Проектирование передающего устройства одноволоконной оптической системы передачи для городской телефонной сети

1.

1.1.

Особенностью соединительных линий (С.Л) является относительно небольшая их длина за счет глубокого районирования сетей. Статистика распределения протяженности С.Л городской телефонной сети в крупнейших городах России свидетельствует, что С.Л протяженностью

до 6 км составляют 65% от всего числа СЛ. Значительные расстояния между регенерационными пунктами  ВОСП дают возможность отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации, а также от организации дистанционного питания (рис1.1).

 

                               РАТС                                        РАТС

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

С.Л

Рис.1.1

- Структура городской телефонной сети

                       

       РАТС                                                                                                     РАТС

       РАТС                                                                                                    РАТС

    

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи можно пояснить с помощью рис.1.2. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в  ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для  передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (Ф.Д). В современных ВОСП в качестве Ф.Д. используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение  в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Источник

сообщения

Модулятор

Излучатель

Фотодетектор

Получатель

Усилитель

О.В.

Рис.1.2

- Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи

  Внедрение  ВОСП на местных сетях началось в 1986 г. вводом в эксплуатацию на ГТС вторичной цифровой волоконно-оптической системы передачи на базе аппаратуры «Соната-2». С её использованием во многих городах сооружены линии связи. Аппаратура «Соната-2» сопрягается со стандартным канало- и группо-образующим оборудованием типов ИКМ-30 и ИКМ-120. В 1990 г. начат промышленный выпуск оборудования вторичной цифровой системы передачи (ЦСП) для городских сетей ИКМ-120-5, предназначенной для передачи по градиентному оптическому кабелю (О.К.) линейного тракта, работающего на длинах волн 0,85 или

1,3 мкм. Разработана  ВОСП «Сопка-Г», предназначенная для организации оптического линейного тракта со скоростью передачи 34,368  Мбит/с по одномодовому и градиентному оптическому кабелю, с рабочей длиной волны 1,3 мкм. Аппаратура «Сопка-Г» выполнена в конструкции ИКМ-30-4, ИКМ-120-5 и аналогична им по системе технического обслуживания, то есть является продолжением единого семейства ЦСП для городской сети.

Выбор элементной базы при реализации  ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов),  третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ).

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации. Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Аппаратура временного

объединения

Скремблер

Преобразователь кода стыка

Преобразователь кода

Передающий оптический модуль

- Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Аппаратура стыка

Аппаратура оптического линейного тракта

Рис.1.3

Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной – код HDB-3, для четверичной – код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой  ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, модулирующий ток излучателя передающего оптического модуля. Таким образом, волоконно-оптические системы передачи строятся на базе стандартных систем ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

1.1.1.

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом  устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации,  является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 –в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка 4 видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух – трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00.

1            0          -1           0           0           0           0          1

Рис.1.4

t

t

P

P

HDB-3

CMI

- Принцип построения кода СМI из HDB-3

1.1.2.   ВОСП

  Источники света  волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для  ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом  режиме с низким уровнем шума являются  плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных  ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

1.1.3.   ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило,  подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных  ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5, «Соната».

1.1.4.   ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0.8 до 1.6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод – это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 – 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0.5 – 1.5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

а

b

Рис.1.5

n2

- Конструкция оптического волокна

Передача света по любому световоду может осуществляться в  двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

a

l

2

n2

2

2

n1

2

0.3

<

*

*

*

,(1.1)

,где l - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 – показатели преломления материалов световода.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные  - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модвой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.

а

b

Рис.1.6

n2

n2

а

b

n2

n2

- Показатели преломления ступенчатого

   и градиентного оптических волокон

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1.55 мкм имеет затухание 0.154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2.5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

На сегодняшний день для городской телефонной сети отечественной промышленностью выпускаются кабели марки ОК имеющие четыре и восемь волокон. Конструкция ОК-8 приведена на рис.1. 7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон – повивная, концентрическая. В центре – силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи – полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

А.Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

Б.Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

В.Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями

Тем не менее, преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

1

2

3

4

5

6

Рис.1.7

- Конструкция оптического кабеля ОК

1.2.

Широкое применение на городской телефонной сети волоконно-оптических систем передачи для организации межузловых соединительных линий позволяет в принципе решить проблему увеличения пропускной способности сетей. В ближайшие годы потребность  в увеличении числа каналов будет продолжать быстро расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности  ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Анализ опубликованных материалов и завершенных исследований и разработок одноволоконных оптических (ОВОСП) систем передачи позволяет определить принципы построения таких систем.

Наиболее распространенные и хорошо изученные ОВОСП, работающие на одной оптической несущей, кроме оптического передатчика и приемника содержат пассивные оптические разветвители. Замена оптических разветвителей н оптические циркуляторы позволяет уменьшить потери в линии 6 дБ, а длину линии – соответственно увеличить. При использовании разных оптических несущих и устройств спектрального уплотнения каналов можно в несколько раз повысить пропускную способность и соответственно снизить  стоимость в расчете на один канало - километр.

Увеличить развязку между противонаправленными оптическими сигналами, снизить требования к оптическим разветвителям, а следовательно, уровень помех и увеличить длину линии можно путем специального кодирования, при котором передача сигналов одного направления осуществляется в паузах передачи другого направления. Кодирование сводится к уменьшению длительности оптических импульсов и образованию длительных пауз, необходимых для развязки сигналов различных направлений. В  ВОСП, построенных подобным образом, могут быть использованы эрбиевые волоконно-оптические усилители. Дуплексная связь организуется по принципу разделения по времени, которое изменяется с помощью изменения направления накачки.

Развязку между оптическими сигналами можно увеличить,  не прибегая к обужению импульсов, если доя передачи в одном направлении когерентное оптическое излучение и соответствующие методы модуляции, а в другом – модуляцию сигнала по интенсивности. При этом существенно уменьшается влияние как оптических разветвителей, так и обратного рассеяния оптического волокна.

Если позволяет энергетический потенциал аппаратуры, на относительно коротких линиях может быть использован только один оптический источник излучения на одном конце линии. На другом конце вместо модулируемого оптического источника применяется модулятор отраженного излучения. Такой метод дуплексной связи по одному ОВ обеспечивает высокую надежность оборудования и применение волоконно-оптических систем передачи в экстремальных условиях эксплуатации.

По достижении высокого уровня развития волоконно-оптической техники, когда станет практически возможным передавать оптически сигналы на различных модах ОВ с достаточной для  ВОСП развязкой, дуплексная связь по одному ОВ может быть организована на двух разных модах, распространяющихся в разных направлениях, с использованием модовых фильтров и формирователей мод излучения.

Каждая одноволоконная ВОСП рассмотренных типов имеет достоинства и недостатки. В таблице 1 показаны достоинства (знаком «+») систем, их возможности в отношении достижения наилучших параметров.

Соната-2

ИКМ-120

Соната-2

ИКМ-120

ОК

l=0.85

l=1.3

УСОД

Рис.1.8

- Схема организации световодного тракта со спектральным уплотнением

На сетях связи находят применение одноволконные  ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением. Впервые практически спектральное уплотнение реализовано на одной из волоконно-оптических систем передачи ГТС в Петербурге. Здесь  примененено отечественное оборудование – четырехволоконный оптический кабель, аппаратура «Соната-2» (длина волны 0.85 мкм) и ИКМ-120-4/5 (длина волны 1.3 мкм). В качестве устройств спектрального уплотнения использовались устройства спектрального объединения и деления УСОД-0.85/1.3. Они представляют собой пассивные оптические устройства, обеспечивающие с помощью интерференционного светофильтра объединение в одном ОВ и разделение сигналов с несущими на волнах 0.85 и 1.3 мкм. Схема организации световодного тракта со спектральным уплотнением показана на рис.1.8.

