Контрольная работа: Оптические системы передачи

5. Почему происходит искажение сигналов при прямой модуляции?

Ответ: При модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, однако при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра.

7. Какие виды внешней модуляции оптического излучения применяются в системах передач?

Ответ: Электрооптическая модуляция – может происходить на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах LiNbO3 и ряда других. Нелинейная модуляция может происходить в глицерине, сероуглероде.

Электроабсорбционная модуляция - в данном виде модуляции используется эффект Франца- Келдыша. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводнике смещается в длинноволновую область оптического излучения.

Акустооптическая модуляция – основу составляет акустооптический эффект. Это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Для изготовления акустооптических модуляторов используют кристаллы TeO2.

Задача 3:

Построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электротока, протекающего через него. Для заданных тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов определить графически изменение выходной модуляционной модуляционной мощности и определить глубину модуляции. По построенной характеристике указать вид источника.

Решение:

Таблица для построения зависимости:

Дано:

Ток смещения I=19 мА; Амплитуда тока модуляции Im=9 мА.

Зависимость представлена на рис.1.

Для определения глубины модуляции воспользуемся соотношением:

;

где Imax=28 мА;

Imin=10 мА.

;

Исходя из графика зависимости определим изменение выходной мощности:

Pmax=370 мкВт; Pmin=30 мкВт.

По построенной характеристики видно, что это лазерный источник излучения.

Рис.1 Зависимость выходной мощности излучения от вел-ны электротока.

4. Фотоприёмники для оптических систем передачи

Вопросы:

1. Какие требования предъявляются к фотоприёмникам оптических систем передачи?

Ответ: К фотодетекторам оптических систем связи предъявляются следующие требования:

·  Высокая чувствительность;

·  Требуемые спектральные характеристики и широкополосность;

·  Низкий уровень шумов;

·  Требуемое быстродействие;

·  Длительный срок службы;

·  Использование в интегральных схемах.

5. Чем ограничен диапазон оптических частот для фотодетектирования?

Ответ: На представленной спектральной характеристике фотодиода:

S, А/Вт

1

0,707

Завал характеристики на длинных волнах (низкие частоты) объясняется резким уменьшением фототока выше , завал на коротких волнах объясняется шунтирующим действием ёмкости запертого p-n перехода эквивалентной схемы фотодиода.

6. Почему у фотодетекторов есть длинноволновая граница чувствительности?

Ответ: Как видно из данной формулы:

величина фототока при заданных  и  определяется только мощностью излучения. При отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток, называемый темновым. Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости.

Фототок может существовать лишь при выполнении условия:

Это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может регистрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны

называемой длинноволновой границей чувствительности.

7. Чем отличается конструкция лавинного фотодиода от конструкции диода p-i-n?

Ответ: Фотодиоды p-i-n содержат легированные p и n области, между которыми находится достаточно широкая i-область (полупроводник с собственной проводимостью):

- +

Лавинные фотодиоды по своей структуре отличаются от p-i-n фотодиодов тем, что кроме легированной n и p областей содержит слаболегированные n и p области.

- +

11.  Почему фотодиоды шумят?

Ответ: Шумы фотодиода подразделяются на шумы фототока и шумы темнового тока.

·  Шумы темнового тока обусловлены шумом движения свободных носителей, шумом тепловой генерации пар носителей зарядов, шумом рекомбинации пар, шумом движения пар, шумом исчезновения свободных носителей, температурными изменениями.

·  Шум фототока обусловлен квантовыми процессами случайного возникновения пар носителей зарядов, шумом фоновой засветки, шумом отражения и поглощения в окне, шумом генерации и рекомбинации пар.

Задача №4:

Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения. Используя график определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.

Дано:

Мощность излучения Pu=5 мкВт; Длина волны ;

Решение:

Построим зависимость:

Определим величину фототока из соотношения:

;

где S=0.712А/Вт – чувствительность, определённая графически.

;

Определим графически длинноволновую границу чувствительности:

;

Определим материал для изготовления прибора исходя из соотношения:

;

Делаем заключение, что для изготовления данного прибора используется германий.

5. Фотоприёмные устройства оптических систем передачи.

Вопросы:

1.  Чем отличается прямое фотодетектирование от фотодетектирования с преобразованием?

