Волоконно-оптические системы передачи

Содержание скрыть

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

1. Волоконные световоды и оптические кабели

световод оптический волокно фотоприемник

1. Благодаря какому физическому явлению световые волны распространяются вдоль оптического волокна (ОВ)?

Ответ:

2. Назовите основные виды дисперсии в ОВ и причины, её вызывающие.

Ответ:

1)

2)

3)

4)

3. Какие виды дисперсии являются определяющими для многомодовых и одномодовых световодов со ступенчатым профилем показателя преломления?

Ответ:

Какой вид дисперсии характерен для световодов с градиентным профилем показателя преломления?

Ответ:

5. Какие длины волн в ОВ соответствуют минимуму его затухания

Ответ:

6. Какие характерные размеры сердцевины и оболочки многомодовых и одномодовых ОВ вам известны?

Ответ:

  • для многомодовых ОВ — 50±3 мкм;
  • для одномодовых ОВ — 10±1 мкм; 8,5±1мкм.

Диаметр оболочки для всех ОВ — 125±3 мкм.

7. Назовите особенности конструкции оптического кабеля (ОК)?

Ответ:

1) оптическое волокно;

2) первичное защитное покрытие;

3) вторичное защитное покрытие;

4) силовой элемент;

5) внешняя оболочка.

8. С какими целями в некоторых конструкциях ОК используются металлические стержни и провода?

Ответ:

9. Какими преимуществами и недостатками обладают ОК по сравнению с металлическим кабелем (МК)?

Ответ:

1) широкополосность, большая информационная емкость;

2) нечувствительность к электромагнитным помехам;

3) меньший вес и диаметр;

4) малое затухание, увеличенная длина усилительного участка;

5) использование дешевого сырья — кварца;

6) гальваническая развязка приемника и передатчика.

Недостатки:

1) высокая стоимость производства;

2) критичность к изгибам;

3) сложность и более высокая стоимость монтажа и обслуживания.

Задача № 1

Определить дисперсию ОВ, его числовую апертуру, полосу пропускания и максимальную скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну длиной с показателями преломления , затуханием , дБ/км. Источник излучения работает на длине волны и характеризуется шириной спектра излучения , измеренной на уровне 0,5 от величины максимальной мощности.

8 стр., 3650 слов

Реферат дисперсия световых линз

... какого-либо рода в отдельности преломлением?» Выполнив серию тщательно проду­манных опытов, ученый приходит к отрицательному ответу на поставленный вопрос. ... призмы под углом a 1 . 1.2. Открытие явления дисперсии Дисперсия света. В яркий солнечный день закроем окно в комнате ... е. перпендикулярно к прелом­ляющему ребру первой призмы. Световой пучок, вы­ходящий из отверстия А, проходит последовательно ...

Исходные данные варианта:

1) тип ОВ — ГМОВ;

2) км;

3) мкм;

4) нм;

5) ;

6) ;

7) дБ/км.

Решение:

Определяем числовую апертуру ОВ:

Определяем дисперсию для ГМОВ по формуле (4) [4]:

с/км пс/км

Полосу пропускания участка ОВ находим из соотношения (6) [4]:

, МГц

где — для ГМОВ.

Гц = 62,922 МГц

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. Для рассчитанной скорости применяются коды типа mBnB. Например, для кода 5B6B, который применяется в аппаратуре «Сопка-3», линейные и тактовые частоты связаны соотношением . Таким образом, максимальная скорость передачи ВОСП, работающей по данному волокну составит:

Мбит/c

2. Источники излучения и оптические модуляторы

1. Какие источники света (ИС) применяются в ВОСП?

Ответ:

2. Какие основные характеристики ИС вам известны?

Ответ:

1) длина волны;

2) выходная мощность;

3) ток накачки;

4) ширина спектральной линии.

3. Почему в качестве одного из основных параметров ИС используется ток накачки, а не напряжение на ИС?

Ответ:

4. Чем отличается суперлюминесцентный диод (СЛД) от светоизлучающего диода?

Ответ:

5. Чем отличается лазер от СИД?

Ответ:

6. Какие типы лазеров могут использоваться в ВОСП?