1.3.   ВОСП ГТС.

1.3.1. 

Для передачи информации по оптическому волокну необходимо изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного сигнала. Этот процесс называется модуляцией.

Существует три вида оптической модуляции:

1)    Прямая модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала (рис.1.9).

2)    Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры оптической несущей (рис.1.10).

3)    Внутренняя модуляция. В этом случае исходный  сигнал управляет параметрами модулятора, введённого в резонатор лазера (рис.1.11).

Для внешней модуляции электрооптические (ЭОМ) и акустооптические (АОМ) модуляторы.

Принцип действия ЭОМ основан на электрооптическом эффекте – изменении показателя преломления ряда материалов под действием электрического поля. Эффект, когда показатель преломления линейно зависит от напряженности поля, называется эффектом Поккельса. Когда величина показателя преломления не линейно зависит от напряженности электрического поля, то это эффект Керра. Эффект Поккельса наблюдается в некоторых анизотропных кристаллах, когда эффект Керра в ряде жидкостей (нитроглицерине, сероуглероде).

Акустооптические модуляторы основаны на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

Наиболее простым с точки зрения реализации видом модуляции является прямая модуляция оптической несущей по интенсивности на основе полупроводникового источника излучения. На рис.1.12 представлена схема простейшего прямого модулятора. Здесь исходный сигнал через усилитель подаётся на базу транзистора V1, в коллектор которого включен излучатель V2. Устройство смещения позволяет выбрать рабочую точку на ватт-амперной характеристике излучателя. Именно прямая  модуляция используется на городской телефонной сети в системах «Соната-2» и ИКМ-120.

Модулирующий сигнал

Модулированный сигнал

Источник света

Рис.1.9

- Прямая модуляция

Источник света

Модулирующий сигнал

Модулированный сигнал

модулятор

Рис.1.10

- Внешняя модуляция

Резонатор

Модулирующий сигнал

Модулированный свет

Рис.1.11

- Внутренняя модуляция

Модулированный свет

Устройство смещения

Есм

Усилитель

+Еп

R1

V1

V2

Модулирующий сигнал

Рис.1.12

- Схема прямого модулятора

1.3.2. 

На рис.1.13 представлена структурная схема оптического передатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера  или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно  ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается (рис.1.14), и при отключенных цепях стабилизации мощности уровень оптической мощности при передаче «0» (Р0) и при передаче «1» (Р1) уменьшаются, разность тока смещения Iб и порогового тока Iп увеличивается, а разность Р1-Р0 уменьшается. После времени установления переходных процессов в цепях стабилизации устанавливаются новые значения Iб и Iп и восстанавливаются прежние значения Р1-Р0 и Рср. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термокомпенсации (СТК), поддерживающая внутри ПОМ постоянную температуру с заданным отклонением от номинального значения. Современные микрохолодильники позволяют получать отклонения не более тысячных долей градуса.

ФД

МОД

УС-1

УС-2

                       СТК

ПОМ

ПК

ОП

ОВ-2

ОВ-1

Вход

Выход

Рис.1.13

- Структурная схема оптического передатчика

1.3.3. 

Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рис.1.15. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код.

Р

Р1(Т1)

Р0(Т2)

Р0(Т1)

Iб2

Iб1

I

Р

T1

Р1(Т2)

t

t

Р

t

T2

Р1(Т2)

Р0(Т2)

Рис.1.14

- Принцип работы цепей стабилизации ПОМ

Т2>Т1

Вход

Выход

 ПК

 РУ

 ЛК

  Ф

 УС

 ФД

 ВТЧ

 ОПр

 Рис.1.15

 - Структурная схема оптического приемника.

Таблица 1.1  - Сравнительная характеристика принципов построения одноволконных  ВОСП

Тип  ВОСП

Минимальное затухание, максимальная длина РУ

Защищенность сигналов

Большой объем передаваемой информации

Относительно низкая стоимость

Высокая надежность и стойкость к внешним воздействиям

С оптическими разветвителями

     +

С оптическими циркуляторами

   +

Со спектральным уплотнением

 +

    +

С разделением по времени с использованием оптических переключателей

 +

С разделением по времени с использованием оптических усилителей

   +

 +

С когерентным излучением в одном направлении и модуляцией интенсивности в другом

 +

    +

С одним источником излучения

  +

     +

С модовым разделением

    +

С когерентным излучением для обоих направлений с разными видами модуляции

   +

 +

    +

 

1.4.

В главе рассмотрены основополагающие принципы построения волоконно-оптических систем передачи на городской телефонной сети.

На ГТС  ВОСП используются для уплотнения соединительных линий, для которых характерна небольшая длина, что позволяет отказаться от оборудования регенераторов в колодцах телефонной канализации. Волоконно-оптические системы передачи ГТС строятся на базе стандартного каналообразующего оборудования ИКМ, что позволяет легко модернизировать существующие соединительные линии для работы по оптическому кабелю.

В качестве линейного кода  ВОСП ГТС используется код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух – трех, что положительно сказывается на устойчивости работы  ВОСП.

Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

В качестве приемников света в волоконно-оптических систем передачи на ГТС применяются лавинные фотодиоды, достоинством которых является высокая чувствительность. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры.

Передача оптических сигналов в ВОСП на ГТС осуществляется в многомодовом режиме, поскольку соединительные линии относительно коротки и дисперсионные процессы в оптических волокнах незначительны. На сегодняшний день для городской телефонной сети используются кабели марки ОК имеющие четыре или восемь ступенчатых многомодовых волокон.

В ближайшие годы потребность  в увеличении числа каналов будет расти. Наиболее доступным способом увеличения пропускной способности  ВОСП в два раза является передача по одному оптическому волокну двух сигналов в противоположных направлениях. Сегодня на городских сетях связи находят применение одноволконные  ВОСП с оптическими разветвителями и со спектральным уплотнением.

Принимая материалы  обзора существующих методов передачи на волоконно-оптических системах передачи городских телефонных сетей за основу переходим к рассмотрению следующей главы.

2.

2.1.

Как упоминалось в предыдущей главе, на сетях связи находят широкое применение волоконнооптические системы передачи со спектральным уплотнением. Кроме того, на низких скоростях передачи, до 140 МбитсБ где наблюдается взаимодействие между противонаправленными сигналами из-за обратного рассеяния, могут быть эффективно использованы системы с разделением по времени.

Рассмотрим несколько методов и схем построения одноволоконных ВОСП различных типов и различного назначения.

2.1.1.     

Данная группа схем включает в себя овдноволоконные ВОСП с оптическими разветвителями, с оптическими циркуляторами, устройствами спектрального уплотнения, а также фильтрами разделения мод оптического излучения. На рисунке 2.1 показана схема оптической системы передачи с модуляцией сигнала по интенсивности, содержащая блоки оптического передатчика (ОП), оптического приемника (ОП) устройства соединения станционного и линейного кабеля (УССЛК), разъемные соединители (РС), устройства объединения и разветвления оптических сигналов (УОРС).

Оптический передатчик (ОП) содержит преобразователь кода (ПК), преобразующий стыковой код в код, используемый в линии; усилитель (УC), усиливающий  электрический сигнал до уровня, необходимого для модуляции полупроводникового лазера (ПЛ); лазерный генератор (ЛГ), включающий в себя устройство термостабилизации и прямой модулятор; согласующие устройства (С) полупроводникового лазера с оптическим волокном.

