Передача аналогового телевизионного сигнала в гибридной кабельной сети

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования Российской Федерации

Томский Государственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧ и КР)

ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА В ГИБРИДНОЙ КАБЕЛЬНОЙ СЕТИ

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Оптические системы передачи»

2000

Содержание

  • 1. Введение
  • 2. Аннотация
  • 3. Выбор топологии сети кабельного телевидения
  • 4. Выбор оптического кабеля
  • 5. Расчетная часть
  • 5.1 Расчет суммарного затухания
  • 5.2 Расчет энергетического бюджета
  • 5.3 Оконечный каскад передающего оптического модуля (ПОМ)
  • 5.3.1 Выбор источника излучения
  • 5.3.2 Расчет схемы выходного каскада ПОМ
  • 5.4 Приемный оптический модуль (ПрОМ)
  • 5.4.1 Выбор фотоприемника
  • 5.4.2 Расчет входного каскада ПрОМ
  • 5.5 Расчет помехоустойчивости
  • 6. Заключение
  • Список использованных источников
  • Приложения

1. Введение

Волоконно-оптические линий связи с использованием аналоговой модуляции применяются главным образом в сетях кабельного телевидения (КТВ). В основном — это гибридные системы, у которых от вещательного центра (или телестудии), информация передается по оптическому кабелю к какому-либо районному центру, от которого к абоненту сигналы ТВ поступают по коаксиальным кабелям. По своим качественным характеристикам системы КТВ разделяются на две категории: малоканальные (чаще всего одноканальные) системы со студийным качеством и многоканальные системы с качеством, удовлетворяющим требованиям ГОСТ для абонентов телевидения. И в первом и во втором случаях требования к параметрам линейного тракта для аналоговых систем КТВ, в том числе и для оптических, значительно более жесткие, чем для цифровых систем передачи. Так, один из основных параметров ТВ систем — отношение сигнала/шума в полосе частот телевизионного канала 6,5 МГц должно быть для студийных передач не менее 70 дБ, для абонентских — не менее 48дБ, неравномерность АЧХ тракта в той же полосе не должна превышать ±5%. Для того, чтобы выполнить требования, в системах КТВ в передающем модуле применяются полупроводниковые лазеры с повышенной линейностью ватт-амперной характеристики (кривой зависимости выходной оптической мощности от тока накачки лазера). Помимо прочего, для уменьшения шумов в оптическом тракте необходимо исключить влияние паразитной оптической обратной связи на активную область кристалла лазера, то есть обеспечить оптическую развязку. Эта обратная связь образуется в следствии отражений от неоднородностей в оптическом волокне — входного торца, мест соединений и других возможный локальных неоднородностей. Для уменьшения влияния этих отражений на передающей стороне на выходе лазера включается оптический изолятор. Чаще всего этот элемент интегрируется в одном корпусе с лазером. Кроме того, параметры излучения лазера — длина волны, ширина линии излучения и уровень мощности — поддерживаются постоянными путем стабилизации температуры. Это достигается с помощью элемента Пельтье (микрохолодильника), встроенного интегрально также в корпусе лазера. Для уменьшения оптической обратной связи применяются оптические разъемы со скошенными торцами, то есть разъемы, у которых торец штырька наклонен к оси под углом 7. 12° (в зависимости от типа оптического разъема).

Очень важное значение имеет выбор схемы частотного детектора в том случае, когда телевизионный сигнал передается на поднесущей методом частотной модуляции. Для систем со студийным качеством это условие обязательно.

Большинство систем КТВ работают на длинах оптических волн 1280. 1335 нм. В тех же системах КТВ, которые работают в третьем окне прозрачности ОВ (1530. 1565 нм), на передающей стороне, а также в промежуточных пунктах и на приеме, могут применяться волоконно-оптические усилители.

2. Аннотация

В данной курсовой работе представлена попытка расчета гибридной волоконно-коаксиальной сети кабельного телевидения. Приведены расчеты выходного каскада передающего оптического модуля и входного каскада приемного оптического модуля.

