ОКПУ 1810207. Расчет передающего блока для восс
 Скачать 454.48 Kb.
|
|
РАСЧЕТ ПЕРЕДАЮЩЕГО БЛОКА ДЛЯ ВОСС Исходные данные для расчета передающего устройства определяются путем расчетов по нижеприведенным выражениям для каждого из Nвариантов. Для температуры T0=300 K: длина волны излучения, нм   параметры для расчета модуляционной характеристики ЛД,  , , мВт/мА , мВт/мА (1.2) , мВт/мА2; , мВт/мА , мВт/мА  , мВт/мАтепловой обратный ток, нА  (1.3) Расчеты по пп. 1–3 необходимо проводить для трех температур T = T0 ± 20 K. При этом надо учесть влияние температуры на длину волны излучения, нм/К, и температурный коэффициент, мВт/(мА · К):  (1.4) ;Пороговый ток    5) чувствительность контрольного ФД  (1.6) 6) скорость передачи, Мбит/с  (1.7) 7) эквивалентная постоянная времени ЛД, нс   (1.8). В данной работе будем считать, что максимальная рассеиваемая мощ- ность не должна превышать 150 мВт, при этом средняя мощность при равной вероятности передачи логических единиц и нулей будет в два раза меньше. Относительное изменение излучаемой мощности δP должно быть не больше 0,005. Используемый код RZ. Последовательность выполненияПроводим расчет всех исходных данных для трех температур и заносим результаты в таблицу 1 Таблица 1. Исходные данные для расчета передающего устройства
Проводим расчет электрических характеристик ЛД. Ток I0T(T) называют тепловым обратным током в соответствии с механизмом его образования и сильной зависимостью от температуры. Функцию I0T(T) характеризуют температурой удвоения ΔTy, т. е. приращением температуры, вызывающим удвоение тока. Для определения температуры удвоения теплового тока используем выражение, для которого надо сначала определить частоту излучения ν по известной длине волны λ:  где ν – частота излучения ЛД.   Для определения обратного теплового тока при разных температурах используем:   Расчет семейства вольт - амперных характеристик ЛД для разных температур проведем по:  где  – тепловой обратный ток;  – температурный потенциал;  – заряд электрона, Кл;  – постоянная Больцмана, Дж/К; m – коэффициент рекомбинации, зависящий от электрофизических свойств полупровод- ника (для ЛД InGaAsP/InP m = 3).  Рисунок 1 - Вольтамперные характеристики ЛД Расчет семейства зависимостей рассеиваемой в ЛД мощности от тока на- качки проведем по:  (2.4) Рисунок 2 - Семейства зависимостей рассеиваемой в ЛД мощности от тока накачки По рассчитанному семейству зависимостей рассеиваемой в ЛД мощности от тока накачки определим пределы изменения тока накачки (Imin, Imax) при изменении температуры, если максимальная рассеиваемая мощность составляет 7 мВт. Из рисунка 2 следует, что максимально допустимая мощность достигается при изменении тока накачки в пределах от Imin = 6 мА (T=280 K) до Imax = 9 мА (T=320 K). Проводим расчет семейства модуляционных характеристик ЛД и выбираем рабочую точку. ЛД может характеризоваться модуляционной характеристикой для прямой модуляции, т. е. зависимостью излучаемой мощности от тока накачки I (прямого тока через p-n-переход), которую можно аппроксимировать следующими выражениями:   где S0, S1 и S2 – коэффициенты, характеризующие модуляционную характеристику ЛД, Ipr– пороговый ток ЛД. S1 и Iprзависят от температуры:  где  - средняя температура перехода;  – значение  при температуре ; – температурный коэффициент;  - характеристическая температура, которая составляет 50-70 К для ЛД InGaAsP/InP ( =1.3-1.55мкм),  - пороговый ток при температуре .     Расчет зависимостей выходной мощности от тока накачки при различных значениях температуры проводим по этим выражениям.  