56
2 Mod Coala N.Document Semnat Data A elaborat. Conducăt. Control n. A aprobat Pădure I. Lit. Coală Coli 35 UTM FRT TLC-022 Cernei S. UTM FRT SOE-092 Cuprins Datele iniţiale 3 Introducere 4 1. Sistemele de transmisiuni a informaţiei prin fibre optice(STIFO) 6 2. Alegerea traseului traficului lineic 10 3. Emiţătoarele optice şi modulul optoelectronic de emisie 12 4. Fotoreceptorii şi modulul optoelectronic de recepţie 16 5. Calculul parametrilor fibrei optice monomod 24 6. Determinarea lungimilor sectorului de regenerare pentru STIFO 27 I SOE 525.2 092 007 2012 Proiectarea sistemelor de transmisiune a informaţiei prin fibre optice

Proiect STIFO Cernei

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Proiect STIFO Cernei

2

Mod.

Coala N.Document Semnat DataA elaborat.Conducăt.

Control n. A aprobat

Pădure I. Lit. Coală Coli

35

UTM FRT TLC-022

Cernei S.

UTM FRTSOE-092

Cuprins

Datele iniţiale 3

Introducere 4

1. Sistemele de transmisiuni a informaţiei prin fibre optice(STIFO) 6

2. Alegerea traseului traficului lineic 10

3. Emiţătoarele optice şi modulul optoelectronic de emisie 12

4. Fotoreceptorii şi modulul optoelectronic de recepţie 16

5. Calculul parametrilor fibrei optice monomod 24

6. Determinarea lungimilor sectorului de regenerare pentru STIFO 27

7. Determinarea valorii probabilităţii erorii de regenerare a semnalului la

recepţie 31

Concluzie 34

Bibliografie 35

I

SOE 525.2 092 007 2012

Proiectarea sistemelor de transmisiune a informaţiei

prin fibre optice

Page 2: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Datele iniţiale:

1.Distanţa dintre staţiile terminale: L=375(km);

2.Sistemul de transmisiune a informaţiei prin cablul optic: STM–4 ;

3.Lungimea de undă a purtătoarei optice: λ1=1.3 şi λ2=1.55 (μm);

4.Bugetul energetic al STICO: Q=34.7 (dBm);

5.Tipul fibrei optice: monomod

6.Puterea emiţătorului optic: P =1.6 (mW);

7.Atenuarea în conectorul emiţător-fibră: =3.9 (dBm);

8.Atenuarea joncţiunii sudate fibră-fibră: =0.1 (dBm);

9.Atenuarea în conectorul fibră-receptor: =1.8 (dBm);

10.Atenuarea în conectorul demontabil: =0.5(dBm);

11.Rezerva bugetului energetic al STICO: =4 (dBm);

12.Coeficientul de zgomot: =17 (dBm);

13.Diametrul miezului optic al fibrei: d=2·a=8 (μm);

14.Indicele de refracţie pentru miezul optic al fibrei: =1.5346;

15.Diametrul învelişului optic al fibrei: D=2·b=125 (μm);

16.Indicele de refracţie pentru învelişul optic al fibrei: =1.5268;

17.Lăţimea liniei spectrale de emisie pentru emiţător: ∆λ=0.03 (nm);

18.Frecvenţa maximală de modulaţie a emiţătorului: =935 (MHz);

19.Frecvenţa limită de modulaţie a benzii de transfer a fotoreceptorului:

=1170 (MHz);

20.Valoarea admisibilă a probabilităţii erorii de regenerare a semnalului

=6·10-9.

Introducere

3SOE 525.2 092 007

Page 3: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Telecomunicaţiile reprezintă unul din cele mai dinamice domenii ale

economiei mondiale ce se confirmă printr-un ritm sporit de dezvoltare a reţelelor

de telecomunicaţii cu reutilarea lor în baza celor mai noi realizări tehnico-

ştiinţifice, ce duce la extinderea reţelelor de telecomunicaţii, sporirea numărului

de beneficiari, calităţii şi spectrului de servicii. Interesul sporit faţă de sistemele

optoelectronice de comunicaţii şi prelucrarea informaţiei este condiţionat de

avantajele lor evidente şi utilizarea cu succes în organizarea reţelelor de

comunicaţii multifuncţionale cu promovarea celor mai moderne tehnologii şi

protocoale de telecomunicaţii.

Sistemele de transmisiune a informaţiei prin fibre optice (STIFO) reprezintă

un ansamblu de mijloace tehnice care asigură organizarea canalelor de

telecomunicaţii prin intermediul circuitului fizic în baza cablului optic (CO).

Schema de structură a STIFO depinde de destinaţie, lungimea liniei de

transmisiune, tipul informaţiei ce se transmite şi o serie de alţi factori. În STIFO

poate fi utilizată atât modulaţia analogică cît şi cea digitală. În schemele cu

modulaţie analogică comunicarea utilă nemijlocit modulează amplitudinea,

frecvenţa sau faza purtătoarei optice a emiţătorului optic (EO). Performanţele

STIFO pe deplin pot fi realizate în cazul utilizării modulaţiei digitale, după cum

este modulaţia impulsurilor în cod (PCM). Pentru STIFO digitale comunicarea

utilă reprezintă o serie de impulsuri care modulează purtătoarea optică a EO

conform intensităţii, amplitudinii, frecvenţei şi fazei. În prezent, de regulă, se

utilizează modulaţia purtătoarei optice conform intensităţii.

Elementele importante ale sistemelor de transmisiuni ale informaţiei prin

cablul optic (STICO) sunt: emiţătorul optic, fotoreceptorul şi regeneratorul.