3. Выбор топологии сети кабельного телевидения

Структура интерактивных многофункциональных информационных сетей включает в себя распределительные сети приемных систем телевидения и радиовещания (далее — кабельные сети телевидения) и сети, создаваемые на базе систем фиксированной службы высокой плотности (радиосистем широкополосного доступа). Перечисленные сети должны быть взаимно дополняющими друг друга (их комбинации и сочетания определяются экономическими возможностями требуемой сети и техническими требованиями построения конкретной структуры) либо эти сети должны работать параллельно. Примером взаимодополнения может служить либо использование радиосистем типа MMDS, LMDS и MVDS для распределения сигналов от головной станции кабельного телевидения до домовых узлов или непосредственно до абонентов, либо распределение сигналов по кабельным сетям в пределах одного здания, включенного в сеть радиосистем типа MMDS, LMDS и MVDS.

Параллельные сети — это сети, предназначенные для обслуживания абонентов одной зоны и не имеющих общих электрических соединений по радиочастоте. Параллельные сети могут использовать как одинаковую, так и разную среду распространения сигналов.

Сети, лежащие в основе развития информационно-телекоммуникационной инфраструктуры страны, могут создаваться на основе любых действующих сетей (кабельного телевидения, телефонной, сетей передачи данных, цифровых информационных потоков и др.). Главное требование — они должны позволять доставку абоненту всей требуемой информации (программы телевизионного и звукового радиовещания; телефонная связь; цифровая информация, включая Internet; передача данных; оповещение населения при чрезвычайных ситуациях и пр.) и обмен ею между абонентами. Вызывает сожаление то, что до сих пор не удается добиться взаимопонимания между операторами электрической связи и ТВ кабельных сетей. Использование ими раздельных сооружений связи не позволяет снизить затраты на их создание и эксплуатацию. Было бы взаимовыгодным размещение магистральных узлов широкополосных кабельных и гибридных сетей в зданиях АТС (приложение Б), так как они оптимально расположены с учетом концентрации населения, имеют надлежащее энергообеспечение и защиту, а с установкой нового оборудования у них появляются существенные резервы производственной площади.

Справедливости ради нужно заметить, что кое-где подобные решения уже реализованы на практике. Единственная канализация телевидения, телефонии и проводного радиовещания осуществлена в г. Набережные Челны и в Автозаводском районе г. Тольятти. В Москве студия и головная станция кабельных сетей, обслуживаемых ГЦРТ, размещены в здании районной АТС на правах аренды.

Главная проблема существующих кабельных сетей телевидения состоит в том, что подавляющая их часть построена с применением оборудования с полосой рабочих частот 48. 240 МГц, позволяет довести до абонентов порядка 11 телевизионных программ гарантированного качества и не имеет обратных каналов. Подобные сети к настоящему времени морально устарели, не отвечают потребностям «Современной сети с полным набором услуг». Они представляют собой сгруппированные по административным округам, кварталам и отдельным домам разрозненные и не связанные между собой распределительные сети.

Учитывая их распространенность, необходима поэтапная реконструкция (вплоть до полной замены) таких сетей, позволяющая расширить рабочую полосу частот, обеспечить организацию обратных каналов и переход к цифровым методам передачи. Вновь создаваемые сети должны строиться на современном оборудовании, выполняя все положенные концепции.

Первостепенными шагами на пути перехода к единой информационно-телекоммуникационной сети города на базе кабельных сетей являются:

Создание «гибридных волоконно-коаксиальных сетей», целью которых является объединение разрозненных кабельных сетей между собой и создание единой глобальной широкополосной сети на базе волоконно-оптической техники. Сети на всех участках (до домовых распределительных узлов) должны резервироваться, чтобы обеспечить возможность взаимного обмена информацией между разными источниками. Разные службы, которые могут взять на себя доведение до абонентов всей надлежащей информации, должны обеспечить взаимное согласование стандартизованных интерфейсов, электрических характеристик линии подачи и распределения сигналов. В таком случае единая информационно-телекоммуникационная сеть города или региона может быть гибридной, использующей различные технологии и физическую среду распространения, что диктуется оптимизацией решения с точки зрения экономических и технических аспектов.

Модернизация действующих кабельных сетей с целью расширения полосы частот распределения в прямом направлении до полосы 48. 862 МГц (с возможностью увеличения верхней границы до 1000 МГц) и создания каналов обратного направления в полосе частот 5. 30 МГц (с возможностью увеличения верхней границы до 65 МГц в коаксиальном кабеле и до 200 МГц в оптическом кабеле).

