Электрический расчет ЛТ по волоконно-оптическим системам передачи

Федеральное агенство связи Хабаровский институт инфокоммуникаций ГОУ ВПО

«СиБГУТИ Факультет заочного отделения КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Тема: «Электрический расчет ЛТ по ВОЛС»

Выполнила: Линиченко Д. А Специальность: МТС Шифр 091мх-136

Проверил:

Шеремет В.И.

ХАБАРОВСК 2013 г

1. Расчет параметров волоконных световодов

1.1 Расчет показателя преломления компонентов волоконного световода

1.2 Расчет числовой апертуры световода

1.3 Расчет затухания световодов

1.4 Расчет дисперсии оптического волокна

1.5 Расчет длины волны отсечки и критической частоты

2. Расчет длины регенерационного участка ВОСП

2.1 Определение длины регенерационного участка с учетом ослабления сигнала

2.2 Определение длины регенерационного участка с учетом дисперсии

3. Определение помехозащищенности сигнала на выходе фотоприемного устройства ФПУ

4. Определение допустимого значения вероятности ошибки

5. Выбор типа кабеля

6. Разработка схемы организации Список литературы

Исходные данные Расстояние LАБ=750км;

LБВ=310км;

Полоса излучения оптического генератора нм;

Мощность передатчика мВт;

Уровень приема минимальный ;

Полоса частот полезного сигнала fв=f =2500 МГц;

Длина волны мкм;

?n=0,003

Коэффициенты ряда Селмейера

Введение

Научно-технический прогресс во многом определяется скоростью передачи информации и ее объемом. Возможность резкого увеличения объемов передаваемой информации наиболее полно реализуется в результате применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые по сравнению с такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные линии, имеют значительно более широкую полосу пропускания.

В мире достигнут огромный прогресс в развитии ВОЛС. В настоящее время волоконно-оптические кабели и системы передачи для них выпускаются многими странами мира. В связи с появлением систем передачи синхронно-цифровой иерархии (SDH) получают широкое применение современные отечественные волоконно-оптические кабели и волоконно-оптические системы передачи (ВОСП).

Применение оптических кабелей целесообразно и экономически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети связи РФ. Это не только значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания (сети ISDN).

В нашей стране широко используются ВОЛС на межстанционных соединительных линиях ГТС, магистральных и внутризоновых линиях, на локальных компьютерных сетях и сетях кабельного телевидения.

1. Расчет параметров волоконных световодов

1.1 Расчет показателя преломления компонентов волоконного световода При оценки показателя преломления стекол необходимо учитывать его зависимость от длины волны, т. е спектральную зависимость, которая для диапазона длин волн 0,6−2,0мкм характеризуется трехчленной формулой Селмейера:

где Ai и Ii коэффиценты, значения которых даны в задании

— длина волны, 1,55 мкм Оптические свойства выбранных материалов сердечника и оболочки должны обеспечивать одномодовый режим волоконного световода. Для этого необходимо рассчитать значение нормированной частоты:

где aрадиус сердечника световода 5 мкм

— длина волны 1,55 мкм

n1-показатель преломления сердечника, 1,449

n2- показатель преломления оболочки 1,446

Рассчитанная нормированная частота V2.405, поэтому в световоде распространяется лишь один тип волны НЕ11 и компоненты волоконного световода выбраны правильно.

Величина V определяет количество мод (М), распространяющихся в ступенчатом волокне

1.2 Расчет числовой апертуры световода Важной характеристикой световода является числовая апертура NA, которая представляет собой синус от апертурного углв (m) .

Апертурный уголэто угол между оптической осью одной из образующих светового конуса, воздействующего на торец световода.

Числовая апертура рассчитывается по формуле:

где — относительная разность показателей преломления Оптические кабели применяемые для магистральной связи должны иметь числовую апертуру NA0,2, это условие выполняется.

1.3 Расчет затухания световодов Важнейшими параметрами световода является оптические потери и соответсвенно затухание передаваемой энергии. Эти параметры определяют дальность связи по оптическому кабелю и его эффективность.

Затухание световодных трактов обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (ac) и дополнительными потерями, так называемыми кабельными (aк), обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе изготовления оптического кабеля, т. е.