În STIFO în calitate de emiţătoare optice se utilizează diodele

electroluminescente (DEL) şi diodele laser (DL), confecţionate pe baza

semiconductorilor. De obicei DEL sunt nişte emiţătoare optice cu radiaţia

necoerentă şi se utilizează la distanţe reduse, iar DL sunt emiţătoare optice cu

radiaţie coerentă şi se utilizează în STICO la distanţe medii şi sporite. La

4SOE 525.2 092 007

Page 4: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

recepţie, în STIFO, în calitate de fotoreceptoare se utilizează fotodiodele

semiconductoare cu structura p-i-n şi în avalanşă.

Pentru a compensa atenuarea semnalului optic ce se propagă prin CO peste

anumite sectoare de regenerare pot fi amplasate regeneratoarele sau

amplificatoarele optice. Principiul de funcţionare al regeneratoarelor se bazează

pe convertarea dublă a semnalului şi anume: semnalul optic se amplifică, i se

restabileşte forma iniţială şi relaţiile în timp, apoi din nou, din semnal electric se

convertează în semnal optic. În amplificatoarele optice semnalul optic se

amplifică fără convertări şi prelucrări suplimentare.

1. Sisteme de transmisiuni a informaţiei prin fibre optice (STIFO)

5SOE 525.2 092 007

Page 5: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

STIFO se numeşte un ansamblu de mijloace tehnice care asigură organizarea

canalelor de telecomunicaţii prin intermediul circuitului fizic în baza cablului

optic. Schema de organizare a STIFO depinde de destinaţie, lungimea liniei de

transmisiune, tipul informaţiei ce se transmite şi o serie de alţi factori şi pot fi

divizate în 3 categorii:

1) STIFO cu detecţie directă;

2) STIFO cu detecţie coerentă sau cu detecţie prin fotomixare;

3) STIFO cu multiplexare spectrală a canalelor, adică când prin aceeaşi fibră se

propagă mai multe purtătoare ce diferă după valoarea lungimii de undă.

În prezent se utilizează STIFO cu detecţie directă şi modulaţia impulsurilor

în cod, schema de structură a cărora este reprezentată în figura1.1:

Figura 1.1 STIFO cu detecţie directă

6SOE 525.2 092 007

Page 6: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

CO – convertorul de cod;

MOE – modulul optoelectronic de emisie;

MOR - modulul optoelectronic de recepţie;

RL – regeneratorul liniar;

COD – conector optic demontabil;

CO – cablul optic;

UT – utilajul terminal;

TLO – traficul lineic optic;

SI – staţiile intermediare (puncte de regenerare sau puncte de amplificare).

Conform figurii 1.1, STIFO cu detecţie directă sunt constituite din 2

complecte de utilaj terminal şi traficul lineic optic. Utilajul terminal este

amplasat în punctele A şi B şi constă din aparatura digitală standardă de formare

a canalelor şi grupelor de canale şi din utilajul de joncţionare cu traficul lineic

optic. Utilajul de joncţionare conţine convertorul de coduri CC, modulele

optoelectronice de emisie MOE şi de recepţie MOR şi RL. În punctul A, CC

convertează semnalul bipolar HDB-3 într-un semnal unipolar. MOE convertează

semnalul electric unipolar într-un semnal optic sub formă de impulsuri

unipolare. La recepţie în punctul B, MOR convertează semnalul optic într-un

semnal electric care se regenerează în RL şi apoi în CC din impulsuri unipolare

se transformă în codul bipolar HDB-3. Analogic se înfăptuieşte transmisia

semnalelor în direcţia de la B la A.

Traficul liniar optic pentru STOE constă din CO şi staţiile intermediare sub

formă de puncte de amplificare. CO care conţine 2 şi mai multe fibre se

conectează la echipamentul staţiilor terminale şi staţiilor intermediare cu

ajutorul conectoarelor optice demontabile (COD). Staţiile intermediare sunt

amplasate peste anumite sectoare numite sectoare de regenerare sau amplificare

şi sunt destinate pentru amplificarea impulsurilor, restabilirea formei iniţiale a

impulsurilor şi restabilirea relaţiilor iniţiale în timp a impulsurilor.

7SOE 525.2 092 007

Page 7: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Lungimea sectorului de regenerare depinde de valoarea ponderilor şi

dispersiei în FO, viteza de transmisiune şi calitatea de transmisiune a informaţiei

şi la fel de parametrii electrici a modulelor optoelectronice de emisie şi recepţie.

Principiul de fucţionare a punctelor de regenerare este reflectat în schema

de structură reprezentată în figura 1.2 .

COD COD

CO CO

COD COD

Figura 1.2 Schema de structură a punctelor de regenerare

CO – cablu optic;

COD – conectorul optic demontabil;

MOE, MOR – module optoelectronice de emisie şi recepţie;

A – amplificator;

DS – dispozitivul de sincronizare;

DL – dispozitivul de linie.

Conform figurii 1.2 observăm că regeneratorul funcţionează conform

principiului convertării duble a energiei şi anume din optică în electrică şi

invers. Adică semnalul optic propagându-se prin fibrele cablului se atenuează şi

se distorsionează şi în punctele de regenerare care sunt instalate la anumite

distanţe semnalul optic se convertează în semnal electric care în continuare se

amplifică, se restabileşte forma iniţială şi relaţiile în timp apoi din nou se

convertează în semnal optic. Din punctul A şi din punctul B către fiecare

regenerator amplasat în punctul de regenerare sunt conectate câte 2 FO, una

8SOE 525.2 092 007

MOR MOE

MOE MOR

A

DL

DS

A

DL

DS

Page 8: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

pentru a asigura comunicaţii din punctul A în B, iar a doua din B în A. Dacă în

CO se conţin m perechi de FO atunci pentru funcţionarea a m sisteme de

transmisiune se vor utiliza m regeneratoare amplasate în punctul de regenerare.

În prezent sunt elaborate STIFO care funcţionează în regim monomod şi în

care este posibilă combaterea dispersiei semnalului optic ce se propagă prin FO

monomod prin alegerea lungimii de undă a purtătoarei optice λ, parametrilor FO

şi parametrilor diodei laser.