Согласно выше изложенному, сеть кабельного телевидения будет использовать кабельную канализацию на ровне с телефонной сетью. На начальном этапе ввода системы интерактивного кабельного телевидения необходимо иметь канал для передачи аналогового телевидения. Это связано с тем, что многие абоненты просто не имеют возможности принимать телевизионное изображение в цифровом виде. Поэтому используя единую сеть и организовав передачу изображения в аналоговом виде, мы тем самым можем увеличить количество абонентов сети кабельного телевидения. Согласно рисунку, который приводится в приложении А, максимальная длина участка между двумя АТС составляет 2 500 метров, на что уйдет одна строительная длина оптического кабеля, а максимальная длина участка, по которому аналоговый оптический сигнал будет распространяться без ретрансляторов, составляет 6 500 метров (согласно тому же приложению А).

В соответствии с техническим заданием на курсовой проект 30 телевизионных каналов должны занимать полосу в 240 МГц из расчета 8 МГц на один телевизионный канал.

4. Выбор оптического кабеля

В существующих сетях кабельного телевидения используются одномодовые оптические кабели (ОК). Приведем основные критерии, по которым производится выбор ОК:

· требуемая полоса пропускания;

· коэффициент затухания;

· дисперсия;

· строительная длина ОК;

· механические характеристики.

Коэффициент затухания в оптическом волокне (ОВ) зависит от длинны волны источника излучения, так как ОВ имеет окна прозрачности — это длинны волн, на которых коэффициент затухания в ОВ является минимальным. На сегодняшний день распространены окна прозрачности 0. 85мкм, 1. 33мкм и 1. 55мкм, в последнее время появились еще дополнительные окна прозрачности.

Дисперсия в ОВ измеряется в пс/ (нм·км) и показывает «размытие» сигнала в пространстве на определенном расстоянии от источника сигнала.

Под механическими характеристиками ОК понимают следующее: сопротивляемость к растяжению (то есть какую нагрузку может выдержать ОК при действии растягивающей силы), сопротивляемость к давлению (Н/см2), сопротивляемость к скручиванию, к навиванию и т. д.

В связи с тем, что расстояние между АТС мало и по причине использования аналоговой системы, то требования к ОК не являются столь критичными, как, например, в WDM, системах или на магистральных волоконно-оптических линиях связи.

Возьмем оптический кабель, предлагаемый фирмой Corning SMF-28TM CPC3 (стандартный одномодовый оптический кабель). Отечественным аналогом данного оптического кабеля является оптический кабель фирмы «Телеком Комплект Сервис» — Оптический кабель с полиэтиленовой оболочкой марки ОКС. Параметры выбранного ОК представлены в таблице 1.

Таблица 4.1 — Технические характеристики оптического кабеля

Марка оптического кабеля

ОКС

Тип оптического волокна

SM (10/125)

Коэффициент затухания, дБ/км

0,35

Хроматическая дисперсия пс/нм*км

3,5

Полоса пропускания МГц*км

-

Количество модулей

6/8

Максимальный диаметр кабеля (dkab), мм

16−21

Минимальный радиус изгиба (при температуре не ниже 10°С), мм

20 х DКАБ

Температурный диапазон,°С

-40 — +50

Допустимое растягивающее усилие, кН

3,5

Допустимое раздавливающее усилие, Н/см

1000

Масса кабеля, кг/км

190−240

Строительная длина, м, не менее

2500

Количество волокон в модуле

1 — 6

Данный кабель предназначен для прокладки в кабельной канализации, трубах, коллекторах, в легких грунтах.

5. Расчетная часть

5.1 Расчет суммарного затухания

Рассчитаем суммарное затухание на линии связи между двумя наиболее удаленными пунктами приемо-передачи (между головной станцией и самым дальним распределительным пунктом TV-каналов).