Оптический приёмник (ОПр) содержит согласующие устройства (С) оптического волокна  с фотодиодом; фотодетектор (ФД); малошумящий транзисторный усилитель (У); фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приёмника, обеспечивающую квазиоптимальный  приём сигнала; устройство линейной коррекции (ЛК), компенсирующее частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя; решающее устройство (РУ), устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) и преобразователь кода (ПК), преобразующий код линии в стыковой код.

УОРС, в зависимости от типа одноволоконной ВОСП, может представлять собой: оптический разветвитель или циркулятор при работе на одной оптической частоте в обоих направлениях; устройство спектрального уплотнения при работе на разных оптических частотах; модовый фильтр при работе на разных модах излучения оптического волокна.

С целью оценки основных характеристик одноволоконной ВОСП можно использовать приближенные соотношения для расчета длины регенерационного участка (РУ).

Максимальная длина РУ волоконноптической системы передачи данного типа определяется соотношением:

,где Эми – энергетический потенциал одноволоконной ВОСП, ДБ;

aов – затухание сигнала на одном километре оптического волокна, ДБ/км;

aуорс  - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов, ДБ;

aусслк – то же, в УССЛК, ДБ;

aрс, aнс – то же, в разъемных и неразъемных соединителях, ДБ;

lс – строительная длина оптического кабеля, км. При этом:

,где Эми’ – энергетический потенциал, ДБ, ВОСП при отсутствии шума обратного рассеяния излучения в ОВ;

Ршор/Рш – доля шума обратного рассеяния в полном шуме на входе решающего устройства.

Рассчитаем длину регенерационного участка одноволоконной ВОСП первого типа при следующих исходных данных: Эми=35 ДБ, Зэ=6 ДБ, aов=1 ДБ, aнс=aусслк=0.1 ДБ, aрс=1 ДБ, lс=2 км. Так по формуле (2), при использовании оптических разветвителей с aуорс=4ДБ:

ПК

УМ

ЛГ

С

РС

УОРС

ОП

С

ПК

ФД

  ЛК

РУ

ПК

ОПр

Вход

Выход

   У

   Ф

ВТЧ

Рисунок 2.1 – ВОСП с модуляцией по интенсивности

П

ОП

ОПр

УС

УССЛК

ОР

ОУ

ОПр

ОП

УС

УССЛК

Рисунок 2.2 – Устройства оптического переключения

2.1.2.     

Во второй группе схем для разделения разнонаправленных сигналов по времени используются оптические разветвители, переключатели и оптические усилители (ОУ). В схеме одноволоконной ВОСП сигнала с модуляцией по интенсивности, в отличие от первой группы схем, вместо УОРС использованы устройства оптического переключения УОП (рисунок 2.2).

Будем рассматривать устройства оптического переключения двух вариантов – оптические переключатели (П) и соединение оптического разветвителя ОР с оптическим усилителем ОУ. Управляющий сигнал поступает в первом случае на управляющий вход переключателя, во втором – по цепи управления направлением оптической волны накачки ОУ.

Максимальная длина регенерационного участка для второй группы схем определяется соотношением:

,где aуоп – затухание сигнала в УОП, ДБ;

Эми” – энергетический потенциал одноволоконной ВОСП, определяемый соотношениями:

1)    Эми”=Эми’ при использовании оптических переключателей (Эми’–энергетический потенциал обычной ВОСП с учётом специального кодирования).

2)    Эми”=Эми’-10lg(1+Ршоу/РШ) при использовании ОР с ОУ, где Ршор и Рш – мощности эквивалентного шума на входе оптического приемника и шума ОУ на его выходе, ДБ.

Затухание сигнала в устройстве оптического переключения определяется соотношениями:

1)    aуоп=aп при использовании оптического переключателя, где aп – затухание сигнала в оптическом  переключателе;

2)  aуоп=aор-Коу при использовании оптического разветвителя с оптическим усилителем, где Коу – коэффициент усиления ОУ, ДБ.

Длина регенерационного участка l2 для приведённых выше значений параметров аппаратуры и использовании оптических переключателей (aуоп=3.5ДБ), согласно формуле (2.3), составляет:

На стоимость одноволоконной ВОСП второй группы существенно влияет выбор типа устройства оптического переключения, особенно в случае использования оптических  усилителей. Надежность ВОСП этой группы, в отличие от рассмотренной выше, существенно зависит от надежности УОП в случае применения оптического усилителя, так как для накачки таких усилителей применяются полупроводниковые лазеры.

2.1.3.     

Третья группа схем одноволоконных ВОСП  основана на использовании разных видов модуляции оптических и электрических сигналов и соответствующих методов обработки сигналов с целью устранения взаимного влияния разнонаправленных сигналов.

В схеме этой группы (рисунок 2.3) применены когерентные методы передачи и приема оптического сигнала, амплитудная (для одного направления передачи) и частотная (для другого направления) модуляция сигнала. В отличие от ВОСП первой группы (рисунок 2.1), оптические передатчики – когерентные (КОП) и содержат системы стабилизации оптической частоты и формирования узкой линии излучения (СЧУЛ) и блоки, обеспечивающие обработку сигналов с заданной модуляцией.

ПК

ЛГ

СЧУЛ

С

РС

УОРС

КОП-АМ

Вход

УМ

УПЧ

ОС

С

РС

ФД

МЛГ

АПЧ

  ДМ

ВТЧ

РУ

ПК

Ф

КОПр-ЧМ

Выход

Рисунок 2.3 – ВОСП с когерентными методами передачи и приёма

В когерентных оптических приемниках (КОПр) используется местный лазерный генератор (МЛГ) с узкой линией излучения и устройство автоматической подстройки его частоты (АПЧ), оптический сумматор (ОС), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также демодулятор (ДМ), амплитудный или частотный, в зависимости от вида модуляции принимаемого сигнала. В такой схеме достигается максимальная длина регенерационного участка.

Кроме того возможна другая схема одноволоконной ВОСП третьей группы, в которой в одном направлении передачи использована модуляция по интенсивности, а в другом – когерентная модуляция (КОИ-АМ или КОИ-ЧМ) оптического сигнала.

М

УМ

ЛГ

С

РС

УОРС

ОП

Вход

ПК

ГОС

С

РС

ФД

  КДМ

РУ

ВТЧ

ОПр

Выход

   У

   Ф

ПК

  ЛК

Рисунок 2.4 – ВОСП с модуляцией по интенсивности ортогональными электрическими сигналами

На рисунке 2.4 приведена схема, в которой использована модуляция по интенсивности оптических сигналов электрическими сигналами, описываемыми ортогональными (на тактовом интервале) функциями. В отличие от ВОСП первой группы (рисунок 2.1), оптические передатчики таких систем содержат генераторы ортогональных сигналов (ГОС1 и ГОС2), а в оптических приёмниках использованы корреляционные демодуляторы (КДМ). Для подстройки генератора ГОС2 используется выделитель ортогонального сигнала (ВОС) и компаратор (КОМ).

Для передачи информационного сигнала может быть использована поднесущая частота, расположенная выше диапазона частот, где несущественно влияние обратного рассеяния в оптическом волокне на характеристики одноволоконной ВОСП (выше 200 Мгц). Таким образом, устраняется шум обратного рассеяния и тем самым повышается энергетический потенциал. В отличие от ВОСП первой группы, в данной системе используются генераторы поднесущей частоты, полосовые фильтры и устройства восстановления поднесущей частоты.

