Волоконно-оптические системы передачи |
Контрольные работы |
Предлагаемые методические указания предназначены для слушателей дистанционного обучения, изучающих дисциплину "Оптические системы передачи". В методические указания включены вопросы и контрольные задачи по всем разделам дисциплины.
На вопросы, приведенные в отдельных разделах, следует отвечать кратко, по существу. При решении контрольных задач следует сопровождать расчеты краткими пояснениями и выводами. Кроме того, все решения должны четко обозначаться соответствующими единицами измерений. Например, частота – Гц, расстояние – м или км, потери мощности – дБ, дисперсия одномодового волокна – пс / (нм· км), полоса пропускания оптического волокна, нормированная по длине – мГц· км и так далее.
При ответе на вопросы и решении контрольных задач рекомендуется использовать графические пояснения. Рисунки следует оформлять согласно существующим стандартам. Для ответа на вопросы и для решения конкретных задач можно использовать любое из рекомендованных учебных изданий, периодические научно-технические издания (журналы "Электросвязь", "Вестник связи", "технологии и средства связи" и другие) и издания, которые могут выйти в печать после опубликования данных методических указаний.
1 Основы построения оптических систем передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 1
Определить затухание (ослабление), дисперсию, полосу пропускания и максимальную скорость передачи двоичных импульсов в волоконно-оптической системе с длиной секции L (км), километрическим (погонным) затуханием (ослаблением) a (дБ/км) на длине волны излучения передатчика l 0 (мкм), ширине спектра излучения D l 0,5 на уровне половины максимальной мощности излучения. Данные для задачи приведены в таблицах 1.1 и 1.2.
Таблица 1.1
Параметр |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Длина секции L, км |
56 |
74 |
91 |
113 |
128 |
151 |
163 |
190 |
206 |
217 |
SF, Standard Fiber
– стандартное одномодовое ступенчатое волокно;DSF, Dispersion-Shifted (single mode) Fiber
– волокно одномодовое со смещенной дисперсией;SMF-LS, Single Mode Fiber-LS
– одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Corning) [4];True Wave
, "Истинная волна" – одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Lucent Technologies) [4];LEAF
– одномодовое оптическое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Corning) [4];8/125 – диаметры сердцевины/оболочки волокна в мкм.
Методические указания к задаче 1
Для решения задачи 1 необходимо внимательно изучить по [4] (стр. 11 – 35) характеристики кварцевых оптических волокон.
Рекомендуется следующий порядок выполнения задания 1:
Результирующее максимальное затухание секции находится из соотношения:
a
М = a ´ L + a С ´ NС, [дБ] (1), гдеa
С – потери мощности оптического сигнала на стыке волокон строительных длин кабеля (a С = 0,05 дБ);N
С – число стыков, определяемое: NС = Е [ L / lC –1] (целое число),Результирующая совокупная дисперсия секции находится из соотношения [15, 22]:
Полоса пропускания оптической линии определяется из соотношения [15, 22]:
Максимальная скорость передачи двоичных оптических импульсов зависит от D
FОВ и их формы, которую принято считать прямоугольной или гауссовской [8]:ВП = 1,01 D FОВ, [бит/с], (4)
ВГ = 1,34 D FОВ, [бит/с]. (5)
Для всех вариантов считать форму импульса гауссовской.
2 Источники оптического излучения для систем
передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 2
Определить характеристики многомодового лазера с резонатором Фабри – Перо (FP) и одномодового лазера с распределенной обратной связью (DFB).
