Некоммерческое

(1)

Некоммерческое акционерное

общество

ТРАНСПОРТНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов, обучающихся по образовательной программе 6B06201 –

«Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Алматы 2021

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ ИМЕНИ ГУМАРБЕКА ДАУКЕЕВА

Кафедра

телекоммуникаций и инновационных технологий

(2)

СОСТАВИТЕЛЬ: К.С. Чежимбаева. Транспортные телекоммуникационные сети. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов, обучающихся по образовательной программе 6B06201 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».  Алматы: АУЭС, 2021.  38 с.

Методические указания содержат материалы по подготовке и выполнению лабораторных работ с применением пакета моделирования продукта Optisystem. В методических указаниях дано описание экспериментов и приведены методика проведения и обработки опытных данных, перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения в онлайн-режиме, обучающихся по образовательной программе 6B06201 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Ил. 22 , табл.7 , библиогр. 6 назв.

Рецензент: доцент кафедры ЭТ А.С. Баймаганов.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева»

на 2021 г.

НАО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева», 2021 г.

(3)

Содержание

Введение………. 5

1. Общее описание системы автоматизированного проектирования OPTISYSTEM………. 6

1.1 Общие сведения о САПР………... 6

1.2 Описание интерфейса САПР ……….. 7

1.3 Порядок работы в среде САПР OptiSystem……….… 9

2. Лабораторная работа № 1. Введение в систему Optiwave………. 14

2.1 Цель работы……….. 14

2.2 Исходные данные………. 14

2.3 Теоретическая часть……… 15

2.4 Задачи работы……….. 16

2.5 Обработка результатов измерений……… 17

2.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы 17 3. Лабораторная работа № 2. Исследование оптического волокна, ограниченного по затуханию……… 17

3.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы…………... 19

4. Лабораторная работа № 3. Исследование оптического волокна, ограниченного по дисперсии……… 20

4.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы………… 22

5. Лабораторная работа № 4. Компенсация дисперсии сигналов в волоконно-оптических системах……….. 23

5.1 Цель работы……… 23

5.3 Теоретическая часть ………. 23

5.4 Задачи работы……… 24

5.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы………….. 26

6. Лабораторная работа № 5. Расчет чувствительности оптического приемника на основе PIN фотодиода………... 26

6.3 Теоретическая часть ………. 27

(4)

7. Лабораторная работа № 6. Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)……….. 30

8. Лабораторная работа № 7. Оптическая система мультиплексирования с временным разделением (ОTDM) ……… 33

8.2 Исходные данные……… 33

Список литературы……… 37

(5)

Введение

В данную методическую разработку включены семь лабораторных работ по дисциплине «Транспортные телекоммуникационные сети».

При выполнении лабораторных работ использовался программный продукт Optisystem [1]. Для освоения данного продукта приведен раздел с общими для всех работ рекомендациями по моделированию.

Методические рекомендации по каждой лабораторной работе содержат следующие разделы: цель работы, теоретическая часть, порядок выполнения работы, контрольные вопросы для подготовки к защите работы.

Подготовка к выполнению каждой лабораторной работы предполагает изучение теоретического материала, как приведенного в методическом пособии, так и сведений из лекционного курса по дисциплине «Транспортные телекоммуникационные сети», а также из рекомендованной учебной литературы по дисциплине.

Моделирование проводится в соответствии с программой исследований на основании индивидуальных исходных данных, выбираемых студентами из соответствующих таблиц. На основании исходных данных каждый студент проводит индивидуальное моделирование.

Результаты моделирования  разработанная модель, графики амплитудного спектра сигналов, частотные характеристики, временные осциллограммы и др.  оформляются каждым студентом в виде отчета.

По полученным результатам каждый студент оформляет индивидуальный отчет согласно утвержденным требованиям [2], который должен иметь титульный лист и содержать следующие разделы:

 цель работы;

 описание модели исследуемого устройства или системы;

 результаты моделирования;

 анализ полученных результатов теоретического исследования;

 выводы по лабораторной работе.

Образец оформления титульного листа отчета по лабораторной работе показан в стандартах МУ АУЭС.

