаний на інтегральній схемі ДО175ТАК1.

П'ятий етап - розробка схеми термостабілізації і джерела живлення для одно волоконного оптичного передавача[Л. 6].

.2 Розрахунок потужності випромінювання передавача і вибір типу випромінювача

Для проектованої одно волоконної системи зв'язку загасання ділянки складе:

,

де l=8 км - довжина ділянки;

ов=5 ДБ/км - загасання сигналу на одному кілометрі оптичного волокна;

уорс=2 ДБ - загасання сигналу в пристрої об'єднання і розгалуження сигналів;

усслк=1 ДБ - загасання сигналу в пристрої УССЛК;

рс=1 ДБ, нс=0.5 ДБ - загасання сигналу в рознімних і нероз'ємних з'єднувачах;с=1 км - будівельна довжина оптичного кабелю.

Тоді мінімальний рівень потужності:

Або:

де Pпр=-50 ДБ - рівень оптичного сигналу на прийомі.

Тобто потужність випромінювання на виході передавального модуля повинна бути не менш 1.5 мВт, що і потрібно в технічному завданні. Комі того, джерело випромінювання по ТЗ повинний працювати на довжині хвилі 0.85 км і забезпечувати частоту модуляції не менш 8.5 Мгц. Напівпровідниковий лазер ИЛПН-203 щонайкраще відповідає приведеним вимогам і має наступні характеристики:

потужність випромінювання: Риз=3.5 мВт;

довжина хвилі випромінювання: (=0.85 км;

ширина спектра випромінювання: (=3 нм;

частота модуляції: Fмод=250 Мгц;

струм накачування: Ін=120 мА;

граничний струм: Iпор=40 мА.

.3 Розрахунок вихідного каскаду

При виборі транзистора будемо керуватися наступними вимогами до його технічних характеристик:

постійний струм колектора не менш 120 мА;

гранична частота посилення більш 8.5 Мгц;

Приведеним вимогам задовольняє кремнієвий n-p-n транзистор КТ660Б. Даний транзистор призначений для застосування в перемикаючих і імпульсних пристроях, у ланцюгах обчислювальних машин, у генераторах електричних коливань і має наступні електричні параметри:

статичний коефіцієнт передачі h21э струму в схемі ОЭ при Uкб=10 В, Іэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

напруга насичення колектор - емітер Uкэнас при Ік=500 мА, Іб=50 мА, не більш: 0.5 У;

напруга насичення колектор - емітер Uкэнас' при Ік=10 мА, Іб=1 мА, не більш: 0.035 В;

напруга насичення база - емітер Uбэнас при Ік=500 мА, Іб=50 мА, не більш: 1.2 У;

ємність колекторного переходу Ск при Uкб=10 В, не більш: 10 пФ;

зворотний струм колектора Uкобр при Uкб=10 В, не більш: 1 мкА;

зворотний струм емітера Uэобр при Uбэ=4 В, не більш: 0.5 мкА;

Граничні експлуатаційні дані:

постійна напруга колектор - база Uкбмах: 30 В;

постійна напруга колектор - емітер Uкэмах при Rбэ<1 кому: 30 В;

постійна напруга колектор - емітер Uкэмах при Іэ(10ма: 25 В

постійна напруга база - емітер Uбэмах: 5 В;

постійний струм колектора Ікмах: 800 мА;

постійна потужність колектора, що розсіюється, Pmax: 0.5 Ут.

Далі задамо режим роботи транзистора (робочу крапку). Для вибору режиму використовується сімейство вихідних характеристик транзистора для схеми з загальним емітером, параметром яких є струм бази (рисунок 4.2) [Л. 6].

При цьому повинне виконуватися наступна умова для напруги спокою колектора: Uкэо £ 0.45×Еп. Нехай (з урахуванням приведеної умови) Uкэо=6 В. Оскільки для модуляції напівпровідникового лазера необхідний граничний струм 40 мА, те Iко=40 мА, тоді струм спокою бази Iбо=0.135 мА.