Собственные потери в волоконных световодов состоят из потерь поглощения ап и потерь рассеивания aр Под кабельными потерями понимают потери энергии на макроизгибы и микроизгибы:

Таким образом, полные потери в волоконном световоде составляют:

Затухание в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала световода.

Ослабление в результате поглощения связано с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и зависит от свойств материала световода (tg д).

дБ/км где n — показатель преломления сердцевины, 1,449

лдлина волны, 1,55 мкм

tgтангенс угла диэлектрических потерь световода, 2,410−12

Затухание на рассеивание рассчитывается по формуле:

дБ/км где кпостоянная Больцмана; К Т-температура перехода стекла в твердую фазу (1500°К) ;

— коэффициент сжимаемости, 8,110 м/н лдлина волны, 1,5510−6 м Под кабельными потерями понимают потери энергии на макроизгибы и микроизгибы:

Потери на макроизгибы обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоне вдоль всего оптического кабеля и рассчитываются :

где арадиус сердечника волокна, мкм ;

S-шаг скрутки, 300 мкм ;

d-диаметр волокна 10 мкм ;

?-относительная разность показателей преломления, 2,70 410−3

Потери на макроизгибах рассчитываются по формуле:

где k-коэффициент, зависящий от длины и амплитуды микроизгибов, 10

bдиаметр оболочки, 125мкм,

0- радиус поля моды,

Где, арадиус сердечника, 5

Vнормированная частота, 1,8888

Таким образом, полные потери равны:

1.4 Расчет дисперсии оптического волокна В световодах при передаче импульсов после прохождения некоторого расстояния импульсы искажаются, расширяются и наступает момент, когда соседние импульсы перекрывают друг друга. Это явление называется дисперсией.

Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источника излучения и появление спектра, существование большого числа мод.

Первая называется хроматической (частотной) дисперсией, которая делится на материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента преломления материала световода от длины волны. Второй вид дисперсии носит название модовой, которая отсутствует в одномодовых световодах. В одномодовых световодах проявляется материальная и волноводная дисперсии, Которые рассчитываются по формулам :

,

где — ширина спектра источника излучения, лазера, 0,2нм;

— удельная дисперсия материала,-38пс/(кмнм), определяется по графику 1

— удельная волновая дисперсия, 19 пс/(кмнм), определяется по графику 1

Результирующая хроматическая дисперсия:

1.5 Расчет длины волны отсечки и критической частоты Минимальная длина волны, при которой ОВ поддерживает только одну распространяющуюся моду называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для ООВ. Если л рабочая меньше, чем длина волны отсечки, имеет место многомодовый режим распространения света.

Расчёт производится по формуле:

мкм Критическая частота ОВ определяется по формуле:

где с — скорость света, м/с;

лкритическая длина волны, м.

2. Расчет длины регенерационного участка ВОСП По мере распространения сигнала по линии уменьшается его мощность и искажается форма импульса за счет дисперсии. Поэтому длина регенерационного участка Ер ограничивается либо ослаблением, либо уширением импульса в линии .

2.1 Определение длины регенерационного участка с учетом ослабления сигнала Сигнал передается от источника излучения с мощностью Рпер. На вводе луча в волокно сигнал затухает на величину, а, часть сигнала теряется в разъемном соединении кабеля с приемником и передатчиком. Это затухание равно, а. Так как регенерационный участок содержит определенное количество строительных длин, которые соединяются между собой неразъемными соединениями вносящими затухание, а, то общее вносимое ими затухание определяется количеством этих соединителей. На выводе луча из волокна имеется ослабление сигнала равное а. Длину регенерационного участкав зависимости от ослабления сигнала при передаче по волокну и энергетических параметров передаваемого сигнала определяем по формуле:

где:энергетический потенциал передатчика, дБ;

Рпер — уровень на передаче, 1,6мВт Рпрmin — уровень приема минимальный, -28дБ затухание неразъёмных соединителей, дБ; дБ

затухание разъёмных соединителей, дБ; дБ

количетво разъёмных соединителей, дБ;

строительная длина, км; км

км

2.2 Определение длины регенерационного участка с учетом дисперсии Длина регенерационного участка с учетом дисперсии рассчитывается по формуле:

км Таким образом в результате расчетов получено два значения, из которых выбираются меньшее при размещении НРП, придерживаясь выбранного значения .НРП стараются разместить так, чтобы можно было обеспечить его местным электропитанием, хотя не исключено и ДП НРП .