În astfel de STIFO regeneratoarele sunt substituite cu amplificatoare optice

care amplifică semnalul optic (figura 1.3).

Figura1.3 STIFO în regim monomod

ST – staţie terminală;

AO – amplificatorul optic;

FTJ – filtrul trece jos.

9SOE 525.2 092 007

Page 9: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

2. Alegerea traseului traficului lineic

În baza studierii hărţii geografice se trasează variantele posibile ale traseelor

traficului lineic de transmisiune al informaţiei prin cablul optic (TLTICO). Apoi

se efectuează caracteristica comparativă a lor şi se alege cel mai optim traseu al

TLTICO. La alegerea traseului TLTICO pot fi utilizate hărţi de diferite scări, pe

care sunt indicate căile ferate, şoselele, drumurile naturale, râurile şi lacurile,

podurile de căi ferate şi peste râuri. Toate varioantele posibile ale traseelor

TLTICO se compară conform următorilor indici: lungimea traeului, îndepărtarea

de la şosele şi drumuri, numărul de treceri peste căi ferate, râuri şi şosele,

condiţiile solului, comodităţile de instalare şi exploatare. După ce s-a ales

varianta potrivită a traseului TLTICO, se trasează desenul schemei de amplasare

a sistemului de transmisiune a informaţiei prin cablul optic (STICO), pe care se

indică staţiile terminale, traseul TLTICO cu staţiile intermediare ce reprezintă

punctele de tranzit sau puncte de regenerare deservite (PRD) şi nedeservite

(PRN), şoselele de-a lungul cărora se proiectează instalarea cablului optic cu

indicarea distanţei de la şosea până la CO, localităţile urbane şi rurale, lungimile

totale ale traseului şi ale CO, numărul şi caracterul trecerilor, categoriile solului

pe parcursul traseului, volumul lucrărilor de instalare a CO manual şi de

instalare a CO cu ajutorul maşinii de pozare.

Traseul TLTICO se alege luând în considerare volumul minim de lucru şi

posibilităţile de utilizare a mecanismelor şi maşinilor la instalarea CO. În zonele

ce se află în afara localităţilor se recomandă de a instala CO de-a lungul

şoselelor şi drumurilor naturale cu condiţia că numărul de treceri peste râuri, căi

ferate şi şosele să fie minim. În cazurile când sunt prevăzute treceri peste râuri,

ele trebuie să fie amplasate la distanţe nu mai mici de 1000m de la podurile

căilor ferate şi şoselelor magistrale şi la distanţe nu mai reduse de 200m pe

cursul inferior al râurilor de la podurile şoselelor şi drumurilor naturale cu

destinaţie locală.

10SOE 525.2 092 007

Page 10: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Cu sporirea numărului facilităţilor sau serviciilor de telecomunicaţii acordate

populaţiei, sporeşte şi numărul centraleor telefonice automate (CTA) şi totodată

sporeşte distanţa dintre CTA, depăşind valori de zeci şi sute de kilometri. Astfel,

pentru a efectua conectarea dintre CTA ce se află la distanţe de zeci şi sute de

kilometri cu respectarea normelor reduse de atenuare, este raţional de a utiliza

STICO. Utilizarea CO cu coeficienţi reduşi de atenuare pentru conectările dintre

CTA este o soluţie foarte eficientă, luând în considerare coeficioenţii sporiţi de

atenuare la cablurile metalice şi deficitul de cupru. Calculul lungimii la

instalarea CO este efectuat cu prevederile unei anumite rezerve, care, conform

normativelor stabilite, constituie:

- 2% pentru CO subteran;

- 14% pentru CO submarin ce se instalează fără adâncirea în platoul râului sau

lacului;

- 5.7% pentru CO instalat în canalizaţiile CTA urbane.

11SOE 525.2 092 007

Page 11: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

3. Emiţătoarele optice şi modulul optoelectronic de emisie (MOE)

Destinaţia emiţătorului optic constă în convertarea semnalului electric în

optic, care apoi se transmite prin CO (cablul optic) al STFO (sistem de

transmisiune prin fibra optică). Specificul de funcţionare a STFO înaintează

anumite cerinţe faţă de EO, printre care pot fi menţionate următoarele:

• corespunderea lungimii de undă a radiaţiei optice unuia din minimurile

pierderilor în FO;

• nivel înalt al puterii radiaţiei optice la ieşire;

• existenţa condiţiilor care asigură pierderi minime a radiaţiei optice la

injectarea ei în FO;

• posibilitatea înfăptuirii simple a modulaţiei radiaţiei cu o rapiditate înaltă;

• fiabilitate şi resurse mari de funcţionare (≈10 ore);

• dimensiuni, masă şi putere de consum mici.

Acestor cerinţe cel mai pe deplin corespund EO semiconductoare: diodele

electroluminiscente (DEL); diodele supraluminiscente (DSL) şi diodele laser

(DL). Cele mai performante EO pentru STFO sunt DL pe baza

heterojoncţiunilor formate în structurile semiconductoare polistratificate pe baza

compuşilor GaAs şi InP. DL satisfac toate cerinţele enumerate mai sus. Însă

DEL şi DSL cedând DL după un şir de parametri, la fel se utilizează în STIFO

pentru asigurarea comunicaţiilor la distanţe reduse posedând un cost redus.

EO semiconductoare posedă o proprietate importantă pentru STFO după cum

este posibilitatea modulaţiei nemijlocite a radiaţiei optice. Modulaţia intensităţii

radiaţiei optice se înfăptuieşte prin schimbarea corespunzătoare a curentului de

alimentare (pompaj) a EO.

EO se caracterizează prin intermediul următoarelor caracteristici şi parametri:

1. Caracteristica wat-amperică, care este dependenţa puterii radiaţiei optice

de curentul de pompaj a sursei la aplicarea tensiunii de polarizare directă.