Формула для вычисления суммарного затухания имеет вид:

бру = 2боср + q босн + Lру + бt + бв, дБ, (5. 1)

где боср — затухание, вносимое разъёмным оптическим соединителем, равное 0,5…1,5 дБ (возьмем 1 дБ); q — число неразъёмных оптических соединителей (так как максимальная длина участка, по которому аналоговый оптический сигнал будет распространяться без ретрансляторов, составляет 6 500 метров, а строительная длина кабеля равна 2 500 м, то q=6500/2 5003); босн - затухание, вносимое неразъёмным оптическим соединителем (сварочное соединение) дБ, Современные сварочные аппараты обеспечивают потери 0,05 дБ; - коэффициент затухания ОВ, дБ/км; Lру — максимальная длина участка, км; бt — допуски на температурные изменения параметров ЦВОСП, в том числе и ОК, для типовых ВОСП равные 0,5…1,5 дБ (возьмем 1 дБ); бв — допуски на ухудшение параметров элементов ЦВОСП со временем (старение, деградация и т. п.), бв=2…4 дБ (зависит от типов источника и приёмника оптического излучения и их комбинаций, возьмем 3 дБ).

И так, подставив все известные значения в формулу (5. 1) мы рассчитаем суммарное затухание на интересующем нас участке:

бру = 2 1 + 3 0. 05 + 0. 35 6. 500 + 1 + 3 = 8. 485, дБ

5.2 Расчет энергетического бюджета

Энергетический бюджет — это та мощность, которую необходимо предусмотреть в передающем модуле, чтобы потери в линии связи не влияли на принимаемый сигнал. Рассчитаем энергетический потенциал линии, опираясь на рисунок в приложении А. Энергетический потенциал линии рассчитывается по следующей формуле:

Э = Рпер - Рпр =бсобст l + бnep + бпр +брад n + (5. 1),

где бсобст = 0,35 дБ/км — собственные потери, брад (дБ) — радиальные потери, бпер =2 дБ — потери при вводе излучения в ОВ, бпр = 2 дБ — потери на выходном торце ов, = 6 дБ — запас по энергии, n — количество изгибов кабеля в канализации.

Радиальные потери — это потери вызванные изгибом оптического кабеля при прокладке в кабельной канализации. Приведем зависимость данного вида потерь от радиуса изгиба.

Для этого воспользуемся формулой, которая показывает, как изменяются радиальные потери от радиуса изгиба:

Используя программное обеспечение MathCad 2000 построим зависимость радиальных потерь от радиуса изгиба ОВ (смотри рисунок 5. 1).

кабельная сеть оптическая связь

Рисунок 5.1 — График зависимости затухания (дБ) в ОВ от радиуса изгиба (мм) ов.

Как видно из графика данный вид потерь проявляет себя в достаточной степени только при радиусе изгиба меньшем 30 мм. Это дает право при расчете энергетического запаса линии передачи не учитывать данный вид потерь, так как в кабельной канализации радиус изгиба все-таки больше чем 30 мм.

Подставляя значение длины оптического кабеля в выражение (5. 1) получим, что

Э = Рпер - Рпр =0. 35 6.5 + 2 + 2 + 6 = 12,275 (дБ)

5.3 Оконечный каскад передающего оптического модуля (ПОМ)

5.3.1 Выбор источника излучения

Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

Излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна.

В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигается меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

Источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

Источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

Температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения.

Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время — светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами — это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения (Дл=30−50 нм), в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр (Дл,=0,1−0,4 нм). Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

В качестве активного элемента выберем лазерный диод фирмы Fujitsu марки FLD3F8CZ, который предназначен для передачи аналоговых сигналов в сетях кабельного телевидения. Данная модель лазера относится к DFB лазерам (лазерные диоды с распределенной обратной связью). Резонатор у этого типа лазера представляет собой модификацию плоского резонатора Фабри-Перо, в которой добавлена периодическая пространственная модуляционная структура. В DFB лазерах периодическая структура совмещена с активной областью. Периодическая структура влияет на условия распространения и характеристики излучения. Так, преимуществами DFB лазеров по сравнению с FP лазером являются: уменьшение зависимости длины волны лазера от тока инжекции и температуры, высокая стабильность одномодовости и практически 100-процентная глубина модуляции. Температурный коэффициент Дл/ ДT для FP лазера порядка 0,5−1 нм/°С, в то время как для DFB лазера порядка 0,07−0,09 нм/°С.

Характеристики данного лазера приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 — характеристики лазера марки FLD3F8CZ.