Определить число мод в лазере
FP, для которых выполняется условие возбуждения в полосе длин волн D l при длине резонатора L и показателе преломления активного слоя n.Определить частотный интервал между модами и добротность резонатора на центральной моде l О при коэффициенте отражения
R.Изобразить конструкцию полоскового лазера
FP. Изобразить модовый спектр.Определить частоту и длину волны генерируемой моды в одномодовом лазере
DFB для известных значений дифракционной решетки m и длины лазера L. Изобразить конструкцию лазера DFB.Таблица 2.1
Параметр лазера FP |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
L, мкм |
200 |
250 |
280 |
300 |
260 |
320 |
270 |
340 |
180 |
360 |
Таблица 2.2
Параметр лазера FP |
Последняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
D l , нм |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
35 |
45 |
55 |
65 |
75 |
n |
3,5 |
3,9 |
3,6 |
3,8 |
3,7 |
3,4 |
3,3 |
3,6 |
3,7 |
3,55 |
l 0 , мкм |
0,4 |
0,42 |
0,44 |
0,46 |
0,48 |
0,5 |
0,4 |
0,45 |
0,47 |
0,49 |
R |
0,4 |
0,3 |
0,28 |
0,33 |
0,42 |
0,36 |
0,39 |
0,25 |
0,34 |
0,37 |
Таблица 2.3
Параметр лазера DFB |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
L, мкм |
100 |
150 |
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
550 |
Таблица 2.4
Параметр лазера DBF |
Последняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Порядок решетки m |
3 |
4 |
2 |
1 |
5 |
6 |
7 |
8 |
2 |
1 |
Шаг решетки d, мкм |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
0,08 |
Показатель преломления n Э |
3,5 |
3,57 |
3,6 |
3,59 |
3,55 |
3,65 |
3,68 |
3,49 |
3,53 |
3,63 |
Для решения задачи 2 рекомендуется внимательно изучить в [13] страницы 21 – 40.
Частота моды определяется из соотношения:
(2.1),
где
L
– длина резонатора,n
– показатель преломления.Расстояние между модами определяется из соотношения:
(2.2)
Добротность резонатора на центральной моде l
0 определяется из соотношения: (2.3)
Число мод в интервале D l определяется:
(2.4)
Для определения длины волны и частоты генерации одномодового лазера
DFB необходимо воспользоваться соотношениями [13]:l 0 ´ m = 2d ´ n
Э (2.5), (2.6)
(2.7)
3 Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 3
По данным таблицы 3.1 построить зависимость выходной мощности источника оптического излучения от величины электрического тока, протекающего через него. Для заданных (по варианту) тока смещения и амплитуды модулирующих однополярных импульсов (таблицы 3.2 и 3.3) определить графически изменение выходной модуляционной мощности Рмакс и Рмин и определить глубину модуляции h . По построенной характеристике указать вид источника.
Таблица 3.1
I , мА |
0 |
5 |
10 |
15 |
18 |
20 |
22 |
24 |
26 |
28 |
Р 1, мкВт |
0 |
15 |
30 |
45 |
60 |
90 |
160 |
230 |
310 |
370 |
Таблица 3.2
Ток смещения |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
I, мА |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
Таблица 3.3
Амплитуда тока модуляции |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
I, мА |
10 |
9 |
8 |
7 |
6 |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
Методические указания к задаче 3.
Для решения задачи необходимо внимательно изучить [14] с. 14 – 19, [24] с. 278 – 284.
Для определения глубины модуляции использовать соотношение 3.1:
(3.1)
Рекомендуется при построении графика Р (
I) чертеж выполнить на миллиметровой бумаге в масштабе 1 мм : 0,2 мА и 1мм : 1,5 мкВт.
4 Фотоприемники для оптических систем передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 4
Построить график зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны оптического излучения по данным таблицы 4.1. Используя график и данные таблиц 4.2 и 4.3. Определить величину фототока на выходе p-i-n фотодиода. По графику определить длинноволновую границу чувствительности фотодетектора. Определить материал для изготовления прибора.
Таблица 4.1
Чувствитель- ность, А/Вт |
0,3 |
0,45 |
0,53 |
0,58 |
0,62 |
0,67 |
0,7 |
0,73 |
0,65 |
0,1 |
Длина волны, мкм |
0,85 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,78 |
Таблица 4.2
Мощность излучения |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Рu, мкВт |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
3,0 |
3,5 |
4,0 |
4,5 |
5,0 |
Таблица 4.3
Длина волны |
Последняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
l , нм |
1750 |
1650 |
1550 |
1430 |
1310 |
1290 |
1150 |
980 |
910 |
860 |
Методические указания к задаче 4.
Для решения задачи необходимо внимательно изучить [13] с. 42 – 54, [11], [6] с. 149 – 164.