Ответ:

1) лазеры на гомоструктуре;

2) лазеры на двойной гетероструктуре;

3) волоконные лазеры;

4) объемные микролазеры.

7. С какой целью в лазере применяются гетеропереходы?

Ответ:

1) активный слой имеет резкий скачок показателя преломления по отношению к соседним слоям, в результате чего оптическое поле локализуется в нем значительно сильнее;

2) активный слой имеет меньшую ширину запрещенной зоны по отношению к соседним слоям, в результате снижаются потери вне активного слоя;

3) инверсия населенности сосредоточена в активном слое, в результате чего снижается порог тока накачки.

8. Какие требования предъявляются к спектральной характеристике лазера ВОСП?

Ответ:

1) длина волны излучения должна соответствовать одному из окон прозрачности оптических волокон;

2) мощность излучения должна быть сосредоточена на основной длине волны;

3) ширина спектра основной моды должна быть по возможности меньше.

9. Почему в настоящее время большинство ВОСП цифровые?

Ответ:

10. Какие методы применяются для компенсации ватт-амперной характеристики лазера?

Ответ:

1) применение АРУ и отрицательной обратной связи;

2) выбор рабочей точки;

3) предискажения;

4) применение импульсных методов модуляции.

11. Чем отличается когерентный источник света от некогерентного

Ответ:

12 стр., 5835 слов

Измерение ионизирующих излучений

... медицинского персонала) и время их измерения после ядерного взрыва. Мощности дозы ионизирующих излучений измеряются дозиметрическими приборами. Таблица 2. Коэффициенты пересчета мощности дозы излучения на любое заданное ... взрыва не установлено, то его определяют расчетным путем по таблице на основании двух замеров мощности дозы ионизирующих излучений (уровней радиации) с помощью дозиметрических ...

12. Какие меры применяются для уменьшения количества мод, возбуждаемых в лазере?

Ответ:

1) применение гетероструктуры;

2) подбор размеров резонатора Фабри-Перо из условия существования одной моды (селекция мод);

3) стабилизация частоты посредством обратной связи;

4) выбор и стабилизация тока накачки.

13. В чем заключается прямая модуляция интенсивности излучения?

Ответ:

14. Почему частотная характеристика модулятора с СИД имеет «завал» на высоких частотах?

Ответ:

15. Почему искажается импульсный модулирующий сигнал при обработке в оптическом модуляторе?

Ответ:

1) нелинейность источника излучения;

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/volokonno-opticheskie-sistemyi-peredachi/

2) ограниченность полосы пропускания источника излучения;

3) применение в схеме оптическом модуляторе нелинейных и реактивных элементов.

16. Нарисовать структурную схему оптоэлектронного модуля, указать назначение элементов и узлов, входящих в него?

Ответ:

1) дифференциальный усилитель служит для предварительного усиления модулирующего сигнала , коэффициент усиления регулируется напряжением обратной связи;

2) усилитель сигнала обратной связи;

3) фотодиод служит для контроля выходного оптического сигнала и преобразования в электрический сигнал;

4) модулятор служит для модуляции тока накачки исходным сигналом;

6) термостабилизирующее устройство служит для поддержания температуры в заданных пределах.

Задача № 2

Пользуясь ватт-амперной характеристикой ППЛ (табл. 3 [4]) выбрать ток смещения так, чтобы сигнал с мА преобразовывался в мощность излучения без искажений. Найти пороговый ток. Определить глубину модуляции и максимальную мощность излучения.

Решение: Строим ватт-амперную характеристику (рис. 2.2).

По характеристике определяем пороговый ток мА. Выбираем рабочую точку на линейном участке от до мА. Общая длина линейного участка 6 мА, следовательно, сигнал с мА можно преобразовать в мощность излучения без искажений. Выбираем рабочую точку мА. Таким образом, рабочая область располагается в пределах мА — мА. Излучаемая мощность составит: мкВт; мкВт. Определяем глубину модуляции:

Задача № 3

Пользуясь таблицей 4 [4], определить полупроводниковый материал, из которого можно изготовить источник излучения с длиной волны , заданной в таблице 1 [4].