Оскільки максимальний струм накачування лазера 120 мА, те максимальний струм колектора складе Iкmax=120 мА, тоді Uкэmax=1.7 В и Iбmax=0.47 мА. По вхідних характеристиках транзистора (рисунок 4.3) визначимо напруга бази спокою Uбо=0.71 В и амплітудне значення Uбmax=0.74 У.

Таким чином, режим роботи транзистора визначається наступними параметрами:

напруга спокою колектора: Uкэо=6 В;

струм спокою колектора: Iко=40 мА;

струм спокою бази: Iбо=0.135 мА;

напруга спокою бази: Uбо=0.71 У;

амплітуда струму бази: Iбmax=0.47 мА;

амплітуда напруги на колекторі: Uкэmax=1.7 У;

амплітуда струму колектора: Iкmax=120 мА;

амплітуда напруги на базі: Uбmax=0.74 У.

Задавши режим роботи транзистора, переходимо до розрахунку елементів схеми модулятора. Тут транзистор включений за схемою з загальним емітером, а напівпровідниковий лазер знаходиться в ланцюзі колектора.

Спадання напруги в емітерного ланцюга повинний задовольняти умові:

,

де Еп - напруга живлення модулятора.

Задамося напругою живлення Еп=15 В, тоді:

Опір Rэ розраховується по формулі:

Струм дільника Iд повинний не менш, ніж у 5...10…10 раз перевершувати струм спокою бази Iбо:

Співвідношення між напругою на емітерному опорі й опорі фільтра можна розподілити по-різному. Для забезпечення більш глибокої стабілізації режиму краще взяти URэ >Uф.

Нехай: , тоді опір фільтра визначається в такий спосіб:

Спадання напруги на опорі дільника Rб’’ дорівнює сумі спадання напруги на опорі в ланцюзі емітера і напрузі зсуву на базі транзистора:

Тоді опір дільника Rб’’:

Аналогічно знайдемо опір Rб’:

Для схеми з емітерною стабілізацією напруга живлення розподіляється між трьома резисторами вихідного ланцюга (Rэ, Rк, Rф), лазерним випромінювачем і транзистором:

де Uд = 2 В - спадання напруги на напівпровідниковому лазері;

URф - спадання напруги на опорі в ланцюзі колектора. Звідси:

Тоді опір у ланцюзі колектора дорівнює:

3.4 Розрахунок погоджувального підсилювача

Тут як підсилювальний елемент передбачається використовувати швидкодіючий операційний підсилювач, включений за схемою перетворювача напруга - струм (відомої так само як підсилювач з комплексною крутістю передачі). Резистор R5, що відбирає струм, призначений для забезпечення зворотного зв'язку на позитивний вхідний затиск.

Значення опору R5, визначається виходячи з наступної умови:

,

де Rн - опір навантаження підсилювача.

Опором навантаження підсилювача є вхідний опір прямого модулятора і дорівнює рівнобіжному з'єднанню опорів дільника Rд (із двох паралельно з'єднаних опорів у ланцюзі бази Rб’ і Rб’’) і вхідного опору транзистора Rвхэ. Опір входу транзистора визначається наступним співвідношенням:

Опір дільника:

Тоді опір навантаження підсилювача дорівнює:

Таким чином, опір R5:

Амплітудне значення спадання напруги на опорі R5:

Необхідний від схеми коефіцієнт підсилення дорівнює відношенню амплітуди вихідної напруги (напруга ΔUR5) до амплітуди вхідної напруги. Оскільки на вхід підсилювача, що погодить, сигнал надходить з перетворювача коду, зібраного на мікросхемах серії КМДП із рівнями логічного нуля й одиниці відповідно 0.7 і 5 В, те амплітуда вхідного сигналу складе ΔUвх=5-0.7=4.3 У.