При решении задачи необходимо учесть соотношения (4.1), (4.2), (4.3):
, (4.2)
ЕФ – энергия фотона, е – заряд электрона; h ВН – внутренняя квантовая эффективность фотодиода;
h – постоянная Планка, С – скорость света.Длинноволновая граница чувствительности фотодетектора определяется соотношением (4.4):
, (4.4)
Рекомендуется при построении графика зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны выполнить чертеж на миллиметровой бумаге в масштабе 1мм : 0,01мкм и 1мм : 0,01 А/Вт.
5 Фотоприемные устройства оптических систем
передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 5.
Определить полосу пропускания и отношение сигнал/шум для фотоприемного устройства, содержащего интегрирующий (ИУ) или трансмиссионный усилитель и фотодетектор (ЛФД или p-i-n).
Исходные данные по вариантам приведены в таблицах 5.1 и 5.2.
Таблица 5.1
Характери- стики ФПУ |
Предпоследняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Тип ФД |
p-i-n |
ЛФД |
p-i-n |
ЛФД |
p-i-n |
ЛФД |
p-i-n |
ЛФД |
p-i-n |
ЛФД |
Тип усилителя |
ИУ |
ТИУ |
ИУ |
ТИУ |
ИУ |
ТИУ |
ИУ |
ТИУ |
ИУ |
ТИУ |
R Э, кОм |
1000 |
100 |
1200 |
90 |
1400 |
110 |
1600 |
80 |
1800 |
120 |
СЭ, пФ |
2,0 |
3,2 |
1,6 |
3,8 |
1,5 |
3,5 |
2,2 |
3,9 |
2,4 |
4,2 |
h ВН |
0,38 |
0,7 |
0,5 |
0,8 |
0,44 |
0,75 |
0,52 |
0,6 |
0,55 |
0,65 |
М |
1 |
20 |
1 |
15 |
1 |
24 |
1 |
8 |
1 |
10 |
F Ш(М) |
1 |
6 |
1 |
7 |
1 |
8 |
1 |
9 |
1 |
4 |
Т |
280 |
290 |
300 |
310 |
320 |
290 |
280 |
270 |
300 |
315 |
ДШ |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
2 |
8 |
9 |
4 |
Кус |
1000 |
100 |
1200 |
150 |
1400 |
90 |
3000 |
140 |
2000 |
180 |
Таблица 5.2
Характерис - тики передачи |
Последняя цифра пароля |
|||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
РПЕР, дБм |
0 |
-3 |
+3 |
-6 |
+8 |
-2 |
0 |
+2 |
+10 |
-4 |
L , км |
50 |
40 |
70 |
30 |
80 |
45 |
60 |
70 |
90 |
36 |
a , дБ/км |
0,35 |
0,4 |
0,3 |
0,34 |
0,26 |
0,42 |
0,6 |
0,38 |
0,24 |
0,5 |
Методические указания к задаче 5.
Для решения задачи 5 необходимо внимательно изучить разделы [14] с. 44 – 58.
Полоса частот усиления ФПУ с ИУ ограничена полосой пропускания входной цепи ФПУ и находится из соотношения (5.1):
(5.1)
(5.2)
Фототок детектора создается падающей оптической мощностью и зависит от типа фотодетектора. Величина фототока вычисляется из соотношений (5.3) и (5.4).
, (5.3)
где
h – постоянная Планка, е – заряд электрона, h ВН - внутренняя квантовая эффективность, М – коэффициент умножения ЛФД, РПР – мощность сигнала на прием, РПЕР – мощность сигнала на передаче, a - километрическое затухание кабеля, L – длина кабельной линии.Для вычисления основных шумов ФПУ, а это квантовый и тепловой шумы, необходимо воспользоваться соотношениями (5.5) и (5.6):
РШ.КВ. = 2е ´ М
2 ´ IФ ´ D F ´ FШ(М), (5.5), (5.6)
К = 1,38 ´
10 –23 Дж/к – постоянная Больцмана.Отношение сигнал/шум вычисляется из соотношения (5.7):
(5.7).
6 Оптические усилители для оптических систем
передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
7 Линейные тракты оптических систем передачи
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Задача 6.
