Лабораторный стенд выполнен в пластмассовом корпусе, на верхней панели которого установлены зажимы для подключения солнечной батареи и измерительных приборов, а также переключатель и регулировочный резистор R1, позволяющий изменять сопротивление нагрузки (рис. 10).
Солнечная батарея состоит из двух секций BL1 и BL2. Каждая секция содержит 13 элементов, соединенных последовательно, и имеет отдельные провода для подключения нагрузки: зеленый “минус”, синий – “плюс”. С помощью переключателя секции батареи могут соединяться последовательно или параллельно. При последовательном соединении секций батарея способна вырабатывать напряжение до 12 В.
 |
Рис.10. Схема лабораторного стенда работы № 5
Программа работы
1. Снять вольт-амперные характеристики батареи U = f(IН) при последовательном соединении секций.
2. Снять вольт-амперные характеристики батареи U = f(IН) при параллельном соединении секций.
Указания к выполнению работы
1. Подключите к клеммам лабораторного стенда в соответствии со схемой на его верхней панели секции солнечной батареи, вольтметр и миллиамперметр. Установите тумблер в положение ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО.
2. Отключите Rн (режим холостого хода) путем отсоединения одного из выводов амперметра от клеммы лабораторного стенда. Направьте на батарею свет от электрической лампы. Перемещая лампу в вертикальном направлении, определите и зафиксируйте ее положение, при котором показания вольтметра максимальны. Запишите измеренное напряжение холостого хода и вновь подключите Rн.
Вращая ручку резистора, установите ряд значений тока нагрузки и определите соответствующие им напряжения батареи. Повороту ручки резистора по часовой стрелке до упора соответствует режим короткого замыкания (RН = 0).
3. Отодвиньте лампу на расстояние, при котором напряжение холостого хода батареи составляет около 70 % от максимального значения, полученного в п. 2, и зафиксируйте это положение лампы. По методике п. 2 снимите вольт-амперную характеристику батареи при меньшей освещенности.
4. Переведите тумблер в положение ПАРАЛЛЕЛЬНО и повторите операции, указанные в пунктах 2 и 3.
5. Постройте на одном рисунке графики снятых характеристик U = f(IН).
Контрольные вопросы
1. Приведите примеры практического применения солнечных батарей.
2. Назовите типовые технические характеристики кремниевого солнечного элемента.
3. Покажите на полученных графиках точки, соответствующие режимам холостого хода, короткого замыкания, максимальной мощности в нагрузке.
4. Как изменился ход характеристик U = f(IН) при уменьшении внешней освещенности?
5. Нарисуйте схемы последовательного и параллельного соединения секций BL1, BL2.
6. Чем отличаются параметры батареи при последовательном и параллельном соединении ее секций?
Лабораторная работа № 6
ИЗУЧЕНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Цель работы: изучение структуры, принципа работы, элементной базы и основ расчета волоконно-оптических систем передачи.
Пояснения к работе
Структура ВОСП. Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) – это система передачи информации, в которой все виды сигналов передают по оптическому кабелю. В качестве носителя информации в ВОСП используется модулированное световое излучение, преимущественно инфракрасного диапазона. По сравнению с другими известными системами ВОСП обеспечивают максимальную скорость передачи данных на большое расстояние при высокой помехозащищенности. ВОСП могут быть цифровыми и аналоговыми. Аналоговые ВОСП имеют более узкую сферу применения, например, в сетях кабельного телевидения. Современные информационные системы являются электронными, то есть в качестве носителя информации в них используется электрический сигнал. Поэтому в ВОСП электрический сигнал преобразуется в световой сигнал, который после передачи по оптическому волокну (ОВ) вновь преобразуется в электрический сигнал.