Тоді коефіцієнт підсилення схеми складе:

Звичайно номінали резисторів R1, R3 і R4 вибираються однаковими, при цьому кожний з них повинний перевищувати опір R5 не менш чим у 20 разів [Л. 6]. Опір R2 задає коефіцієнт підсилення схеми і визначається в такий спосіб:

В даний час створений ряд швидкодіючих операційних підсилювачів (ОУ). Найкращими якостями з погляду автора володіє операційний підсилювач КР140УД11. Даний прилад виконаний по пленарно - епітаксіальної технології з ізольованим p-n переходом, має швидкість наростання вихідної напруги 50 В/мкс і частоту одиничного посилення 15 Мгц. Крім того, за рахунок оригінальної схеми ОУ відрізняється високою стабільністю параметрів у всьому діапазоні живлячих напруга від ±5 до ±16 В.

Швидкодіючі підсилювачі менш стійкі в порівнянні з універсальними ОУ, тому для запобігання генерації зі схемі необхідно зменшити паразитну ємність між виходом ОУ і його входом, що інвертує. Для зменшення зазначеної ємності застосовують зовнішні ланцюги корекції, склад яких залежить від задачі, що вирішує операційний підсилювач. У нашому випадку будемо використовувати стандартну схему частотної корекції, призначену для збільшення швидкості наростання вихідної напруги.

.5 Розрахунок пристрою автоматичного регулювання рівня оптичного сигналу

Пристрій автоматичного регулювання рівня оптичного сигналу на виході передавального пристрою повинний забезпечувати стабілізацію середньої потужності лазерного випромінювання. Пристрій АРОВІ містить у собі наступні основні елементи: фото датчик, детектор автоматичного регулювання рівня і підсилювач постійного струму.

Варто звернути увагу на те, що чутливість фото діода в даному випадку ролі не грає, по цьому при виборі типу фото діода будемо керуватися такими параметрами як надійність і низька вартість.

У нашому випадку, при використанні напівпровідникового лазера ИЛПН-203, виробник цього лазера передбачив, що при застосуванні напівпровідникових лазерів у різних пристроях, розроблювачі будуть використовувати метод стабілізації випромінювання заснований на зворотному зв'язку. І по цьому конструкція напівпровідникового лазера ИЛПН-203 уже містить фото датчик з оптичним розголужувачем [Л. 14].

Т.е. схема напівпровідникового лазера ИЛПН-203 має такий вигляд:

Рисунок  4.20 -  Схема ИЛПН-203

Розрахуємо середнє значення напруги, що надходить на вхід детектора АРОВІ. Для цього визначимо середню оптичну потужність, що попадає на фото діод VD1.2:

,

де Рпер = 2,43 Дб - середня потужність оптичного сигналу на виході випромінювача;

aуорс = 2 Дб - загасання оптичного розголужувача.

Тоді фотострум, що тече в ланцюзі VD1.2 під дією Рфд:

,

де S = 0.3 А/Вт - монохроматична токова чутливість використовуваного фото діода.

Середнє значення напруги на вході мікросхеми дорівнює середньому значенню спадання напруги на опорі Rфд у ланцюзі фото діода:

,

де Rару = 200 Ом.

Як детектор АРОВІ і підсилювача постійного струму передбачається використання інтегральної схеми ДО175ТАК1. Її основні характеристики:

напруга живлення: Uп = 6 В;

коефіцієнт передачі АРОВІ: Кару = 20

верхня гранична частота: Fв = 65 Мгц.