Решение: Из таблицы 1 [4] определяем, что необходимо изготовить источник с длиной волны мкм, следовательно, частота излучения должна быть Гц. Для получения излучения на данной частоте необходим материал с энергией запрещенной зоны , где эВ·с — постоянная Планка. Вычисляем:

эВ

Указанные в таблице 4 [4] материалы не обладают энергией запрещенной зоны, достаточно близкой к требуемой, поэтому для получения заданного источника излучения требуется применение более сложных соединений, например, четверного соединения GaInAsP.

8 стр., 3788 слов

Термометры сопротивления

... коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления. Однако, если превышена точка Кюри (352°C), может возникать непредсказуемый гистерезис характеристики. Используются значительно реже, чем платиновые термометры сопротивления. Никелевые термометры сопротивления ... к тому, что в американском стандарте, медные термометры имеют номинальное сопротивление 10 Ом. Используются в электрических генераторах, ...

Задача № 4

Длина волны и ширина спектральной линии спектра излучения полупроводникового лазера даны в таблице 1 [4].

Определите ширину спектральной линии в Гц, считая, что находится точно на середине диапазона . Найти добротность резонатора лазера.

Решение: Из таблицы 1 [4] определяем:

  • мкм м;
  • нм м.

Если считать, что находится точно на середине диапазона , то максимальная и минимальная длины волн излучения составят:

м;

м.

Определяем соответствующие этим длинам волн минимальную и максимальную частоты излучения:

Гц;

Гц.

Ширина спектральной линии в Гц:

Гц ГГц

Средняя частота излучения:

Гц.

Добротность резонатора лазера:

3. Фотоприемники

1. Из каких основных элементов состоит фотоприемник (ФПУ)?

Ответ:

1) приемник излучения;

2) согласующие элементы;

3) усилитель электрического сигнала.

2. Какие типы фотодиодов применяются в ФПУ ВОСП?

Ответ:

3. Почему на p-i-n фотодиоды подается обратное смещение?

Ответ:

4. Какие основные элементы содержит эквивалентная схема фотодиода и ФПУ?

Ответ:

1) сопротивление и емкость закрытого ФД;

2) сопротивление соединительных проводников и контактов;

3) монтажная емкость схемы;

4) сопротивление смещения;

5) комплексное входное сопротивление усилителя.

5. Чем определяется полоса пропускания ФПУ?

Ответ:

1) быстродействием приемника излучения;

2) частотной характеристикой входной цепи;

3) частотной характеристикой усилителей.

6. Назовите основные характеристики фотодиода.

Ответ:

1) длина волны;

2) чувствительность;

3) темновой ток;

4) быстродействие;

5) напряжение смещения;

6) собственная емкость ФД;

7) коэффициент умножения ЛФД;

8) температурный коэффициент напряжения ЛФД.

7. Чем отличается лавинный фотодиод от p-i-n фотодиода?

Ответ:

1) ЛФД кроме n + , p+ и i-областей содержат слаболегированную p-область;

2) обратное напряжение на ЛФД близко к пробивному;

3) в ЛФД энергия носителей , возникающих под действием излучения, достаточна для образования новых пар носителей, т. е. происходит умножение носителей.

8. Что такое длинноволновая граница чувствительности фотодиода?

Ответ:

9. Что такое внутренняя и внешняя квантовые эффективности ФД?

Ответ:

10. Какие типы усилителей применяются в ФПУ?

Ответ:

1) интегрирующий усилитель (ИУ);

2) трансимпедансный усилитель (ТИУ).

11. Какие шумы создает ФПУ?

Ответ:

1) тепловые щумы;

2) дробовые шумы;

3) полупроводниковые шумы.

12. Как определить напряжение на выходе ФПУ?

Ответ:

где — фототок;

12 стр., 5659 слов

Лазерное излучение

... спектров для применения на небольшой пораженный участок и для воздействия на организм в целом. Влияние лазерного излучения низкой интенсивности приводит к значительному уменьшению ... плотности энергии излучения, длины волны излучения (импульсное или непрерывное). Характер повреждения кожи зависит от цвета кожи, например пигментированная кожа значительно сильнее поглощает лазерное излучение, чем не ...