 Максимальная длина регенерационного участка одноволоконной ВОСП третьей группы определяется выражением:

, где:

n=11;22;33;

Э11’=Экои-ам, Э22’=Экои-чм, Э33’=Эми’ – энергетический потенциал когерентных ВОСП с амплитудной и частотной модуляцией и ВОСП с модуляцией по интенсивности.

В отличие от рассмотренных выше одноволоконных ВОСП первой и второй групп, системы данной группы могут быть несимметричными, а максимальные длины регенерационных участков для передачи в разных направлениях – различными. В частности Э11’больше Э33’ на 10..15 ДБ, а Э22’ больше Э11’ на 3 ДБ.

Длина регенерационного участка для направления передачи, где используется КОИ-АМ (Э11’=45ДБ) и аппаратура, имеющая приведенные в пункте 2.1.1 параметры, составляет:

Стоимость когерентных полупроводниковых лазеров и систем стабилизации частоты лазеров, используемых в ВОСП третьей группы, пока ещё высока, что в значительной степени ограничивает область применения одноволоконных ВОСП с использованием когерентных методов передачи и обработки сигнала. Показатели надежности определяются главным образом надежностью работы полупроводниковых лазеров и систем стабилизации их частоты.

2.1.4.     

В особых условиях эксплуатации могут быть использованы методы построения одноволоконных ВОСП по схеме на рисунке 2.5.  В оптическом передатчике на одном конце линии вместо полупроводникового лазера используется модулятор отраженного излучения (МОИ), устройство снятия модуляции (УСМ) и оптический разветвитель с большим отношением мощности на выходах 1 и 2. Большая мощность поступает в МОИ, а меньшая – в оптический приёмник. В оптическом передатчике примятый сигнал подвергается модуляции вторым информационным сигналом и через УОРС поступает в оптический кабель и далее в оптический приёмник на другом конце линии.

ОП

Вход1

РС

УОРС

ОПр

РС

УОРС

РС

МОИ

УСМ

ОР

РС

ОПр

РС

ПК

Выход1

Вход2

Выход2

Рисунок 2.5 – ВОСП с одним источником излучения

Такие ВОСП могут быть использованы в экстремальных условиях эксплуатации на одном конце линии, так как полупроводниковые лазеры чрезвычайно чувствительны к нестабильности условий эксплуатации.

Максимальная длина регенерационного участка рассматриваемой одноволоконной ВОСП значительно меньше, чем у систем, описанных выше, и определяется соотношением:

Где aор1, aмои – соответственно затухание сигнала в ОР на выходе 1 и в МОИ, ДБ.

Длина l4 для aор1=1 ДБ, aмои=3 ДБ и приведенных в пункте 2.1.1 значений других параметров аппаратуры согласно формуле (2.6) составляет:

Показатели надежности одноволоконной ВОСП  в данном случае определяются главным образом надежностью оптоэлектронных элементов оборудования, находящегося в экстремальных условиях экплуатации.

2.2.

2.2.1.     

При проектировании одноволоконных оптических систем передачи с оптимальными характеристиками выбор структурной схемы системы и используемых технических средств определяется критериями оптимальности. Если критерием является минимальная стоимость, то в оптимальной системе должны использоваться оптические разветвители. Максимальная длина регенерационного участка требует применения оптических циркуляторов, переключателей, оптических усилителей, когерентных методов передачи сигнала. Требования высокой надежности и стойкости к внешним воздействиям определяют выбор системы с оптическим источником на одном конце линии, а требование максимального объема передаваемой информации – системы со спектральным уплотнением или с когерентными методами передачи.

С учётом того, что проектируемый оптический передатчик предназначен для использования на соединительных линиях ГТС, для него характерны следующие критерии оптимальности:

1)    Минимальная стоимость и простота реализации;

2)    Длина регенерационного участка не менее        8 км;

3)    Относительно низкая скорость передачи       (8.5 Мбитс).

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП, с точки зрения приведённых критериев оптимальности, является схема волоконооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 2.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерационного участка до   18 км, что удовлетворяет вышеприведённым критериям оптимальности.

2.2.2.     

Структурная схема оптического передатчика представлена на рисунке2.6. Сигнал           в коде HDB от цифровой системы уплотнения каналов поступает на преобразователь кода (ПК), в котором код HDB преобразуется в линейный код оптической системы передачи CMI. Полученный электрический сигнал поступает на усилитель (УС), состоящий из двух каскадов: предварительного каскада усиления (ПКУ) и оконечного каскада усиления (ОКУ), где усиливается до уровня, необходимого для модуляции оптической несущей. Усиленный сигнал поступает на прямой модулятор (МОД), состоящий из устройства смещения (УСМ), служащего для задания рабочей точки на ватт - амперной  характеристике излучателя и, собственно, самого прямого модулятора, собранного по классической схеме из полупроводникового оптического излучателя V1 и транзистора V2. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного генератора (ЛГ) введены устройство обратной связи (УОС) и система термостабилизации (СТС). С выхода модулятора оптический сигнал, промодулированный по интенсивности цифровым электрическим сигналом в коде CMI, поступает на устройство согласования полупроводникового излучателя с оптическим волокном (СУ).

2.3.

В данной главе производится выбор способа организации одноволоконного оптического тракта на основе критериев оптимальности и разработка структурной схемы оптического передатчика для выбранного способа построения ВОСП.

СТС

Рисунок 2.6 - Структурная схема оптического передатчика

+Еп

R1

V1

V2

УСМ

МОД

ПК

ПКУ

ОКУ

УC

УОС

ЛГ

СУ

Вход

Выход

HDB

CMI

В главе приведены четыре группы схем построения одноволоконных ВОСП:

1)         ВОСП, на основе различных способов разветвления оптических сигналов;

2)         ВОСП, основанная на использовании разделения разнонаправленных сигналов по времени;

3)         ВОСП, на основе использования различных видов модуляции;

4)         ВОСП с одним источником излучения;

Наилучшим вариантом реализации одноволоконной ВОСП для соединительной сети ГТС является схема волоконооптической системы связи с модуляцией по интенсивности, с применением оптических разветвителей (рисунок 2.1). Данная схема отличается простотой реализации оптического передатчика и приемника, невысокой стоимостью устройств объединения и разветвления оптических сигналов (оптических разветвителей). Схема обеспечивает длину регенерационного участка до   18 км. Данная схема наилучшим образом удовлетворяет требованиям, предъявляемым к проектируемому оптическому передатчику:

1)    Минимальная стоимость и простота реализации;

2)    Длина регенерационного участка не менее        8 км;

3)    Относительно низкая скорость передачи       (8.5 Мбитс).

Далее на основании сделанного выбора приведена соответствующая структурная схема оптического передатчика.

В следующей главе, на основании структурной схемы передатчика, будет разрабатываться его принципиальная схема и электрический расчет основных узлов.

3.          

Лист

3.1.

Первым этапом при проектировании принципиальной схемы передающего устройства ВОСП является выбор типа и марки оптического излучателя исходя из предъявляемых к его техническим характеристикам требований. К основным техническим характеристикам излучателей относятся:

- 

- 

- 

- 

- 

- 

Для правильного выбора оптического излучателя в первую очередь следует задаться верным значением  мощности излучения. Для этого необходимо определить требуемую оптическую мощность на выходе оптического передающего устройства. Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора V2 в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора (Рисунок 3.1). Транзистор вбирают исходя из  характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную

Лист

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель(СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение – ток (рисунок 3.1). Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение – ток.

Рисунок 3.1 – Упрощенная схема оптического передающего устройства

Оптический выход

ОР

Rф1

Rфд

R5

R1

R2

R4

R3

С

Rб”

Rб’

V3

Сэ

Rэ”

V1

+Еп

Rэ’

V2

Вход

Сф1

К175ДА1

СУС

МОД

АРУ

Сф

Rф
Четвёртый этап – организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод V3, подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рисунок 3.1).

Лист

3.2.

Значение разности мощности на выходе оптического излучателя и на входе оптического приёмника должно превышать максимальное затухание, вносимое станционными и линейными сооружениями на участке передатчик – приёмник. Существующие в настоящее время приёмные оптические модули обеспечивают достаточно низкий уровень приёма. Приёмное устройство системы «Соната 2» обеспечивает уровень приёма 10‾²мквт         (-50ДБ), в дальнейшем, для расчётов, будем использовать это значение как типовое.

Для проектируемой одноволоконной системы связи затухание участка составит:

,где l=8 км - длина участка;

aов=5 ДБ/км - затухание сигнала на одном километре оптического волокна;

aуорс=2 ДБ - то же, в устройстве объединения и разветвления сигналов;

aусслк=1 ДБ - то же, в устройстве УССЛК;

aрс=1 ДБ, aнс=0.5 ДБ - то же, в разъемных и неразъемных соединителях;

lс=1 км - строительная длина оптического кабеля.

Тогда минимальный уровень мощности:

Или:

,где Pпр=-50 ДБ – уровень оптического сигнала на приёме.

Лист

- 

-  l=0.85 мкм;

-  D=3 нм;

-  Fмод=250 МГц;

-  Iн=120 мА;

-  Iпор=40 мА.

3.3.

При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

- 

- 

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях  вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры [1]:

-  h21э тока в схеме ОЭ при     Uкб=10 В, Iэ=2 мА: h21эмин = 200, h21эмакс = 450;

-  Uкэнас при Iк=500 мА, Iб=50 мА, не более: 0.5 В;

-  Uкэнас’ при Iк=10 мА, Iб=1 мА, не более: 0.035 В;

- 

Лист
Uбэнас при  Iк=500 мА,     Iб=50 мА, не более: 1.2 В;

-  Uкб=10 В, не более: 10 пФ;

-  Uкобр при Uкб=10 В, не более: 1 мкА;

-  Uэобр при Uбэ=4 В, не более: 0.5 мкА;

Предельные эксплуатационные данные:

-  Uкбmax: 30 В;

-  Uкэmax                         при Rбэ<1 кОм: 30 В;

-  Uкэmax при Iэ£10мА: 25 В

-  Uбэmax: 5 В;

-  Iкmax: 800 мА;

-  max: 0.5 Вт.

Далее зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы (рис. 3.2). При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: Uкэо £ 0.45×Uкmax. С пусть (с учётом приведённого условия) Uкэо=6 В. Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то Iко=40 мА, тогда ток покоя базы Iбо=0.135 мА. Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит Iкм=120 мА, тогда Uкэм=1.7 В и Iбм=0.47 мА. По входным характеристикам транзистора (рисунок 3.3) определим напряжение базы покоя Uбо=0.71 В и Амплитудное значение Uбм=0.74 В.

Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

-  Uкэо=6 В;

-  Iко=40 мА;

-  Iбо=0.135 мА;

- 

Лист
Uбо=0.71 В;

-  Iбм=0.47 мА;

-  Uкэм=1.7 В;

-  Iкм=120 мА;

-  Uбм=0.74 В.

Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рисунок 3.4). Здесь Транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

Рисунок 3.4 – Принципиальная схема оптического модулятора

Сэ

0.2мк

Rб’

5.6к

Сф

0.02 мк

+12В

Вход

V1

ИЛПН-203

V2

КТ660Б

Rб”

1.8к

Rэ

47

Ср

10

24

Rф

30

Rк

, где Еп – напряжение питания модулятора.

Зададимся стандартным напряжением питания Еп=12 В, тогда:

Лист
Rэ рассчитывается по формуле:

Iд должен не менее, чем в шесть раз превосходить ток покоя базы Iбо:

Соотношение между напряжением на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой  стабилизациирежима лучше взять URэ ≥ Uф.

Rб’’ равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:

Тогда сопротивление делителя Rб’’:

Аналогично найдём сопротивление Rб’:

Rэ, Rк, Rф), лазерным излучателем и транзистором:

,где Uд = 2 В – падение напряжения на полупроводниковом лазере;

URф – падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.

Лист

Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:

3.4.      

Здесь в качестве усилительного элемента предполагается использовать быстродействующий операционный усилитель, включенный по схеме преобразователя напряжение – ток (известной так же в качестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующего усилителя представлена на рисунке 3.1 (функциональная группа СУС). Резистор R5, отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.

Значение сопротивления R5, определяется исходя из следующего условия:

 ,где Rн – сопротивление нагрузки усилителя.

 Сопротивлением нагрузки усилителя является входное сопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивлений делителя Rд (из двух параллельно соединённых сопротивлений в цепи базы

Rб’ и Rб’’) и входного сопротивления  транзистора Rвхэ.

Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:

 Сопротивление делителя:

Лист
Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:

Таким образом, сопротивление R5:

Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении R5:

Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ΔUR5) к амплитуде входного напряжения. Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии ТТЛ с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит ΔUвх=5-0.7=4.3 В.

Тогда коэффициент усиления схемы сотавит:

Обычно номиналы резисторов R1, R3 и R4 выбираются одинаковыми, при этом каждый  из них должен превышать сопротивление R5 не менее чем в 20 раз.

Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:

Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы и определяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующих операционных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладает операционный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-n переходом, имеет

Лист

Быстродействующие усилители менее устойчивы по сравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеме необходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. В нашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции, предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.

3.5.

Устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства должно обеспечивать стабилизацию средней мощности лазерного излучения. Устройство  АРУ включает в себя следующие основные элементы (функциональная группа АРУ на рис.3.1):

- 

- 

Следует обратить внимание на то, что чувствительность фотодиода в данном случае роли не играет, по этому при выборе типа фотодиода будем руководствоваться такими параметрами как надёжность и низкая стоимость. В соответствии с приведёнными требованиями в схеме АРУ предполагается использование p-i-n фотодиода, поскольку данный тип фотодиодов обладает наивысшей температурной стабильностью, невысокой стоимостью и требует низкого напряжения питания. Поскольку фотодиод отечественного производства ФД-227 обладает относительно невысокими качественными показателями, следовательно, имеет меньшую стоимость, то имеет смысл для построения устройства АРУ использовать именно данный фотодиод.

Лист
 Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ. Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод:

,где Рпер = 2,43 Дб – средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;

        aуорс = 2 Дб – затухание оптического разветвителя.

Тогда фототок, протекающий в цепи ФД под действием Рфд:

 ,где S = 0.3 А/Вт – монохроматическая токовая чувствительность используемого фотодиода.

Среднее значение напряжения на входе микросхемы равно среднему значению падения напряжения на сопротивлении Rфд в цепи фотодиода:

,где Rару = 200 Ом.

В качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока предполагается использование интегральной схемы К175ДА1. Её основные характеристики:

-  Uп = 6 В;

- 

-  Fв = 65 МГц.

Значение напряжения на выходе микросхемы:

Лист
Далее рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера Rэ’’, служащее для введения напряжения обратной связи, поступающего с устройства АРУ. Для этого зададимся глубиной обратной связи 10 Дб (Fос = 3), и определим сквозную крутизну эмиттерного тока Sэ:

,где  - среднее значение статического коэффициента передачи транзистора.

Тогда сопротивление в цепи эмиттера:

Следовательно:

Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра URф1 = 1.2 В, тогда значение напряжения АРУ Uару на сопротивлении Rэ’’:

Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУ необходимо уменьшить величину сопротивления Rэ’’:

Тогда:

Сопротивление фильтра Rф1 равно:

3.6.

