Лабораторная работа №6. «Моделирование формы сигнала на приемном конце реальной оптической линии связи».

Цель работы:

-расчет реальных параметров оптического сигнала по заданным характеристикам линии связи;

-моделирование на лабораторной установке формы реального сигнала в линии на основании проведенных расчетов.

Порядок выполнения работы.

При выполнении работы используются следующие элементы установки:

-электронный блок «Источник оптического сигнала» -ИОС;

-оптический тестер с блоком питания от сети 220v/50Hz - ОТ;

-электронный блок «Фотоприемник» -ФП;

-соединительный одномодовый волоконный шнур FC/UPS-SM-3m-FC/UPS длиной 3 метра -BILL

Внимание! Перед каждым использованием в измерениях волоконных шнуров необходимо снять защитные колпачки с их торцов. После окончания работы с волоконным шнуром обязательно установить на его торцы снятые защитные колпачки.

Перед каждым использованием в измерениях оптического тестера необходимо отвернуть защитный колпачок с торца его коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

Перед каждым соединением волоконного шнура с оптическими розетками необходимо снять защитный колпачок с торца коннектора и немедленно соединить его с коннектором волоконного шнура. После окончания измерения обязательно установить защитный колпачок на прежнее место.

1.Исходными данными для моделирования сигнала являются задаваемые преподавателем параметры оптической линии связи:

-длина линии L (км);

-тип световода (ММ или SM);

-коэффициент затухания световода α (дБ/км);

-коэффициент дисперсии τ (псек/км) для многомодового световода или τ (псек/км·нм) для одномодового световода;

-оптическая мощность лазерного диода Р_аб (Вт) (при моделировании формы сигнала в системе связи с модуляцией интенсивности эта величина соответствует амплитудному значению оптической мощности -уровню единицы);

-длина волны лазерного диода λ (мкм);

-напряжение смещения на приемном фотодиоде (его величину можно выбрать по экспериментально измеренной в ходе выполнения лабораторной работы №2 характеристике зависимости фототока I_ф от U_см);

-ширина спектральной линии лазерного диода ∆ λ, (нм) для одномодового световода;

-скорость передачи В(мБит/сек).

Значения этих параметров задается преподавателем.

2.Установите органы управления электронного блока ИОС в исходное положение:

-ручки всех пяти потенциометров - в крайнее положение против часовой стрелки;

-включить тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

-кнопочные переключатели «вкл.ОС», «модуляция», «дисперсия», «шум» - отжаты. При этом контрольные светододы над соответствующими кнопками не горят;

-с помощью кнопочного переключателя «выбор источника» в окне «оптический выход» в соответствии с заданной длиной волны λ включите один из лазеров. При этом над соответствующей оптической розеткой загорается контрольный светодиод.

Данное положение органов управления электронного блока обеспечивает непрерывное немодулированное оптическое излучение на выбранном оптическом выходе. Его мощность регулируется потенциометром «I₀».

3.Установите органы управления электронного блока ФП в исходное положение:

-включите тумблер «сеть». При этом загорается его подсветка;

-с помощью кнопочного переключателя «выбор ФД» в окне «оптический вход» включите второй фотодиод. При этом над его оптической розеткой 2 загорается контрольный светодиод. Цифровые табло «Оптическая мощность, отн.ед.» и «Напряжение смещения, В» при этом включаются. Цифровое табло «Фототок» - выключено;

-ручкой потенциометра «Напряжение смещения, В» установите его значение,;

-проверьте, что режим калибровки фотоприемника выключен -контрольный светодиод над кнопкой «Уст. нуля» в правой части лицевой панели не горит. В противном случае нажмите на кнопку «Уст. нуля» и добейтесь выключения контрольного светодиода;

-с помощью кнопочного переключателя «Множитель» в правой части лицевой панели выберите удобный предел измерений фототока по цифровому индикатору «Фототок». При этом загорается соответствующий контрольный светодиод.