Ответ: При прямом фотодетектировании оптический сигнал направляется на фотодетектор и на выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал:

	ФПУ

Оптический

Сигнал                                                                    Электрический

                                                                                         Сигнал

Электросигнал образуется в виде изменяющегося электрического тока, который усиливается каскадом усилителя с малым собственным шумом.

При детектировании с преобразованием оптический сигнал направляется на фотодетектор вместе с сигналом опорного оптического генератора (ООГ), который должен быть согласован с генератором – передатчиком. На выходе ФПУ фиксируется электрический сигнал или сигнал радиочастоты, содержащий информационный сигнал:

ФПУ

Электросигнал

                                                                                   Оптический

                                                                                            Сигнал

	ООГ

2.  Какие функциональные блоки входят в схему фотоприёмного устройства (ФПУ) с прямым детектированием?

Ответ:

Через согласующий элемент (СЭ) оптический сигнал подаётся на фотодетектор (ФД). ФД преобразует оптический сигнал в электрический. ФД представляет собой ЛФД или p-i-n фотодиод. Предварительный усилитель (ПУс) усиливает электрический сигнал. В состав Пус может входить противошумовой корректор К, который срезает шумы за пределами полосы частот. Главный усилитель Гус обеспечивает усиление, необходимое для работы последующих устройств. Фильтр-корректор ФК корректирует амплитудную частотную характеристику линейного тракта, компенсируя искажения. Схема автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает требуемый динамический диапазон входных сигналов.

3. Какие виды предварительных усилителей применяются в фотоприёмных устройствах?

Ответ: В сборках фотоприёмных устройств в качестве предварительного усилителя применяются 2 типа усилителей: интегрирующий и трансимпедансный.

Упрощённая схема интегрирующего усилителя:

Входная цепь интегрирующего усилителя выполняется с использованием затвора полевого транзистора. Достоинства схемы с интегрирующим усилителем:

·  Благодаря коррекции может быть получена любая полоса пропускания;

·  Малые шумы;

·  Простота схемы реализации;

·  Интегрируемость схемы фотодиода и усилителя.

Схема трансимпедансного усилителя отличается наличием отрицательной обратной связи:

Достоинства:

·  Большой динамический диапазон входных сигналов;

·  Простота регулировки полосы частот усиления без дополнительных корректоров;

·  Простота настройки схемы.

6.  Как соотносятся между собой электрическая и оптическая полосы пропускания ФПУ?

Ответ:

С точки зрения согласования волоконно-оптической линии с фотоприёмным устройством важно знать о соотношении полосы пропускания линии и ФПУ, т.е. оптической и электрической полос. Полоса пропускания оптическая оценивается по уменьшению входной мощности на 3 дБ:

;

Полоса пропускания электрическая оценивается по уменьшению величины фототока на 3 дБ:

;

Т.о. можно сравнить:

Уменьшение величины фототока в 2 раза соответствует 6 дБ, а уменьшение величины мощности составит 3 дБ.

10. Чем отличается гомодинный приём сигнала от гетеродинного в ФПУ с преобразованием?

Ответ: При гомодинном детектировании частота несущей оптического сигнала совпадает с частотой ООГ и на выходе ФПУ выделяется информационный электрический сигнал. При гетеродинном детектировании частота несущей отличается от частоты ООГ. Разность этих частот представляет радиочастотный сигнал, модулированный информационным сигналом. Отметим, что системы передачи с гетеродинированием пока не получили широкого применения из-за сложности схем приёмников и необходимости фиксации поляризации излучения передачи и приёма. Но эти методы приёма позволяют повысить чувствительность приёмников на порядок и исключить влияние собственных шумов приёмников.

Задача №5:

Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприёмного устройства, содержащего трансимпедансный усилитель и фотодетектор. Дано:

Рпер= -3 дБм; L= 40 км; а= 0,4 дБ/км;

Решение:

Полоса частот усилителя ФПУ с ТИУ ограничена полосой пропускания усилителя и находится из соотношения:

;

Фототок детектора создаётся падающей оптической мощностью и зависит от типа фотодетектора:

Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, воспользуемся соотношениями:

;

Отношение сигнал/шум вычислим из соотношения:

;

7.  Линейные тракты оптических систем передачи

Вопросы:

2. Каким образом можно реализовать встречную передачу оптических сигналов по одному стекловолокну?

Ответ: При организации двухсторонней связи по одному оптическому волокну используется спектральное уплотнение. При этом происходит объединение световых потоков от разных источников света (разные длины волн) с помощью мультиплексоров.