  • коэффициент умножения ЛФД;
  • входное сопротивление усилителя;
  • коэффициент усиления ИУ при нулевой частоте.

в) Для ФПУ с трансимпедансным усилителем:

где — сопротивление обратной связи.

13. Как рассчитать отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ?

Ответ:

где — заряд электрона;

  • коэффициент шума ЛФД;
  • коэффициент шума усилителя;
  • постоянная Больцмана;
  • абсолютная температура;
  • электрическая полоса пропускания ФПУ.

Задача № 5

Определить отношение сигнал-помеха на выходе ФПУ цифровой ВОСП, если в ФПУ применен интегрирующий усилитель.

Исходные данные варианта:

1) км — длина регенерационного участка;

2) мкм — основная длина волны излучения;

3) дБ/км — затухание кабеля;

4) мВт — мощность на выходе источника излучения;

5) МГц — тактовая частота импульсного сигнала;

6) кОм — эквивалентное сопротивление входной цепи;

7) — квантовая эффективность фотодиода;

8) — коэффициент лавинного умножения;

9) — коэффициент шума ЛФД;

10) — температура в градусах Кельвина;

11) — коэффициент шума усилителя;

12) тип ФД — p-i-n.

Решение:

Считаем темновой ток и ток засветки пренебрежимо малыми. Определяем фототок по формуле:

  • где Кл — заряд электрона;
  • Дж·с — постоянная Планка;
  • Гц — частота излучения (из задачи 3);
  • оптическая мощность на приеме.

Вт

А

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

4. Линейный тракт цифровых ВОСП

1. Нарисуйте структурную схему линейного тракта (ЛТ) цифровой ВОСП, укажите наименование узлов, входящих в ЛТ.

Ответ:

1) ПГС-П — преобразователь линейного сигнала передачи;

2) ПЛС-Пр — преобразователь линейного сигнала приема;

3) РЛ — линейный регенератор;

4) ОК — оптический кабель

5) НРП — необслуживаемый регенерационный пункт;

6) ОРП — обслуживаемый регенерационный пункт.

2. Какие требования предъявляются к линейному сигналу?

Ответ:

1) спектр линейного сигнала не должен содержать постоянную составляющую;

2) спектр линейного сигнала должен содержать тактовую частоту или ее гармонику;

3) линейный сигнал должен быть двухуровневым;

4) линейный код должен быть балансным и избыточным.

3. Какие коды используются в качестве линейных?

Ответ:

1) коды типа mBnB;

2) коды типа mB1C;

3) коды ПЗИ;

4) коды AMI и CMI;

5) скремблированный код NRZ.

4. Где возникают потери в ЛТ ВОСП?

Ответ:

1) потери в источнике излучения;

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/volokonno-opticheskie-sistemyi-peredachi/

2) потери при вводе излучения в волокно;

3) затухание волоконного световода;

4) несогласованность выхода световода с фотодетектором;

7) потери на стыках строительных длин кабеля;

10 стр., 4800 слов

Трехфазный ток. Принцип действия передачи энергии на расстояние

... тока (асинхронные и синхронные) устроены проще, чем двигатели постоянного тока, одно- или 2-фазные, и имеют высокие показатели экономичности. Возможность получения в одной установке двух рабочих напряжений -- фазного и линейного, и ... М.О. Доливо-Добровольский, который впервые предложил трёх- и четырёхпроводную системы передачи переменного тока, выявил ряд преимуществ малопроводных трёхфазных систем ...

8) потери на разъемных соединениях и ответвителях;

9) потери на изгибах оптического кабеля.

5. Назовите основные характеристики ЛТ цифровой ВОСП.

Ответ:

1) энергетический бюджет;

2) допустимая вероятность ошибок;

3) скорость передачи.

6. От каких параметров ЛТ зависит длина участка регенерации?

Ответ:

1) от затухания оптического кабеля;

2) от потерь в линейном тракте;

3) от скорости передачи;

4) от величины дисперсионных искажений.