Структурная схема цифровой ВОСП, работающей на одной оптической несущей, представлена на рис. 11. Для передачи информации в прямом и обратном направлениях здесь используется пара оптических волокон, проложенных внутри оптического кабеля. Кабель может содержать сотни оптических волокон. Отрезки кабеля строительной длины соединяются методом сварки внутри оптической муфты. Строительная длина – длина кабеля в катушке при поставке с завода-изготовителя.
 |
Рис. 11. Структурная схема ВОСП без линейных усилителей
Передатчик ВОСП обеспечивает преобразование входного электрического цифрового сигнала в световой цифровой сигнал для передачи по оптическому волокну. Приемник ВОСПосуществляет преобразование оптического цифрового сигнала в электрический. Широкое распространение получили приемопередатчики ВОСП (трансиверы), у которых в одном корпусе объединены передатчик и приемник.
 |
Оптический кросс(шкаф кроссовый оптический) обеспечивает подключение оборудования абонентов к магистральному оптическому кабелю. Оптические волокна магистрального кабеля внутри кросса методом сварки соединяются с пигтейлами – отрезками одножильного оптического кабеля, на одном из концов которых установлена вилка соединителя. Соединители пигтейлов на панели кросса стыкуются с соединителями оптических шнуров, идущих к оборудованию (рис. 12).
Рис. 12. Подключение оптического кабеля к оборудованию
Передатчик ВОСП. Передатчик ВОСП представляет собой совокупность передающего оптоэлектронного модуля и дополнительных устройств преобразования электрического (а иногда и оптического) сигнала. Типичный передающий оптоэлектронный модуль содержит источник излучения (полупроводниковый лазер или излучающий диод), электронные схемы для преобразования входных электрических сигналов и стабилизации режимов работы, а также оптический соединитель или отрезок оптического кабеля. Наиболее широко применяются лазеры с длиной волны излучения 1300 и 1550 нм при выходной мощности до 50 мВт.
По характеру модуляции передатчики ВОСП делятся на передатчики с прямой (внутренней) и внешней модуляцией. В передатчиках с прямой модуляцией мощностью выходного светового сигнала управляют путем модуляции тока питания излучателя. Иными словами, логическому нулю соответствует выключенное состояние излучателя, а логической единице – включенное. Прямая модуляция возможна для всех типов полупроводниковых лазеров и светодиодов и получила наибольшее распространение.
Главный недостаток прямой модуляции – наличие паразитной частотной модуляции (чирпа). Причиной чирпа является то, что при модуляции тока накачки меняется не только мощность, но и частота излучения лазера (вследствие вариаций показателя преломления полупроводника). Чирп приводит к расширению спектра излучения и, как правило, к сокращению дальности широкополосной передачи информации. Поэтому, несмотря на потенциально высокую максимальную скорость передачи (до 10 Гбит/с), передатчики с прямой модуляцией применяются преимущественно в относительно низкоскоростных ВОСП (менее 2,5 Гбит/с) или при небольшой дальности передачи данных.
Указанного недостатка лишены передатчики с внешней модуляцией. Источниками излучения в таких передатчиках, как правило, являются узкополосные одномодовые полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме. Непрерывное оптическое излучение модулируется внешним модулятором, у которого показатель преломления, либо поглощение света изменяется модулирующим сигналом. ВОСП с такими передатчиками позволяют передавать сигналы со скоростью в десятки гигабит в секунду на тысячи километров (с использованием оптических усилителей). Максимальная скорость передачи информации ограничивается быстродействием модулятора и в настоящее время составляет около 40 Гбит/с. Передатчики с внешней модуляцией существенно дороже передатчиков с прямой модуляцией.
В качестве примера на рис. 13 показана функциональная схема передающего оптического модуля серии ПОМ 622/5 с прямой модуляцией (фирма ФТИ Оптроник). Информационный сигнал через буферный усилитель БУ поступает на модулятор М, изменяющий ток накачки лазерного диода ЛД. Стабилизатор оптической мощности СОМ изменяет ток через ЛД таким образом, чтобы мощность оптического излучения оставалась постоянной. На вход СОМ поступают сигналы с фотодиода ФД, на который попадает часть излучения лазера, и источника опорного напряжения ИОН.
Приемник ВОСП. В состав приемника ВОСП входит приемный оптоэлектронный модуль и дополнительные устройства преобразования электрического сигнала. Типичный приемный оптоэлектронный модуль содержит фотодиод, электронные схемы обработки электрического сигнала и стабилизации режимов работы, оптический соединитель или встроенный отрезок оптического кабеля.
Преобразование модулированного светового излучения в модулированный электрический ток происходит в фотодиоде. Ток фотодиода усиливается трансимпедансным малошумящим усилителем, далее линейным усилителем с автоматической регулировкой усиления, фильтруется и попадает в блок восстановления данных. Далее формирователь электрических сигналов обеспечивает на выходе модуля стандартные уровни сигналов, соответствующие «1» или «0».
