Телекоммуникационные волоконно-оптические системы (стр. 4 )

Рис. 5. Типичная зависимость порога чувствительности ФПУ от скорости передачи

Общее затухание в волоконно-оптическом тракте рассчитывается как:

(7)

где Ан – коэффициент затухания для выбранного в предыдущем пункте оптического волокна; L1 – потери на одно сращивание (сварку): принимаются равными 0,1 дБ; k1 – число сращиваний на трассе длиной lmax: определяется с учетом того, что строительная длина кабеля при прокладке не должна превышать 2 км; L2 – потери на одно разъемное соединение: принимаются равными 0,2 дБ; k2 – число соединений на трассе длиной lmax: определяется в соответствие с числом ОПУ и ФПУ; LM+D – суммарные потери в спектральных мультиплексоре и демультиплексоре (см. табл. П.5). Мощность излучателя ОПУ выбирается с помощью табл. П.2 для определенного в предыдущем пункте модуля с учетом запаса порядка 2 дБ.

После выбора типа волокна в соответствие с типом линии связи (см. табл. 1) по табл. П.1 выбирается тип волоконно-оптического кабеля. Число волокон в кабеле также определяется с помощью табл. П.1 в соответствие с выбранной в 3.1 топологией ВОСП. Выбор фотодиодного модуля производится с помощью табл. П.3 так, чтобы его верхняя рабочая частота превышала заданную скорость передачи (см. табл. 1) с учетом требуемой полосы пропускания ФПУ (см. табл. 3) и заданного кода в линии (табл. 1).

в) Увеличение длины регенерационного участка

Для увеличения длины регенерационного участка в протяженных ВОСП возможно применение эрбиевого волоконного усилителя (см. табл. П.6). При этом общее затухание в волоконно-оптическом тракте (7) должно быть уменьшено на коэффициент усиления, а порог чувствительности ФПУ (рис. 5) - увеличен на значение коэффициента шума применяемого усилителя.

В заключение при выбранном значении мощности излучателя ОПУ, двигаясь от начала к концам тракта, необходимо уточнить значения оптической мощности на входах всех ФПУ.

3.3.  Эскизный расчет структурной схемы аналоговой ВОСП

Целью данного расчета является предварительный выбор основной элементной базы ВОСП: лазерного модуля, фотодиодного модуля и волоконно-оптического кабеля. Элементы выбираются по данным из соответствующих таблиц (см. Приложение).

а) Выбор элементной базы по заданной полосе пропускания

Лазерный модуль выбирается с помощью табл. П.2 в соответствие с заданным спектральным диапазоном (см. табл. 2). Критерием выбора служит превышение его полосы модуляции указанной в табл. 2 верхней частоты полосы поднесущих. Отметим, что для передачи в формате модуляции АМ необходимо использовать лазерные модули со специфицированным значением RIN, а для передачи в формате ЧМ – любые соответствующие по полосе лазерные модули.

Фотодиодный модуль выбирается с помощью табл. П.3 среди модулей на основе pin-фотодиодов (рабочее напряжение 5 В). Критерием выбора также служит превышение его верхней рабочей частоты указанной в табл. 2 верхней частоты полосы поднесущих. Отметим, что в данном случае необходимо использовать модули со специфицированным обратным отражением, причем оно должно быть минимальным при передаче поднесущих в формате АМ/ОБП.

Возможность использования стандартного одномодового волокна проверяется для заданного спектрального диапазона и определенной в 3.1 топологии линейного тракта. Полоса пропускания волокна определяется как:

ΔνF=1/(τCH·lmax) (8)

где τCH – выбирается по данным табл. П.1 согласно заданному спектральному диапазону; lmax –максимальная длина участка между ОПУ и ФПУ согласно 3.1. Критерием выбора служит превышение ΔνF удвоенной верхней частоты полосы поднесущих (см. табл. 2). В случае если данное условие не выполняется, необходимо использовать нестандартное волокно, например, волокно со смещенной дисперсией либо изменить топологию волоконно-оптического тракта так, чтобы уменьшить lmax. После выбора волокна в соответствие с исходными данными с помощью табл. П.1 выбирается тип кабеля. Число волокон в кабеле выбирается минимальным.

б) Выбор по допустимому затуханию в волоконно-оптическом тракте

Задача фактически сводится к расчету требуемой мощности ОПУ при известных чувствительности ФПУ и затухании в волоконно-оптическом тракте. Особенностью построения аналоговых ВОСП является применение в волоконном тракте пассивных оптических разветвителей. То есть для определения мощности на выходе ОПУ необходимо выбрать их конфигурацию и коэффициенты разветвления и рассчитать затухание в линейном тракте не только с учетом потерь в разъемных и неразъемных (сварных) соединениях (см. 3.2, б), но и с учетом дополнительных потерь, вносимых этими разветвителями. Обычно принимается, что порог чувствительности ФПУ аналоговой ВОСП при передаче сигнала поднесущих в формате АМ составляет -5 дБм, а при передаче в формате ЧМ − -14 дБм.

