Разработка фотоприемного устройства волоконно. Реферат. Пояснительная записка дипломного проекта на тему "Разработка фотоприемного устройства воспи диапазона дцв."
 Скачать 199.5 Kb.
|
Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)Реферат. Пояснительная записка дипломного проекта на тему: “Разработка фотоприемного устройства ВОСПИ диапазона ДЦВ.” Содержит: 88 страниц 11 таблиц 20 рисунков. Ключевые слова: волоконно-оптическая система передачи информации, усилитель фотоприемника, динамический диапазон, малые собственные шумы, аналоговый оптический сигнал. В данном дипломном проекте разрабатывается фотоприемное устройство для приема аналоговых оптических сигналов, обеспечивающее заданный динамический и частотный диапазон. Проведены технико-экономические расчеты, которые показывают целесообразность внедрения изделия в эксплуатацию, а также приведен комплекс мероприятий по обеспечению безопасности жизнедеятельности создателей ФПУ и обслуживающего персонала. Содержание. Наименование Реферат Содержание Введение Глава 1 Волоконно-оптические системы передачи информации 9 1.1.1 Принципы построения ВОСПИ. 1.1.2 Потери и искажения ВОСПИ. 1.1.3 Искажения сигналов в одномодовой аналоговой ВОСПИ 17 1.1.4 Экспериментальные наблюдения и измерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ 1.1.5 Исследование искажений радиосигнала в аналоговой ВОСПИ и одномодовом ВОК. 1.1.6 Определение основных характеристик оптических излучателей и фотоприемников. 1.2.1 Волоконно-оптический кабель. 1.2.2 Излучатели. 1.2.3 Фотоприемные устройства. Глава 2 Выбор и обоснование структурной схемы. Глава 3 Выбор и обоснование принципиальной схемы ФПУ. 36 3.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы предварительного усилителя ФПУ. 3.2 Выходной каскад. Глава 4 Расчет фотоприемного устройства. 4.1 Расчет выходного усилителя. 4.2 Расчет предварительного усилителя (ПУ). 4.3 Расчет частотных характеристик цепи усилителя. 4.4 Оптимизация характеристик цепи ПУ. Глава 5 Конструктивная разработка фотоприемного устройства. 63 Глава 6 Обеспечение безопасности жизнедеятельности. 6.1 Анализ характеристик объекта проектирования, трудовой деятельности человека, производственной среды. 6.2 Мероприятия по эргономическому обеспечению. 6.3 Мероприятия по технике безопасности. 6.4 Мероприятия по пожарной безопасности. 6.5 Выводы. Глава 7 Технико-экономические расчеты. 7.1 Расчет полной себестоимости. 7.1.1 Расчет материальных затрат (Мз). 7.1.2 Расчет затрат на оплату труда (З). 7.1.3 Прочие расходы. 7.2 Расчет отпускной и розничной цены. 7.3 Технико-экономические показатели. 7.4 Анализ технико-экономического расчета. Заключение. Литература. Приложение 1 Приложение 2 85 Приложение 3 Введение В современных системах связи все больше требуются скоростные широкополосные каналы связи для передачи информации. Отвечать растущим объемам передаваемой информации можно, используя оптическое волокно. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Волоконная оптика обеспечила себе гарантийное развитие в настоящем и будущем. В межрегиональном масштабе следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровой иерархии (SDH). Экономические аспекты оптического волокна также говорят в его пользу. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому не дорогого материала в отличии от меди. Стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. По всему миру в настоящее время поставщики услуг связи за год прокладывают десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей. Ведутся интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий такими крупнейшими компаниями как Lucent Technologies, Norton, Siemens, IBM, Corning, Alcoa Fujikura. Крупным производителем оптических соединителей в России является фирма « Перспективные Технологии ». Основными поставщиками оптических шнуров в России являются фирмы «Вимком-Оптик», «Телеком Комплекс Сервис». Многие потребители оптических шнуров имеют собственную сборку (РОТЕК, ЭЛОКОМ). В процессе эксплуатации ВОСПИ можно отметить ряд их достоинств: * Высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий, которая решает проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. * * Широкая полоса пропускания. Обуславливается высокой несущей частотой (возможность передачи по одному оптическому волокну информации в несколько терабит). * Малое затухание светового сигнала в волокне. В настоящее время промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2 – 0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на 1 км. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. * Низкий уровень шумов. * Малый вес и объем * Высокая защищенность от несанкционированного доступа (трудно подслушать информацию, не нарушая приема-передачи). * Длительный срок эксплуатации. Процесс деградации волокна значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. Волоконно-оптические сети имеют, конечно и недостатки: * Высокая стоимость интерфейсного оборудования. Также требуется высоконадежное коммутационное оборудование, оптические соединители, разветвители, аттенюаторы. * Дорогостоящий монтаж и обслуживание оптических линий. * Требуется специальная защита волокна. * 1. Волоконно-оптические системы передачи информации. (ВОСПИ) 1.1.1. Принципы построения ВОСПИ. Оптические волокна производятся разными способами, они обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют различные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF и одномодовые SMF. Наиболее очевидным путем увеличения информационной емкости волоконно-оптических систем связи является расширение спектральной области для передачи информации. Практически все современные системы связи работают в диапазонах длин волн ?=1,3мкм и ?=1,55мкм. Использование всего спектрального диапазона волокна позволяет резко увеличить информационную емкость волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением каналов. С учетом дальнейшего прогресса волоконно-оптических технологий можно предположить,что используя только спектральный интервал 1,2-1,7мкм, в будущем можно будет передавать по одному волокну информацию со скоростью в 1000 тбит/с. Для реализации таких систем связи потребуются новые исследования и разработка новой элементной базы. Информация, которая должна быть передана в виде электрического сигнала, модулирует световой поток, который передается по волоконным световодам или через атмосферу. Шумовой характер излучения источников света, как правило, ограничивает применяемые виды модуляции излучателей и в практически используемых системах, находят место модуляции по интенсивности излучения. На приемном конце переданная информация демодулируется. Основным элементом построения ВОСПИ соответствует структурной схеме, приведенной на рис.1.1. Рис. 1.1 1. Источник сигнала 2. Усилитель модулятор 3. Лазерный излучатель 4. ВОК (волоконно-оптический кабель) 5. Фотодиод 6. Усилитель Передающие оптические модули: Передающие оптические модули РОМ-3155 выпускаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов, интегрированных со схемой управления с дифференциальным PECL - входом. Модули имеют TTL – вход включения лазерного излучения и выход аварийного состояния лазерного диода (открытый коллектор). Предназначены для работы в цифровых волоконно-оптических линиях связи со скоростью передачи информации 2..155 Мбит/с. Технические характеристики приведены в таблице 1.1. Таблица 1.1. технические характеристики. Параметр РОМ – 3155 Длина волны излучения, нм 1290..1330 Скорость передачи, Мбит/с. 2..155 Мощность излучения, дБм -3..0 Тип оптического волокна одномодовое Тип разъема* FC/PC Тип корпуса DIL - 14 Напряжение питания, В 4,75..5,25 * - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком. При передаче на большие расстояния, когда отношение сигнал/шум на выходе приемника становится недостаточным, в тракт включают ретрансляторы. Для передачи сигнала обычно используют световые импульсы. При этом применяют два вида модуляции: аналоговые, при которой информация передается изменением амплитуды, ширины или положения импульсов; и цифровая – с кодированием информации комбинацией группы импульсов. В данном дипломном проекте разрабатывается ФПУ для ВОСПИ, использующую аналоговую модуляцию. При аналоговой передаче, информационный сигнал модулирует поднесущую частоту, как правило, СВЧ диапазона, которая в свою очередь управляет мощностью излучателя. Прием во всех случаях осуществляется с помощью фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, преобразующих энергию колебаний оптического диапазона в электрическую энергию. Электрический сигнал усиливается до необходимого уровня усилителем низкой частоты. При разработке радиооптических преобразователей, используемых в аналоговых ВОСПИ, являющихся оптическими линиями связи между аналоговым фотоусилителем (АФУ) и входом приемника ДЦВ диапазона, необходимо выполнить два основных требования: 1. При введении оптической линии между АФУ и приемником, электрическая пороговая чувствительность всей системы не должна ухудшаться, то есть отношение сигнал/шум должно оставаться прежним. 