Файл: В.Л. Конюх Волоконно-оптическая линия связи.pdf

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы - изучение способа передачи электрических сигналов по волоконно-оптической линии связи. При выполнении работы студентам необходимо понять принципы передачи информации по оптическому волокну, изучить методы преобразования сигналов при передаче информации, провести передачу цифровых сигналов на лабораторном макете волоконно-оптической линии связи, ответить на контрольные вопросы, решить две задачи.

2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вволоконно-оптической линии связи (ВОЛС) электрические сигналы преобразуют в оптические импульсы, которые передают по оптическому волокну, а затем преобразуют в электрические сигналы

(рис. 1).

Рис.1. Схема волоконно-оптической линии связи:

1 - оптическое волокно; 2 - модулятор; 3 - преобразователь "электричество-свет"; 4 - передатчик; 5 - преобразователь "свет-электричество"; 6 - демодулятор; 7 - приёмник

ВОЛС представляет собой оптическое волокно 1, к началу которого через модулятор 2 и преобразователь "электричество – свет" 3 подключен передатчик 4. Конец волокна через преобразователь "свет – электричество" 5 и демодулятор 6 соединен с приемником 7. Оптическое волокно содержит сердцевину 1, оболочку 2 и внешнее покрытие 3 (рис. 2). Ядро и оболочка выполнены из кварцевого стекла, причем коэффициент преломления сердцевины nc больше, чем оболочки n0. Оптический луч, введенный в сердцевину, проходит большие расстояния, многократно отражаясь от границы сердцевины и оболочки [1].

Диаметр оптического волокна без покрытия составляет около 1 мм, радиус изгиба до излома – 5-10 мм.

2

Рис. 2. Передача сигнала по оптическому волокну: 1 - сердцевина; 2 - оболочка; 3 - внешнее покрытие

Различают одномодовое и многомодовое оптические волокна [2]. Мода – длина волны, проходящей через волокно под определенным углом отражения. Световая волна имеет 2500 мод. В одномодовом волокне вводят луч с одной длиной волны (рис. 3, а). Диаметр сердцевины соизмерим с длиной волны. В многомодовом волокне одновременно передают лучи разной длины волны (рис. 3, б). У такого волокна диаметр сердцевины больше длины волны [3].

Рис. 3. Оптические волокна: а - одномодовое; б - многомодовое

Одномодовое волокно с полосой пропускания более 10 ГГц применяют для передачи сигналов на расстояния свыше 100 км. Многомодовое волокно с полосой пропускания 1-10 ГГц применяют для расстояний 1-100 км. Стоимость многомодового волокна в три раза меньше, чем одномодового. Ослабление оптического сигнала в одномодовом волокне составляет 0,2-0,3 дБ/км, в многомодовом – около 0,9 дБ/км. Уровню 3дБ соответствует ослабление сигнала в два раза.

3

Масса километра оптического кабеля для передачи 100 тыс. телефонных разговоров не превышает 300 г. Информацию одновременно передают по нескольким тысячам каналов. В качестве передатчика световых импульсов применяют лазер или лазерный диод на арсениде галлия с длиной волны 0,84 мкм и мощностью до 10 мВт. Оптические сигналы принимают фотодиодом. Для повышения прочности световод покрывают защитной оболочкой и объединяют несколько световодов в оптический кабель с прочной сердцевиной и оболочкой, устойчивой к механическим воздействиям. Волоконно-оптические кабели намного легче медных, могут изгибаться, искровзрывобезопасны, не подвержены электромагнитным помехам, по цене сопоставимы с медными. Они отличаются малыми потерями сигнала и чрезвычайно высокой пропускной способностью. Вместе с тем для соединения двух световодов необходим высокоточный оптический разъем [4].

Некоторые термины, применяемые в волоконной оптике

Дисперсия (σ) – расхождение времени между спектральными или модовыми составляющими оптического сигнала. Складывается из дисперсий мод, материала и самого волокна

Апертура – угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения (рис. 4)

Луч

ОА

Рис. 4. Апертура световода

Градиентный световод – это многомодовое оптическое волокно с плавной границей между сердцевиной и оболочкой. В нем лучи распространяются по волнообразным траекториям и приходят к концу линии с небольшим разбросом по времени (рис. 5, а).

Ступенчатый световод – это многомодовое оптическое волокно со ступенчатой границей между сердцевиной и оболочкой. В нем лучи

4

отражаются от границы между сердцевиной и оболочкой под углом и приходят к концу линии со сдвигом во времени (рис. 5, б).

Рис. 5. Типы световодов: а – ступенчатый; б – градиентный

В таблице показаны области применения оптических волокон.

3. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД

Стенд разработан на базе устройства передачи цифровых данных "Электроника МС 4101" (рис. 6). Он содержит линейку фотодиодов 1, подвижный экран 2, источник света 3, передатчик – преобразователь ПДП устройства "Электроника МС 4101" 4, волоконно-оптическую линию связи 5 длиной 300 метров, приемник – преобразователь ПМП устройства "Электроника МС 4101" 6, линейку светодиодов 7.