Пример расчета

Для примера рассчитаем затухание в волоконном тракте и требуемую мощность на выходе ОПУ для ВОСП спектрального диапазона 1,3 мкм с передачей поднесущих в формате АМ/ОБП, топология которой представлена на рис. 6.

 

Рис. 6. Пример топологии аналоговой ВОСП

Данная ВОСП состоит из одной узловой станции (УС) и трех абонентских станций: АС1, АС2 и АС3. Для соединения УС с АС применены два оптических разветвителя: С1 и С2. Прежде всего, рассчитаем требуемую мощность на выходе разветвителя С2. С учетом вышеуказанного порога чувствительности ФПУ АС3, затухания в 10-км тракте одномодового волокна на волне 1,3 мкм (коэффициент затухания 0,35 дБ/км согласно табл. П.1) и потерь в одном разъемном и пяти неразъемных соединениях (см. (7)) ее значение составляет -0,8 дБм (0,83 мВт). Требуемая мощность на отводе С2 с учетом чувствительности ФПУ АС2, затухания в волокне длиной 2 км и потерь в одном разъемном и двух неразъемных соединениях составляет -4,25 дБм (0,38 мВт). По табл. П.4 выбираем разветвитель типа 1х2, у которого соотношение мощностей разветвляемых сигналов наиболее близко к отношению рассчитанных мощностей на выходе и отводе С2. Согласно таблице – это элемент с коэффициентом разветвления 70/30. С учетом типичных вносимых потерь для данного разветвителя (табл. П.4) требуемое значение мощности на входе С2 составляет 0,9 дБм со стороны выхода и 1,15 дБм со стороны отвода. Выбираем для дальнейших расчетов наибольшее значение +1,15 дБм. Требуемая мощность на выходе разветвителя С1 определяется с учетом затухания на участке оптического волокна длиной 5 км и потерь в четырех неразъемных соединениях и составляет 3,3 дБм (2,14 мВт). Требуемая мощность на отводе С1 с учетом чувствительности ФПУ АС1, затухания в волокне длиной 2 км и потерь в одном разъемном и двух неразъемных соединениях составляет -4,25 дБм (0,38 мВт). Из аналогичных соображений по табл. П.4 выбираем разветвитель типа 1х2 с коэффициентом разветвления 85/15. С учетом типичных вносимых потерь для данного разветвителя (табл. П.4) требуемое значение мощности на входе С1 составляет 4,1 дБм со стороны выхода и 4,15 дБм со стороны отвода. Выбираем для дальнейших расчетов наибольшее значение +4,15 дБм. Требуемая мощность на выходе ОПУ определяется с учетом затухания на участке оптического волокна длиной 5 км и потерь в четырех неразъемных и одном разъемном соединениях и составляет 6,5 дБм (4,5 мВт). С учетом запаса с помощью табл. П.2 выбираем лазерный модуль типа 1612А/В мощностью 6 мВт.

В заключение при выбранном значении мощности лазерного модуля ОПУ, двигаясь от начала к концам линейного волоконно-оптического тракта, необходимо уточнить значения оптической мощности на входах ФПУ всех АС так, чтобы они находились в пределах 0,3…0,6 мВт.

4.  Рекомендации по выбору структурных схем ОПУ и ФПУ

Следующим шагом выполнения курсового проекта является выбор и обоснование структурной схемы приемо-передающего оборудования ВОСП. Расчет проводится на основе выбранных на предыдущем этапе оптоэлектронных модулей и микросхем производства фирм Maxim (www. ), ON Semiconductor (www. ), NXP (бывшая Philips, www. ), Analog Devices (www. ), Rohm Semiconductor (www. ), AVAGO Technologies (www. ) и др.

Упрощенная структурная схема приемо-передающего оборудования ВОСП, пригодная как для цифровых, так и для аналоговых систем представлена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема приемо-передающего оборудования

Расчет для систем обоих классов необходимо начать с построения ватт-амперной характеристика (ВтАХ) выбранного лазерного либо светодиодного модуля. Данная характеристика строится на базе приведенных в табл. П.2 значений порогового тока, рабочего тока и выходной мощности, считая, что указанный в таблице рабочий ток соответствует среднему значению диапазона оптической мощности.

4.1.  Цифровая ВОСП

Микросхема драйвера ОПУ рис. 7 выбирается в соответствие с указанными в табл. 1 типом телекоммуникационной системы и скоростью передачи. При определении скорости передачи в волоконно-оптическом тракте необходимо учитывать заданный код в линии (табл. 1) и значение k (см. (3)). В случае если формат входного электрического сигнала отличается от формата кода в линии, в схеме перед драйвером должна быть введена микросхема преобразователя кодовых последовательностей (signal receiver/driver).

Расчет модуляционной характеристики ОПУ производится графическим путем на базе построенной ВтАх выбранного лазерного модуля, по которой, установив постоянное смещение в области порога, определяется максимальная оптическая мощность при передаче «1». Выбор считается правильным, если она примерно соответствует выбранной в 3.2 выходной мощности ОПУ. В противном случае необходимо произвести повторный расчет волоконно-оптической системы либо выбрать другой тип лазерного модуля.