Лист

3.6.1.

Ёмкость эмиттера Сэ определяется значением сквозной крутизны эмиттерного тока и периодом повторения импульсов в информационном сигнале. Поскольку скорость передачи проектируемого устройства 8.5Мбит/с, то частота HDB сигнала на входе преобразователя кода FHDB=8.5МГц. Поскольку в линейном коде СМI длительность импульсов в два раза короче, чем в HDB сигнале, то частота модулирующего сигнала FCMI=8.5×2=17 МГц.

Отсюда период следования импульсов:

Тогда ёмкость эмиттера:

3.6.2.

 Разделительная ёмкость Ср должна вносить минимальные искажения во фронт импульсов. Для этого постоянная времени цепи должна удовлетворять условию [2]:

,где tи = T = 59 нс – длительность импульса (для сигнала CMI равна периоду сигнала).

Тогда значение разделительной ёмкости:

,где Rн – сопротивление нагрузки согласующего усилителя (входное сопротивление прямого модулятора).

Rвыхсус – выходное сопротивление согласующего усилителя:

Лист
Rвыхоу = 300 Ом – выходное сопротивление операционного усилителя.

3.6.3.

Ёмкость фильтра в цепи модулятора Сф определим по формуле:

,где Dф = 10% - подъём плоской вершины импульса.

Значение ёмкости фильтра в цепи АРУ найдем по следующей формуле:

,где Fн = FCMI/10000 = 850 Гц – частота среза фильтра.

3.7.

Далее номиналы резисторов и конденсаторов схемы определяются в соответствии с существующими стандартными номиналами, выпускаемыми промышленностью.

Таким образом, в схеме модулятора имеем следующие номиналы резисторов:

-  Rб’ = 5.6 КОм;

-  Rб” = 1.8 КОм;

-  Rэ’ = 33 Ом;

-  Rэ’’ = 10 Ом;

-  Rк = 33 Ом;

-  Rф = 22 Ом.

В схеме согласующего усилителя:

-  R1 = R3 = R4 = 180 Ком;

-  R2 = 120 Ом;

-  R5 = 10 Ом.

В схеме устройства АРУ:

- 

Лист
Rфд = 220 Ом;

-  Rф1 = 22 Ом;

Номиналы конденсаторов:

- 

- 

- 

- 

Окончательный вариант принципиальной схемы оптического передающего устройства приведён на рисунке 3.5.

В схеме применён полупроводниковый лазер ИЛПН-203, работающий на длине волны 0.85 мкм и имеющий выходную оптическую мощность излучения 3.5 мВт. В схеме прямого модулятора применён кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б, предназначенный для применения в переключающих и импульсных устройствах. Для согласования выхода преобразователя кода и входа модулятора введён согласующий усилитель на быстродействующем операционном усилителе КР140УД11. Для стабилизации средней мощности лазерного излучения введено устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала, включающее в себя p-i-n фотодиод ФД-227 и интегральную схему К175ДА1, используемую в качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока.

Разработанное передающее устройство рассчитано на работу в составе цифровых многоканальных систем передачи, работающих  со скоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы на соединительных линиях ГТС.

4.        

В данном дипломном проекте требуется разработать передающее устройство одноволоконной ВОСП, рассчитанной на работу с длиной волны 0.85 мкм, которая относится к ближнему инфракрасному диапазону излучения.

Поскольку передающее устройство рассчитано на работу в составе многоканальных систем связи на соединительных линиях ГТС, то в главе освещены вопросы организации охраны труда на предприятиях связи нормирования рабочего дня, а так же методы обеспечения лазерной безопасности на предприятиях связи.

4.1.   труда  на  предприятии  связи

 

На  предприятиях связи организует работу и контроль за выполнением мероприятий по охране труда, а также несет ответственность  за  соблюдение  охраны   труда  и  техники  безопасности непосредственный  руководитель  предприятия. Контроль  за соблюдением правил техники безопасности и выполнением соответствующих мероприятий осуществляет  главный  инженер  и  инженер  по  технике  безопасности.

     В  структурных  подразделениях  предприятия  ( цехах,  участках,  лабораториях )  ответственность  несет  руководитель  данного  структурного  подразделения. Государственными  органами  надзора  и  контроля  являются: инспекция  энергонадзора,  пожарнадзора,  санэпидемстанция,  технический  инспектор  обкома  профсоюза. На  предприятиях  связи  должны  производиться  следующие  мероприятия  по  охране  труда:

   1. Составление  ежегодных  планов  мероприятий  по  охране труда.

   2. Составление  санитарно - технических  паспортов  на 

        производственные  помещения.

   3. Аттестация  рабочих  мест, переоборудованного  или  вновь 

        установленного  оборудования.

   4. Расследование  и  учет  несчастных  случаев.

   5. Проведение  периодических ( один  раз  в  два  года ) медосмотров

       работников,  связанных  с  обслуживанием электрооборудования.

   6. Обучение  и проверка  по  технике  безопасности ( ежегодно ).

   7. Утверждение списка лиц, не связанных с обслуживанием

        оборудования, т.е.  не  подлежащих  проверке  по  технике 

       безопасности, утверждение  профессий  и  должностей,  с которыми

        не  проводится  первичный  инструктаж  на  рабочем месте.

   8. Организация  проверок  электрозащитных  средств,  защитного

        заземления,  сопротивления  изоляции  питающих  проводов,

        первичных  средств  пожаротушения  и  т.д.

   9. Проведение  смотровых  конкурсов  по  охране  труда.

   10.Проведение  трехступенчатого  контроля.

     Первая  ступень  проводится  ежедневно  мастером  или  бригадиром. Проверяется  состояние  рабочих  мест, исправность  оборудования  и защитных  средств. При  обнаружении  недостатков  немедленно  принимаются  меры  по  их  устранению,  если  устранить  неисправность  своими  силами  не  представляется  возможным,  то  выявленные  нарушения  записываются  в  журнал  трехступенчатого  контроля.

     Вторая  ступень  проводится  еженедельно. Начальник  цеха  проводит  детальную  проверку  состояния  охраны  труда  в  цехе, принимает  решения  по  замечаниям,  сделанным  мастером,  контролирует  выполнение  мероприятий  по  устранению  недостатков,  выявленных  при  предыдущих  проверках. Результаты  проверки  начальник  цеха  записывает  в  журнал  второй  ступени.

     Третья  ступень  ежеквартальная.  Главный  инженер  и  инженер по  технике  безопасности  проверяют  состояние  охраны  труда  в  целом  по  предприятию,  контролируют  устранение  недостатков, выявленных  на  первой  и  второй  ступенях  проверки. Результаты  оформляются,  составляется  акт  и,  если  имеется  грубое  нарушение,  издается  приказ  по  предприятию.

   11. Составление  отчета  по  производственному  травматизму.

   12. Составление  актов  классификации  помещений по  степени 

         электробезопасности ( проводится  приказом  по  предприятию ).

   13. Финансирование  и  планирование  мероприятий  по  охране 

         труда  и  внедрение  стандартов  безопасности  труда.

     Для  уменьшения  случаев  производственного  травматизма  на  предприятиях  связи  проводятся  инструктажи. Существуют  следующие  виды  инструктажей:

   - вводный  инструктаж - проводится  при  поступлении  на работу

     инженером  по  технике  безопасности  по  программе, утвержденной

     руководителем  предприятия. Оформляется  в контрольном листе,

     который  хранится  в  личном  деле работника.