(6)

1. Общее описание системы автоматизированного проектирования OPTISYSTEM

1.1 Общие сведения о САПР

Система автоматизированного проектирования (САПР) OptiSystem — перспективный пакет моделирования оптических систем связи, позволяющий решать задачи разработки, тестирования и виртуальной оптимизации различных видов оптических линий на физическом уровне широкого спектра оптических сетей, от систем вещательного телевидения до магистральных линий. Развитый пользовательский графический интерфейс контролирует размещение оптических компонентов и таблицу связей, модели компонентов и представление графиков. Большая библиотека активных и пассивных компонентов включает реалистичные, частотно-зависимые параметры, динамическое изменение которых позволяет исследовать влияние технических характеристик компонентов на работу системы. САПР ориентирована на потребности исследований ученых, инженеров оптических телекоммуникаций, студентов и др. заинтересованных пользователей.

Преимущества САПР OptiSystem:

– быстрое, дешевое создание прототипа;

– широкое понимание процессов в разрабатываемой системе;

– прямой доступ к многочисленным настройкам данных, определяющих характеристики системы;

– автоматическое сканирование и оптимизация параметра;

– визуальное представление опций разработки и сценариев для предложения ее предполагаемым потребителям.

В состав OptiSystem входят приложения:

– разработка оптических систем связи от компонентов до системного уровня на физическом уровне;

– разработка сетей абонентского телевидения, мультиплексной передачи с временным или частотным разделением каналов;

– пассивные оптические сети;

– пространственные оптические системы;

– разработка кольцевых синхронных оптических сетей и сетей с синхронной цифровой иерархией;

– разработка передатчиков, каналов, усилителей и приемников;

– разработка дисперсионных карт;

– оценка частоты ошибок по битам (BER) и системных браков при различных моделях приемников;

– расчеты BER усилительных систем.

(7)

1.2 Описание интерфейса САПР

Внешний вид графического пользовательского интерфейса Optisystem показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 — Внешний вид графического пользовательского интерфейса OptiSystem

Графический пользовательский интерфейс содержит следующие основные окна:

– топология проекта;

– навигатор проекта;

– библиотека компонентов;

– окно описания; строка текущего состояния.

Окно топологии проекта, показанное на рисунке 1.2, представляет собой основное рабочее пространство, где размещаются компоненты топологии, редактируются их параметры и формируются связи между ними.

Рисунок 1.2 — Окно топологии проекта

(8)

Библиотека компонентов (рисунок 1.3, а) предоставляет доступ к компонентам для создания структуры систем.

Рисунок 1.3 — Окна библиотеки компонентов (а) и браузера проекта (б) Браузер проекта (рисунок 1.3, б) позволяет оптимально организовать проект и обеспечивает навигацию в текущем проекте.

Окно описания (рисунок 1.4, а) отображает детальную информацию о текущем проекте.

Рисунок 1.4 — Окно описания проекта (а) и строка текущего состояния (б) Строка текущего состояния (Status Bar) (рисунок 1.4, б) отображает информацию о прогрессе расчета проекта, полезные подсказки по использованию OptiSystem и другую информацию.

Библиотека элементов содержит следующие категории:

– библиотека элементов визуализации (оптические, электрические);

– библиотека передатчиков:

а) оптические источники;

б) генераторы последовательностей бит в;

в) импульсные генераторы;

г) оптические модуляторы;

д) оптические передатчики;

е) многомодовые источники;

мультиплексоры с частотным уплотнением каналов:

а) мультиплексоры ввода-вывода;

б) демультиплексоры;

в) мультиплексоры;

г) размещенные в решетке волн оводы (A WG);

(9)

– библиотека усилителей (оптические, электрические);

– библиотека фильтров (оптические, электрические);

– библиотека пассивных элементов (оптические, электрические);

– библиотека элементов тракта:

а) частотные преобразователи;

б) оптические переключатели;

– библиотека приемников:

а) регенераторы;

б) фотодетекторы;

в) оптические приемники;

г) многомодовые сумматоры и селекторы;

– библиотека обработки сигналов:

а) арифметические операции;

б) инструменты (оптические и электрические);

в) логические операции;

– библиотека инструментов;

элементы программного обеспечения;

– библиотека MATLAB (оптические и электрические компоненты);

– библиотека элементов, передающих сигналы по кабелю (cable access library):

а) генераторы несущей; б) передатчики; в) приемники;

– библиотека элементов для пространственных оптических систем (freespace optic);

– библиотека автоматизации проектирования электронных приборов.

1.3 Порядок работы в среде САПР OptiSystem

Рассмотрим порядок работы в среде данной САПР на примере модели лазерного источника с прямой модуляцией.