4. Чем отличается регенератор в линейном тракте от усилителя?

Ответ: Оптический усилитель только усиливает передаваемый сигнал по мощности, а в регенераторе происходит как усиление сигнала, так и восстановление его первоначальной формы.

5. Какие требования предъявляются к линейным сигналам одноволновых оптических цифровых систем передачи?

Ответ: К линейным сигналам ОСП предъявляются следующие требования:

·  непрерывная часть энергетического спектра должна содержать минимальную спектральную плотность в низкочастотной области и иметь минимум высокочастотных составляющих;

·  линейный сигнал должен содержать информацию о тактовой частоте;

·  непрерывная часть спектра должна быть минимальной вблизи тактовой частоты;

·  основная доля энергии спектра должна находиться в ограниченной области частот;

·  процесс линейного кодирования не должен зависеть от статистики информационного сигнала;

·  алгоритм формирования линейного сигнала должен обеспечить надежный контроль ошибок регенерации;

·  линейный код не должен приводить к размножению ошибок.

10. каким требованиям должны удовлетворять линейные тракты многоволновых оптических систем передачи?

Ответ: Для реализации многоволновой передачи необходимо выполнение ряда требований, которые предъявляются к линейным трактам:

·  характеристики оптических кабелей должны соответствовать стандартам, рекомендованным МСЭ-Т G.661;

·  оптические линейные усилители по своим характеристикам должны соответствовать рекомендациям МСЭ-Т G.661;

·  пассивные оптические компоненты линейного тракта должны соответствовать рекомендациям МСЭ-Т G.671;

·  построение линейного тракта многоволновой ВОСП должно соответствовать рекомендациям МСЭ-Т G.681;

·  линейные тракты должны быть резервированы частично или полностью;

·  линейный тракт должен быть пригоден для наращивания числа оптических каналов без изменения структуры и компонентов и ухудшения качества;

·  должна быть возможность использования существующих ВОЛС с одномодовыми волокнами;

·  должна быть предусмотрена возможность выделения/ввода отдельных оптических каналов в промежуточных станциях;

·  линейные тракты должны иметь встроенные средства контроля, измерений и автоматического резервирования;

·  в линейном тракте должно быть предусмотрено включение устройств компенсации хроматической и поляризационной модовой дисперсии;

·  негативное воздействие нелинейных оптических эффектов на качество волновых каналов должно быть рассчитано и минимизировано.

12.  Что необходимо учитывать при проектировании многоволновых систем передачи?

Ответ: Важнейшей задачей проектирования является оценка соотношения сигнал/шум в каждом волновом канале. Величина этого соотношения зависит от выбранного режима мощности передатчика, совокупного числа волновых каналов, длин волн, типа стекловолокна и его протяжённости. Оптические помехи могут накапливаться и возрастать на выходе каждого усилителя. Это требует установки через определённое расстояние регенераторов, которые исключат дисперсионные искажения и накопленные помехи в каждом отдельном канале.

Задача:

Используя приложение для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определённых рекомендациями МСЭ-Т G. 957, рассчитать число промежуточных регенераторов и расстояние между ними. Составить схему размещения оконечных и промежуточных станций с указанием расстояний. Определить уровень приёма Рпр на входе первого, считая от оконечной станции, регенератора, вычислить допустимую вероятность ошибки одного регенератора.

Дано: Тип оптического интерфейса: U-16.3; ак=0,26 дБ/км; D=4 пс/нм*км; L=613 км; Lc=2,5 км; ас=0,05 дБ.

Решение:

Расстояние между регенераторами определяется так:

 ;

где  - энергетический потенциал оптического интерфейса.

Э=3 дБ – энергетический запас на старение передатчика и приёмника и восстановление повреждённых линий.

Подставим значения: ;

Число регенераторов определим из соотношения:

;

Совокупная дисперсия регенерационного участка:

;

где ;

 - среднеквадратическая ширина спектра источника излучения на уровне 0,5 от максимальной мощности.

13,7 пс/нм < 4300 пс/нм

Совокупная дисперсия регенерационного участка удовлетворяет условию.

Определим допустимую вероятность ошибки одного регенератора:

ОС1           РГ1                РГ2              РГ3               ОС2

а                 а                    а                      а

Схема размещения оконечных и промежуточных станций.