Caracteristicile tipice sunt reprezentate în figura 3.1 (pentru DEL şi DSL ele

sunt aproximativ liniare, iar pentru DL – neliniare).

12SOE 525.2 092 007

Page 12: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Figura 3.1 Caracteristicile wat-amperice ale DL, DSL şi DEL

La curenţii de pompaj I mai mici decât cel de prag, DL funcţionează ca DSL

(sursa de radiaţie necoerentă), iar când curentul devine mai mare decât cel de

prag, dispozitivul funcţionează în regim de laser şi generează radiaţie coerentă.

Cu cât este mai mare puterea radiaţiei P pentru valoarea dată a curentului de

pompaj, cu atât este mai mare randamentul EO.

2. Lungimea de undă de lucru şi lărgimea caracteristicii spectrale de

emisie . În figura 3.2 sunt reprezentate caracteristicile spectrale a sursei de

radiaţie optică.

Figura 3.2 Caracteristicile spectrale ale EO

Radiaţia EO reale posedă o mărime finită al lăţimii liniei spectrale de

radiaţie, care se determină după nivelul jumătate din putere.

(3.1)

Cu cât este mai mică lăţimea caracteristicii spectrale de emisie a EO cu atât

este mai mică dispersia semnalului în FO.

13SOE 525.2 092 007

Page 13: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

3. Frecvenţa maximă de modulaţie a radiaţiei optice a EO este egală cu

frecvenţa la care amplitudinea componentei variabile a puterii radiaţiei

modulate se reduce de 2 ori faţă de puterea radiaţiei nemodulate. Acest

parametru este egal cu zeci şi sute de MHz pentru DEL şi DSL şi pînă la unităţi

şi zeci de GHz pentru DL.

4. Componenta modală a radiaţiei optice a EO poate fi diferită: DEL şi

DSL sunt EO multimod; DL se produc de două tipuri: monomod şi multimod.

5. Caracteristicile de temperatură. DEL şi DSL sunt nişte elemente destul

de termostabile, iar puterea radiaţiei DL puternic depinde de temperatură şi la

funcţionare într-un diapazon larg de temperaturi este necesar de a promova

circuitul de termocompensare.

6. Resursele de funcţionare a DEL şi DSL alcătuieşte ore, iar a DL

ore.

Modulul optoelectronic de emisie MOE este un articol al optoelectronicii,

destinat pentru convertarea semnalelor electrice de telecomunicaţii în optice.

MOE tipic conţine:

1. Sursa optică de radiaţie (DEL, DSL, DL);

2. Circuitele elctronice pentru prelucrarea semnalelor electrice şi stabilizarea

regimurilor de funcţionare EO;

3. Conectorul optic sau un segment de CO.

MOE se produce sub formă de construcţie unică de modul.

MOE se divizează în analogice şi digitale care corespunzator convertează

semnalele electrice analogice sau digitale în semnale optice.

Pentru MOE digitale se normează următorii parametri:

• lungimea de undă de lucru (μm);

• viteza maximală de transmisiune a informaţiei (bit/sec);

• formatul semnalului ce se transmite (LTT, LEC);

• puterea medie a impulsului radiaţiei la ieşire (mW);

• puterea radiaţiei de fond (mW);

• diametrul dispozitivului optic de acordare (μm);

14SOE 525.2 092 007

Page 14: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

• apertura numerică la ieşire;

• durata frontului impulsului radiaţiei conform nivelelor 0,1...0,9; în s;

• durata de tăiere a impulsului radiaţiei conform nivelelor 0,1...0,9; în s;

• tensiunea de alimentare (V).

MOE se proiectează conform consecutivităţii. Iniţial se alege emiţătorul

optic. La alegerea EO urmează de a lua în considerare mărimea puterii,

lungimea de undă şi lărgimea caractreristicii spectrale de emisie şi viteza de

transmisiune a informaţiei. În caz de necesitate urmează de a fi utilizată schema

de stabilizare a temperaturii.

Următoarea etapă este alegerea metodei de modulaţie: analogică sau digitală.

La utilizarea modulaţiei analogice, pe lîngă putere şi lărgimea bandei

informaţionale, trebuie luată în consideraţie neliniaritatea caracteristicii wat-

amperice, care determină valoarea distorsiunilor neliniare. La utilizarea

modulaţiei digitale este necesar de a aprecia rapiditatea de funcţionare a sursei şi

metoda de codificare. După alegerea metodei de modulaţie urmează de a fi

calculate pierderile radiaţiei la injectarea ei în FO şi de determinat dacă puterea

injectată este de ajuns pentru funcţionarea sistemului. Dacă puterea injectată este

mai mică decît valoarea puterii necesare, atunci se poate de utilizat alte metode

de codificare sau de ales un alt EO. După alegerea EO şi metodei de modulaţie

este necesar de a calcula puterea injectată şi puterea zgomotului sursei (EO), de

determinat puterea de consum şi de apreciat influenţa temperaturii asupra

caracteristicilor MOE. Dacă schimbările temperaturii puternic influenţează

asupra nivelului puterii radiaţiei optice, atunci urmează de a întreprinde măsuri

de compensare a temperaturii (răcirea cu ajutorul microfrigiderelor, stabilizarea

curenţilor de polarizare sau pompaj a sursei, introducerea circuitului de reacţie

conform semnalului optic).

15SOE 525.2 092 007

Page 15: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

4. Fotoreceptorii şi modulul optoelectronic de recepţie (MOR)

Destinaţia fotoreceptorului constă în convertarea semnalului optic în electric,

care apoi se prelucrează de circuitele electronice a MOR. Fotoreceptorul în caz

ideal trebuie să satisfacă următoarelor cerinţe:

• să reproducă precis forma semnalului recepţionat;

• să nu introducă zgomot adăugător în semnalul informaţional;

• să asigure puterea maximală a semnalului electric în sarcina sa pentru

puterea dată a semnalului optic;

• să posede diapazon dinamic şi rapiditate de funcţionare sporită;

• să posede dimensiuni mici, fiabilitate înaltă, cost redus şi tensiuni de

alimentare mici.