В окно топологии проекта из окна библиотеки элементов переносятся основные блоки разрабатываемой системы: генератор псевдослучайной последовательности битов, импульсный генератор, лазерный излучатель (в примере выбран лазер поверхностного излучения с вертикальным объёмным резонатором) и др. (рисунок 1.5).

Элементы в схеме размещаются последовательно слева направо. При переносе элемента программа предлагает выполнить соединение портов с близлежащим соответствующим элементом схемы.

После размещения всех элементов и проверки порядка их соединения производится настройка входящих в схему элементов после двойного клика на каждом из них.

В общем случае для реализации проекта нужно определиться с параметрами:

– скорость передачи данных в битах (Bit rate);

(10)

– длина последовательности битов (Sequence length); число выборок на бит (Samples per bit).

Эти параметры используются для определения временного окна (time window), частоты дискретизации (sample rate) и числа выборок (number of samples).

Рисунок 1.5 — Перенос элементов разрабатываемой модели

Зададим Bit rate=10¹⁰ , Sequence length 256 и Samрles per bit 128 (рисунок 1.6) в окне параметров проекта (двойной клик на свободном пространстве в окне проекта).

Рисунок 1.6 — Окно исходных параметров проекта Тогда:

(11)

Частота дискретизации рассчитывается в программе автоматически («script», рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 — Окно параметров настройки генератора импульсов Программа в дальнейшем использует параметр «Time window» для всех компонентов одинаковым, в то время как параметры «sample rate» и «number of samples» могут быть перенастраиваемы.

При изменении размерности заданной величины в окне настроек параметров перерасчет производится автоматически (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 — Изменение размерности параметра в окне настройки параметров лазерного излучателя

(12)

Для того чтобы задать для конкретного устройства глобальные параметры проекта, необходимо зайти в его настройки и проверить во вкладке

«Simulation» наличие галочки в строке «Enabled».

Закончив соединение узлов устройства и задав их параметры, переходим к введению устройств визуализации (рисунок 1.9):

— осциллограф (Oscilloscope visualization);

— модуль визуализации оптического сигнала во временной области (Optical time domain visualizer);

— анализатор спектра оптического сигнала (Optical spectrum analyzer);

— анализатор BER (BER analyzer).

Рисунок 1.9 — Структура разработанной модели с модулями визуализации Для задания параметров, например анализатора спектра оптического сигнала, нажимаем по нему правой кнопкой мыши и выбираем в всплывающем меню опцию «Component Properties».

После завершения всех настроек в верхнем меню программы нажимаем на кнопку «сalculate». Открывается окно, показанное на рисунке 1.10, в котором нажимаем на кнопку запуска расчетов.

(13)

Рисунок 1.10 — Окно моделирования и оптимизации проекта

После завершения вычислений двойным нажатием на модули визуализации можно перейти к анализу полученных результатов моделирования (рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 — Результаты моделирования упрощенной системы передачи данных с лазерным излучателем с прямой модуляцией Также отметим некоторые дополнительные особенности работы с OptiSystem.

В программе предусмотрена маркировка по цветам соединительных линий в зависимости от особенностей передаваемого сигнала (таблица 1.1).

(14)

Таблица 1.1 — Маркировка соединительных линий

Сигнал Цвет соединительной линии

Двоичный ( Binary) Красный

Многоуровневый (M-Ary ) Темно-красный Электрический (Electrical) Голубой

Оптический (Optical) Зеленый

Произвольный (Any Type ) Темно-зеленый

В программе предусмотрена возможность введения источника шума, который вводится в дискретизированный сигнал или может существовать как отдельное шумовое заполнение. По умолчанию в параметрах моделей устройств шумы отключены. Поэтому, при необходимости их анализа, следует зайти в настройки всего проекта, как показано на рисунке 1.12, поставить галочку в пункте «Convert noise bins».

Рисунок 1.12 — Окно настроек параметров проекта во вкладке «Noise»

2 Лабораторная работа № 1. Введение в систему Optiwave 2.1 Цель работы

Идентифицировать и распознавать каждый компонент системы Optiwave.

2.2 Исходные данные

Исходные данные для выполнения работы представлены в таблицах 2.1, 2.2.

Таблица 2.1 — Исходные данные для исследования влияния дисперсии на распространение оптического импульсного сигнала

M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

(15)

Bit rate,

Гбит/с 35 40 25 30 25 35 40 45 35 40 P₀ , мВт 5 8 15 9 12 10 18 6 21 7 Опто-

волокно

SMF-

28e SM 332

SM 8/12 5

SM 9/12 5

Pure

Band Actal e 6900

SM 332

SM 9/12 5

Pure

Band Actal e 6900

Примечание: В таблице введены следующие обозначения: M — предпоследняя цифра номер транскрипта;  — длина волны оптического сигнала в оптоволокне; Bit rate — скорость передачи битов; P0 — мощность оптического сигнала; параметры оптических волокон приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.2 — Исходные данные для исследования влияния фазовой самомодуляции на распространение оптического импульсного сигнала.

N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

Bit rate,

Гбит/с 1 4 1,25 3 2 1 3 1,25 4 2

1, нм 1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1510 1500 P1 , мВт 25 35 40 45 40 35 30 25 30 35

2, нм 1481 1491 1501 1511 1521 1531 1541 1551 1511 1501 P₂ , мВт 10 15 10 20 15 10 15 10 15 10

L, км 60 15 52 20 30 60 20 52 15 30 Примечание: В таблице введены следующие обозначения: N — последняя цифра номера транскрипта; 1,2 — длины волн 1-го и 2-го оптических сигналов в оптоволокне; Р_1,2 — мощности 1-го и 2-го оптических сигналов в оптоволокне; L — длина каждого из двух отрезков оптоволоконной линии.

2.3 Теоретическая часть

На рисунке 2.1 показана общая структурная схема оптической системы связи. Он состоит из канала связи с передатчиком спереди и приемником сзади.

(16)

Рисунок 2.1 — Компоненты системы Optiwave Оптический передатчик

Роль оптического передатчика заключается в преобразовании электрического сигнала в оптическую форму и запуске полученного оптического сигнала в оптическое волокно. Он состоит из оптического источника, генератора электрических импульсов и оптического модулятора.

Запускаемая мощность и пропускная способность передаваемого сигнала являются очень важными конструктивными параметрами.

Канал связи

Роль канала связи заключается в передаче оптического сигнала от передатчика к приемнику без его искажения. Большинство систем связи Optiwave используют оптические волокна в качестве канала связи, поскольку волокна могут передавать свет с относительно небольшими потерями мощности.

Оптический приемник

Оптический приемник преобразует оптический сигнал, полученный на выходном конце оптического волокна, обратно в исходный электрический сигнал. Он состоит из фотоприемника, фильтра и демодулятора.

Производительность цифровой Optiwave системы характеризуется частотой битовых ошибок (BER). Это общепринято — определять BER как среднюю вероятность неправильного бита идентификации. Большинство систем Optiwave определяют BER 10–9 в качестве эксплуатационных требований.

2.4 Задачи работы

1. Создайте макет передатчика:

а) Установите скорость передачи данных на 2,5 ГГц.

б) Подключите ПСДП для обоих типов генератор импульсов, как показано на рисунке 2.2.

в) Запустите симулятор и просмотрите пропускную способность каждого из них с помощью анализатора спектра.

г) Сравните ваши результаты. Какой из них лучше использовать в

(17)

Рисунок 2.2 – Оптический передатчик

2. После проектирования передатчика постройте систему Optiwave, как показано на рисунке 1.3. Установите длину волокна на 450 км. Запустите симулятор и найдите:

а) Уровни оптической мощности на обоих концах волокна. Каково затухание волокна?

б) BER, коэффициент качества и глазную диаграмму.

в) Измените длину волокна на 480, 500 и 520 км и повторите шаги а и б.

г) Установите длину волокна на 450 км, измените мощность передатчика на 3.3, 3.6 и 4 дБм и повторите задания пунктов а) и б).

д) Какие изменения произошли в принятом сигнале на шагах в) и г)?

Рисунок 2.3 – Система Optiwave 2.5 Обработка результатов измерений

2.5.1. Привести рисунки с разработанными измерительными схемами.

2.5.3. Привести результаты экспериментальных исследований:

осциллограммы и спектры оптических импульсных сигналов.

2.5.4. Сделать выводы по работе и оформить отчет по лабораторной работе.

2.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы 2.6.1 В чем заключается принцип работы фидера?

2.6.2 Чем обусловлена материальная дисперсия при распространении оптического сигнала по фидеру?

(18)

2.6.3 Чем обусловлена волноводная дисперсия при распространении оптического сигнала по фидеру?

2.6.4 Как изменяется эволюция импульса при наличии некоторой начальной ЛЧМ гауссова импульса?

2.6.5 Чем обусловлен эффект фазовой самомодуляции?

2.6.6 В чем проявляется эффект фазовой самомодуляции?

2.6.7 Как изменится спектр распространяющегося по оптоволокну импульсного сигнала, если увеличить Bit rate?

2.6.8 Какими нелинейными свойствами обладают оптические волокна?

2.6.9 В чем преимущество и недостатки NRZ, RZ кодов?

2.6.10 Приведите структуру NRZ, RZ кодов.

3 Лабораторная работа № 2. Исследование оптического волокна, ограниченного по затуханию

3.1 Цель работы

1) Рассчитать длину волокна с ограниченным затуханием на основе уравнения бюджета мощности.

2) Смоделировать полученную систему и убедиться, что она соответствует целям производительности.

Уравнение бюджета мощности гласит, что бюджет мощности в системе передачи должен равняться сумме всех потерь мощности плюс запас мощности.

*Бюджет мощности — это разница между выходной мощностью передатчика и чувствительностью приемника в дБм. Уравнение выглядит следующим образом:

, где, ( );

( );

(19)

В этом упражнении задаются все параметры в приведенном выше уравнении, кроме длины волокна, которую необходимо определить.

Чувствительность приемника определяется здесь как минимальная мощность, необходимая для достижения BER 10–9, что соответствует добротности 6. Чувствительность приемника зависит от скорости передачи битов. Затухание волокна зависит от рабочей длины волны.

1. Начните с макета передатчика/оптоволокна/приемника:

а) Установите выходную мощность лазера таким образом, чтобы выходная мощность передатчика находилась на заданном уровне.

б) Установите длину и потери связи для волокна, как указано или рассчитано в предварительном лабораторном упражнении.

в) Поместите оптический аттенюатор между волокном и приемником и установите затухание на заданный предел.

г) Поместите оптические измерители мощности и любые другие визуализаторы, которые могут быть полезны.

Рисунок 3.1 – Общая система для исследования влияния дисперсии на прохождение импульсного оптического сигнала по оптоволокну 2. Запустите моделирование и запишите следующие данные:

а) Оптической мощности (дБм):

– Обоих концов волокна;

– Входа приемника.

б) Анализ BER:

– BER;

– Добротности;

– Глазной диаграммы.

(20)

3. Установите длину волокна на 125% от значения, рассчитанного в предварительной лаборатории, и повторите моделирование и запись данных (шаг 2).

4. Установите длину волокна на значение, используемое на шаге 1, увеличьте битрейт до 10 Гбит/с и повторите моделирование и запись данных (шаг 2).

3.5 Обработка результатов измерений

3.5.1 Подготовить рисунки с разработанными измерительными схемами.

3.5.2 Подготовить результаты экспериментальных исследований:

3.5.3 Сделать выводы по работе и оформить отчет по лабораторной работе.

3.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы

3.6.1 Чем обусловлено затухание в оптических волокнах?

Проявлением каких потерь?

3.6.2 Каковы основные типы потерь в ОВ?

3.6.3 Каков механизм потерь в коротковолновой области спектра?

3.6.4 Каков механизм потерь в длинноволновой области спектра?

3.6.5 Что такое межмодовая дисперсия?

3.6.6 Что такое материальная дисперсия?

3.6.7 В чем заключается основная идея метода обрыва?

3.6.8 Как измерить затухание оптического волокна с помощью оптического рефлектометра?

3.6.9 Как измерить потери соединения двух оптических волокон?

3.6.10 Как измерить возвратные потери в местах неоднородностей волоконного тракта?

4 Лабораторная работа № 3. Исследование оптического волокна, ограниченного по дисперсии

1) Рассчитать длину волокна с ограниченной дисперсией для волоконно- оптической транспортной системы, использующей стандартное одномодовое волокно и непосредственно модулированный одномодовый лазерный диодный передатчик.

2) Смоделировать полученную систему и убедиться, что она соответствует заданной производительности.

(21)

Максимально допустимая дисперсия (или разброс импульсов) Δtmax задается в терминах скорости передачи R следующим техническим руководством:

.

Это руководство обеспечивает разумную гарантию того, что не будет никаких значительных межсимвольных помех (ISI) из-за распространения импульсов.