5

Рис. 6. Схема лабораторного стенда

Блок передатчик – преобразователь ПДП состоит из мультиплексора МП-8-19 и передатчика МИ-8-3 (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема блока ПДП

Мультиплексор МП-8-19 предназначен для преобразования прямоугольных импульсов, поступающих по параллельным линиям, в последовательный код.

УР (универсальный регистр) предназначен для преобразования параллельного формата данных в последовательный формат (NRz).

ПК (преобразователь кода) предназначен для преобразования последовательного NRz кода в код "Манчестер".

ГО (генератор опорный) обеспечивает синхронизацию работы универсального регистра (УР) и преобразователя кода (ПК).

6

Передатчик МИ-8-3 предназначен для преобразования сигнала мультиплексора МП-8-19 в оптические импульсы и их ввода в оптическое волокно.

СУ (согласующее устройство) предназначено для согласования сигналов передающего модуля с уровнями сигналов микросхем ТТЛ.

ОА (ограничитель амплитуды) выполняет функцию ограничителя амплитуды.

ЭП (эмиттерный повторитель) это буферный каскад согласования. ГТН (генератор тока накачки) предназначен для формирования тока инжекции с целью управления электронно-квантовым преобразо-

вателем ЭКП.

ЭКП (электронно-квантовый преобразователь) преобразует ток инжекции в световой поток.

Блок приемник-преобразователь ПМП состоит из приемника МФ-8-3 и демультиплексора ДМП-8-19 (рис. 8).

Рис. 8. Структурная схема блока ПМП

Приемник МФ-8-3 предназначен для преобразования оптических сигналов, принятых из оптического волокна, в электрические импульсы и их передачи для декодирования в демультиплексор ДМП-8-19.

КЭП (квантово-электронный преобразователь) преобразует оптические импульсы в электрические.

ТИУ (трансимпеданский усилитель) усиливает электричесие импульсы.

УК (усилитель-корректор) восстанавливает форму электрического сигнала.

ПУ (пороговое устройство) преобразует цифровой сигнал в уровни микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

7

Демультиплексор ДМП-8-19 преобразует последовательный формат цифровых данных в параллельный формат.

ВУ (входное устройство) преобразует код "Манчестер" в код NRz и выделяет тактовую частоту.

ППК (преобразователь последовательного кода в параллельный) – преобразует последовательный формат цифровых данных в параллельный 19-разрядный код и формирует импульс записи.

РП (регистр памяти) введен для записи и временного хранения информации, поступающей из ППК, перед ее выдачей на выход системы.

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Изучите устройство стенда

2.Включите питание стенда.

3.Переместите подвижные экраны для формирования произвольной кодовой комбинации передатчика.

4.Запишите установленную кодовую комбинацию.

5.Проверьте ее прием на другом конце ВОЛС.

6.Закрывая соответствующие фотодиоды, передайте по оптическому волокну 5÷6 кодовых комбинаций и проверьте их прием на противоположном конце ВОЛС.

7.Отключите питание стенда.

8.Ответьте на контрольные вопросы:

•за счет чего пропускная способность оптического волокна намного выше, чем медных проводов?

•в чем недостатки оптического волокна по сравнению с медными проводами?

•чем одномодовое волокно отличается от многомодового?

•как передать аналоговый сигнал по оптическому волокну?

9.Рассчитайте, насколько уменьшится мощность оптического сигнала, переданного по оптическому волокну длиной 8 км, составленному из 4 сегментов по 2 км (рис. 9).

8

Рис. 9. Схема волоконно-оптической связи

Мощность передатчика - 400 µW. Потеря мощности в соединении сегментов Ас = 0,1 дБ. Потеря мощности в штеккере Аш = 0, 5 дБ. Потеря мощности в волокне Ав = 0,9 дБ на 1 км. Запас на потери мощности в волокне Аз = 0,4 дБ на 1 км.

Рекомендации по расчету

Сначала рассчитайте общие потери мощности в децибелах (дБ). Затем оцените мощность оптического сигнала на входе приемника, принимая во внимание, что потерям в 3 децибела соответствует двукратное ослабление мощности передатчика.

10. Определите, какую полосу частот способна пропустить многомодовая волоконно-оптическая линия связи длиной 1 км, у которой коэффициент преломления сердцевины n1 = 1,53, оболочки n2 = 1,5.

1. Относительное значение показателей преломления:

2. Дисперсия ступенчатого световода:

9

5. Полоса пропускания градиентного световода:

5. ОТЧЕТ О ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

Отчет о выполнении работы должен содержать:

1) сопоставление проводных и волоконно-оптических линий свя-

зи;

2) схему передачи электрических сигналов по оптическому волок-

ну;

3)схему лабораторного стенда;

4)порядок выполнения работы;

5)результаты экспериментов;

6)ответы на контрольные вопросы;

7)решение задач.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Семенов Н.А. Оптические кабели связи: теория и расчет. – М.: Радио и связь, 1981.

2.Гроднев И.И. Волоконно-оптические системы передачи и кабели: Справ. – М.: Радио и связь, 1983.

3.Ионов А.Д. Волоконно-оптические линии передачи: Учеб. пособие. – Новосибирск: СибГУТИ, 1999.

4.Мальке Г. Волоконно-оптические кабели / Г. Мальке, П. Гессинг. – Новосибирск: Наука, 1998.