Cel mai pe deplin acestor cerinţe corespund fotoreceptorii semiconductori. În

sistemele care funcţionează la λ=0.85μm se utilizează fotoreceptori produşi din

Si, iar pentru sistemele care funcţionează la λ=1.3 şi 1.55μm – din Ge şi

InGaAs. Dintre fotoreceptorii semiconductori în STIFO se utilizează fotodiodele

semiconductoare (FD) de două tipuri:• FD cu structura p-i-n, care posedă o sensibilitate mai bună decât FD

obişnuite p-n;

• FD cu avalanşă, care posedă mecanismul interior de amplificare a

fotocurentului şi prin urmare sensibilitatea la ele este mai bună decât la FD cu

structura p-i-n.

Dacă pe FD cade puterea optică P, atunci în circuitul sarcinii ei circulă

fotocurentul If :

(4.1)

unde η este randamentul cuantic;

q – sarcina electronului;

R - sensibilitatea după curent a FD.

(4.2)

16SOE 525.2 092 007

Page 16: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

unde λ este lungimea de undă a semnalului optic.

Analizăm caracteristicile şi parametrii de bază a FD:

1. Sensibilitatea conform curentului R , indică eficacitatea de convertare de

către fotodiodă a puterii optice în curent electric. Cu cât este mai mare valoarea

lui R cu atât este mai bună FD. De exemplu pentru FD ideală η=1 sensibilitatea

alcătuieşte:

(4.3)

Pentru FD reale η<1 şi R =0,4...0,8 A/W. În circuitele reale puterea

semnalului optic recepţionată de către fotodiodă alcătuieşte aproximativ de la 1

până la 10nW, iar fotocurentul în sarcina FD alcătuieşte . Aşa valori

mici a curentului sunt dificile pentru a fi înregistrate şi prelucrate de circuitele

electronice. În aceste cazuri pot fi utilizate FDA care posedă mecanism interior

de amplificare a fotocurentului ce se determină confrom formulei:

(4.4)

unde este valoarea medie în timp a coeficientului de multiplicare prin

avalanşă a purtătorilor de sarcină, egal cu 100 pentru Si şi cu 10 pentru Ge. În

aşa mod, sensibilitatea după curent a FDA de 10...100 ori este mai mare decât la

FD cu structura p-i-n. La folosirea FDA se reduc cerinţele faţă de amplificatorul

curentului electric ce urmează după FD.

2. Curentul la întuneric a FD I este curentul ce circulă în circuitul sarcinii

diodei în lipsa semnalului optic. Curentul la întuneric este un parametru

parazitar, deoarece creează zgomotul de alice şi limitează sensibilitatea FD.

Valorile tipice a curentului la întuneric I =1nA pentru FD din Si şi I =100nA

pentru FD din Ge.

În FDA datorită tehnologiei speciale de confecţionare partea de multiplicare

a curentului la întuneric cu un ordin este mai mic decât la FD cu structura p-i-n.

3. Caracteristicile spectrale ale fotodiodelor reprezintă dependenţa

sensibilităţii după curent de lungimea de undă a radiaţiei optice (figura 4.1).

17SOE 525.2 092 007

Page 17: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Figura 4.1 Caracteristici spectrale ale fotodetectoarelor

4. Frecvenţa limită a benzii de trecere a semnalului optic recepţionat de

FD reprezintă frecvenţa pentru care sensibilitatea după curent se micşorează

de două ori referitor de valoarea pentru cazul receptorului radiaţiei

nemodulate. Frecvenţa de limită a FD contemporan alcătuieşte pînă la unităţi,

zeci şi sute de GHz.

5. Tensiunea de polarizare şi capacitatea joncţiunii FD. FD funcţionează în

STIFO în regimul fotodiodic (tensiunea de polarizare inversă). În acest caz

se reduce capacitatea şi se măreşte frecvenţa de limită în comparaţie cu

regimul fotodiodic de conectare a FD.

Reducerea capacităţii FD este importantă pentru crearea MOR cu banda largă

şi micşorarea nivelului puterii zgomotului sumar. Mărimea tensiunii de

polarizare pentru FD p-i-n alcătuieşte 5 şi 10V, iar pentru FDA 30 şi 300V

corespunzător pentru FD produse din Ge şi Si.

6. Diapazonul dinamic a FD caracterizează capacitatea lui de a converta atât

cele mai mici cât şi cele mai mari nivele a semnalului optic. De jos el este

limitat de zgomotul de alice a FD, iar de sus de distorsiunile neliniare şi

alcătuieşte 50 ... 60dB, (după putere) în dependenţă de materialul

semiconductor.

18SOE 525.2 092 007

Page 18: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

7. Caracteristicile de zgomot. Practic principala sursă de zgomot a FD este

zgomotul de alice a curentului la întuneric care se descrie după formula:

(4.5)

unde: este valoarea medie pătratică a zgomotului de alice;

- curentul la întuneric;

- lăţimea benzii de transfer a FD.

Raportul semnal/zgomot (RSZ) în sarcina ideală se determină după formula:

(4.6)

Dacă ψ=1, atunci şi .

Puterea semnalului optic pentru care se asigură ψ=1 se numeşte de limită

(sau sensibilitatea de limită). Într-o bandă de trecere arbitrară ∆F în banda de

trecere unitară ∆F puterile de limită corespunzătoare sunt egale:

(4.7)

(4.8)

Analizăm caracteristicile de zgomot a FDA. Zgomotul de alice în banda ∆F

este egal:

(4.9)

unde: este valoarea medie pătratică a puterii zgomotului;

- curentul la întuneric în volumul de multiplicare;

- coeficientul de zgomot în urma procesului haotic de multiplicare

prin avalanşă.

