Скачать

Передающее устройство для оптической сети

3. Выбор и обоснование структурной

схемы передатчика

3.1.  Методы построения структурных схем одно-волоконных оптических систем передачи

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 Мбит\сБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Ниже рассмотрены несколько методов и схем построения одно-волоконных оптических систем передачи различных типов и различного назначения.

3.1.1. Волоконнооптические системы передачи на основе различных способов разветвления

оптических сигналов.

Данная группа схем включает в себя одноволоконные оптические системы передачи с оптическими разветвителями, с оптическими циркуля-торами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 3.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий  электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна  с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный  приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные

искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

Устройства объединения и разветвления оптических сигналов, в зависимости от типа одноволоконной оптической системы передачи, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной оптической системы передачи можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

Максимальная длина регенерационного участка волоконнооптической системы передачи данного типа определяется соотношением:

       где Эми – энергетический потенциал одноволоконной оптической системы передачи , ДБ;

aов – затухание сигнала на одном километре оптического волокна, ДБ/км;

aуорс  - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов, ДБ;

aусслк – то же, в УССЛК, ДБ;

aрс, aнс – то же, в разъемных и неразъемных соединителях, ДБ;

l с – строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

где Эми’ – энергетический потенциал, ДБ, волоконнооптическая система передачи при отсутствии шума обратного рассеяния излучения в оптическом волокне;

        Ршор/Рш – доля шума обратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

Рассчитаем длину регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи первого типа при следующих исходных данных: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, aов=1 ДБ, aнс=aусслк=0.1 ДБ, aрс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формуле (2.1), при использовании оптических разветвителей с aуорс=4ДБ:

3.1.2 Волоконнооптическая система передачи, основанная на использовании разделения разнонаправленных

                                          сигналов по времени.

Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной оптической системы передачи сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо устройства объединения и разветвления оптических сигналов использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 3.2).

Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов – оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором – по цепи управления направлением оптической волны накачки оптического усилителя.

             Максимальная длина регенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

,где aуоп – затухание сигнала в УОП, ДБ;

Эми” – энергетический потенциал одноволоконнооптической системы передачи , определяемый соотношениями:

        Эми”=Эми’ при использовании оптических переключателей (Эми’–      

        энергетический потенциал обычной волоконнооптической системы 

        передачи  с учётом специального  кодирования).

1) Эми”=Эми’-10lg(1+Ршоу/РШ) при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Ршор и Рш – мощности эквивалентного шума на входе оптического приемника и шума оптического усилителя на его выходе, ДБ.

            Затухание сигнала в устройстве оптического переключения определяется соотношениями:

1) aуоп=aп при использовании оптического переключателя, где aп – затухание сигнала в оптическом  переключателе;

 aуоп=aор-Коу при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Коу – коэффициент усиления ОУ, ДБ.

Длина регенерационного участка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использовании оптических переключателей (aуоп=3.5ДБ), согласно формуле (2.3), составляет:

На стоимость одноволоконнооптической системы передачи второй группы существенно влияет выбор типа устройства оптического переключения, особенно в случае использования оптических  усилителей. Надежность волоконнооптической системы передачи этой группы, в отличие от рассмотренной выше, существенно зависит от надежности устройства оптического переключения в случае применения оптического усилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковые лазеры.

3.1.3. Волоконнооптическая система передачи, на основе использования различных видов модуляции.

Третья группа схем одноволоконных оптических систем передачи основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов. И соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 3.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики – когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной оптической системы передачи третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

На рисунке 3.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от волокон-нооптической системы передачи первой группы (рисунок 3.1), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной  оптической системы передачи (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от волоконнооптической системы передачи первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной оптической системы передачи третьей группы определяется выражением:

где:

n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных волоконнооптической системы передачи с амплитудной и частотной модуляцией и волоконнооптической системы передачи с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных оптических систем передачи первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях – различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 ДБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) составляет:

Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в волоконнооптических системах передачи третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных оптических системах передачи с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.

3.1.4. Волоконнооптическая система передачи с одним

источником излучения.

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных оптических систем передачи по схеме на рис.3.5   В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в модулятор отраженного излучения, а меньшая – в оптический приёмник. В оптическом передатчике принятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом. И через устройство объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС) поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

Такие волоконнооптические системы передачи могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконнооптической системы передачи значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

    Где aор1, aмои – соответственно затухание сигнала в оптическом разветвителе  на выходе 1 и в модулятор отраженного излучения, ДБ.

Длина l4 для aор1=1 ДБ, aмои=3 ДБ и приведенных в пункте 2.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

Показатели надежности одноволоконной  оптической системы в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях эксплуатации.

