ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
Образования
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»
«РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА»
Кафедра: «Железнодорожная автоматика, телемеханика и связь»
(название кафедры)
Авторы: Волков А.С., к.тех.н, Журавлев И.А., к.техн.н.
(ф.и.о., ученая степень, ученое звание)
«Основы технического проектирования систем связи»
(название дисциплины)
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ IV КУРСА
Направление/специальность: 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
(код, наименование специальности /направления)
Профиль/специализация: «Оптические системы и сети связи»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: заочная
Москва 2017 г.
С о с т а в и л: кандидат технических наук, доцент А.С Волков, кандидат технических наук, доцент И.А. Журавлев
Р е ц е н з е н т: доктор технических наук, профессор А.В. Горелик
Ó Российская открытая академия транспорта, 2015
Содержание
Введение....................................................................................................... 4
1 Задание и исходные данные на курсовой поект...................................... 5
2 Расчет защищенности сигнала от помехи в точке
решения регенератора оптического тракта................................................ 11
3 Расчет минимальной чувствительности фотоприемника....................... 15
4 Расчет быстродействия волоконно-оптической
линии передачи........................................................................................... 17
5 Расчет порога чувствительности ППМ по быстродействию.................. 19
6. Разработка схемы скремблера и дескремблера..................................... 20
6.1 Принцип построения скремблирующих
и дескремблирующих устройств................................................................. 20
6.2 Разработка схемы скремблера.............................................................. 22
6.3 Разработка схемы дескремблера.......................................................... 25
Литература................................................................................................... 33
Введение
Связь – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества, органично связанная с его эволюцией во всемирном масштабе – от «индустриального» к «информационному». Этому способствуют постоянный рост потребительского спроса на услуги связи и информацию и достижения научно-технического прогресса в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. Анализ тенденций и мирового опыта развития электросвязи, а также результаты прогнозных исследований, выполненных органами Международного союза электросвязи (МСЭ), показывают, что на рубеже XX-XXI вв. человечество вплотную подошло к реализации так называемых «предельных» задач в области развития телекоммуникаций – глобальных персональных систем связи. Глобальность связи обеспечивается созданием Всемирной сети связи, в которую интегрируются национальные (федеральные) и входящие в них региональные и ведомственные сети связи, что позволит любому абоненту пользоваться различными услугами связи в любой точке земного шара. При осуществлении персональной связи любой абонент сможет пользоваться услугами электросвязи по своему личному номеру, который он получит с момента рождения и который будет зарегистрирован во Всемирной сети связи. В активно разрабатываемой МСЭ концепции универсальой персональной связи исключительное место отводится сетям связи с подвижными объектами. Прежде всего, это наземные сети связи с подвижными объектами, в последние десятилетия широко распространившиеся во всем мире. При этом расчет параметров и разработка схем каналообразующих устройств систем связи является актуальной технической задачей, на изучение и решение которой направлена данный курсовой проект.
1 Задание и исходные данные на курсовой проект
Тема курсового проекта: «Основы технического проектирования основных узлов системы связи».
Курсовой проект посвящен техническому проектированию основных узлов системы связи и разработке их схем.
Оформленный курсовой проект должен содержать пояснительно-расчетную записку с приложением необходимых схем и рисунков.
В пояснительно-расчетной записке необходимо привести данные задания, обзорную и расчетную части, описание работы устройств, выводы, перечень использованной литературы.
В процессе расчета величин и параметров элементов необходимо сначала привести расчетную формулу, затем подставить цифровые значения и полученный результат в принятых единицах измерения (СИ) округлить до практически необходимого номинального значения. Схемы надо выполнять в соответствии с ГОСТ-ами на условные обозначения.
При возникновении затруднений в процессе выполнения задания можно лично или письменно - через факультет или кафедру - обратиться к преподавателю за консультацией.
Курсовой проект должен быть подписана исполнителем. Проект, выполненный по варианту, не соответствующему шифру студента, не проверяется и зачету не подлежит. Вариант №0 используется только для примера расчетов. Если последняя или предпоследняя цифра шифра является нуль та выполняется вариант с номером 10.
По исходным данным, приведенным в табл. 1.1 – 1.5, требуется:
1. Выполнить расчет защищенности сигнала от помехи в точке решения регенератора оптического тракта.
2. Выполнить расчет минимальной чувствительности фотоприемника на ЛФД и p-i-n диоде. По результатам расчетов оценить выигрыш.
3. Выполнить расчет быстродействия волоконно-оптической линии передачи при условии, что используются мультиплексоры синхронной цифровой иерархии (STM-4 и STM-16).
4. Рассчитать пороговое значение чувствительности приемно-передающего модуля цифровой системы передачи работающей по оптическому кабелю.
5. Разработать схему скремблера (дескремблера). При помощи алгебраических выражений пояснить принцип работы системы скремблер-дескремблер.