Важнейшей характеристикой ВОСП является коэффициент ошибок, равный отношению числа ошибочно интерпретированных символов к общему числу переданных символов. Причина возникновения ошибок – собственные шумы фотодиода. Если полезный сигнал, приходящий из линии, мал и соизмерим с шумом фотодиода, то резко возрастает вероятность неправильной интерпретации принятого бинарного кода («1» или «0»?). Уровень полезного оптического сигнала должен с некоторым запасом превышать уровень шума фотодиода. Минимальное значение средней мощности оптического излучения, необходимое для передачи сигналов с заданным коэффициентом ошибок, называется чувствительностью оптического приемника.
 |
Рис. 13. Функциональная схема передающего модуля серии ПОМ 622/5
Форматы модуляции оптического излучения. В настоящее время в ВОСП, как правило, применяется амплитудная модуляция излучения. Наиболее популярным форматом амплитудной модуляции является формат без возвращения к нулю NRZ (Non Return to Zero) (рис. 14). В этом формате сигнал логической «1» представляет собой световой импульс, длительность τ которого равна периоду Т следования символов: τ = T = 1/ B (где B – скорость передачи). Логическому «0» соответствует отсутствие светового сигнала или сигнал меньшего уровня. В формате NRZ соседние импульсы «1» сливаются друг с другом в длинный непрерывный световой импульс.
 |
а) б)
Рис. 14. Форма сигнала форматов NRZ (а) и RZ (б)
В формате с возвращением к нулю RZ (Return to Zero) символ «1» представляет собой световой импульс, у которого длительность τ может варьироваться, но всегда выполняется условие τ < T (соседние импульсы «1» отделены друг от друга). Чтобы сформировать такой RZ-импульс «1» из светового NRZ-импульса с помощью модулятора вырезается некоторая его часть. Формат RZ широко применяется в системах, работающих на скоростях 10 Гбит/с, поскольку по сравнению с форматом NRZ он обеспечивает меньшее влияние на передаваемую информацию искажений, вызванных с нелинейностью оптического волокна и поляризационной модовой дисперсией.
Параметры ВОСП выбираются таким образом, чтобы коэффициент ошибок (BER) не превышал установленное значение (обычно 10–9), при этом лимитирующими факторами являются полоса пропускания, обусловленная дисперсией, и затухание сигнала в оптическом канале.
Дисперсия. Дисперсия проявляется в уширении длительности оптического импульса по мере его распространения по оптоволокну (рис. 15). Дисперсия имеет размерность времени и определяется по формуле
где τвых и τвх – длительности импульсов на выходе и входе кабеля, измеренные на уровне половины амплитуды импульса.
 |
Рис. 15. Форма световых импульсов на входе (а) и выходе (б) ОВ
Импульсы на выходе ОВ не должны перекрываться, иначе приемник не сможет их распознать. Для снижения коэффициента ошибок принимается
τвых ≤ Т 0/2.
При этом битовый интервал Т 0 связан со скоростью передачи данных (битрейтом) B 0 соотношением
Т 0 = 1/ B 0.
На практике, особенно для многомодового волокна, чаще пользуются термином «полоса пропускания». Физический смысл W – это предельно допустимая частота модуляции передаваемого сигнала. При расчете полосы пропускания W можно пользоваться формулой:
W = 0,44/τрез, (1)
где τрез – результирующая дисперсия.
Дисперсия линейно растет с ростом расстояния, поэтому, чем больше дальность, тем уже полоса пропускания. В справочных данных ОВ обычно указываются удельные значения дисперсии и полосы пропускания на 1 км длины волокна. Необходимо чтобы полоса пропускания волокна на рабочей длине волны соответствовала максимальной скорости передачи данных.
Дисперсия в общем случае имеет несколько составляющих: межмодовую τmod, хроматическую τchr и поляризационную модовую τpmd. При выполнении лабораторной работы поляризационная модовая дисперсия τpmd не учитывается, поскольку она значительно меньше τmod и τchr.
Результирующая дисперсия τрез определяется по формуле
τ2рез = τ2mod + τ2chr. (2)
Межмодовая дисперсия τmod возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой дисперсии. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления сердцевины ОВ от длины волны. Причиной волноводной дисперсии является зависимость коэффициента распространения моды от длины волны.