7. Чем определяется дальность действия цифровой ВОСП?

Ответ:

8. Какие устройства применяются для восстановления сигнала в ЛТ?

Ответ:

9. Что такое энергетический потенциал ВОСП?

Ответ:

10. Что такое минимально допустимый уровень приема на входе регенератора?

Ответ:

11. Чем определяется максимальный уровень передачи оптического сигнала?

Ответ:

12. Какие искажения возникают в линейном тракте ВОСП? Какие методы разработаны для их коррекции?

Ответ:

1) затухание сигнала, компенсируется усилителями;

2) краевые искажения (дисперсия), компенсируется применением одномодовых волокон и уменьшением спектра излучения;

3) шумы (тепловой, дробовой и фоновый), компенсируются применением фильтров и умножителей фотоэлектронов;

4) флуктуации интенсивности, компенсируются созданием необходимого запаса мощности;

5) нелинейные искажения, компенсируются стабилизацией источника излучения и применением линейного кодирования.

Задача № 6

Определить длину регенерационного участка цифровой ВОСП с длиной волны по данным, приведенным в таблице 6 [4].

Исходные данные варианта:

1) мкм — основная длина волны излучения;

2) дБ/км — затухание кабеля;

3) дБ — потери при вводе излучения в волокно;

4) мВт — мощность на выходе источника излучения;

5) км — строительная длина кабеля;

6) дБ — потери на стыке длин ОК;

7) дБ — среднеквадратичное отклонение затухания ОВ в строительных длинах ОК;

8) дБ — энергетический потенциал ВОСП;

9) дБ — энергетический запас на нестабильность параметров участка регенерации;

10) Мбит/с — скорость передачи оптического сигнала;

11) дБ — потери на стыке между ОВ и ФПУ;

12) км — длина магистрали.

Решение:

Определяем длину регенерационного участка без учета отклонения затухания в строительных длинах ОК:

км

На длине км укладывается строительных участка, следовательно, среднеквадратичное отклонение затухания на 1 км ОВ составит (по методике [3]):

дБ/км

Для всей длины вероятное отклонение затухания составит:

дБ

Корректируем длину усилительного участка с учетом отклонения затухания в строительных длинах кабеля:

км

Определяем, удовлетворяет ли найденная длина участка требованиям необходимой полосы пропускания:

10 стр., 4836 слов

Волоконно-оптические системы передачи (2)

... передачи информации, выраженная в бит в секунду; затухание, определяющее максимальную длину участка регенерации; стойкость к воздействию окружающей среды; - Важнейшим фактором в развитии оптических систем ... - Потенциально низкая стоимость. Хотя волоконные световоды изготавливаются из ультра чистого ... индуцированного излучения. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передачи по ...

  • определяем требуемую полосу пропускания для заданной скорости передачи: , где тактовая частота численно равна скорости передачи МГц;
  • определяем полосу пропускания регенерационного участка по формуле (6) [4]:
  • где с/км; (из задачи №1)

МГц

Найденная длина участка удовлетворяет требованиям по дисперсии ОВ

Количество участков на магистрали:

Количество регенераторов . Регенерационные участки должны быть примерно равной длины, следовательно, оптимальная длина участка регенерации:

км

Рассчитываем уровень приема на входе первого от ОСА регенератора:

где дБ — уровень мощности источника излучения.

дБ

Поскольку для цифровых систем передачи вероятность ошибок на каждом регенерационном участке можно считать случайной независимой величиной, допустимая вероятность ошибок одиночного регенератора участка длиной 520 км зоновой ВОСП (максимальная длина тракта 600 км) составит:

  • где — допустимая вероятность ошибок в тракте зоновой ВОСП;

— количество регенераторов в системе (включая станционный).

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/volokonno-opticheskie-sistemyi-peredachi/

Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 1992.

Ионов А.Д. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Часть 1: Учебное пособие. — СибГАТИ, 1998.

Заславский К.Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации. Часть 2: Учебное пособие. — СибГАТИ, 1999.

Заславский К.Е. Методические указания к контрольному заданию по дисциплине «Волоконно-оптические системы передачи». — СибГАТИ, 1996.