В результате расчетов получено два значения, из которых мы выбираем наименьшее 103,837 км .

3.Определение помехозащищенности сигнала на выходе фотоприемного устройства ФПУ Защищенность сигнала на выходе приемного устройства в многоканальных телекоммуникационных системах чаще всего определяется по формуле:

где — упрощенное соотношение сигнал/помеха.

Вычислим защищенность принимаемого сигнала для участка регенерации .

При вычислении отношения сигнал/помеха следует учитывать все источники шума. Дробовый шум возникает при детектировании светового потока, появившийся при этом фототок является суммой фототоков от отдельных электронно-дырочных пар, возникающих в случайные моменты времени. Такой шум называется дробовым или квантовым и рассчитывается по следующей формуле:

где — заряд электрона, равный ;

— фототок;

— коэффициент умножения фотодиода, равный 70;

— коэффициент шума фотодиода, равный 10;

— полоса частот, в пределах которой измеряется фоновый шум.

Фоновый шум возникает при попадании на фотодиод светового потока от постороннего источника, создающего некоторый фоновый ток. По своей природе фоновый шум также является дробовым и определяется соотношением:

Темновой ток также создает дробовой шум, мощность которого пропорциональна току :

Тепловой шум вызван случайным тепловым движением электронов в эквивалентной нагрузке фотодиода и определяется выражением:

Таким образом, при преобразовании фотодиодом оптического сигнала в электрический возникает суммарный шум с мощностью:

Так как, а, то обычно и при проектировании принимают равными нулю, поэтому определяется как:

Фототок на выходе фотоприемного устройства определяется по формуле:

где SЛФД — чувствительность приемника, 20 А/Вт

— уровень сигнала на приеме, определяется по формуле:

мВт,

где Pпермощность источника излучения, 1,6 мВт;

Pпр — уровень мощности на приеме,

— коэффициент затухания ОВ, 0,246 дБ/км.

— длина участка регенерации, 103,837 км Вт

Упрощенное значение сигнал/помехаимеет вид:

где — постоянная Больцмана, ,

— максимальная рабочая температура кабеля;

— эквивалентное сопротивление цепи приемного устройства, равное ;

— коэффициент шума усилителя, равен 3.

Найдем защищенность сигнала

Используя соотношения между вероятностью ошибки и помехозащищенности сигнала, согласно таблицы 4.1. 2] определим вероятность ошибки на приеме по величине защищенности. Вероятность ошибки составляет около. Это значение необходимо сравнить с допустимой величиной.

4. Определение допустимого значения вероятности ошибки При вероятности ошибки в линейном тракте Рош=10мощность помех в канале ТЧ не превышает 300 пВт. Следовательно, при обеспечении норм на вероятность ошибки в линейном тракте с большим запасом выполняются нормы на мощность шумов в канале ТЧ. Учитывая, что в ЦСП ошибки суммируются, можно получить условное значение допустимой вероятности ошибки в расчете на 1 км линейного тракта :

— для магистрального участка Рош=

— для внутризонового участка Рош =

— для местного участка Рош=

Зная эти величины можно определить требование к коэффициенту ошибок одиночного регенератора :

гдедлина участка регенерации, 103,837 км .

Для расчета часто используется Аздоп. При передаче сигнала с использованием двоичного униполярного кода Аздоп определится по формуле:

Аздоп = 10,58 + 11,42 lg x

где x = - lg Рош доп.

С помощью таблицы 4.1 1определим Едоп, Аз доп и сравним значения с ожидаемыми :

Рош ож < Р ош доп

1,383 710−10<

Аз ож >Аз доп

220,2,8>21,47

Еож >Едоп

12,612

Условие выполняется, значит, расчет произведен, верно.

5. Выбор типа кабеля В настоящее время существует большое разнообразие оптических кабелей с одномодовыми волокнами отечественного производства. Надо отметить, что отечественная промышленность выпускает кабели практически не уступающие импортным по своим характеристикам. Это достигается использованием при их производстве импортных компонентов от ведущих мировых фирм, в первую очередь, оптического волокна.