Выходная оптическая мощность

8

МВт

Прямой ток

150

мА

Напряжение смещения

2

В

Пороговый ток (макс)

20

мА

Прямое напряжение (макс)

1,5

В

Полоса (макс)

1,5

ГГц

RIN

-155

ДБ/Гц

С помощью ватт-амперной характеристики, изображенной на рисунке 5. 2, зададимся изменениями прямого тока, модулирующего излучение лазера, IFo=40 мА, IFmin=15 мА, IFmax=65 мА. Тогда, согласно рисунку, получим Ро=1 мВт, Ро=4,5 мВт, Ро=7,5 мВт.

5.3.2 Расчет схемы выходного каскада ПОМ

Рисунок 5.2 — ватт-амперная характеристика лазера.

Для начала выберем схему, на основе которой будем рассчитывать оконечный каскад ПОМ. Возьмем каскад, выполненный по схеме эмиттерного повторителя. Данный каскад предназначен для модуляции интенсивности лазерного диода и представляет собой усилитель тока.

Схема каскада эмиттерного повторителя приведена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 — Принципиальная схема эмиттерного повторителя оконечный каскад ПОМ

Теперь необходимо выбрать транзистор, на основе которого будем рассчитывать оконечный каскад ПОМ. Параметры и характеристики транзистора должны удовлетворять требованиям по полосе усиления, по предельным значениям коллекторного тока, напряжения питания. Транзистор, который удовлетворяет перечисленным требованиям, является биполярный транзистор BFT93. Характеристики выбранного транзистора показаны в таблице 5.2.

Таблица 5.2 — Характеристики транзистора BFT93

Тип элемента

РК maxmax), мВт

Т п max,

?C

H21э (H21Э)

[S21 тип]

UКБ (UКЭ), В

IЭ (IК),

мА

IКБ 0 (IКЭ R),

мкА

f гр (f h21),

ГГц

BFT93

200

150

20

[5]

[30]

0. 05

5

Для определения режима работы транзистора нужно задать ток эмиттера, определяемый из паспортных данных диода как прямой ток середины выбранного рабочего диапазона на ватт — амперной характеристике (смотри рисунок 5. 1). Он равен I0 = 40 мА. При этом токе напряжение на диоде U LD =1,5 В. Напряжение питания транзистора определяется следующим образом:

, (5. 1)

где Uвых=ULD+UКЭ, а Uн — напряжение начального нелинейного участка выходных статических характеристик транзистора, (порядка 2В). Напряжение UКЭ = 5 В (смотри табл.5. 2). Получаем, что Еп=8,5 В. Существует стандартный ряд напряжений питания, ближайшее из которых составляет 9 В. Кроме того необходимо включить в цепь эмиттера ограничитель по току, выполняющий также функцию термостабилизации. Примем Еп=9 В,

(5. 2)

Таким образом получим R3=83. 3Ом, а поскольку надо стандартное значение из ряда сопротивлений, то примем R3=100 Ом.

Расчет цепей питания каскада:

Вычисляется потенциал в цепи базы — Uб.

, (5. 3)

где UБЭ = 0,8 В.

Таким образом UБ=2,8 В.

Сопротивление делителя:

, (5. 4)

где — ток базового делителя, а.

Параметр h21=20 — указан в параметрах транзистора.

Таким образом IБ=1,5 мА, Iд=15 мА и искомое сопротивление R2=186.6 Ом. Ближайшее стандартное значение 200 Ом. Далее находим сопротивление R1 по формуле:

= 375. 7575 Ом.

Ближайшее стандартное значение равно 375 Ом.

5.4 Приемный оптический модуль (ПрОМ)

5.4.1 Выбор фотоприемника

Приемные оптоэлектронные модули (ПрОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция — преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический, последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Основными функциональными элементами ПрОМ являются:

Фотоприемник, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму;

Каскад электрических усилителей, усиливающих сигнал и преобразующих его в форму, пригодную к обработке;

Демодулятор, воспроизводящий первоначальную форму сигнала.

Технические характеристики фотоприемников.

Факторы, влияющие на технические характеристики фотоприемников, сложны и сильно взаимосвязаны между собой. На первый взгляд может показаться, что достаточно выбрать только три параметра — чувствительность, быстродействие, цену. На практике эти факторы часто оказываются зависящими от других факторов, включая рабочую длину волны, выбор волокна и передатчика, темновой ток, шумовые характеристики, тип кодировки передаваемого сигнала (для цифровых систем передачи) и др.