(4.10)

Raportul semnal/zgomot a FDA:

(4.11)

De unde:

19SOE 525.2 092 007

Page 19: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(4.12)

(4.13)

Unde x=0.5 pentru Si şi x=1.0 pentru Ge.

MOR este un articol al optoelectronicii destinat pentru convertarea

semnalelor optice transmise prin STFO în electrice. MOR tipic conţine:

conectorul optic sau segmentul de CO; fotodetectorul; circuitele electronice

pentru prelucrarea semnalului electric şi stabilizarea regimurilor de funcţionare,

produs sub formă de construcţie unică. Pe fig. 4.2 este reprezentată schema de

structură a MOR.

Parametrul de bază a MOR este sensibilitatea – puterea medie minimală în

timp a semnalului la polul de intrare, pentru care se asigură valoarea necesară a

RSZ sau a coeficientului de erori. Sensibilitatea MOR depinde de parametrii FD

şi indicii de zgomot a amplificatorului preliminar. Din această cauză către

circuitele de intrare a MOR se înaintează cerinţe contradictorii: nivel minimal a

zgomotului în banda dată de trecere pentru un diapazon dinamic mare. În

legătură cu aceasta amplificatoarele preliminare cu zgomot mic pentru MOR se

produc după două scheme de bază:

• cu impendanţă de intrare mare R →∞ (figura 4.3,a);

• cu reacţie negativă (figura 4.3,b).

20SOE 525.2 092 007

Page 20: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Figura 4.2 Schema de structură a MOR

1. FD cu structură p-i-n sau avalanşă;

2. Amplificator preliminar;

3. Amplificator de bază;

4. Filtru;

5. Detectorul de vârf;

6. Amplificatorul de dirijare automată a nivelului;

7. Sursa de polarizare.

Figura 4.3 Amplificatoare preliminare cu zgomot mic pentru MOR

21SOE 525.2 092 007

Page 21: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

În amplificatorul cu R pentru reducerea nivelului zgomotului se măreşte

impendanţa de intrare. Aceasta adcuce nemijlocit la micşorarea diapazonului

dinamic şi bandei de trecere a amplificatorului. Pentru restabilirea ei se

utilizează corectorul CAF, care în sistemele digitale este numit nivelator. În

schema a doua pentru mărirea bandei de trecere se utilizează reacţia negativă

paralelă. Banda de trecere se măreşte datorită reducerii impendanţei dinamice de

intrare a amplificatorului.

(4.14)

unde = este coeficientul de amplificare după tensiunea

amplificatorului.

Amplificatorul cu reacţie puţin îi cedează amplificatorului cu impendanţa de

intrare mare după zgomot, însă posedă un diapazon dinamic mare. Schema

principială a MOR cu amplificator preliminar cu reacţie este reprezentat în

figura 4.4.

C2

VT2VT3

VT1

+U

-U

C1

FDR2 R3

R6R5R4Rr

R1

Figura 4.4 Modul optoelectronic de recepţie

MOR se proiectează conform următoarei consecutivităţi. Iniţial se analizează

cerinţele şi limitările sistemei de transmisie. Primul pas în procesul calculelor

22SOE 525.2 092 007

Page 22: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

este alegerea metodei de modulaţie (analogică sau digitală) care trebuie să

corespundă cu metoda de modulaţie a sursei. Următorul pas după alegerea

metodei de modulaţie este calculu puterii achivalente a zgomotului (PEZ) al

MOR. PEZ pentru banda de transmisie dată se sumează din zgomoturile

fotodetectorului, sarcinii lui sau circuitului cu reacţie şi amplificatorului. După

calculul PEZ se calculează sensibilităţile necesare şi de limită, valoarea RSZ şi

valoarea probabilităţii erorii .

Următoarea etapă în procesul de proiectare este alegerea FD concret pentru

lungimea de undă dată a sursei. Maximul sensibilităţii spectrale a FD trebuie să

corespundă cu lungimea de undă emisă de sursă. În continuare urmează să ne

determinăm cu tipul amplificatorului preliminar şi tipul tranzistorului din primul

circuit al lui. Dacă valoarea obţinută a sensibilităţii este insuficientă pentru

îndeplinirea cerinţelor sistemei, atunci urmează să alegem un FD mai bun sau să

micşorăm lăţimea benzii de transmisiune (dacă aceasta e posibil).

După alegerea elementelor, care satisfac cerinţei după sensibilitate, este

necesar de a analiza mărimea diapazonului dinamic. El este important datorită

schimbării unui şir de factori, care influenţează asupra funcţionării sistemei după

cum sunt schimbarea condiţiilor esterioare (în particular temperatura), diferenţa

în lungimile sectoarelor de regenerare, degradarea parametrilor elementelor în

timp. Prin urmare la calculul MOR urmează să revedem cea mai rea variantă de

schimbare a parametrilor elementelor sistemei, în particular al MOE şi MOR, şi

la fel schimbările de temperatură ale mediului ambiant. Dacă schimbările

temperatură influenţează esenţial asupra MOR, atunci trebuie să utilizăm

circuitul de compensare a temperaturii.

La etapa finală de montaj a MOR este necesar de a lua în considerare factorii

mediului ambiant: temperatura, umiditatea, posibilitatea pătrunderii undelor

electromagnetice şi expunerii la lumina de fond a FD.