3.2.Окончательный выбор структурной схемы передатчика.

3.2.1. Выбор способа организации одноволоконного оптического тракта.

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители.

Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации – системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях городской телефонной сети, для него характерны следующие критерии оптимальности:

       -  Стоимость и простота реализации;

       - Длина регенерационного участка не менее        8 км;

       - Относительно низкая скорость передачи       (8.5 Мбит\с).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной оптической системы передачи, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконнооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 3.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерацион-ного участка до 18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

3.2.2. Структурная схема оптического передатчика.

      Структурная схема оптического передатчика представлена на рис.3.6.  Сигнал в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной  характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).

В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.

8. Мероприятия по охране труда

В данном дипломном проекте требуется разработать передающее устройство одноволоконной оптической системы передачи, рассчитанной на работу с длиной волны 0.85 мкм, которая относится к ближнему инфракрасному диапазону излучения.

Поскольку передающее устройство рассчитано на работу в составе многоканальных систем связи на соединительных линиях городской телефонной сети, то в главе освещены вопросы организации охраны труда на предприятиях.

8.1 Лазерная безопасность

Воздействие  лазерного излучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека - сетчатка глаза - может быть поражена лишь излучением видимого ( от 0.4 мкм ) и ближнего ИК-диапазонов ( до 1.4 мкм ), что объясняется спектральными характеристиками человеческого глаза. При этом хрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижает максимально допустимый уровень ( МДУ ) облучения зрачка.

Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий

В нашей стране на базе проведенных комплексных исследований и современных представлений о влиянии лазерного излучения на организм человека разработан и утвержден ряд нормативных документов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию лазерных изделий. Эти документы устанавливают единую систему обеспечения лазерной безопасности. В такую систему входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда  на лазерных установках. В современной отечественной научно-технической и нормативной литературе дано несколько вариантов классификации лазерных изделий. С позиции обеспечения лазерной безопасности их классифицируют по основным физико-техническим параметрам и степени опасности генерируемого излучения.

В зависимости от конструкции лазера и конкретных условий его эксплуатации обслуживающий его персонал может быть подвержен воздействию опасных и вредных производственных факторов. Уровни опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте не должны превышать значений, установленных по электробезопасности, взрывоопасности, шуму, уровням ионизирующего излучения, концентрации токсических веществ и др.

Классы опасности лазерного излучения

Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физико-технических характеристик лазера — плотности мощности (энергии излучения), длины волны, времени облучения, длительности и периодичности импульсов, площади облучаемой поверхности. Биологический эффект лазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на ткани организма (тепловое, фотохимическое), так и от биологических и физико-химических  особенностей самих тканей и органов.

Наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны:

380¸1400 нм — для сетчатки глаза,

180¸380 нм и свыше 1400 нм — для передних сред глаза,

180¸10⁵ нм (т.е. во всем рассматриваемом диапазоне) — для кожи.

Гигиенистами выдвинуты требования, в соответствии с которыми, в основу проектирования, разработки и эксплуатации лазерной техники должен быть положен принцип исключения воздействия на человека (кроме лечебных целей) лазерного излучения, как прямого, так и зеркально или диффузно отраженного.

Лазерные изделия по степени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этом класс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемого в нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности проводит предприятие-изготовитель путем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) при однократном воздействии. Определяя принадлежность лазерного изделия к тому или иному классу по степени опасности лазерного излучения, необходимо учитывать воздействие прямого или отраженного лазерного пучка на глаза и кожу человека и пространственные характеристики лазерного излучения (при этом различают коллимированное излучение, то есть заключенное в ограниченном телесном угле, и неколлимированное, то есть рассеянное или диффузно отраженное). Использование дополнительных оптических систем не входит в понятие "коллимация", а оговаривается отдельно. Лазерные изделия с точки зрения техники безопасности классифицируют в основном по степени опасности генерируемого излучения. Установлены следующие 4 класса лазеров:

     1. Полностью безопасные лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи человека;

2. Лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком. В то же время диффузно отраженное излучение лазеров этого класса безопасно как для кожи, так и для глаз;

3. Лазерные устройства, работающие в видимой области спектра и выходное излучение которых представляет опасность при облучении как глаз (коллимированным и диффузно отраженным излучением на расстоянии менее 10 см от отражающей поверхности), так и кожи (только коллимированным пучком);

4. Наиболее опасный — к нему относят лазерные устройства, даже диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии менее 10 см.

При определении класса опасности лазерного излучения учитываются три спектральных диапазона.

Таблица 8.1 – Диапазоны лазерного излучения