4. На лицевую панель блока ИОС в окне «оптическая мощность, отн. ед.» выведены цифровые индикаторы «среднее» и «амплитуда» отсчеты по которым соответствуют среднему и амплитудному значению излучаемой

лазерным диодом мощности. Проведите калибровку показании индикатора «среднее». Для этого выполните следующее:

4.1.С помощью одномодового или многомодового оптического шнура (в соответствии с заданными исходными данными) с коннекторами типа FC соедините оптический выход электронного блока ИОС с входом оптического тестера.

4.2.Включите оптический тестер и переведите его в режим измерения абсолютных значений мощности нажимая кнопку mvt, dbm, db на его лицевой панели. Установите тестер в режим измерений на выбранной длине волны, нажимая кнопку λ на его лицевой панели. При необходимости используйте описание прибора.

4.3.Изменяя величину тока I₀ с помощью потенциометра на лицевой панели ИОС в окне «ток лазерного диода, мА», установите по оптическому тестеру значение оптической мощности Р на выходе блока ИОС, соответствующее примерно середине участка ватт-амперной характеристики (зависимости Р от I₀). Для этого используйте результаты ее экспериментального измерения, полученные в ходе выполнения лабораторной работы №1. Зафиксируйте значение Р в отчете и не изменяйте его в дальнейшем.

4.4.Установите режим работы оптического тестера, соответствующий измерению мощности в относительных единицах (измерение затухания), нажав необходимое количество раз кнопку mvt, dbm, db. После этого нажмите кнопку «установка нуля» на пульте тестера. При этом уровень оптической мощности, поступающий на вход прибора, принимается за нулевой. На его дисплее появляется значение 0 дБ.

4.4. Зафиксируйте значение отсчета Р_с по цифровому индикатору «среднее» в окне «оптическая мощность, отн.ед».

4.5.Вычислите калибровочный коэффициент для пересчета показаний индикатора «среднее» в окне «оптическая мощность, отн.ед» электронного блока ИОС в абсолютное значение оптической мощности:

(К_с)_иос= Р/Р_А.

5.На лицевую панель электронного блока ФП в окне «оптическая мощность, отн.ед» выведены цифровые индикаторы «среднее» и «амплитуда» отсчеты по которым соответсвуют максимальному и амплитудному значению оптической мощности, поступающей на вход 2. Проведите калибровку показаний индикатора «среднее». Для этого выполните следующее:

5.1.Не изменяя значения тока I₀, а, следовательно, и оптической мощности Р, отсоедините коннектор оптического шнура от входа ОТ и соедините его с оптическим входом 2 электронного блока ФП.

5.2.С помощью кнопочного переключателя «Множитель» в правой части лицевой панели выберите удобный предел измерения по цифровом индикаторам. При этом загорается соответствующий контрольный светодиод.

5.3.Произведите калибровку фотоприемника на выбранном пределе измерений фототока:

-перейдите в режим калибровки фотоприемника. Для этого нажмите на кнопку «Уст. нуля» в правой части лицевой панели электронного блока ФП и добится включения контрольного светодиода над ней;

-с помощью потенциометра «> 0<» добейтесь нулевых показаний на цифровом индикаторе «Среднее» в окне «Оптическая мощность отн. ед.»,

-повторно нажмите на кнопку «Уст. нуля» и добейтесь выключения контрольного светодиода. Прибор при этом переходит в режим измерения фототока.

5.4.3афиксируйте значение отсчета Р_с по цифровому индикатору «среднее» и вычислите калибровочный коэффициент для пересчета показаний индикатора в абсолютное значение оптической мощности:

(К_с)_фп= Р/Р_А.

6.Соберите оптическую схему линии. Для этого выполните следующее:

6.1.Отсоедините волоконный шнур от входа 2 электронного блока ФП и соедините его с входом переменного аттенюатора 20 дБ. Он расположен на плате 6 (рис. 1).

6.2.Выход аттенюатора соедините с помощью волоконного шнура с входной розеткой нормализующей катушки. Тип шнура и катушки -одномодовый или многомодовый - выберите в соответствии с типом моделируемой линии. Нормализующая катушка расположена на плате 5 (одномодовая) или 7 (многомодовая) (рис.1).

6.3.Выходную розетку нормализующей катушки с помощью переходного волоконного шнура (одномодового или многомодового в зависимости от типа моделируемой линии) соедините с одной из розеток коммутационной коробки.

6.4.С помощью переходного волоконного шнура (одномодового или многомодового в зависимости от типа моделируемой линии) попеременно соединяйте выходные розетки коммутационной коробки, расположенной с противоположной стороны макета с входом оптического тестера. Соединения производите до тех пор, пока не будет зафиксировано наличие оптической мощности на одной из розеток. Следует учесть, что из четырех световодов оптического кабеля с помощью сварки соединены только три. Поэтому в двух случаях из восьми ни на одной из выходных розеток оптическая мощность не обнаруживается. В этом случае следует соединить выходную розетку нормализующей катушки с другой розеткой коммутационной коробки. Следует помнить, что в оптическом тестере установлен режим работы, соответствующий измерению мощности в относительных единицах.

6.5.Рассчитайте затухание в моделируемой линии, используя соотношение:

А (дБ)= α (дБ/км) L (км).

Вращая регулировочную гайку аттенюатора установите по дисплею оптического тестера затухание оптического тракта, соответствующее вычисленному.

При необходимости включите в оптическую схему фиксированные аттенюаторы расположенные на плате 6 (рис.1).

6.6.Отсоедините переходной волоконный шнур от оптического тестера и соедините его с оптическим входом фотоприемника.

7.С помощью коаксиальных кабелей, входящих в состав лабораторного макета выполните следующие соединения:

-гнездо «синхр.» на лицевой панели электронного блока ИОС соедините со входом канала синхронизации осциллографа;

-гнездо «кт 1» на лицевой панели электронного блока ИОС соедините со входом первого канала осциллографа;

-гнездо «выход усилителя» на лицевой панели электронного блока ФП соедините с входом второго канала осциллографа.

8.Включите питание осциллографа. Установите переключатели входов обоих каналов в положение (=) - открытый вход для обеспечения наблюдения сигналов с постоянной составляющей. После прогрева на экране осциллографа появляются две горизонтальных линии развертки, соответствующие двум его каналам. При необходимости откорректируйте изображение линий с помощью изменения яркости, фокусировки и центровки изображения по вертикали и горизонтали.

9.Используя результаты, полученные в ходе выполнения лабораторной
работы №1 по ватт-амперной характеристике лазерного диода (зависимости
оптической мощности Р_аб от тока накачки I_н - рис.Л6.1) выберите значение
тока накачки I₀ и установите его с помощью потенциометра «I₀» на лицевой
панели блока «Источник оптического сигнала». Контроль I₀,

осуществляется по цифровому индикатору «I₀» в окне «Ток лазерного диода, мА».

10.Плавно увеличивайте значение I₁ с помощью вращения по часовой стрелке ручки потенциометра «I₁» на лицевой панели электронного блока ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА». Используя органы управления разверткой осциллографа (период развертки, усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали), получить устойчивое изображение сигнала модуляции на первом канале осциллографа.

11.С помощью потенциометра «I₁» на лицевой панели ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА», установите заданное значение Р_аб (амплитудное значение оптической мощности - уровень единицы). Для этого необходимо воспользоваться ватт-амперной характеристикой лазерного диода, экспериментально измеренной в ходе выполнения лабораторной работы №1. Ее примерный вид приведен на рис. Л6.1. По значению Р_аб определите необходимую величину тока I₁ и установите его с помощью потенциометра и цифрового индикатора «I₁» на лицевой панели в окне «Ток лазерного диода, мА».

12.Проведите калибровку показаний индикатора «амплитуда» на лицевой панели блока ИОС в окне «оптическая мощность, отн. ед.» Для этого выполните следующее:

-зафиксируйте значение отсчета Р_А по цифровому индикатору «амплитуда» в окне «оптическая мощность, отн.ед».

