Расчёт ёмкостей в схеме оптического передающего устройства

Расчёт эмиттерной ёмкости

Ёмкость эмиттера Сэ определяется значением сквозной крутизны эмиттерного тока и периодом повторения импульсов в информационном сигнале. Поскольку скорость передачи проектируемого устройства 8.5Мбит/с, то частота HDB сигнала на входе преобразователя кода FHDB=8.5МГц. Поскольку в линейном коде СМI длительность импульсов в два раза короче, чем в HDB сигнале, то частота модулирующего сигнала FCMI=8.5×2=17 МГц.

Отсюда период следования импульсов: .

Тогда ёмкость эмиттера:

Расчёт разделительной ёмкости

Разделительная ёмкость Ср должна вносить минимальные искажения во фронт импульсов. Для этого постоянная времени цепи должна удовлетворять условию [2]:

,где tи = T = 59 нс – длительность импульса (для сигнала CMI равна периоду сигнала).

Тогда значение разделительной ёмкости:

,где Rн – сопротивление нагрузки согласующего усилителя (входное сопротивление прямого модулятора).

Rвыхсус – выходное сопротивление согласующего усилителя:

,где Rвыхоу = 300 Ом – выходное сопротивление операционного усилителя.

Расчёт ёмкостей фильтров

Ёмкость фильтра в цепи модулятора Сф определим по формуле:

,где Dф = 10% - подъём плоской вершины импульса.

Значение ёмкости фильтра в цепи АРУ найдем по следующей формуле:

,где Fн = FCMI/10000 = 850 Гц – частота среза фильтра.

Выводы

Далее номиналы резисторов и конденсаторов схемы определяются в соответствии с существующими стандартными номиналами, выпускаемыми промышленностью.

Таким образом, в схеме модулятора имеем следующие номиналы резисторов:

- Rб’ = 5.6 КОм;

- Rб” = 1.8 КОм;

- Rэ’ = 33 Ом;

- Rэ’’ = 10 Ом;

- Rк = 33 Ом;

- Rф = 22 Ом.

В схеме согласующего усилителя:

- R1 = R3 = R4 = 180 Ком;

- R2 = 120 Ом;

- R5 = 10 Ом.

В схеме устройства АРУ:

- Rфд = 220 Ом;

- Rф1 = 22 Ом;

Номиналы конденсаторов:

- Сэ = 0.068 мкФ;

- Ср = 10 пФ;

- Сф = 0.022 мкФ;

- Сф1 = 100 мкФ.

Окончательный вариант принципиальной схемы оптического передающего устройства приведён на рисунке 3.5.

В схеме применён лазерный излучатель ИДЛ 5С-1300, работающий на длине волны 1270 - 1300 нм и имеющий выходную оптическую мощность излучения 5 мВт. В схеме прямого модулятора применён кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б, предназначенный для применения в переключающих и импульсных устройствах. Для согласования выхода преобразователя кода и входа модулятора введён согласующий усилитель на быстродействующем операционном усилителе КР140УД11. Для стабилизации средней мощности лазерного излучения введено устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала, включающее в себя p-i-n фотодиод ФД-227 и интегральную схему К175ДА1, используемую в качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока.

Разработанное передающее устройство рассчитано на работу в составе цифровых многоканальных систем передачи, работающих со скоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы на соединительных линиях ГТС.

7. Организация и этапы проектирования ВОЛП

Под волоконно-оптической линией передачи (ВОЛП) понимается совокупность физических цепей, линейных трактов однотип­ных или разнотипных систем передачи, имеющих общие среду распространения (ОК), линейные сооружения и устройства их технического обслуживания. Документом, на основании которого ведутся проектные работы, является техническое задание (ТЗ) на проектирование, раз­рабатываемое заказчиком (организацией, ведомством, министер­ством, заинтересованными в создании ВОЛП) и предоставляемое соответствующей проектной организации (подрядчиком).

Содер­жание ТЗ включает в себя:

-основание для проектирования и назначение ВОЛП ее место в общегосударственной сети связи (местные, внутризоновые, ма­гистральные);

-перспективы развития;

-описание оконечных и промежуточных пунктов, которые свя­зываются различными каналами связи, а также пунктов, где рас­сматриваются выделение и ввод каналов связи различного назна­чения;

-предварительное распределение числа каналов, предназначенных для передачи различного вида сообщений: телефонных, телеграфных, передачи данных, вещания, телевидения и другие рекомендации по использованию типового каналообразующего, оборудования, системы передачи, типа кабеля и источника их по­ставки;

-информацию о существующих сооружениях связи на вероятной трассе и возможностях их использования для проектируемой ВОЛП;

-информацию об организациях, ведомствах и министерствах, за­интересованных в строительстве проектируемой ВОЛП;

-описание условий эксплуатации будущих сооружений ВОЛП, требований к показателям надежности;

-указания о сроках и очередности строительства и возможных путях финансирования;

-стадийность проектирования, состав, содержание и число экземпляров проектно-сметной документации (ПСД).