Рисунок 3 - Семейство модуляционных характеристик ЛД В качестве номинального значения стабилизируемой мощности излучения ЛД P1 при передаче логической единицы по модуляционной характеристике для T= 320 К выбирается значение мощности излучения при токе накачки Imin. На рисунке 3 номинальное значение стабилизируемой мощности составляет 2 мВт. Для выбранного значения P1 определяем необходимые токи накачки при температуре 280 и 320 К и по выражению:  определяем пределы изменения крутизны преобразования модуляционной характеристики (  , ) и ее номинальное значение SI0 при температуре 300 К. Рассчитываем коэффициент полезного действия (КПД) ЛД как отношение излучаемой оптической мощности к рассеиваемой:   Расчет преобразователя напряжения в ток накачки. Принципиальная схема приведена на рисунке 4. Определим пределы из- менения исходных данных при изменении температуры Т от 280 до 320 К.  Рисунок 4 - Упрощенная принципиальная схема преобразователя напряжения в ток накачки Средняя крутизна преобразования в примере расчета составляет SI = 0,058– 0,102 мВт/мА. Ток накачки ЛД при передаче логической единицы I1 лежит в пределах отт 4 до 7 мА, а ток накачки при передаче логического нуля I0 – от 6,0 до 11,7 нА. Максимальное напряжение на ЛД Umax лежит в пределах от 1,00 до 1,23 В. Задаемся значениями напряжения на входе преобразователя U31 (от 1 до 2 В) и тока накачки I1, соответствующими логической единице, и найдем величину сопротивления резистора  Для выбора напряжения питания ОУ найдем максимальное напряжение на его выходе  Выберем напряжение источника питания ОУ и ЛД из следующих значений 3.3, 5.0, 10.0 В. Выбранное напряжение должно быть минимальным и удов- летворяющим условию  2.5 Расчет преобразователя фототока в напряжение. Схема преобразователя (УФТ) показана на рисунке 5.  Рисунок 5 - Упрощенная принципиальная схема преобразователя фототока в напряжение Оценим величину фототока при передаче логической единицы:  Задаемся напряжением U21 = U31 на выходе УФТ при передаче логической 1 и рассчитаем сопротивление резистора  Определим коэффициент передачи цепи обратной связи, В/Вт :  2.6 Расчет усилителя-сумматора. Схема усилителя-сумматора показана на рисунке 6.  Рисунок 6 - Упрощенная принципиальная схема сумматора Его коэффициент передачи К можно определить, если задаться коэффи- циентом петлевого усиления А, который выбираем из двух соображений. 1. Для обеспечения допустимой погрешности стабилизации мощности необходимо выполнить условие  2. Для обеспечения требуемого быстродействия необходимо выполнить условие  Обычно для эффективной работы системы стабилизации значение А должно лежать в пределах 50–100. Тогда можно рассчитать значение коэффициента передачи сумматора:  Далее, задаваясь величиной сопротивления R1, которое определяет входное сопротивление усилителя сумматора и может быть выбрано в диапазоне 100– 1000 Ом, найдем сопротивление   2.7.Расчет параметров входного и выходного сигналов. При большом значении А входной сигнал должен быть: при логической единице ;  при логическом нуле  . называют коэффициентом экстинкции (гашения) и его величина оп- ределяется рекомендациями Международного союза электросвязи для различ- ных типов систем передачи. В данной контрольной работе его можно принять равным 10.   2.8 Расчет стабильности излучаемой мощности. Определим относительное изменение излучаемой мощности при изменении крутизны преобразования ЛД  РАСЧЕТ ПРИЕМНОГО БЛОКА ДЛЯ ВОСС 1. Исходные данные для расчета ФПУ Исходные данные для расчета ФПУ определяются путем расчетов по нижеприведенным выражениям для каждого из N вариантов. Для температуры T0=300 K. 1. Постоянная времени ОУ для УФТ, мкс,  2. Коэффициент усиления операционного усилителя для УФТ  3. Ток коллектора входного каскада ОУ, мкА,  4. Емкость ФД с учетом монтажа, пФ,  5. Чувствительность ФД определяется для заданной длины волны по гра- фику на рисунке 7.  Рисунок 7 - Зависимость чувствительности ФД от длины волны излучения 6. Коэффициент затухания для заданной длины волны для стандартного оптического волокна определяется по графику на рисунке 8.  Рисунок 8 - Зависимость коэффициента затухания в ОВ от длины волны излучения 7. Тепловой обратный ток, нА,  Напряжение на выходе ФПУ при приеме логической единицы должно быть не менее  . Вероятность ошибки должна быть меньше  Остальные необходимые исходные данные приведены в табл. 1.1. 2. Последовательность выполнения 2. 1. Проводим расчет всех исходных данных и заносим результаты в таблицу 2. Исходные данные для расчета ФПУ