Ниже рассмотрены главные из них: токовая чувствительность; квантовая эффективность; темновой ток; время нарастания и спада; эквивалентная мощность шума; соотношения сигнал/шум и чувствительность аналоговых систем; частота появления ошибок и чувствительность цифровых систем; насыщение ПРОМ; максимально допустимое обратное напряжение; рабочий диапазон температур; наработка на отказ.

Токовая чувствительность Sph (А/Вт) определяется как

SPh=Iph/P (л) (6. 2),

где Iph — фототек, a P (л) — полная оптическая мощность излучения на длине волны л, падающего на фоточувствительную площадку. Токовая чувствительность характеризует фотоприемник при низких частотах модуляции.

Квантовая эффективность Ю (безразмерная величина) определяется как

Ю =Nе/Nph (5. 3),

где Nph — количество фотонов, падающих за единицу времени на приемник, a Ne — количество рожденных в результате этого свободных электронов (или электронно-дырочных пар).

Между токовой чувствительностью и квантовой эффективностью существует простая связь Sph= (e л Ю |) / (hc), где е — заряд электрона, л — длина волны, h — постоянная Планка (6,63*10-34 ДЖ*сек), с — скорость света. С подстановкой значений констант получаем

Ь= (л Ю) /1,24 (5. 4).

Типичное значение токовой чувствительности для p-i-n фотодиодов в рабочих диапазонах составляет 0,5−0,8 А/Вт, а для лавинных фотодиодов 20−60 А/Вт.

Темновой ток Id (А) протекает при обратном смещении через нагрузку в отсутствии падающего на фотодиод излучения. Его величина зависит от материала полупроводника, температуры окружающей среды, конструкции фотоприемника. Максимальное значение этот ток утечки имеет в фотодиодах, изготовленных из германия, и составляет от долей до единиц миллиампер. Этот ток добавляется к току полезного сигнала, когда на фотодиод поступает свет.

Для изучения шумовых характеристик приемника используется также еще два шумовых тока: дробовой ток Isn — для p-i-n фотодиода Isn= (2·e·Id·B), где е — заряд электрона, В — полоса пропускания (частота модуляции); и тепловой Джонсоновский ток Ijn= (4·K·T·B/R) ½, где К — постоянная Больцмана (1,38* 10-23 Дж*К), Т — абсолютная температура (К), В — полоса пропускания, R — сопротивление (Ом). Полный шумовой ток 1П определяется, как среднее квадратичное дробового и теплового токов In= (Isn2+Ijn2) ½. Эквивалентная мощность шума Рп (Вт) — это одна из наиболее важных характеристик, учитывающих шумовые свойства фотоприемников. Она определяет минимальную мощность оптического сигнала на входе фотоприемника, при которой отношение сигнал/шум равно единице, и вычисляются по формуле

Pn=In/Sph (5. 5),

где In — полный шумовой ток.

Фотоприемниках, применяющихся в ВОЛС, имеет место доминирование дробового тока над тепловым, это связано с тем, что на фотоприемник подается обратно смещенное напряжение, приводящее к темновому току, который в свою очередь, влияет на дробовой ток. Только при нулевом напряжении смещения темновой и, следовательно, дробовой токи отсутствуют.

Главная функция фотоприемника — это как можно более точное воспроизведение оптического сигнала, получаемого из волокна. Две фундаментальные характеристики влияют на то, как хорошо фотоприемник справляется с этой задачей: амплитуда входного сигнала и уровень шумов.

Для аналоговых систем отношение сигнал/шум измеряется количественно. На практике приемлемое соотношение сигнал/шум зависит от приложения — для одних хорошим соотношением может быть величина 50−60 дБ, для других 30 дБ. Зная Рп и требования к отношению сигнал/шум, можно определить минимальный входной сигнал Pn_min — чувствительность аналогового ПрОМ, при котором вносимые искажения и шумы будут в пределах нормы.

Максимально допустимое обратное напряжение U — это напряжение, превышение которого может привести к пробою фотоприемника и его разрушению. Наряду с этим значением или вместо него изготовители фотоприемников могут указывать просто обратное рабочее напряжение. Если выбрать меньшее значение рабочего напряжения, то будет ограничена область линейной характеристики фотоприемника.