Для технологического процесса проектирования и установлены некоторые общие положения:

Последовательность проектирования, реализующая принцип «от общего к частному». Сначала решаются вопросы экономиче­ской целесообразности проектирования, производственно-хозяйст­венной и социальной его необходимости, научно-технической воз­можности. Далее принимаются основные объемно-планировочные, технологические, конструктивные и другие решения с их детализацией в конкретных разделах ПСД.

Вариантность (оптимизация) проектирования - сравнение и оптимизация технико-экономических показателей нескольких ва­риантов и выбор варианта, обеспечивающего максимальный эф­фект при минимуме затрат.

Использование типовых проектов, обеспечивающее максималь­ное использование типовых решений с привязкой их к конкретно­му проектируемому сооружению с целью снижения затрат и тру­доемкости проектирования, повышения качества проектных работ т.е. технико-экономических показателей, по сравнению с индиви­дуальными проектами.

Комплексность проектирования, т.е. учет самых различных факторов и одновременное, взаимоувязанное принятие проектных решений по всем объектам будущего строительства Комплекс­ность достигается системным подходом к проектированию.

Решение о целесообразности и возможности сооружений ВОЛП принимается на основе технике экономического обоснования (ТЭО). Основанием для разработки ТЭО является ТЗ. Решения, принятые на этапе ТЭО, оформляются в виде пояснительной за­писки, которая имеет следующие разделы:

Введение, где отражены цели и задачи строительства, основ­ные положения ТЗ на разработку ТЭО.

Исходные данные, анализ состояния и перспективы развития связи в районе строительства ВОЛП.

Обоснование выбора типа систем передачи, их числа на ос­нове определения числа каналов для передачи различного вида сообщений.

Разработка схемы организации связи,включающей в себя анализ вариантов прохождения трассы и ее выбор, выбор мест размещения ОРП и НРП, сетевых узлов связи, обеспечение связью населенных пунктов, расположенных по трассе.

Основные технологические решения, где отражены ситуацион­ная схема трассы, ее географические, метеорологические и геоло­гические особенности, наличие ЛЭП и электрифицированных железных дорог, внешних коммуникаций и инженерных сетей; дает­ся анализ условий эксплуатации оборудования ВОЛП и др.

Основные строительные решения, где указываются объемы и типы станционных сооружений, вспомогательных технических зда­ний, возможности использования типовых проектов.

Организация строительства, включающая в себя состав, объем и содержание проектной документации, сроки поставки оборудо­вания, рекомендации по очередности ввода пусковых объектов.

Себестоимость строительства, с указанием намечаемых разме­ров капиталовложений по различным альтернативным вариантам и основных технико-экономических показателей, определяемых по укрупненным показателям.

Выводы и предложения - сравнительная оценка вариантов, рекомендации по стадийности проектирования, основные требова­ния по выполнению изыскательских, опытно-конструкторских и ис­следовательских работ. После разработки ТЭО подвергается экспертизе и утверждает­ся соответствующими организациями.

Проектирование сооружений связи осуществляется в одну ста­дию (одностадийное проектирование) в случае наличия типовых или повторно применяемых проектов и технически несложных объ­ектов. Для других объектов используется двухстадийное проекти­рование. Стадийность разработки ПСД устанавливается заказчи­ком в задании на проектирование. Основными элементами ПСД при одностадийном проектировании являются технорабочий про­ект, включающий в себя основные разделы ТЭО, рабочие черте­жи и сводный сметный расчет. При двухстадийном проектирова­нии на первой стадии разрабатывается технический проект, содер­жащий ряд обязательных разделов, аналогичных ТЭО, и сводный сметный расчет стоимости строительства. После утверждения тех­нического проекта на второй стадии разрабатывается рабочая до­кументация, содержащая рабочие чертежи и сметы.

Разработка ПСД требует проведения комплекса изыскательских работ, которые подразделяются на экономические и техни­ческие (инженерные). Экономические изыскания проводятся с целью изучения экономики района будущего строительства, полу­чения информации о действующих сооружениях связи, их разви­тии, о материально-техническом обеспечении намечаемого строи­тельства. Технические инженерные изыскания проводятся для изу­чения топографических, геологических и других природных усло­вий в районе предполагаемого строительства.