23SOE 525.2 092 007

Page 23: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

5. Calculul parametrilor fibrei cablului optic monomod şi alegerea

cablului optic

1. Valoarea relativă a indicelui de refracţie:

(5.1)

2. Apertura numerică şi unghiul aperturic:

(5.2.1)

(5.2.2)

3. Frecvenţa normată:

unde (λ1=1.3 μm) (5.3.1)

unde (λ2=1.55 μm) (5.3.2)

4. Frecvenţa critică (valoarea parametrului ce caracterizează tipul undei

P =2.405):

(5.4)

5. Lungimea de undă critică:

(5.5)

6. Coeficientul de atenuare cauzat de polarizarea materialului miezului optic

al fibrei:

(5.6.1)

(5.6.2)

7. Coeficientul de atenuare cauzat de absorbţia ionilor metalelor intermediare:

(5.7.1)

(5.7.2)

24SOE 525.2 092 007

Page 24: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

8. Coeficientul cauzat de absorbţia grupei de hidroxid OH:

(5.8)

9. Coeficientul de atenuare cauzat de dispersia semnalului:

(5.9.1)

(5.9.2)

unde K =0.63÷0.80 este coeficientul de dispersie pentru SiO2 .

10. Coeficientul de atenuare sumar:

(5.10.1)

(5.10.2)

11. Dispersia kilometrică materială:

(5.11.1)

(5.11.2)

unde M(λ) este dispersia kilometrică materială specifică pentru fibrele optice

din SiO2, valorile căreia sunt indicate în tabelul 5.1.

Valorile dispersiilor kilometrice materiale specifice M(λ) şi ghidul de undă

specifică B(λ) pentru fibrele optice din SiO2:

Tabelul 5.1

12. Dispersia kilometrică ghid de undă:

25SOE 525.2 092 007

Page 25: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(5.12)

(5.12)

unde B(λ) este dispersia kilometrică ghid de undă specifică pentru fibrele

optice din SiO2, valorile cărora sunt indicate în tabelul 5.1.

13. Dispersia kilometrică sumară:

(5.13.1)

(5.13.2)

14. Banda de transfer kilometrică pentru fibra optică monomod:

(5.14.1)

(5.14.2)

15. Banda de transfer a fibrei optice monomod pentru traficul cu lungimea L:

Pentru λ1=1,3μm obţinem:

(5.15.1)

(5.15.2)

Pentru λ2=1.55μm obţinem:

(5.15.3)

(5.15.4)

6. Determinarea lungimilor sectorului de regenerare pentru sistemele

de transmisiune a informaţiei prin cablul optic

26SOE 525.2 092 007

Page 26: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

1. Determinarea vitezei de transmisiune critică a simbolurilor în linie:

(6.1.1)

(6.1.2)

unde:

(6.1.3)

2. Determinarea lungimii maxime şi lungimii minime a sectorului de

regenerare:

Verificăm îndeplinirea următoarei condiţii:

B ≤ B (6.2.1)

Pentru STM-4 viteza de transmisiune este: B=622.08 (Mbps), deci, rezultă că

se respectă condiţia (6.2.1), şi avem:

622.08 (Mbps) ≤ 11.1 (Gbps) ≤ 56(Gbps) (6.2.2)

Lungimile sectorului de regenerare maximală şi minimală ,

limitate de atenuare se determină respectiv conform formulelor:

(6.2.3)

(6.2.4)

unde l este lungimea de construcţie a CO (se indică de producătorul CO).

Deseori tamburul cu CO conţine diferite lungimi de construcţie şi, de obicei,

70% din lungimile de construcţie ale CO sunt de lungimea l şi 30% - de

lungimea l . Astfel, lungimea de construcţie aducţională l a CO pe lungimea

sectorului de regenerare o determinăm astfel:

(6.2.5)

(6.2.6)

unde l =2 (km) şi l =1 (km) sau l =6 (km) şi l =4(km).

Pentru λ1=1.3μm obţinem:

(6.2.7)

27SOE 525.2 092 007

Page 27: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(6.2.8)

(6.2.9)

(6.2.10)

Pentru λ2=1.55μm obţinem:

(6.2.11)

(6.2.12)

(6.2.13)

(6.2.14)

3. Determinarea duratei frontului impulsului la ieşirea modulului

optoelectronic de emisie:

(6.3)

unde F este frecvenţa maximală de modulaţie a emiţătorului optic.

4. Determinarea duratei frontului impulsului la propagarea semnalului prin

fibra optică :

Pentru λ1=1.3μm obţinem:

(6.4.1)

(6.4.2)

Pentru λ2=1.55μm obţinem:

28SOE 525.2 092 007

Page 28: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(6.4.3)

(6.4.4)

unde τ este dispersia kilometrică sumară a semnalului.

5. Determinarea duratei frontului impulsului în modulul optoelectronic de

recepţie:

(6.5)

unde F este lărgimea benzii de transfer al MOR conform nivelului puterii

semnalului 0.5, şi care aproximativ este egală cu valoarea frecvenţei de limită a

benzii de transfer pentru fotoreceptor F .

6.Determinarea duratei frontului impulsului la sfîrşitul sectorului de

regenerare:

(6.6)

unde - sunt sporirile duratei frontului impulsului corespunzător în

modulul optoelectronic de emisie (MOE), în fibra optică (FO) şi modulul

optoelectronic de recepţie (MOR).

7. Verificarea condiţiei că durata frontului impulsului la sfîrşitul sectorului de

regenerare nu trebuie să depăşească valoarea admisibilă:

Durata frontului impulsului la sfârşitul lungimii sectorului de regenerare nu

trebuie să depăşească valoarea admisibilă pentru viteza de transmisiune a

informaţiei B şi tipul codului lineic utilizat, adică trebuie să se respecte condiţia

(6.7.1):

(6.7.1)

unde T este durata intervalului unitar (secunda) pentru viteza de transmisiune B

a simbolurilor în linie, şi se determină conform relaţiei (6.7.2):

(6.7.2)

Verificăm respectarea condiţiei:

(6.20)

29SOE 525.2 092 007

Page 29: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Observăm că atît pentru codul lineic RZ, cît şi pentru codul NRZ condiţia

(6.7.1) se respectă. Rezultă că în sistemul dat de tranmisiune se vor folosi

ambele coduri.

7.Determinarea valorii probabilităţii erorii de regenerare a semnalului la

recepţie

1. Determinarea puterii şi nivelului puterii zgomotului termic:

30SOE 525.2 092 007

Page 30: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(7.1.1)

unde:

k= - constanta Boltzman;

T=300 (K) – temperatura absolută;

∆F – lărgimea benzii de frecvenţă.

(7.1.2)

2. Determinarea puterii şi nivelului puterii zgomotului de alice:

Pentru λ1=1.3μm obţinem:

(7.2.1)

unde:

(J/Hz) – constanta Plank;

ν – frecvenţa purtătoarei optice;

C (m/s) – viteza luminii în vid;

λ – lungimea de undă a purtătoarei optice.

(7.2.2)

Pentru λ2=1.55μm obţinem:

(7.2.3)

(7.2.4)

3. Determinarea nivelului puterii zgomotului sumar:

(7.3)

31SOE 525.2 092 007

Page 31: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

unde: pzg.t-nivelul puterii zgomotului termic;

F - nivelul coeficentului de zgomot.

4. Determinarea nivelului puterii semnalului injectat în traficul lineic:

(7.4)

5.Determinarea pierderilor în traficul de linie:

Pentru λ1=1.3μm obţinem:

(7.5.1)

(7.5.2)

Pentru λ2=1.55μm obţinem: (7.5.3)

(7.5.4)

5. Determinarea valorii de protecţie a semnalului informaţional de zgomot:

(7.6)

(7.6.1)

(7.6.2)

(7.6.3)

32SOE 525.2 092 007

Page 32: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

(7.6.4)

unde:

A - valoarea de protecţie a semnalului informaţional de zgomot;

p - nivelul puterii semnalului injectat în traficul lineic;

p - nivelul puterii zgomotului sumar la recepţia semnalului

informaţional.

6. Determinarea valorii probabilităţii erorii de regenerare a semnalului:

(7.7)

Unde x se calculează după relaţia:

(7.7.1)

Deci:

(7.7.2)

(7.7.3)

(7.7.4)

(7.7.5)

33SOE 525.2 092 007

Page 33: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

Concluzii Telecomunicaţiile optice este una din cele mai tinere ramuri ale tehnicii şi

îi sunt specifice tempouri foarte înalte de dezvoltare. Interesul sporit către

STIFO este condiţionat de avantajele lor nenumărate faţă de sistemele de

transmisii tradiţionale.

Pentru proiectarea STIFO este important de a ţine cont anumiţi factori

precum destinaţia, lungimea liniei de transmisiune, tipul informaţiei ce se

transmite, lungimea sectorului de regenerare, coeficientul de atenuare, etc.

Scopul proiectului este cunoaşterea şi înţelegerea principiului de funcţionare

a sistemelor de transmisiune a informaţiei prin fibra optică şi proiectarea unei

astfel de sieteme conform parametrilor prestabiliţi.

Realizînd calculele necesare conform datelor iniţiale, am determinat

lungimea sectorului de regenerare pentru STIFO şi modul de amplasare a

punctelor de regenerare. La fel am calculat parametrii fibrei cablului optic

monomod, alegînd marca cablului optic în conformitate cu valorile obţinute

pentru coeficientul de atenuare , dispersia kilometrică şi banda de transfer

kilometrică .

Pentru a evita suprapunerea impulsurilor, durata frontului impulsului la

sfârşitul lungimii sectorului de regenerare nu trebuie să depăşească valoarea

admisibilă pentru viteza de transmisiune a informaţiei B şi tipul codului

lineic utilizat. Comparînd valorea calculată cu valoarea admisibilă am

constatat că valoarea ei satisface condiţia necesară, deci am putem afirma că atît

codul lineic RZ, cît şi codul NRZ pot fi utilizaţi în transmisiune.

Un alt parametru important prin intermediul căruia se estimează recepţia

grupei de cod este valoarea probabilităţii erorii de regenerare a semnalului.

Pentru funcţionarea normală a STIFO este important ca această valoare să nu

depăşească valoarea admisibilă, scop atins în lucrarea dată. În fine putem afirma

34SOE 525.2 092 007

Page 34: Proiect STIFO Cernei

Coală

Mod Coala N. Document Semnat Data

TL 021.007 N.E

că STIFO proiectat în cadrul proiectului dat corespunde tuturor cerinţelor

necesare pentru asigurarea unei calităţi înalte a transmisiunii.

Bibliografie

1. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи . –М., Мир:2003.

2. Ершов В. А., Кузнецов И.А. Мультисенрвисные телекоммукационые

сети. -М., Радио и связь: 2003.

3. Шмалько В. И. Цифровые сети связи . –М., Эко-Тренз: 2001.

4. Слепов Н. Н. Современные технологии цифровы оптоволоконных

сетей связи. –М., Радио и связь: 2000.

5. Волоконно-оптическая техника: историа, достижения, перспективы. \

Под ред. С. А. Дмитриева и Н.Н. Слепова. –М., Connect: 2000.

6. Убайдулаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. –М., Эко-Тренз: 2000.

7. Корнейчук В.И., Лессовой И.П. Волоконно-оптические изменения. –

Киев, Наукова думка: 1999.

8. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. –М., Эко-Тренз: 1998.

9. Doicaru V.,Părvulescu M. Transmisiuni prin fibre optice.-Bucureşti,

Ed.Militară: 1994.

10. Nistiriuc P., Bejan N. Electrodinamica tehnică.Unde şi structuri ghidante.

Ciclu de prelegeri.-Chişinău, UTM: 1998.

11. Корнейчук В.И., Макаров Т.В., Панфилов И.П. Оптические системы

передачи.- Киев, Техника: 1994.

12.Волоконно-оптические системы передачи и кабели. /Под ред.

И.И.Гроднева. –М., Радио и связи: 1993.

35SOE 525.2 092 007