   - первичный  инструктаж  на  рабочем  месте - проводится также при

     поступлении  на  работу  и  оформляется  в контрольном  листе.

     Для  связанных  с  электрооборудованием в  течение  10 - 12  смен

     проводится  стажировка  на рабочем  месте.

   - повторный  инструктаж  проводится  раз  в  полгода  и  в

     строительных  организациях  раз  в  три  месяца;

   - внеплановый инструктаж проводится в случае если изменилось

      оборудование,  произошел  несчастный  случай  или работник

      отсутствовал  на  своем  рабочем  месте  более трех  месяцев;

   - целевой  инструктаж  проводится  при  выполнении  разовых работ,

      работ  с  повышенной  опасностью   или  особо      опасных.

    Кроме того,  проводится  анализ  несчастных  случаев,  произошедших  на  предприятии. Особое  внимание  администрация  предприятия  должна  сосредоточить на тех участках предприятия, где произошло наибольшее  число несчастных случаев. По результатам анализов несчастных  случаев намечаются пути их предупреждения.

Основные пути предупреждения несчастных случаев:

   - автоматизация  и  комплексная  механизация  производственных              процессов;

   - рационализация  технологических  процессов,  модернизация 

     оборудования  и  инструментов;

   - применение  дистанционного  управления;

   - применение  дополнительных  ограждающих  и  предохранительных

     устройств;

   - внедрение  светозвуковой  сигнализации;

   - применение  световых  приборов;

   - применение  усовершенствованных  средств  защиты;

   - устранение  или  уменьшение  воздействия  шума, вибраций,

     электромагнитного  излучения;

   - улучшение  освещения  и  метеоусловий  на  рабочих  местах;

   - разумное  сочетание  режимов  труда  и  отдыха.

4.1.1.

В процессе труда работоспособность, т.е. спо­соб­ность че­ло­века к трудовой деятельности опреде­лен­ного рода, а соответ­ственно, и функ­циональное состоя­ние ор­га­низма подвергаются из­менениям. Под­дер­жа­ние ра­ботоспо­соб­ности на опти­мальном уровне - основная цель ра­цио­нального режима труда и от­дыха.

Режим труда и отдыха - это устанавливаемые для каж­дого вида работ поря­док чередования периодов работы и от­дыха и их продолжительность. Рацио­нальный режим - такое соотношение и со­держа­ние перио­дов работы и от­дыха, при кото­рых высокая произ­води­тель­ность труда со­четается с вы­сокой и устойчи­вой рабо­то­способ­ностью че­ловека без приз­на­ков чрезмерного утомления в те­че­ние дли­тельного вре­мени. Такое чередование периодов труда и отды­ха соблю­дается в раз­личные отрезки времени: в те­че­ние рабо­чей смены, суток, недели, года в соот­ветствии с режимом ра­боты предприятия. Установление общественно необходимой продолжительности рабочего времени и распределение его по календарным периодам на предприятии достигаются при разработке правил, в которых предусматривается порядок  чередования и продолжительность периода работы и отдыха. Этот порядок принято называть режимом труда  и отдыха.

Один из основных вопросов установления рациональных режимов труда и отдыха - это выявление принципов их разработки.  Таких принципов три:

 - удовлетворение потребности производства;

 - обеспечение наибольшей работоспособности человека;

 - сочетание общественных и личных интересов.

Первый  принцип заключается в том, что при выборе  оптимального режима труда и отдыха требуется определить такие параметры, которые способствуют лучшему использованию производственных фондов и обеспечивают наибольшую эффективность производства. Режимы труда и отдыха строятся применительно к наиболее рациональному производственному режиму, с тем, чтобы обеспечить нормальное течение технологического процесса, выполнение заданных объемов производства, качественное и своевременное проведение планово-профилактического ремонта и осмотра оборудования при сокращении его простоев в рабочее время.

                 Второй принцип гласит, что нельзя строить режимы труда и отдыха без учета работоспособности человека и объективной потребности организма в отдыхе в отдельные периоды его трудовой деятельности.  В целях учета физиологических возможностей человека (в рамках установленных законом предписаний по охране труда и продолжительности рабочего времени) следует  разрабатывать  такой порядок чередования времени труда и отдыха, определять такую их длительность, которые  обеспечивали бы наибольшую работоспособность и производительность труда.

                 Третий принцип предполагает, что режим труда и отдыха должен быть ориентирован на учет и обеспечение в определенной степени удовлетворения личных интересов трудящихся и отдельные категорий работников (женщин, молодежи, учащихся и т.д.).

Таким образом, при выборе оптимального режима труда и отдыха нужен комплексный социально-экономический подход. Целью подобного подхода является полная и всесторонняя оценка его оптимизации с точки зрения  учета личных и общественных интересов, интересов производства и физиологических возможностей человека. В связи с этим следует отметить, что научно обоснованным режимом труда и отдыха на предприятиях является такой режим, который наилучшим образом  обеспечивает  одновременное сочетание повышения работоспособности и производительности труда, сохранение здоровья  трудящихся,  создания благоприятных условий для всестороннего развития человека.

Сегодня на предприятиях связи применяют четырехсменный режим труда, что в полной мере соответствует вышеприведенным требованиям.

4.2.

4.2.1.   лазерного излучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека - сетчатка глаза - может быть поражена лишь излучением видимого ( от 0.4 мкм ) и ближнего ИК-диапазонов ( до 1.4 мкм ), что объясняется спектральными характеристиками человеческого глаза. При этом хрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижает максимально допустимый уровень ( МДУ ) облученности зрачка.

4.2.2.

В нашей стране на базе проведенных комплексных исследований и современных представлений о влиянии лазерного излучения на организм человека разработан и утвержден ряд нормативных документов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию лазерных изделий. Эти документы устанавливают единую систему обеспечения лазерной безопасности. В такую систему входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда  на лазерных установках. В современной отечественной научно-технической и нормативной литературе дано несколько вариантов классификации лазерных изделий. С позиции обеспечения лазерной безопасности их классифицируют по основным физико-техническим параметрам и степени опасности генерируемого излучения.

В зависимости от конструкции лазера и конкретных условий его эксплуатации обслуживающий его персонал может быть подвержен воздействию опасных и вредных производственных факторов, перечень которых приведен в ГОСТ 12.1.040-83. Уровни опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте не должны превышать значений, установленных по электробезопасности, взрывоопасности, шуму, уровням ионизирующего излучения, концентрации токсических веществ и др.

4.2.3.

Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физико-технических характеристик лазера — плотности мощности (энергии излучения), длины волны, времени облучения, длительности и периодичности импульсов, площади облучаемой поверхности. Биологический эффект лазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на ткани организма (тепловое, фотохимическое), так и от биологических и физико-химических  особенностей самих тканей и органов.

Наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны:

380¸1400 нм — для сетчатки глаза,

180¸380 нм и свыше 1400 нм — для передних сред глаза,

180¸105 нм (т.е. во всем рассматриваемом диапазоне) — для кожи.

Гигиенистами выдвинуты требования, в соответствии с которыми, в основу проектирования, разработки и эксплуатации лазерной техники должен быть положен принцип исключения воздействия на человека (кроме лечебных целей) лазерного излучения, как прямого, так и зеркально или диффузно отраженного.