Значення напруги на виході мікросхеми:

Далі розрахуємо опір у ланцюзі емітера Rэ’’, що служить для введення напруги зворотного зв'язку, що надходить із пристрою АРОВІ. Для цього задамося глибиною зворотного зв'язку 10 Дб (Fос = 3), і визначимо наскрізну крутість емітерного струму Sэ:

,

де  - середнє значення статичного коефіцієнта передачі транзистора. Тоді опір у ланцюзі емітера:

Отже:

Нехай спадання напруги на опорі фільтра URф1 = 1.2 У, тоді значення напруги АРОВІ Uару на опорі Rэ’’:

Для збереження раніше розрахованого режиму роботи транзистора при введенні АРОВІ необхідно зменшити величину опору Rэ’’:

Тоді:

Опір фільтра Rф1 дорівнює:

.6 Розрахунок ємностей у схемі оптичного передавального пристрою

.6.1 Розрахунок емітерної ємності

Ємність емітера Сэ визначається значенням наскрізної крутості емітерного струму і періодом повторення імпульсів в інформаційному сигналі. Оскільки швидкість передачі проектованого пристрою 8.5Мбіт/с, те частота HDB сигналу на вході перетворювача коду FHDB=8.5Мгц. Оскільки в лінійному коді СМІ тривалість імпульсів у два рази коротше, ніж у HDB сигналі, то частота сигналу, що модулює, FCMI=8.5*2=17 Мгц [Л. 4].

Звідси період проходження імпульсів:

Тоді ємність эмиттера:

.6.2 Розрахунок розділової ємності

Розділова ємність Ср повинна вносити мінімальні перекручування у фронт імпульсів. Для цього постійна часу ланцюга повинна задовольняти умові [Л. 4]:

,

де (і = T = 59нс - тривалість імпульсу (для сигналу CMI дорівнює періодові сигналу).

Тоді значення розділової ємності:

,

де Rн - опір навантаження підсилювача, що погодить, (вхідний опір прямого модулятора).вихсус - вихідний опір підсилювача, що погодить:

,

де Rвихоу = 300 Ом - вихідний опір операційного підсилювача

.6.3 Розрахунок ємностей фільтрів

Ємність фільтра в ланцюзі модулятора Сф визначимо по формулі:

фільтр волоконнооптичний телефонний схема

,

де Dф = 10% - підйом плоскої вершини імпульсу.

Значення ємності фільтра в ланцюзі АРОВІ знайдемо по наступній формулі:

,

де Fн = FCMI/10000 = 850 Гц - частота зрізу фільтра.

Остаточний варіант принципової схеми оптичного передаючого пристрою зображено на рисунку 4.6.

Рисунок 3.6 принципова схема передаючого пристрою

Література

1.   Брискер А.С., Гусев Ю.М., Ильин В.В. и другие. Спектральное уплотнение волоконнооптических линий ГТС. Электросвязь, 1990, №1, с41-42.

2.   Брискер А.С., Быстров В.В., Ильин В.В.. Способы увеличения пропускной способности волоконнооптических линий ГТС. Электросвязь, 1991, №4, с28-29.

3.   М.М. Бутусов, С.М. Верник, С.Л. Балкин и другие. Волоконнооптические системы передачи. -М.: Радио и связь, 1992 -416с.

4.   Мигулин И.М., Чаповский М.З. Усилительные устройства на транзисторах. -К.: Техника, 1974.

5.   Методичні вказівки до дипломного проектування для студентів спеціальності “Радіотехніка” К: ВПИ 1993.

6.   Методические указания к курсовому проектированию устройств радиоприёма и обработки сигналов по дисциплине «Радиотехнические устройства», для студентов специальности «Радиотехника». К: ВПИ.1992.

7.   Шапиро Д.Н. Расчёт каскадов транзисторных радиоприёмников - Л.: Энергия, 1968г.

8.   Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий.-М.:Издательство стандартов,1995

9.   Полупроводниковые приборы. Транзисторы. Группа 6341. РД11.0799.2.-91. Сборник справочных листов -РНИИ № «Электростандарт». 1992г.

10.   Микросхемы интегральные. Том 2. РД11.0488.2-88. Сборник справочных листов -РНИИ № «Электростандарт». 1989г.

11.   К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. Электротехнические чертежи и схемы. М: Энергоатомиздат 1990.

12.   Практическое пособие по учебному конструированию РЭА. Под редакцией К.Б. Круковского, Ю.Л. Мазора. -К.Высш.шк.,1992г.