Вследствие поиска фотоприемника, был выбран фотоприемник фирмы Fujitsu марки FRM5W231KT/LT. Характеристики фотоприемника приведены в таблице 6.1.

Таблица 5.3 — Характеристики фотоприемника

Температурный диапазон

-40. +85

°С

Обратное напряжение

0. 30

В

Токовая чувствительность

0,85

А/Вт

Напряжение пробоя

30

В

Сопротивление фотодиода

1100

Ом

Полоса частот

7,5

ГГц

Входная оптическая мощность

-31

дБм

Питающий ток

110

мА

Эквивалентная мощность шума

3. 3·10 - 14

Вт/ (Гц) ½

Питающее напряжение

-5,2

В

5.4.2 Расчет входного каскада ПрОМ

Рассчитаем входной каскад ПрОМ, выполненного на основе операционного усилителя.

Рисунок 5.4 — Схема входного каскада ПрОМ чувствительность приемника составляет — 31 дБм, что соответствует мощности сигнала Pc=0,785мкВт. Таким образом предположим, что на фотодиод поступает оптический сигнал мощностью Pc=0,785мкВт.

Параметры фотодиода приведены в таблице 5. 3, откуда видно, что чувствительность составляет 0,85 A/Вт. В цепи диода будет протекать ток, равный

Id = 0. 785·10-6·0. 85 = 0. 667 (мкА).

Величина сопротивления нагрузки определяется как

, (5. 6)

где RВХ — входное сопротивление операционного усилителя, равное МОм. Основные параметры операционного усилителя приведены в приложении 2. Таким образом кОм. Падение напряжения на определяется как

(5. 7)

и равно В. Это входное напряжение усилителя. Для входного каскада большого усиления не требуется, кроме того для нормальной работы каскада необходимо выполнение неравенства:

, (5. 8)

где FT — частота единичного усиления, а FВ — частота, соответствующая скорости передачи. Таким образом примем. При расчете R и Rос должно выполняться условие, согласно которому равно их параллельному соединению. В то же время

, (5. 9)

отсюда. Решая простое уравнение, получим, что кОм, а кОм.

5.5 Расчет помехоустойчивости

Эффективность приема оптического сигнала зависит от того, как мы сможем избавиться от шумовых эффектов, которые возникают при приеме оптического сигнала.

Помехоустойчивость системы кабельного телевидения будет определятся отношением сигнал/шум, которое будет определено из следующего выражения

С/Ш= nc / (2 (nc +nT +ntt +nA +RIN+ИМИ) ½) (5. 10),

где nc — количество сигнальных электронов; nT — слагаемое, характеризующее тепловое излучение; пtt - количество электронов темнового тока (Itt=30*10-9 A, T=1/fВ) nA - слагаемое, характеризующее шумы усилителя.

Эта формула показывает, что для сохранения заданной помехоустойчивости (С/Ш=50 дБ) при тех же тепловых шумах и темнового тока потребуется увеличение энергии nс, а следовательно, и мощности сигнала на входе приемника. Соответственно при заданной мощности передатчика сокращается дальность связи, и как следствие, необходимо применение усилителей. Другой способ повышения помехоустойчивости системы — это увеличение мощности передатчика. Увеличение мощности передатчика может привести к нелинейным эффектам в волокне.

6. Заключение

В данной работе была сделана попытка расчета сети кабельного телевидения. В ходе которой был произведен анализ помехозащищенности данной сети. Так общая протяженность участка оптической линии составил 6,5 км. Энергетический запас данного участка составил примерно Э=12,275 дБ. Учитывая, что уровень мощности в передающем оптическом модуле составляет примерно 6,5 дБм, то уровень мощности на приемном оптическом модуле составит — 5,774 дБм. При том, что минимальный уровень мощности фотодиода составляет — 31 дБм. Такая большая разность может привести к насыщению данного типа фотодиода, следовательно нужно брать фотодиод у которого минимальная детектируемая мощность на входе будет лежать в пределах — 5. — 7 дБм.

Список использованных источников

1. Р. Р. Убайдулаев «Волоконно-оптичесике сети»

2. М. М. Бутусов «Волоконно-оптичесике системы передачи»

3. Э. А. Шивцов «Фотоприемные устройства волоконно-оптичесиких систем передачи».

Приложения

Приложение 1

Приложение 2 — Операционный усилитель AD9631

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой