ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ С МЕТОДИЧЕСКИМИ УКАЗАНИЯМИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ IV КУРСА

^{(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)

Таблица 1.2 – Исходные данные для выполнения раздела 4 (вариант выбирается по предпоследней цифре шифра)

Таблица 1.3 – Исходные данные для выполнения раздела 5 (вариант выбирается по последней цифре шифра)

Таблица 1.5 – Исходные данные для выполнения раздела 6 (вариант выбираем по предпоследней цифре шифра)

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 R_ос, посредством которого создается глубокая общая обратная связь, параллельная по входу и выходу. Резистор R_вх отображает динамическое сопротивление диода ФПр, цепей его смещения и входное сопротивление ОУ. Конденсатор С_вх отображает суммарную емкость фо­тодетектора, монтажа и входную емкость ОУ, а конденсатор С_ос - паразитную емкость в точках подключения R_ос. Обычно R_вх > R_oc, С_вх > С_ос. При выполнении названных условий можно записать: U_вых/I_ф∙Z_oc, на низ­ких частотах U_вых/I_ф∙R_oc, 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 = R_ос. Внутренние помехи усилителя удобно учитывать посредством его коэффициента помехи F_ус, 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; I_ф - среднее значение фототока; М - коэффициент лавинного умножения; f_B - 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 I_ф связано со средней мощностью светово­го излучения на входе ФПр Р_вх 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 I_т - 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, f_T = 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 С_ос = 0,12 пФ.

Найдем максимально допустимое значение R_ос:

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