Используя приложения для оптических интерфейсов аппаратуры SDH, определенных рекомендациями МСЭ-Т G.957, определить по варианту число промежуточных регенераторов и расстояние между ними.
Составить схему размещения оконечных и промежуточных станций с указанием расстояний. Определить уровень приема РПР [дБ] на входе первого, считая от оконечной станции, регенератора, вычислить допустимую вероятность ошибки одного регенератора.
Таблица 6.1
Предпоследняя цифра пароля |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Тип оптическо- го интерфейса |
S-1.1 |
L-1.1 |
L-1.2 |
S-4.1 |
L-4.1 |
L-4.2 |
L-16.1 |
L-16.2 |
V-16.2 |
U-16.3 |
Затухание оптического кабеля a К, дБ/км |
0,4 |
0,36 |
0,22 |
0,5 |
0,3 |
0,25 |
0,35 |
0,24 |
0,2 |
0,26 |
Дисперсия оптического кабеля D, пс/(нм· км) |
4 |
3,5 |
18 |
3 |
3,5 |
20 |
3,2 |
18,5 |
17 |
4 |
Таблица 6.2
Последняя цифра пароля |
||||||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Длина линии L , км |
920 |
613 |
1042 |
457 |
1192 |
729 |
1247 |
388 |
973 |
806 |
Строительная длина кабеля Lc , км |
3 |
2,5 |
4 |
2 |
3,5 |
1,5 |
4,5 |
1 |
2,2 |
3 |
Затухание на стыке длин a С дБ |
0,1 |
0,05 |
0,15 |
0,03 |
0,12 |
0,04 |
0,09 |
0,05 |
0,07 |
0,1 |
Методические указания к задаче 6.
Для решения задачи 6 необходимо внимательно изучить разделы [15] с. 39 – 50.
Расстояние между регенераторами определяется из соотношения (6.1):
где А – энергетический потенциал оптического интерфейса,
А = РПЕР.МАКС – РПР.МИН, [дБ];
Э – энергетический запас на старение передатчика и приемника и восстановление поврежденных линий, рекомендуется Э = 3 дБ;
a
К – затухание оптического кабеля [дБ/км];a
С – затухание на стыке строительных длин [дБ];L
С – строительная длина кабеля [км].Число регенераторов определяется из соотношения (6.2):
[
Необходимо проверить совокупную дисперсию для регенерационного участка. Она должна быть меньше приведенной в таблице приложения для интерфейса соответствующего варианту. Совокупная дисперсия регенерационного участка определяется соотношением (6.3):
s
= D ´ D l u ´ LР , (6.3)где D l
u = 0,5 D l 0,5,D l 0,5
– среднеквадратическая ширина спектра источника излучения на уровне 0,5 от максимальной мощности, что соответствует обозначению – 3 дБм от максимального уровня. В некоторых интерфейсах приведено значение D l на уровне – 20 дБм. Поэтому необходимо произвести перерасчет D l для уровня 0,5. При этом ширина спектра составит приблизительно 20% от D l на уровне –20 дБ.Допустимая вероятность ошибки одного регенератора вычисляется из норматива на ошибки для магистрального участка сети 10 000 км:
РОШ
Вероятность ошибки вычисляется из соотношения (6.4):
(6.4)
По данным, приведенным в [15] с. 44, необходимо оценить минимальную допустимую длину участка регенерации.
8 Оптические компоненты для систем передачи и
оптических сетей
Ответьте письменно на следующие вопросы:
9 Волоконно-оптические системы с солитонной передачей
Ответьте письменно на следующие вопросы:
Приложение. Характеристики интерфейсов
Параметры оптических агрегатных интерфейсов аппаратуры SDH
Код применения агрегатного оптического интерфейса SDH:
Обозначения I, S, L, V и U – международные стандартизированные обозначения.
В, Р, ВР – вариант обозначения производителей аппаратуры.
Цифровой код агрегатного оптического интерфейса SDH:
Таблица 1 Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM –1
Таблица 2 Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM – 4
Таблица 4 Характеристики оптических интерфейсов для сигналов STM – 16
Таблица 6 Характеристики оптических интерфейсов с оптическим предусилителем для сигналов STM – 16