2. Динамический диапазон изменения передаваемого полезного радиосигнала не должно быть меньше 60 дБ. для КВ диапазона и не меньше 40-45 дБ. для ДЦВ диапазона. Для удовлетворения этих требований всей ВОСПИ необходимо обеспечить их выполнение каждым элементом ВОСПИ: УМ, лазерным излучателем, ВОК, ФПУ. В аналоговой ВОСПИ между АФУ и радиоприемником используются два радиооптических преобразователя: передающий радиооптический преобразователь, расположенный непосредственно в АФУ и выполняющий прямое радиооптическое преобразование сигнала, приемный радиооптический преобразователь, находящийся на приемном конце ВОСПИ перед входом радиоприемника и осуществляющий обратные преобразования оптического сигнала в радиосигнал. В качестве прямого радиооптического преобразователя выступает усилитель-модулятор, возбуждаемый от радиосигнала с АФУ и модулирующий этим усиленным радиосигналом ток лазерного излучателя. Лазерные модули для ВОЛС: Лазерные модули с оптическим волокном изготавливаются на основе импортных MQW InGaAsP/InP Фабри Перо лазерных диодов. выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе DIL – 14 со встроенном элементом Пельтье и в корпусе типа “оптическая розетка”. Технические характеристики приведены в таблице 1.2. Таблица 1.2. Технические характеристики. Параметр LFO-14-i* LFO-17-i* LFO-17m-i* LFO-18-i* Мощность излучения, мВт 1.0 2.0 1.0 1.0 Длина волны излучения, нм 1310 1310 850 1550 Тип оптического волокна SM MM MM SM Тип разъема* FC/PC FC/PC FC/PC FC/PC * - тип разъема может быть изменен по согласованию с заказчиком. LFO-xx-ip – 4-pin неохлаждаемый LFO-xx-ir – “оптическая розетка LFO-xx-i – DIL-14 с элементом Пельтье Радиооптический преобразователь, осуществляющий обратное преобразование оптического сигнала в радиосигнал, состоит из фотодиода и усилителя, то есть представляет из себя Фотоприемное устройство (ФПУ). Фотоприемные модули для ВОЛС: Фотоприемные модули серий PD-1375-ip/ir для спектрального диапазона 1100..1650 нм. изготавливаются на основе импортных InGaAs PIN – фотодиодов. Выпускаются в неохлаждаемом исполнении, а также в корпусе типа “оптическая розетка” для стыковки с одномодовым волокном, оконцованным разъемом “FC/PC”. Описание, оптические и электрические характеристики фотоприемного модуля PD-1375-ir приведены в конце этого пункта в таблице 1.3., а на рисунке 1.2. приведены схемы электрических соединений. 1.1.2. 1.1.2 Потери и искажения ВОСПИ. Волоконно-оптические линии связи, используемые для передачи информации, не должны ухудшать характеристики электрических сигналов, то есть должны удовлетворять заданному динамическому и частотному диапазонам. Для удовлетворения всей ВОСПИ необходимо обеспечить их выполнение каждым элементам ВОСПИ: * усилителем модулятором * лазерным излучателем (ИЛПН) * оптическим кабелем * фотоприемным устройством Потери оптической мощности волоконно-оптических системах передачи происходят в основном на неоднородностях оптического волокна и соединениях. Кроме них существуют различные виды допусков на ухудшение характеристик. Рассмотрим их влияние на параметры ВОСПИ: * Обычно между полупроводниковым лазером и разъемом ВОК ставится оптический изолятор, ослабляющий отраженный от торца волокна сигнал. Помимо этого ослабления он вносит затухание и в прямом направлении. Величина этого затухания около 1 дБ; * С течением времени происходит деградация лазерного диода и выходная оптическая мощность снижается. Чтобы система не прекратила свое нормальное функционирование, должен быть оставлен запас на величину этого снижения. В среднем для полупроводникового лазера она составляет 0,8 дБ. * В приемнике также происходит деградация параметров, запас на нее 0,7 дБ. * Как известно в оптическом волокне существует дисперсия – зависимость фазовой скорости распространения волны, от какого либо параметра (в общем случае). Рассмотрим дисперсные характеристики одномодового волокна, как наиболее оптимального по параметру погонного затухания. В одномодовом волокне существует два вида дисперсии: волноводная и материальная – зависимость фазовой скорости моды от частоты при распространении колебаний в материале. Суммарная дисперсия такого одномодового волокна определяется как сумма двух видов дисперсий: ??? = ??