Реферат: Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)

Реферат.

Пояснительная записка дипломного проекта на тему:

“Разработка фотоприемного устройства

ВОСПИ диапазона ДЦВ.”

Содержит: 88 страниц11 таблиц20 рисунков.

Ключевыеслова:

волоконно-оптическая системапередачи информации, усилитель фотоприемника, динамический диапазон, малыесобственные шумы, аналоговый оптический сигнал.

В данном дипломном проекте разрабатывается фотоприемноеустройство для приема аналоговыхоптических сигналов, обеспечивающее заданный динамический и частотный диапазон.

Проведенытехнико-экономические расчеты, которые показывают целесообразность внедренияизделия в эксплуатацию, а также приведен комплекс мероприятий по обеспечениюбезопасности жизнедеятельности создателей ФПУ и обслуживающего персонала.

Содержание.

Наименование

Страница

Реферат

Содержание

Введение

Глава 1

Волоконно-оптические системы передачи информации

1.1.1

Принципы построения ВОСПИ.

1.1.2

Потери и искажения ВОСПИ.

1.1.3

Искажения сигналов в одномодовой аналоговой ВОСПИ

1.1.4

Экспериментальные наблюдения и измерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ

1.1.5

Исследование искажений радиосигнала в аналоговой ВОСПИ и одномодовом ВОК.

1.1.6

Определение основных характеристик оптических излучателей и фотоприемников.

1.2.1

Волоконно-оптический кабель.

1.2.2

Излучатели.

1.2.3

Фотоприемные устройства.

Глава 2

Выбор и обоснование структурной схемы.

Глава 3

Выбор и обоснование принципиальной схемы ФПУ.

3.1

Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ.

3.2

Выходной каскад.

Глава 4

Расчет фотоприемного устройства.

4.1

Расчет выходного усилителя.

4.2

Расчет предварительного усилителя (ПУ).

4.3

Расчет частотных характеристик цепи усилителя.

4.4

Оптимизация характеристик цепи ПУ.

Глава 5

Конструктивная разработка фотоприемного устройства.

Глава 6

Обеспечение безопасности жизнедеятельности.

6.1

Анализ характеристик объекта проектирования, трудовой деятельности человека, производственной среды.

6.2

Мероприятия по эргономическому обеспечению.

6.3

Мероприятия по технике безопасности.

6.4

Мероприятия по пожарной безопасности.

6.5

Выводы.

Глава 7

Технико-экономические расчеты.

7.1

Расчет полной себестоимости.

7.1.1

Расчет материальных затрат (Мз).

7.1.2

Расчет затрат на оплату труда (З).

7.1.3

Прочие расходы.

7.2

Расчет отпускной и розничной цены.

7.3

Технико-экономические показатели.

7.4

Анализ технико-экономического расчета.

Заключение.

Литература.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Введение

Всовременных системах связи все большетребуются скоростные широкополосные каналы связи для передачи информации.Отвечать растущим объемам передаваемой информации можно, используя оптическоеволокно.

Оптическоеволокно в настоящее время считается самой совершенной, а также самойперспективной средой для передачи больших потоков информации на большиерасстояния.

Волоконная оптика обеспечиласебе гарантийное развитие в настоящем и будущем.

В межрегиональном масштабеследует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровойиерархии (SDH).

Экономическиеаспекты оптического волокна также говорят в его пользу. Волокно изготавливаетсяиз кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широкораспространенного, а потому не дорогого материала в отличии от меди. Стоимостьволокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. По всему миру внастоящее время поставщики услуг связи за год прокладывают десятки тысяч километровволоконно-оптических кабелей. Ведутся интенсивные исследования в областиволоконно-оптических технологий такими крупнейшими компаниями как LucentTechnologies,Norton, Siemens, IBM, Corning, AlcoaFujikura.

Крупным производителемоптических соединителей в России является фирма « Перспективные Технологии ».Основными поставщиками оптических шнуров в России являются фирмы «Вимком-Оптик»,«Телеком Комплекс Сервис». Многие потребители оптических шнуров имеютсобственную сборку (РОТЕК, ЭЛОКОМ).

В процессе эксплуатации ВОСПИ можно отметить ряд ихдостоинств:

·

Высокаяпомехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий, которая решаетпроблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств.

·

Широкая полосапропускания. Обуславливается высокой несущей частотой (возможность передачи поодному оптическому волокну информации внесколько терабит).

·

Малое затуханиесветового сигнала в волокне. В настоящее время промышленное оптическое волокноимеет затухание 0,2 – 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км. Малоезатухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий безретрансляции протяженностью до 100 км и более.

·

Низкий уровеньшумов.

·

Малый вес и объем

·

Высокаязащищенность от несанкционированного доступа (трудно подслушать информацию, ненарушая приема-передачи).

·

Длительный срокэксплуатации. Процесс деградации волокна значительно замедлен и срок службы ВОКсоставляет примерно 25 лет.

Волоконно-оптические сети имеют, конечно и недостатки:

·

Высокая стоимостьинтерфейсного оборудования. Также требуется высоконадежное коммутационноеоборудование, оптические соединители, разветвители, аттенюаторы.

·

Дорогостоящиймонтаж и обслуживание оптических линий.

·

Требуетсяспециальная защита волокна.

1.

Волоконно-оптическиесистемы передачи информации. (ВОСПИ)

1.1.1.

Принципы построения ВОСПИ.

Оптическиеволокна производятся разными способами, они обеспечивают передачу оптическогоизлучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняютразличные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовыеMMFиодномодовые SMF.

Наиболееочевидным путем увеличения информационной емкости волоконно-оптических системсвязи является расширение спектральной области для передачи информации. Практическивсе современные системы связи работают вдиапазонах длин волн λ=1,3мкм и λ=1,55мкм. Использование всегоспектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационнуюемкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. Сучетом дальнейшего прогресса волоконно-оптических технологий можно предположить, чтоиспользуя только спектральный интервал 1,2-1,7мкм, в будущем можно будетпередавать по одному волокну информацию со скоростью в 1000 тбит/с. Дляреализации таких систем связи потребуются новые исследования и разработка новойэлементной базы.

Информация,которая должна быть передана в виде электрического сигнала, модулирует световойпоток, который передается по волоконным световодам или через атмосферу.

Шумовой характер излучения источников света, как правило,ограничивает применяемые виды модуляции излучателей и в практическииспользуемых системах, находят место модуляции по интенсивности излучения. Наприемном конце переданная информация демодулируется. Основным элементомпостроения ВОСПИ соответствует структурной схеме, приведенной на рис.1.1.

Рис. 1.1

5 6

1.

Источник сигнала

2.

Усилитель модулятор

3.

Лазерный излучатель

4.

ВОК (волоконно-оптический кабель)

5.

Фотодиод

6.

Усилитель

Передающиеоптические модули:

Передающие оптические модулиРОМ-3155 выпускаются на основе импортных MQWInGaAsP/InPФабриПеро лазерных диодов, интегрированных со схемой управления с дифференциальным PECL — входом. Модули имеют TTL– вход включения лазерного излучения и выходаварийного состояния лазерного диода (открытый коллектор). Предназначены дляработы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации2..155 Мбит/с. Технические характеристики приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. технические характеристики.

Параметр

РОМ – 3155

Длина волны излучения, нм

1290..1330

Скорость передачи, Мбит/с.

2..155

Мощность излучения, дБм

-3..0

Тип оптического волокна

одномодовое

Тип разъема*

FC/PC

Тип корпуса

DIL — 14

Напряжение питания, В

4,75..5,25

* — тип разъема может быть изменен по согласованию сзаказчиком.

Припередаче на большие расстояния, когда отношение сигнал/шум на выходе приемникастановится недостаточным, в тракт включают ретрансляторы. Для передачи сигналаобычно используют световые импульсы. При этом применяют два вида модуляции: аналоговые,при которой информация передается изменением амплитуды, ширины или положенияимпульсов; и цифровая – с кодированием информации комбинацией группы импульсов.

Вданном дипломном проекте разрабатывается ФПУ для

ВОСПИ, использующуюаналоговую модуляцию. При аналоговой передаче, информационный сигнал модулируетподнесущую частоту, как правило, СВЧ диапазона, которая в

свою очередь управляетмощностью излучателя. Прием во всех случаях осуществляется с помощьюфотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, преобразующих энергиюколебаний оптического диапазона в электрическую энергию. Электрический сигналусиливается до необходимого уровня усилителем низкой частоты.

Приразработке радиооптических преобразователей, используемых в аналоговых ВОСПИ,являющихся оптическими линиями связи между аналоговым фотоусилителем (АФУ) ивходом приемника ДЦВ диапазона, необходимо выполнить два основных требования:

1.

При введенииоптической линии между АФУ и приемником, электрическая пороговая чувствительностьвсей системы не должна ухудшаться, то есть отношение сигнал/шум должнооставаться прежним.

2.

Динамическийдиапазон изменения передаваемого полезного радиосигнала не должно быть меньше60 дБ. для КВ диапазона и не меньше 40-45 дБ. для ДЦВ диапазона.

Для удовлетворения этих требований всейВОСПИ необходимо обеспечить их выполнение каждым элементом ВОСПИ: УМ, лазернымизлучателем, ВОК, ФПУ.

В аналоговой ВОСПИ между АФУ ирадиоприемником используются два радиооптических преобразователя: передающийрадиооптический преобразователь, расположенный непосредственно в АФУ ивыполняющий прямое радиооптическое преобразование сигнала, приемныйрадиооптический преобразователь, находящийся на приемном конце ВОСПИ передвходом радиоприемника и осуществляющий обратные преобразования оптическогосигнала в радиосигнал.

В качестве прямого радиооптическогопреобразователя выступает усилитель-модулятор, возбуждаемый от радиосигнала сАФУ и модулирующий этим усиленным радиосигналом ток лазерного излучателя.

Лазерные модули для ВОЛС:

Лазерныемодули с оптическим волокном изготавливаются на основе импортных MQWInGaAsP/InPФабри Перо лазерных диодов. выпускаются внеохлаждаемом исполнении, а также в

корпусеDIL– 14со встроенном элементом Пельтье и в корпусе типа “оптическая розетка”.Технические характеристики приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Технические характеристики.

Параметр

LFO-14-i*

LFO-17-i*

LFO-17m-i*

LFO-18-i*

Мощность излучения, мВт

1.0

2.0

1.0

Длина волны излучения, нм

1310

850

1550

Тип оптического волокна

Тип разъема*

FC/PC

* — тип разъема может быть изменен по согласованию сзаказчиком.

LFO-xx-ip– 4-pinнеохлаждаемый

LFO-xx-ir– “оптическаярозетка

LFO-xx-i– DIL-14 с элементом Пельтье

Радиооптический преобразователь,осуществляющий обратное преобразование оптического сигнала в радиосигнал,состоит из фотодиода и усилителя, то есть представляет из себя Фотоприемное устройство(ФПУ).

Фотоприемные модули для ВОЛС:

Фотоприемныемодули серий PD-1375-ip/irдля спектрального диапазона 1100..1650 нм.изготавливаются на основе импортных InGaAsPIN– фотодиодов. Выпускаются внеохлаждаемом исполнении, а также в корпусе типа “оптическая розетка” для стыковкис одномодовым волокном, оконцованным разъемом “FC/PC”.

Описание,оптические и электрические характеристики фотоприемного модуля PD-1375-irприведены в конце этого пункта в таблице 1.3., а нарисунке 1.2. приведены схемы электрических соединений.

1.1.2 Потерии искажения ВОСПИ.

Волоконно-оптическиелинии связи, используемые для передачи информации, не должны ухудшатьхарактеристики электрических сигналов, то есть должны удовлетворять заданномудинамическому и частотному диапазонам. Для удовлетворения всей ВОСПИ необходимообеспечить их выполнение каждым элементам

ВОСПИ:

·

усилителеммодулятором

·

лазернымизлучателем (ИЛПН)

·

оптическимкабелем

·

фотоприемнымустройством

Потериоптической мощности волоконно-оптических системах передачи происходят восновном на неоднородностях оптического волокна и соединениях. Кроме нихсуществуют различные виды допусков на ухудшение характеристик.

Рассмотрим их влияние напараметры ВОСПИ:

·

Обычно междуполупроводниковым лазером и разъемом ВОК ставится оптический изолятор,ослабляющий отраженный от торца волокна сигнал. Помимо этого ослабления онвносит затухание и в прямом направлении. Величина этого затухания около 1 дБ;

·

С течениемвремени происходит деградация лазерного диода и выходная оптическая мощностьснижается. Чтобы система не прекратила свое нормальное функционирование, долженбыть оставлен запас на величину этого снижения. В среднем дляполупроводникового лазера она составляет 0,8 дБ.

·

В приемнике такжепроисходит деградация параметров, запас на нее 0,7 дБ.

·

Как известно воптическом волокне существует дисперсия – зависимость фазовой скорости распространения волны, от какого либопараметра (в общем случае).

Рассмотримдисперсные характеристики одномодового волокна, как наиболее оптимального попараметру погонного затухания.

Водномодовом волокне существует два вида дисперсии: волноводная и материальная –зависимость фазовой скорости моды от частоты при распространении колебаний вматериале. Суммарная дисперсия такого одномодового волокна определяется каксумма двух видов дисперсий:

δτΣ = δτв + δτм

Величина этих составляющихимеет одинаковый порядок, а функциональная зависимость от длины волны у нихимеет разный знак. В результате на некоторой частоте сумма этих двух величиндает ноль – дисперсия отсутствует.

График изменения дисперсии в зависимости от длины волныпредставлен на рис.1.3

Рис. 1.3

1000

1200

1400

1600

1800

Λ, нм

δτΣ

-10

-20

Исходя из графика в данной системе, выбрана длина волны

1,3 мкм. Величина дисперсии всвязи с разбросом спектральных параметров волокна, обычно равна 2-5 нс/м.км. Всоответствии с этим ощутимого ослабления сигнала из-за полной дисперсии не ожидается.

·

Для запаса навозможное ухудшение проводящих свойств волоконно-оптического кабеля вследствиестарения отводится величина 1 дБ.

·

На оптическийдистанционный контроль вводится запас 0,2 дБ

·

Потери напереходных соединителях оконечного оборудования оцениваются величиной 3 дБ.

·

Кроме отраженияот входного торца оптического волокна существует отражение от всех разъемныхсоединений, что вносит в оптический сигнал дополнительные шумы. И соответствуетэквивалентные уменьшения мощности сигнала на 0,8 дБ.

·

Прочие,неучтенные потери принимаются равными 3 дБ.

Выходнаяоптическая мощность лазера с оптическим изолятором составляет 3 дБ. Этипараметры участвуют в составлении запаса мощности ВОСПИ.

РазрабатываемаяВОСПИ должна обеспечить передачу электрического сигнала без или с допустимымиуровнями искажений. К основным искажения, которые могут возникнуть в аналоговойВОСПИ, относятся нелинейные и линейные искажения.

Нелинейныеискажения в наших условиях приводят к ухудшению отношения сигнал/шум, то есть кухудшению чувствительности, а также к появлению ложных сигналов приема.

Линейныеискажения приводят также к ухудшению отношения сигнал/шум. Наиболее опаснымиискажениями являются нелинейные, которыми и будет определяться динамическийдиапазон

ВОСПИ, особенноинтермодуляционные искажения, создающие помехи с частотами ( mfi + nfj). Поэтому выбор структуры ВОСПИ, схематическихрешений составляющих узлов будет направляться на обеспечение минимизациисобственных шумов и нелинейных искажений всей ВРСПИ. Очень велики требования кВОК.

1.1.3 Искажения сигналов в одномодовойаналоговой

ВОСПИ.

Структурапостроения ВОСПИ в этом случае соответствует варианту: лазерный излучательодномодовой ВОК.

Приэтой структуре возникновения искажений заключается в том, что при возбужденииодномодового волокна одномодовым, особенно одночастотным лазером, режим работытакого лазера

очень сильно зависит отвеличины отраженного от неоднородности волокна (оптические разъемы, соединения,

оптическая площадка фотодиодана приемном конце) оптического сигнала.

Этототраженный оптический сигнал приводит к появлению дополнительного шумаизлучения лазера, перескоку мод лазера, релаксационному режиму работы, что вконечном итоге проявляется увеличении нелинейности ватт/амперной характеристикелазера.

Прикоротких длинах ВОСПИ, что характерно для нашего случая и малом затухании оптического сигнала в волокне, эти искаженияоказываются очень чувствительными.

Допускаетсямощность обратного оптического сигнала, поступающего на выход лазера должнабыть Робр. ≤(0,3÷1,0)% от мощности излучения лазера. В этом случаережим работы лазера не нарушается и не возникает дополнительных шумов инелинейных искажений.

Искаженияв тракте распространения оптического сигнала и режим работы лазерногоизлучателя сильно зависят от условия эксплуатации ВОК. Если при эксплуатациипроисходят механические колебания вращения кабеля то это приводит к изменениюзатухания оптического сигнала из-за появления местной неоднородности и,следовательно, к изменению интенсивности обратного отраженного оптическогосигнала, приводящего к изменению режимы работы лазера. Для устранения этого влияниялазерные излучатели должны выполняться с оптическим изолятором на выходе сразверткой Дразв.≥30÷40дБ. по оптической мощности.

1.1.4. Экспериментальные наблюдения иизмерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ.

Экспериментальныеисследования искажений сигнала производились двухмодовым и одномодовымметодами. В качестве регистрирующей аппаратуры использовался осциллограф, селективныймикровольтметр В6-10, а также измеритель радиопомех SMV-8,5.

Наблюденияи измерения искажений сигнала проводились как в КВ, так и ДЦВ диапазонах.Исследовалось при этом влияние

как ВОК, так и лазерныхизлучателей на качественную и количественную картину искажений радиосигналов.

1.1.5.Исследование искажений радиосигнала в аналоговой ВОСПИ и одномодовым ВОК.

Вкачестве лазерного излучателя на λ=1,3 мкм, разработанный ФТИ им.академика А.Ф.Иоффе, с выводом излучения в одномодовое волокно, а такжеполупроводниковый лазерный излучатель, разработанный НПО “Полюс”, одномодовый,одночастотный с оптическим изолятором и выводом излучения в одномодовоеволокно. Блок-схема приведена на рис. 1.4

Вкачестве ВОК использовалось одномодовое волокно длиной L=1км. с погонным оптическим затуханием α=0,7 дБ/км.на λ=1,3мкм.

Длянаблюдения влияния механических воздействий и других воздействий на режимработы лазерного излучателя и соответственно на искажение сигнала использовалсявстроенный в лазерный излучатель фотодиод, работающий на усилитель “У”.

Условныеобозначения элементов блок-схемы на рис. 1.4 соответствуют:

Г1- генератор Г4-107.

Г2- генератор Г5-158.

УМ- усилитель-модулятор.

У- усилитель.

ИЛПН-109– лазерный многомодовый излучатель.

ИЛПН-206– лазерный одномодовый излучатель.

ВОК– волоконно-оптический кабель.

ОА– оптический аттенюатор

К1…К6– ключи.

Генераторы Г4-107 и Г5-158использовались в качестве генераторов радиосигнала.

Для исключения влияния обратного отражения оптической мощностина работу лазера был использован оптический аттенюатор, который на(16÷20) дБ. ослаблял сигнал, поступающий в ВОК.

Одномодовое волокно в сеченииNсоединенос одномодовым выводом лазерного излучателя посредством сварки.

При изменении отражения от торца волокна по стрелке А происходилоизменение режима работы лазера, что приводило к следующим явлениям:

1.Изменились собственные шумы излучения лазера.

2. Изменялся ур

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Устойство измерения отношения двух напряжений

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Разработка программатора микросхем ПЗУ

29 Августа 2013