Таблица 1.1 – Исходные данные для выполнения 2, 3 раздела (вариант выбирается по последней цифре шифра зачетной книжки)
Вариант | STM | fT, МГц | l, мкм | рВХ, дБм | h | Т, 0К | СОС, пФ | АПЗ ТР, дБ | QТР |
1,55 | - 28 | 0,85 | 0,12 | ³ 27 | 22,4 | ||||
1,55 | - 28 | 0,8 | 0,6 | ³ 32 | |||||
1,31 | - 26 | 0,82 | 0,15 | ³ 31 | 23,7 | ||||
1,55 | - 27 | 0,65 | 0,18 | ³ 28 | 20,9 | ||||
1,55 | - 28 | 0,74 | 0,085 | ³ 27 | 23,5 | ||||
1,55 | - 25,8 | 0,87 | 0,11 | ³ 26,9 | 22,1 | ||||
1,55 | - 27,2 | 0,77 | 0,17 | ³ 32,1 | 25,8 | ||||
1,31 | - 25,6 | 0,9 | 0,12 | ³ 28 | 20,5 | ||||
1,55 | - 26 | 0,88 | 0,14 | ³ 28,6 | 24,6 | ||||
1,31 | - 29 | 0,6 | 0,2 | ³ 25 | 22,1 | ||||
1,55 | - 25 | 0,77 | 0,19 | ³ 26,8 | 20,9 |
Таблица 1.2 – Исходные данные для выполнения раздела 4 (вариант выбирается по предпоследней цифре шифра)
Вариант | l, мкм | LРУ, км | σ, пс/нм∙км | Dl, нм | В, Мбит/с |
1,55 | 18,2 | 0,5 | |||
1,55 | 16,8 | 0,37 | |||
1,31 | 17,1 | 0,3 | |||
1,55 | 15,9 | 0,25 | |||
1,31 | 0,38 | ||||
1,55 | 18,5 | 0,46 | |||
1,55 | 16,2 | 0,39 | |||
1,55 | 0,4 | ||||
1,55 | 19,1 | 0,45 | |||
1,31 | 18,5 | 0,39 | |||
1,55 | 17,5 | 0,55 |
Таблица 1.3 – Исходные данные для выполнения раздела 5 (вариант выбирается по последней цифре шифра)
Вариант | В, Мбит/с | pПЕР, дБ | Вариант | В, Мбит/с | pПЕР, дБ |
41,242 | - 4 | 41,242 | - 3,9 | ||
- 4,5 | - 4,4 | ||||
- 5 | - 2,9 | ||||
-3,5 | 41,242 | - 3,1 | |||
- 4,8 | - 3,5 |
Таблица 1.5 – Исходные данные для выполнения раздела 6 (вариант выбираем по предпоследней цифре шифра)
Вариант | Порождающий многочлен генератора ПСП | Последовательность подлежащая скремблированию |
g(x)=1+x+x9+x10 | I=(1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0, 0,0,0,1,0,1,0,1,0,0,1,1,0,0,1) | |
g(x)=1+x2+x7+x10 | I=(1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1, 0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,1,0,1) | |
g(x)=1+x3+x7+x11 | I=(1,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,0,1,1,1, 1,1,0,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0,1) | |
g(x)=1+x2+x9+x10 | I=(1,1,1,0,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1, 0,1,0,0,0,1,1,1,0,0,1,1,0,0,1) | |
g(x)=1+x2+x5+x10 | I=(1,0,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1,1,1,1, 0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1) | |
g(x)=1+x3+x5+x11 | I=(1,0,1,1,0,0,1,1,0,1,1,1,1,1,0, 1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1) | |
g(x)=1+x5+x9+x10 | I=(1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,0,0, 0,1,0,1,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1) | |
g(x)=1+x9+x10 | I=(1,0,0,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1, 0,1,0,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1) | |
g(x)=1+x9+x12 | I=(1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1, 0,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1) | |
g(x)=1+x2+x6 | I=(1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1, 0,1,0,1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1) | |
g(x)=1+x5+x10 | I=(1,1,0,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0, 0,0,0,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1) |
2 Расчет защищенности сигнала от помехи в точке решения регенера тора оптического тракта
В приемнике оптического модуля (ПрОМ) на сигнал главным образом воздействуют собственная и дробовая помехи.