2.2. Расчет семейства зависимостей темнового тока ФД от обратного напряжения при температурах T = 280, 300 и 320 К по выражению:    Рисунок 9 - Семейства зависимостей темнового тока ФД от обратного напряжения 2.3. Расчет семейства вольт-амперных характеристик ФД (не менее четырех) для температуры T = 300 К по выражению:  где U – напряжение смещения; IT – темновой ток; IF – фототок.  Рисунок 10 - Семейства вольт-амперных характеристик ФД В качестве значений входной оптической мощности принять 0, Рвх1, Рвх1/2, Рвх1/4. Принять Рвх1 = 10 мкВт. Рассчитать значение  2.4. Расчет полосы пропускания УФТ по заданной скорости передачи СTx для кода RZ. Требуемая полоса пропускания УФТ Δf зависит от скорости передачи СTx и метода кодирования. Для кода RZ Δf = СTx=275МГц. 2.5. Расчет семейства АЧХ УФТ для нескольких значений сопротивлений резистора R в диапазоне значений от 100 до 1000 Ом. Проведите анализ полу- ченных результатов и выберите максимальное сопротивление R Анализ показывает, что при  коэффициент передачи схемы для всех входных источников тока (сигнала и шума) для низких частот равен  амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) УФТ можно рассчитать по выражению:  или в логарифмическом масштабе:   Рисунок 11 - Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) УФТ По графикам рисунка 11 можно выбрать максимально возможное значе- ние сопротивления R резистора обратной связи УФТ, при котором относитель- ный уровень коэффициента передачи (при использовании кода RZ) лежит в пределах YI = ± 3 дБ. Например, при выборе R=20-150 Ом относительный ко- эффициент преобразования лежит в пределах ±3 дБ и обеспечивается полоса пропускания приемного устройства 700-800 МГц. 2.6. Расчет шумовых токов (СКО) по выражениям: источник тока дробового шума (СКО)  где –  среднее значение фототока;  – полоса пропускания ФПУ; При расчете дробового шума можно принять  так как вероятности появления 1 и 0 одинаковы.  источник тока теплового шума (СКО)  СКО токовой составляющей шума ОУ можно определить по выражению  где  – ток коллектора входного транзистора ОУ; β – коэффициент пере- дачи по току в схеме с общим эмиттером. При расчете токового шума ОУ принять коэффициент β = 100.  Шумовой составляющей напряжения ОУ в контрольной работе пренебрежем. 2.7. Расчет полного шумового тока по выражению:   2.8. Расчет минимальной оптической мощности на входе ФПУ при приеме логической 1, исходя из минимально необходимого значения Q-фактора (Q = 6) при вероятности ошибки   2.9. Расчет максимального коэффициента усиления усилителя напряжения ФПУ  2.4.10. Расчет максимального затухания в волоконно-оптическом тракте, соединяющем рассчитанное передающее устройство с ФПУ:  Где  – номинальная выходная мощность передающего устройства. 2.4.11. Расчет максимальной длины линии на заданной длине волны:  Литература 1. Иванов, А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения / А. Б. Иванов. – М. : Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. 2. Листвин, В. Н. DWDM системы : научное издание / В. Н. Листвин, В. Н. Трещиков. – М. : Издательский дом «Наука», 2013. – 300 с. 3. Оптика и фотоника. Принципы и применения : пер. с англ. : учеб. пособие. В 2 т. Т. 2 / Б. Салех, М. Тейх. – Долгопрудный : Издательский дом «Интеллект», 2012. – 784 с. 4. Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи. 2-е доп. изд. / Р. Фриман. – М. : Техносфера, 2004. – 496 с. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||