Учитывая непрерывное совершенствование элементной базы ВОСП, их практически полное обновление через каждые 5 лет, сложность и большие затраты при реконструкции ВОЛП, принята следующая последовательность проектных работ:

/ этап. Согласно определенному в ТЗ числу каналов для пере­дачи различных видов сообщений, требований к качеству передачи и анализа существующей и разрабатываемой элементной базы ВОСП осуществляются выборы каналообразующего оборудования, типа волоконно-оптического кабеля, источника оптического излу­чения, вида модуляции, приемника оптического излучения.

// этап. В соответствии с ТЗ разрабатывается схема органи­зации связи, основным элементом которой является анализ топо­логии построения региональной сети на основе проектируемой ВОСП; осуществляется выбор вариантов трасс.

/// этап. На основе технических данных компонентов ВОСП, выбранных на первом этапе определяются параметры линейных трактов ВОСП: ширина полосы пропускания, или широкополосность, число ретрансляторов, длина ретрансляционного участка, а также исследуется возможность передачи различных сигналов по различным световодам. На этом этапе обязательна многова­риантность в выборе компонентов ВОСП на основе технико-эко­номического сравнения.

IV этап. Анализ реакции системы на отклонения параметров ее структурных элементов. В результате устанавливается пред­почтительный диапазон технических характеристик элементов ВОСП, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям в рам­ках достижимой технологии и заданной стоимости.

V этап. Анализ системных требований, связанных с условиями прокладки, монтажа и эксплуатации ВОСП, на основании кото­рого производится выбор конструкций ОК, передающего и прием­ного оптических модулей и других элементов системы, способа электропитания, различного вида служебных связей, систем теле­контроля, телесигнализации и телемеханики.

VI этап. Расчет технико-экономических показателей различных вариантов, их сравнение и выбор оптимального по конкретным критериям.

Необходимо отметить, что разделение технологического про­цесса проектирования на этапы условно и возможно частичное или полное объединение работ на различных этапах в один, осо­бенно когда речь идет об оптимизации тех или иных проектных решений.

По характеру и степени участия человека, применения вычис­лительной техники при разработке ПСД различают следующие режимы проектирования:

-автоматический, при котором проектирование ведется по фор­мальным алгоритмам на ЭВМ без вмешательства человека;

-автоматизированный, при котором проектирование частично выполняется автоматически, а частично—с использованием ЭВМ;

-диалоговый, более совершенный режим, когда все процедуры проектирования выполняются с помощью ЭВМ, а участие человека заключается в оперативной оценке результатов проектирования и их коррекции;

-автоматизированный совместно с диалоговым. Это более совершенный режим проектирования.

8. Перспективы развития волоконно-оптической связи

Основные достоинства ВОЛС и некоторые области их исполь­зования перечислены на рис. 8.1.

Для систем связи существенны­ми являются показатели 1—5, для автоматизированных систем управления и ЭВМ—показатели 1—3. Мобильные подвижные системы требуют в первую очередь обеспечения показателей 1,2,6.

Область возможных применений ВОЛС весьма широка — от линий внутригородской связи и бортовых комплексов до систем связи на большие расстояния с высокой информационной ем­костью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информа­ции, а также существенно улучшены и удешевлены существующие системы.

Рис 8.1. Основные достоинства и

главные области применения ВОЛС

Весьма перспективно применение опти­ческих систем в кабельном те­левидении, которое обеспечи­вает высокое качество изобра­жения и существенно расши­ряет возможности информаци­онного обслуживания индивидуальных абонентов. В этом случае обеспечивается заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать на экранах своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из библиотек, учебных центров, специальных центров хранения информации. Развитие получит видеотелефонная связь, при которой абоненты смогут не только слышать, но и ви­деть друг друга. Перспективной областью применения ВОЛС яв­ляется высокоскоростная связь внутри мощных ЭВМ, между ЭВМ и терминалами, а также между отдельными ЭВМ на расстоянии от нескольких метров до десятка километров.

Представляет интерес применение ВОЛС в системах управле­ния производственными процессами в условиях повышенной опас­ности для здоровья человека (например, на атомных электро­станциях, химических предприятиях), а также в условиях силь­ных электромагнитных помех, возникающих при включении и выключении силовых кабелей, сильноточных реле и т. д.

Высокая помехозащищенность, скрытность передачи, малая масса и небольшие габаритные размеры особенно важны при ис­пользовании ВОЛС в бортовой радиоэлектронной аппаратуре са­молетов, танков, кораблей и подводных лодок.