Результирующее значение хроматической дисперсии определяется как
τchr = Δλ∙ L ∙[ M (λ) + N (λ)] = Δλ∙ L ∙ D (λ),∙ (3)
где M (λ) и N (λ) – соответственно коэффициенты материальной и волноводной дисперсии, пс/(нм∙км);
D (λ) – коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм∙км);
Δλ – ширина спектра источника излучения, нм;
L – длина оптического волокна, км.
Значение N (λ) всегда положительно, в то время как M (λ) в зависимости от λ может быть как положительным, так и отрицательным. При определенной длине волны происходит взаимная компенсация M (λ) и N (λ) и коэффициент хроматической дисперсии D (λ) обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии λ0. Например, для одномодового ступенчатого волокна λ0 = 1310 нм. Из-за разброса параметров ОВ обычно указывается диапазон длин волн, в пределах которого может варьироваться значение λ0.
По дисперсионным характеристикам одномодовые волокна разбиваются на три основных типа: стандартные волокна с несмещенной дисперсией SF, волокна со смещенной дисперсией DSF и волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.
У ступенчатого одномодового волокна SF при λ = 1310 нм дисперсия минимальна (хроматическая дисперсия обращается в ноль), однако затухание не самое низкое (0,3…0,4 дБ/км). В окне прозрачности 1550 нм затухание минимально (0,2…0,25 дБ/км), но дисперсия больше, чем при λ = 1310 нм.
В одномодовом волокне DSF со смещенной дисперсией длина волны нулевой дисперсии смещена в окно 1550 нм. В таком волокне реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму затухания. Поэтому волокно DSF лучше всего подходит для создания протяженных ВОСП.
В системах со спектральным мультиплексированием (CWDM) используется другой критерий – минимум искажений сигналов с различной длиной волны. Этому требованию удовлетворяет одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF, оптимизированное для передачи сразу нескольких длин волн, используемых в системах CWDM.
Затухание оптического сигнала. Затухание сигнала связано с неидеальной прозрачностью линии и рассеянием части светового сигнала на локальных неоднородностях волокна (места сварки, разъемные соединения). Поэтому энергия светового сигнала на выходе оптического волокна всегда меньше, чем на его входе. ВОСП является работоспособной только в том случае, если ее мощность светового сигнала на входе фотоприемника превышает его порог чувствительности. Иными словами, выходная оптическая мощность передатчика должна с некоторым запасом превышать суммарные оптические потери в линии связи. С учетом этого условие работоспособности ВОСП имеет вид:
Р опт – Р пор – А нс∙ n нс – А рс∙ n рс – α∙ L – А зап ≥ 0, (4)
где Р опт – выходная оптическая мощность передатчика, дБ;
Р пор – пороговая чувствительность фотоприемника, дБ;
А нс и А рс – среднее затухание оптического сигнала на неразъемных и разъемных оптических соединениях, дБ;
n нс, n рс – число неразъемных и разъемных соединений;
α – коэффициент затухания оптического волокна, дБ/км;
L – длина кабеля, км;
А зап – запас по оптическому затуханию, дБ.
Необходимость запаса Азап обусловлена тем, что мощность передатчика падает с течением времени, а потери в ОВ имеют тенденцию к возрастанию в результате деформаций кабеля при прокладке. Обычно принимают запас 3 дБ для аппаратуры и 3 дБ для кабеля, что в сумме дает А зап = 6 дБ.
Количество неразъемных сварных соединений в линии
n нс = L/l стр, (5)
где l стр – строительная длина кабеля.
Выражение, стоящее в левой части формулы (4) называют энергетическим балансом ВОСП. Широко используется также показатель «энергетический потенциал» ВОСП.
Энергетический потенциал Э определяется следующим образом, дБ:
Э = 10 lg(Р опт / Р пор).
Если Р опт и Р пор выразить в дБ (относительно уровня 1 мВт), получим
Э = Р опт (дБ) – Р пор (дБ).
Типичные значения Э составляют от 40 до 60 дБ.
Программа работы
1. Изучить устройство ВОСП, работающей на одной длине волны.
2. Определить полосу пропускания ВОСП и максимальную скорость передачи данных.
3. Провести проверку энергетического баланса ВОСП.