Для стандартного одномодового волокна, управляемого непосредственно модулированным лазерным диодным передатчиком, распространение импульса из-за хроматической дисперсии задается следующим образом:

( ) , где ( );

( );

( ) ( );

( )

( ) Коэффициент хроматической дисперсии можно рассчитать по формуле:

( ) ( ), где (

);

( ).

Длина волокна, ограниченная дисперсией, равна значению L, так что Δt

= Δtmax.

Обратите внимание, что может быть дополнительный разброс импульсов из-за времени нарастания передатчика и приемника. Несколько консервативное техническое руководство допускает это, но результаты моделирования должны быть проверены для проверки приемлемой производительности системы.

(22)

1. Начните с макета передатчика / оптоволокна / приемника:

а) Замените CW-лазер и модулятор Маха-Зендера на лазерный диод с прямой модуляцией. Используйте модель уравнений скорости лазера с параметрами по умолчанию.

б) Установите параметры волокна в соответствии со спецификациями в предварительной лаборатории.

в) Установите параметр «длина волокна» в режиме развертки так, чтобы он проходил через следующие пять значений длины волокна:

Итерация развертки Длина волокна

1 Дисперсия – ограниченная длина волокна

2 25 км

3 50 км

4 75 км

5 100 км

г) Поместите визуализаторы для захвата и записи выходных данных временной и частотной областей передатчика, входных данных временной области приемника, как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Общая система для исследования оптического волокна,

ограниченного по дисперсии

(23)

2. Запустите моделирование, а затем используйте оптический анализатор спектра для проверки спектральной ширины на выходе передатчика.

Для каждой развертки:

– используйте анализатор BER для измерения и записи добротности, частоты битовых ошибок (BER) и диаграммы глаз;

– используйте оптические анализаторы временной области для сравнения ширины импульса на входе и выходе волокна.

4.5.1 Выполнить рисунки с разработанными измерительными схемами.

4.5.3. Сделать выводы по работе и оформить отчет по лабораторной работе.

4.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы 4.6.1 Какие виды дисперсии вы знаете?

4.6.2 Каковы основные причины появления искажений в ВОЛС?

4.6.3 В чем суть искажений за счет затухания в ОВ?

4.6.4 В чем суть искажений за счет дисперсии в ОВ?

4.6.5 В чем причины появления межсимвольных искажений?

4.6.6 Каковы дисперсионные характеристики в оптическом волокне?

4.6.7 В чем выражается линейность эффекта дисперсии?

4.6.9 Как влияет дисперсия в оптоволокне на длительность импульса и его спектр?

4.6.10 В чем причины возникновения эффектов нелинейного преломления?

4.6.11 В чем причины возникновения фазовой самомодуляции?

4.6.12 Как меняется форма сигнала от спектральных составляющих?

4.6.13 В чем заключается эффект чирпирования по частоте? Объясните.

4.6.14 В чем заключается чирп-эффект в волокне с отрицательной дисперсией? Объясните.

5. Лабораторная работа № 4. Компенсация дисперсии сигналов в волоконно-оптических системах

1) Проектирование и моделирование волоконно-оптической системы с использованием дисперсионно-компенсирующего волокна для уменьшения хроматической дисперсии.

(24)

5.2. Исходные данные

Дисперсионно-компенсирующее волокно (DCF) обеспечивает оптическую среду с относительно большим отрицательным коэффициентом хроматической дисперсии (D (λ)) на рабочей длине волны. Если пропускающее волокно длиной LTF соединено последовательно с DCF длиной LDCF, то общая хроматическая дисперсия задается дисперсионно- компенсирующим волокном (DCF), обеспечивающим оптическую среду с относительно большим отрицательным коэффициентом хроматической дисперсии (D(λ)) на рабочей длине волны. Если передающее волокно длиной LTF соединено последовательно с DCF длиной LDCF, то общая хроматическая дисперсия задается следующим образом:

( ) ( )

где ( ) – хроматический коэффициент дисперсии для передающего волокна, ( ) – хроматический коэффициент дисперсии для DCF и – спектральная ширина передатчика. Аналогично, полная потеря затухания комбинации из двух волокон задается следующим образом:

Поэтому, учитывая целевые значения хроматической дисперсии и потерь затухания плюс технические характеристики передатчика, волокна и приемника, можно определить длины передающего волокна и DCF, решив одновременно два вышеперечисленных уравнения.