В соответствии со СНиП 5804-91 лазерные изделия по степени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этом класс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемого в нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности проводит предприятие-изготовитель путем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) при однократном воздействии. Определяя принадлежность лазерного изделия к тому или иному классу по степени опасности лазерного излучения, необходимо учитывать воздействие прямого или отраженного лазерного пучка на глаза и кожу человека и пространственные характеристики лазерного излучения (при этом различают коллимированное излучение, то есть заключенное в ограниченном телесном угле, и неколлимированное, то есть рассеянное или диффузно отраженное). Использование дополнительных оптических систем не входит в понятие "коллимация", а оговаривается отдельно. Лазерные изделия с точки зрения техники безопасности классифицируют в основном по степени опасности генерируемого излучения. Установлены следующие 4 класса лазеров:

1 — к нему относят полностью безопасные лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи человека;

2 — к нему относят лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком. В то же время диффузно отраженное излучение лазеров этого класса безопасно как для кожи, так и для глаз;

3 — к нему относят лазерные устройства, работающие в видимой области спектра и выходное излучение которых представляет опасность при облучении как глаз (коллимированным и диффузно отраженным излучением на расстоянии менее 10 см от отражающей поверхности), так и кожи (только коллимированным пучком);

4 — наиболее опасный — к нему относят лазерные устройства, даже диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии менее 10 см.

При определении класса опасности лазерного излучения учитываются три спектральных диапазона.

Таблица 5.1 – Диапазоны лазерного излучения

Класс

опасности

180<l£380 нм

380<l£1400 нм

1400<l£105  нм

лазерного

Диапазон

излучения

I

II

III

1

+

+

+

2

+

+

+

3

—

+

—

4

+

+

+

4.2.4.        Гигиеническое нормирование лазерного излучения

В соответствии со СНиП 5804-91 регламентируют ПДУ для каждого режима работы лазера и его спектрального диапазона. Нормируемыми параметрами с точки зрения опасности лазерного излучения являются энергия W и мощность P излучения, прошедшего ограничивающую апертуру диаметрами dа=1.1 мм (в спектральных диапазонах I и II) и dа=7 мм (в диапазоне II); энергетическая экспозиция H и облученность E, усредненные по ограничивающей апертуре:

  H=W/Sa;     E=P/Sa  ,                                  (3.1)

где Sa — площадь ограничивающей апертуры.

Таблица 5.2 - Предельные дозы при однократном воздействии на глаза коллимированного лазерного излучения

Длина волны l, нм

Длительность воздействия t, с

WПДУ, Дж

380<l£600

t£2.3×10-11

2.3×10-11<t£5×10-5

8×10-8

5×10-5<t£1

600<l£750

t£6.5×10-11

6.5×10-11<t£5×10-5

1.6×10-7

5×10-5<t£1

750<l£1000

t£2.5×10-10

2.5×10-10<t£5×10-5

4×10-7

5×10-5<t£1

1000<l£1400

t£10-9

10-9<t£5×10-5

10-6

5×10-5<t£1

Примечания: 1. Длительность воздействия меньше 1 с.

2. Ограничивающая апертура = 7×10-3 м.

ПДУ лазерного излучения устанавливают для двух условий - однократного и хронического облучения. Под хроническим понимают "систематически повторяющееся воздействие, которому подвергаются люди, профессионально связанные с лазерным излучением".

 ПДУ при этом определяют как:

1)    уровни лазерного излучения, при которых "существует незначительная вероятность возникновения обратимых отклонений в организме" человека;

2)    уровни излучения, которые "при работе установленной продолжительности в течение всего трудового стажа не приводят к травме (повреждению), заболеванию или отклонению в состоянии здоровья как самого работающего, так и последующих его поколений".

ПДУ хронического воздействия рассчитывают путем уменьшения в 5¸10 раз ПДУ однократного воздействия.

4.3.

4.3.1.

Размещение лазерных изделий в каждом конкретном случае производится с учётом класса опасности изделий, условий и режима труда персонала, особенностей технологического процесса, подводка коммуникаций.

Требования для класса 3Б:

Расстояние между лазерными изделиями  должно обеспечивать безопасные условия труда и удобство эксплуатации, ремонта и обслуживания. Рекомендуется для класса 3Б:

- Со стороны органов управления: при однорядном расположении–1,5 м;

- при двухрядном  не менее - 2,0 м.

- С других сторон не менее – 1,0 м.

- Траектория прохождения лазерного пучка должна быть заключена в оболочку из несгораемого материала или иметь ограждение, снижающие  уровень лазерного излучения  до ДПИ и исключающие попадание лазерного пучка на зеркальную поверхность. Открытые  траектории в зоне возможного нахождения человека  должны располагаться значительно выше уровня глаз. Минимальная высота траектории 2,2 м.

- Рабочее место должно быть организовано таким образом, чтобы исключать возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величина не превышала ДПИ для первого класса.

- Рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех элементов (органов управления, средств отображения информации и другое.)должна обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизические возможности человека.

- Следует предусматривать наличие мест для размещения съемных деталей, переносной измерительной аппаратуры, хранения заготовок, готовых изделий.

4.3.2.

По степени зашиты персонала от воздействия лазерного излучения условия и характер труда при эксплуатации лазерных изделий независимо от класса изделия подразделяются:

А) оптимальные – исключающие воздействие на персонал лазерного излучения;

Б) допустимые – уровень лазерного излучения, воздействующего на  персонал, меньше ПДУ установленного СанПиН 5804;

В) вредные и опасные – уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал, превышает ПДУ.

4.3.3.

Выполнение следующих требований безопасности должно обеспечивать исключение или максимальное уменьшение возможности облучения персонала лазерным излучением, а также воздействия на него других опасных факторов:

- К ремонту, наладке и испытаниям лазерных изделий допускаются     лица, имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие   инструктаж по технике безопасности в установленном порядке.

- К работе с лазерными изделиями  допускаются лица, достигшие восемнадцати лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие курс специального обучения в соответствии с ГОСТ 12.0.004, обучение в установленном порядке работе с конкретными лазерными изделиями и аттестацию на группу по охране труда при работе на электроустановках с соответствующим напряжением.

- При эксплуатации изделий выше класса 2 должно назначаться лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.

- Лазерные изделия, находящиеся в эксплуатации, должны  подвергаться регулярной  профилактической проверке. При  проведении профилактической проверки следует обращать  особое внимание на безотказность работы всех защитных  устройств, надёжность заземления.

4.4.

В главе рассмотрены следующие вопросы:

-        

-        

-        

Лазеры, применяемые в современных системах связи, относятся к классу  опасности 3Б. Полупроводниковый лазер, используемый в проектируемом передающем устройстве, рассчитан на работу во втором спектральном  диапазоне  (380<l£1400) и  имеет  выходную  оптическую мощность не более 3.5 мвт, что соответствует гигиеническим нормам для данного класса.

Заключение

В дипломном проекте дан обзор существующих методов организации волоконно-оптических систем передачи, а также освещены возможные способы построения одноволоконных ВОСП. Приведена сравнительная характеристика принципов построения одноволоконных ВОСП, в результате чего сделан вывод, что наиболее приемлемым вариантом организации одноволоконной ВОСП на ГТС является ВОСП с модуляцией оптического сигнала по интенсивности и применением оптических разветвителей.

В ходе работы осуществлена разработка структурной схемы передающего устройства, кроме того, приведены варианты структурных схем возможных способов построения одноволоконных ВОСП.

Разработана принципиальная схема оптического передающего устройства и рассчитаны её основные узлы. В качестве оптического излучателя выбран полупроводниковый лазер ИЛПН-203. В схеме применены полупроводниковые интегральные схемы отечественного производства, что отвечает современным требованиям проектирования аппаратуры связи. Разработанное передающее устройство рассчитано на работу в составе цифровых многоканальных систем передачи, работающих  со скоростью 8 Мбит/с и предназначенных для работы на соединительных линиях ГТС.