Для прокладки необходим оптический кабель, предназначенный для прокладки в грунтах всех категорий, кабельной канализации, на мостах, через болота и судоходные реки.

В настоящее время завод «Электропровод» (г. Москва) выпускает ОК для магистральных, внутризоновых, местных и внутриобъектовых линии связи. Основными поставщиками материалов являются компании Fujikura, Corning, Bayer. Оптические кабели марки ОКС предназначены для прокладки в грунте 1−3 категории, в том числе, зараженном грызунами, а также в кабельной канализации, трубах, на мостах и эстакадах. При необходимости допускается прокладывать кабель в туннелях, коллекторах, зданиях.

В данном курсовом проекте для прокладки в грунте выбираем кабель ОКС-М8П-8−0,4−24. Конструкция кабеля изображена на рисунке 5.1.

Кабель с диэлектрическим центральным силовым элементом, внутренней оболочкой из полиэтилена, с броней из стальных оцинкованных проволок, с наружной оболочкой из полиэтилена. Имеет 6 модулей, 24 стандартных одномодовых оптических волокна. Максимальное количество волокон в модуле двенадцать.

Технические характеристики кабеля на длине волны 1550 нм приведены в таблице 5.1.

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками (показателями преломления n1 и n2). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе `'сердцевина-оболочка'' и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий и нанесения расцветки. Оптические волокна классифицируются на одномодовые и многомодовые. Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные (SF), на волокна со смещенной дисперсией (DSF) и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), имеют тонкую сердцевину (8−10 мкм), и по ним передается одна волна; по многомодовым (сердцевина 50 мкм) распространяется большое число типов волн (мод). Наилучшими параметрами по пропускной способности и дальности связи обладают одномодовые волокна.

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами передачи: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками.

Параметр ?F (пропускная способность) является наряду с затуханием важнейшим параметром ВОСП. Он определяет полосу частот, пропускаемую световодом и, соответственно, объем информации, который можно передать по ОК.

Рассмотрим пропускную способность ОК. В электрических кабелях с медными проводниками (симметричных и коаксиальных) полоса пропускания и дальность связи в основном лимитируются затуханием и помехозащищенностью цепей. Оптические кабели принципиально не подвержены электромагнитным воздействиям и обладают высокой помехозащищенностью. В ОК полоса пропускания и дальность связи лимитируются затуханием и дисперсией. В широкой полосе частот затухание весьма стабильное и лишь на очень высоких частотах возрастает. Поэтому дисперсия и определяет ширину полосы пропускания частот.

В ступенчатом одномодовом волокне при достаточно большой длине волны света: л> лотс (л> лотс — длина волны отсечки) — распространяется только один луч. Это устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность в этих окнах прозрачности. С точки зрения потерь, наименьшее затухание 0,2 — 0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль — длина волны нулевой дисперсии л0 — смещается в окно 1550 нм. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь.

По дисперсионным характеристикам различных световодов, можно отметить, что лучшими обладают одномодовые световоды. Хорошие характеристики также у градиентных световодов с плавным изменением показателя преломления. Наиболее резко дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов.

Таблица 5.1 — Технические характеристики кабеля ОКС-М6П-8−0,4−16.

оптическое волокно внутримодульный гидрофобный заполнитель центральный силовой элемент (трос) гидрофобный заполнитель промежуточная оболочка из полиэтилена

гидрофобный заполнитель броня из стальной ламинированной гофрированной ленты защитная оболочка из полиэтилена Рисунок 5.1 — Конструкция кабеля ОКС-М6П-8−0,4−16

волоконный световод сигнал помехозащищенность

6. Разработка схемы организации Зная, длину регенерационного участка определим количество регенераторов Рис 6.1 Схема организации

Список литературы

Проектирование линейного тракта, учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию, Кудашова Л. В, Кудашов В. Н., Хабаровск 2005 г .

Бутусов М. М, Верник С. М. Волоконно-оптические системы передачи.М. Связь, 1992.

3.Заславский К. Е. Волоконнооптические системы передачи. Новосибирск, 1994;1997.

Проектирование магистральных и внутризоновых ВОЛП, методические указания по курсовому и дипломному проектированию, Л. И. Ситикова, Хабаровск 2006 г .