Технические характеристики системы приведены в таблице ниже:

Передатчик Выходная мощность 0 дБм

Ширина спектра 0,1 нм

Рабочая длина волны 1550 нм Скорость передачи данных 2,5 Гбит/с Волокно Corning SMF-28

Потеря входного соединения 0,5 дБ Выходная потеря соединения 0,5 дБ

DCF Cмотреть ниже

Приемник Чувствительность -35 дБм

(25)

DCF имеет те же параметры, что и передающее волокно, за исключением того, что коэффициент хроматической дисперсии составляет – 200 пс/нм-км при 1550 нм, а затухание – 0,5 дБ/км при 1550 нм.

Проведение расчетов:

1. Определите максимально допустимые потери волокна.

2. Определите максимально допустимую хроматическую дисперсию.

3. Основываясь на результатах (1) и (2), определите длины передающего волокна и DCF.

1. Начните с макета передатчика / оптоволокна / приемника:

а) Замените лазерный диод CW и модулятор Mach-Zehnder на непосредственно модулированный лазерный диод (используйте лазерный диод, обозначенный LRE-диодом с параметрами по умолчанию).

б) Добавьте копию волоконного компонента последовательно с существующим волоконным компонентом.

в) Также добавьте аттенюатор для представления системного запаса.

г) Отрегулируйте параметры всех компонентов, включая оптическую выходную мощность лазерного диода в соответствии с приведенными выше техническими характеристиками.

д) Установите продолжительность ТФ до значения, рассчитанного выше, и продолжительность ДПН для 0. Добавьте соответствующие визуализаторы.

Рисунок 5.1 – Общая система для компенсации дисперсии сигналов в волоконно-оптических системах

(26)

2. Запустите симуляцию и используйте визуализатор для проверки.

Выходная мощность передатчика:

– Выходная мощность может быть меньше заданного значения из-за влияния модулирующего сигнала. Отрегулируйте уровень мощности лазерного диода для компенсации.

Оптическая мощность на входе приемника:

– Ширина спектра.

– Кроме того, спектральная ширина, которая в основном обусловлена чирпированием, может не соответствовать заданному значению.

Измерьте максимальную добротность и минимальную BER.

Запишите диаграмму глаз.

Используя визуализатор временной области, постройте график и покажите оптические формы волны на:

– выходе передатчика.

– соединении между двумя волокнами.

– входе приемника.

3. Отрегулируйте длину волокон в макете соответствующим образом.

Запустите симуляцию еще раз. (Шаг 2).

5.5.3 После выполнения всех вышеперечисленных операций нужно получить следующие графики:

1. Спектр импульса на входе волокна до затухания.

2. Ширина импульса на входе волокна до затухания.

3. Ширина импульса на входе второго волокна до затухания.

4. Ширина импульса на выходе второго волокна после затухания.

5. График добротности.

6. Глазная диаграмма.

5.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы

5.6.1 В чем заключается компенсация дисперсии в широкой полосе частот?

5.6.2 В чем заключается компенсация дисперсии с помощью фотонных кристаллов?

(27)

оптической линии связи (ВОЛС) с целью обеспечения нулевого суммарного (интегрального) значения дисперсии для всей линии?

5.6.4 Каковы способы компенсации дисперсии, базирующиеся на управлении передатчиком или приемником излучения?

5.6.5 Каковы способы компенсации дисперсии, применяющие нелинейные оптические эффекты с целью управления пространственно- временными характеристиками светового импульса.

6 Лабораторная работа № 5. Расчет чувствительности оптического приемника на основе PIN фотодиода

1) Определить чувствительность оптического приемника на основе PIN фотодиода и минимальную принимаемую мощность, необходимую для достижения заданной добротности.

2) Получить опыт работы с функцией оптимизации в системе Optiwave.

Таблица 6.1 — Исходные данные для исследования характеристик лазера РОС

M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

λ, нм 1290 1555 1310 1490 1330 1570 1340 1590 1260 1680 Bit rate,

Гбит/с 1,1 1,3 1,2 1,4 1,25 1,5 1,15 1,35 1 1,45 I_В1, мА 20 15 20 25 20 15 20 25 15 20

I_В2, мА 40

Ipeak, мА 40

Примечание. В таблице введены следующие обозначения: M — предпоследняя цифра номера зачётной книжки;  — длина волны оптического сигнала в оптоволокне; Bit rate — скорость передачи битов; I_В1 и IВ2 — минимальный и максимальный задаваемые токи смещения, соответственно;

Ipeak — пиковый модулирующий ток.