в + ??м Величина этих составляющих имеет одинаковый порядок, а функциональная зависимость от длины волны у них имеет разный знак. В результате на некоторой частоте сумма этих двух величин дает ноль – дисперсия отсутствует. График изменения дисперсии в зависимости от длины волны представлен на рис.1.3 Рис. 1.3 Исходя из графика в данной системе, выбрана длина волны 1,3 мкм. Величина дисперсии в связи с разбросом спектральных параметров волокна, обычно равна 2-5 нс/м.км. В соответствии с этим ощутимого ослабления сигнала из-за полной дисперсии не ожидается. * Для запаса на возможное ухудшение проводящих свойств волоконно-оптического кабеля вследствие старения отводится величина 1 дБ. * На оптический дистанционный контроль вводится запас 0,2 дБ * Потери на переходных соединителях оконечного оборудования оцениваются величиной 3 дБ. * Кроме отражения от входного торца оптического волокна существует отражение от всех разъемных соединений, что вносит в оптический сигнал дополнительные шумы. И соответствует эквивалентные уменьшения мощности сигнала на 0,8 дБ. * Прочие, неучтенные потери принимаются равными 3 дБ. Выходная оптическая мощность лазера с оптическим изолятором составляет 3 дБ. Эти параметры участвуют в составлении запаса мощности ВОСПИ. Разрабатываемая ВОСПИ должна обеспечить передачу электрического сигнала без или с допустимыми уровнями искажений. К основным искажения, которые могут возникнуть в аналоговой ВОСПИ, относятся нелинейные и линейные искажения. Нелинейные искажения в наших условиях приводят к ухудшению отношения сигнал/шум, то есть к ухудшению чувствительности, а также к появлению ложных сигналов приема. Линейные искажения приводят также к ухудшению отношения сигнал/шум. Наиболее опасными искажениями являются нелинейные, которыми и будет определяться динамический диапазон ВОСПИ, особенно интермодуляционные искажения, создающие помехи с частотами ( mfi + nfj ). Поэтому выбор структуры ВОСПИ, схематических решений составляющих узлов будет направляться на обеспечение минимизации собственных шумов и нелинейных искажений всей ВРСПИ. Очень велики требования к ВОК. 1.1.3 Искажения сигналов в одномодовой аналоговой ВОСПИ. Структура построения ВОСПИ в этом случае соответствует варианту: лазерный излучатель одномодовой ВОК. При этой структуре возникновения искажений заключается в том, что при возбуждении одномодового волокна одномодовым, особенно одночастотным лазером, режим работы такого лазера очень сильно зависит от величины отраженного от неоднородности волокна (оптические разъемы, соединения, оптическая площадка фотодиода на приемном конце) оптического сигнала. Этот отраженный оптический сигнал приводит к появлению дополнительного шума излучения лазера, перескоку мод лазера, релаксационному режиму работы, что в конечном итоге проявляется увеличении нелинейности ватт/амперной характеристике лазера. При коротких длинах ВОСПИ,что характерно для нашего случая и малом затухании оптического сигнала в волокне, эти искажения оказываются очень чувствительными. Допускается мощность обратного оптического сигнала, поступающего на выход лазера должна быть Робр. ?(0,3?1,0)% от мощности излучения лазера. В этом случае режим работы лазера не нарушается и не возникает дополнительных шумов и нелинейных искажений. Искажения в тракте распространения оптического сигнала и режим работы лазерного излучателя сильно зависят от условия эксплуатации ВОК. Если при эксплуатации происходят механические колебания вращения кабеля то это приводит к изменению затухания оптического сигнала из-за появления местной неоднородности и, следовательно, к изменению интенсивности обратного отраженного оптического сигнала, приводящего к изменению режимы работы лазера. Для устранения этого влияния лазерные излучатели должны выполняться с оптическим изолятором на выходе с разверткой Дразв.?30?40 дБ. по оптической мощности. 1.1.4. Экспериментальные наблюдения и измерения искажений сигналов в аналоговых ВОСПИ. |