Первые ВОЛС использовали длину волны 0,8...0,9 мкм и были разработаны на многомодовых волокнах. В настоящее время получили развитие более длинные волны 1,3...1,6 мкм и одномодовые волокна. Потери в оптических волокнах при этом снижаются до 0,2... 0,5 дБ/км, что позволяет увеличить длину регенерационного участка в линии связи до 50…80 км. Это дает возможность использовать ОК в междугородней связи, так как ис­ключается потребность в дистанционном электропитании линей­ных регенераторов и упрощается конструкция кабеля (не нужны медные жилы для дистанционного питания НУП).

За последнее время появилось новое направление в развитии волоконно-оптической техники — использование среднего инфра­красного диапазона волн 2 ... 10 мкм. Ожидается, что потери в этом диапазоне не будут превышать 0,2 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с участками регенера­ции до 100 км. Исследование фтористых и халькогенидных сте­кол с добавками циркония, бария, а также других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн, позволит еще больше увеличить длину регенерационного участка.

Следует отметить, что если раньше в основном применялись ступенчатые многомодовые волокна, то сейчас развитие идет по пути внедрения градиентных и одномодовых волокон. Изготовле­ние последних сложнее (диаметр сердечника 6... 8 мм), однако они обладают широкой информационно-пропускной способностью и дальностью передачи. Оптические кабели с одномодовыми волокнами получили раз­витие на междугородных линиях связи большой протяженности и на подводных магистралях.

9. Контрольно-измерительная аппаратура, применяемая при строительстве ВОСП

В соответствии с нормативными материалами по проектированию НП. 132-4-91 для линейно-кабельных сооружений связи на базе ВОЛС предусматривается перечень измерительных приборов (табл. 9.2) для оснащения кабельных участков (КУ) и линейно-технических цехов (ЛТЦ).

К основным средствам измерения ВОЛС следует отнести источники оптического излучения, ваттметры оптической поглощаемой мощности, комплекты для измерения затухания оптических сигна­лов и оптические рефлектометры.

В качестве образцовых для поверки и аттестации средств изме­рений ВОЛС используются следующие приборы:

1. Ваттметр оптический образцовый ОМЗ-100, предназначен­ный для поверки средств измерений средней мощности оптического излучения. Основные технические характеристики прибора:

Диапазон измерения мощности, Вт, на длине волны, мкм:

0,6 … 1 10^-9 … 10^-2

1 … 1,6 10^-8 … 10^-2

Погрешность измерения, %:

относительных уровней мощности 1,5

средней мощности на длине волны калибровки 4

во всем спектральном диапазоне 9

2. Образцовый оптический преобразователь 2901, отличающий­ся высоким быстродействием, малыми размерами и массой. Его основные технические характеристики:

Диапазон длин волн, мкм 1 … 1,6

Чувствительность, А/Вт, на длине волны 1,3 мкм 0,5

Время нарастания переходной характеристики, нс, не более 0,05

Напряжение питания от батареи, Вт 1 5

3. Образцовое средство измерений средней мощности малых уровней (ОСИ СМ-М), предназначенное для поверки и высокоточных измерений средней мощности оптического излучения в ВОСП. Содержит два фотоприемных блока соответственно с кремниевым (l=0,85 мкм) и германиевым (l==1,3 мкм) фотодиодами, а также блок регистрации и представления информации. Его основные тех­нические характеристики:

Длина волны излучения, мкм 0,85; 1,3

Диапазон средней мощности, Вт 10^-8 … 10^-1

Основная погрешность, %:

на длине волны калибровки 5

в диапазоне длин волн 8

измерений относительных уровней мощности 2

4. Оптический эхогенератор предназначен для поверки и атте­стации оптических рефлектометров, работающих методом обрат­ного рассеяния. Вырабатывает в ответ на зондирующий импульс поверяемого рефлектометра пару «эталонных» импульсов с за­даваемыми с высокой точностью временными интервалами и пере­падами амплитуд между ними, что позволяет моделировать про­хождение излучения по световоду.

Его технические характери­стики:

Длина волны излучения, мкм 0,85; 1,3

Длительность генерируемых парных импульсов, нс,

в режиме:

временных интервалов 10, 25, 50, 100

ослабления мощности 4000

Диапазон воспроизводимых временных интервалов, с 10^-7 … 10^-3

Погрешность воспроизведения

временных интервалов, нс 1

Динамический диапазон

воспроизведения ослаблений, дБ 0,5..30