(28)

Таблица 6.2 — Исходные данные для исследования характеристик лазера с вертикальным резонатором

N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0

λ, нм 683 863 1550 683 1550 863 683 1550 863 1550 Bit rate,

Гбит/с 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1

Примечание. В таблице введены следующие обозначения: N — последняя цифра номера зачётной книжки.

Чувствительность оптического приемника на основе PIN фотодиода задается формулой:

( ), Где S = чувствительность (Вт),

Q = желаемый коэффициент добротности (связанный с желаемой частотой битовых ошибок или BER),

R = чувствительность фотодиода (A / W), q = заряд электрона (C),

B = полоса пропускания приемника (Гц),

σT = среднеквадратичный ток теплового шума (а).

Среднеквадратичный ток теплового шума задается следующим образом:

(

)

Где kB = постоянная Больцмана (Дж/к) = 1.380 6488 (13) × T = температура (°К),

R_L = сопротивление нагрузки приемника (Ω), F_n = коэффициент шума приемника.

Формула чувствительности, приведенная выше, учитывает эффекты как шума выстрела (пренебрегая шумом выстрела, связанным с темным током), так и теплового шума.

Коэффициент угасания

В телекоммуникациях коэффициент экстинкции (r e) – это отношение

(29)

оптическим источником, например лазерным диодом, где P – 1-й уровень оптической мощности, генерируемый при передаче двоичного числа 1, и P 0 – уровень мощности, генерируемый при передаче двоичного числа 0.

Коэффициент экстинкции может быть выражен в долях, в дБ или в процентах:

1. Отрегулируйте значение оптического аттенюатора в диапазоне (18–

19) дБ, чтобы достичь добротности в пределах 0,1 от желаемого значения.

а) Запустите моделирование и запишите следующее:

– Входная мощность приемника.

– Добротность и BER.

– Диаграмма глаз приемника.

б) Измените значение ER из (5, 10,..., 30) дБ и обратите внимание на эволюцию добротности.

в) Постройте график, показывающий взаимосвязь между ER и добротностью. Также добавьте аттенюатор для представления системного запаса.

Рисунок 6.1 – Общая схема оптического приемника на основе PIN

фотодиода 6.5 Обработка результатов измерений

(30)

6.6 Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы 6.6.1 В чем заключается принцип работы гомогенного лазера?

6.6.2 Что конструктивно представляет собой гетерогенный лазер?

6.6.3 Как выглядит ватт-амперная характеристика лазерного диода и какое значение имеет пороговый ток накачки? Поясните.

6.6.4 На основании ватт-амперной характеристики лазерного диода поясните отличие в режимах работы лазера в аналоговой и цифровой волоконно-оптических системах передачи.

6.6.5 Что входит в состав конструкции передающего оптического модуля? Поясните.

6.6.6 Для чего в передающем оптическом модуле используются элемент Пельтье и вспомогательный фотодетектор? Поясните.

6.6.7 В чем заключается физический смысл частотно-модуляционной характеристики лазерного диода?

6.6.8 Чем отличается спектр излучения лазера с резонатором Фабри- Перо и лазера с распределенной обратной связью?

6.6.9 Каковы структура и принцип работы лазера с распределенной обратной связью? Поясните.

6.6.10 Каковы структура и принцип работы поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором? Поясните.

6.6.11 Сравните характеристики лазерных излучателей и светоизлучающих диодов.

6.6.12 Какими шумовыми характеристиками обладает лазерный излучатель?

6.6.13 Какие нелинейные искажения присутствуют в лазерном излучателе?

6.6.14 Как реализуется прямая модуляция лазерного диода? Поясните.

6.6.15 Какие цифровые коды используются для передачи информации по оптоволоконным линиям? Поясните.

6.6.16 В чем назначение глаз-диаграммы? Поясните.

6.6.17 Как изменятся форма огибающей промоделированного оптического сигнала при увеличении Bit Rate управляющего радиочастотного сигнала от 1 до 10 Гбит/с и чем это изменение обусловлено? Поясните.

6.6.18 Какими достоинствами и недостатками обладает метод прямой модуляции лазера?

7 Лабораторная работа № 6. Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)

1) Разработать и проанализировать систему мультиплексирования с