Рис. 2.1 – Типовая схема усилителя фотодетектора
Собственная помеха определяется тепловой помехой, действующей на входе малошумящего усилителя фотодетектора (МУс) и его внутренними помехами. Дробовая помеха обусловлена квантовой природой процессов, происходящих в фотодетекторе (блок фотоприемника ФПр). В качестве МУс обычно используют так называемый трансимпедансный усилитель, являющийся преобразователем «ток-напряжение». Такой усилитель (рис. 2.1) состоит из операционного усилителя (ОУ) с большим коэффициентом усиления по напряжению и резистора Rос, посредством которого создается глубокая общая обратная связь, параллельная по входу и выходу. Резистор Rвх отображает динамическое сопротивление диода ФПр, цепей его смещения и входное сопротивление ОУ. Конденсатор Свх отображает суммарную емкость фотодетектора, монтажа и входную емкость ОУ, а конденсатор Сос - паразитную емкость в точках подключения Rос. Обычно Rвх > Roc, Свх > Сос. При выполнении названных условий можно записать: Uвых/Iф∙Zoc, на низких частотах Uвых/Iф∙Roc, снижение коэффициента передачи более, чем в , раз происходит выше граничной частоты . Если входной оптический сигнал представляет собой последовательность в коде NRZ, граничную частоту можно положить равной тактовой частоте сигнала, тогда сопротивление резистора обратной связи должно удовлетворять условию:
. (2.1)
Действующее значение тока тепловой помехи на входе МУс можно определить по формуле Найквиста:
, (2.2)
где , Дж/град - постоянная Больцмана; Т-температура в градусах Кельвина; , Гц - полоса частот, в которой определяется ток помехи; R, Ом - сопротивление резистора, создающего ток помехи.
В данном случае можно полагать и R = Rос. Внутренние помехи усилителя удобно учитывать посредством его коэффициента помехи Fус, показывающего, насколько снижается помехозащищенность сигнала, проходящего через этот усилитель. Таким образом, ток собственной помехи на входе усилителя будет равен:
. (2.3)
Действующее значение тока дробовой помехи на входе усилителя фотодетектора определяется по формуле Шоттки:
, (2.4)
где , К - заряд электрона; Iф - среднее значение фототока; М - коэффициент лавинного умножения; fB - полоса частот, в которой определяется дробовый ток, ρ - коэффициент, зависящий от свойств материала фотодиода (для кремниевых диодов , для германиевых , для диодов из фосфида индия и других материалов ).
Среднее значение фототока Iф связано со средней мощностью светового излучения на входе ФПр Рвх посредством монохроматической токовой чувствительности:
, (2.5)
где λ - длина волны излучения; η - квантовая эффективность; , Дж∙с - постоянная Планка; с — скорость света в пустоте.
Если выразить λ в мкм, то:
А/Вт. (2.6)
Для pin-диодов M=1, для фотодиодов с лавинным умножением (ЛФД) выходной фототок в М раз больше первичного.
Определим ожидаемое отношение сигнал-помеха Q на выходе усилителя. Можно считать, что последующие элементы ПрОМ практически не ухудшают этого отношения, следовательно, это отношение будет характеризовать помехозащищенность сигнала в точке решения регенератора (ТРР):
. (2.7)
В оборудовании, обладающем невысокого качества, в формулу (2.5) следует ввести также среднеквадратическое значение темнового тока, определяемого случайной тепловой генерацией носителей под воздействием фонового излучения, не связанного с полезным сигналом:
, (2.8)
где Iт - среднее значение темнового тока, величина которого для германиевых фотодиодов равна А, а для кремниевых А.
Исследуя выражение (2.5) на максимум, как функцию М, находим коэффициент лавинного умножения, при котором отношение сигнал-помеха будет максимально.
. (2.9)
Можно показать, что при оптимальном коэффициенте умножения отношение мощностей дробовой и собственной помех равно .
Для pin-диодов M=1 и дробовый шум пренебрежимо мал. Поэтому можно записать:
. (2.10)
Величину , называют эквивалентным шумовым током и обычно указывают среди параметров усилителей фотодетекторов на pin-диодах. В этом случае:
. (2.11)
Пример определения помехозащищенность в точке решения регенерат ора для синхронной цифровой сети
Определить помехозащищенность в ТРР для цифровой синхронной сети третьей ступени иерархии (STM-16, fT = 2,5 ГГц) с длиной волны передатчика мкм, если уровень входного сигнала дБм, фотоприемник выполнен в одном случае на pin-диоде, а в другом на ЛФД. Материал ЛФД - фосфид индия, квантовая эффективность в обоих случаях . Усилитель работает при комнатной температуре , паразитная емкость в цепи обратной связи Сос = 0,12 пФ.
Найдем максимально допустимое значение Rос:
Ом.
Средняя входная оптическая мощность на входе фотоприемника равна:
Вт.
Монохроматическая токовая чувствительность равна:
А/Вт,
тогда среднее значение фототока:
А.
Определим отношение сигнал-помеха в случае использования pin-диода:
.
Тогда:
дБ.
При использовании ЛФД оптимальный коэффициент умножения находится:
Рассчитаем отношение сигнал-помеха в ТРР, равное:
Соответственно помехозащищенность в ТРР:
дБ.
Таким образом, можно сделать вывод, что выигрыш по сравнению с фотоприемником на pin-диоде составляет примерно 12 дБ.
Собственная помеха и дробовая (при условии ее лавинного умножения) имеют Гауссовское распределение мгновенных значений, что позволяет достаточно просто оценить в этих случаях коэффициент ошибки регенератора.
3 Р асчет минимальной