-вычислите калибровочный коэффициент для пересчета показаний индикатора «амплитуда» в окне «оптическая мощность, отн.ед» электронного блока ИОС в абсолютное значение оптической мощности:

(К_А)_Иос= Р/РА.

13. Используя органы управления разверткой осциллографа (усиление, центровка изображения по горизонтали и вертикали) и подбирая значение множителя, определяющего чувствительность усилителя фототока, с помощью кнопочного переключателя в правой части лицевой панели ФП, получите устойчивое изображение сигнала с выхода фотоприемника на втором канале осциллографа.

14.Проведите калибровку показаний индикатора «оптическая мощность, отн. ед.» «амплитуда» в правой части лицевой панели блока ФП. Для этого выполните следующее:

-зафиксируйте значение отсчета Р_А по цифровому индикатору «амплитуда» «оптическая мощность, отн.ед».

-вычислите калибровочный коэффициент для пересчета показаний индикатора «амплитуда» «оптическая мощность, отн.ед» электронного блока ИОС в абсолютное значение оптической мощности:

(К_А)_фп= Р/Р_А

15.Рассчитайте дисперсионное уширение оптического импульса ∆ t на приемном конце линии связи. Для многомодовой линии связи величина ∆ t определяется соотношением:

∆ t(ceк) = τ (псек/км) L(км) 10^-12,

а для одномодовой - соотношением:

∆ t(сек) = τ (псек/км нм) ∆ λ (нм) L(км) 10^-12.

Эти значения соответствуют тактовой частоте, определяемой скоростью передачи

F=1/2B.

В лабораторной установке тактовая частота выбрана равной Fл =100кГц. Поэтому, чтобы сохранить пропорции между величинами длительности импульса и его уширения в модели оптического тракта, следует определить уширение импульса для лабораторного макета величиной:

∆ t_л(сек)= (F/F_л)∆ t(ceк).

16.Нажмите кнопку переключателя в окне «Дисперсия» электронного блока ИОС. При этом над ней загорается контрольный светодиод. Вращая ручку потенциометра в окне «Дисперсия», установите рассчитанное значение уширения ∆ t_л(сек). Контроль формы импульса осуществляйте по осциллограмме первого канала. При установке величины уширения необходимо учитывать значение переключателя развертки сек/мм на лицевой панели осциллографа.

17. Определите величину Р_ср - среднее значение (постоянная составляющая) оптической мощности на входе ФД. Для этого зафиксируйте отсчет Р по цифровому индикатору «среднее» «оптическая мощность, отн. ед.». При необходимости измените предел измерения по цифровом индикаторам. После изменения предела необходимо произвести калибровку фотоприемника:

-перейдите в режим калибровки фотоприемника. Для этого нажмите на кнопку «Уст. нуля» в правой части лицевой панели электронного блока ФП и добиться включения контрольного светодиода над ней;

-с помощью потенциометра «> 0<» добейтесь нулевых показаний на цифровом индикаторе «Среднее» в окне «Оптическая мощность отн. ед.»,

-повторно нажмите на кнопку «Уст. нуля» и добейтесь выключения контрольного светодиода. Прибор при этом переходит в режим измерения фототока.

Для определения абсолютного значения Р_ср необходимо воспользоваться вычисленным ранее калибровочным коэффициентом:

Р_ср = (К_с)_фп Р.

18.Моделирование сигнала осуществляется в предположении, что шумы на приемной стороне определяются среднеквадратичным значением шумовой составляющей фототока I_шф:

(I₁)²= 2e P_cpS∆ f

и среднеквадратичным значением шумовой составляющей темнового тока I_шт

(I_шт)²= 2е I_т ∆ f.

Здесь:

-, которое при любом способе модуляции отлично от нуля;

- S - значение спектральной чувствительности фотодиода, вычисленное в пункте 10 предыдущего раздела;

- I_т - измеренное в лабораторной работе №2 значение темнового тока фотодиода соответствующее выбранному напряжению смещения на фотодиоде;

-е — заряд электрона: е = 1, 6 10^-19 Кул;

-∆ f - полоса частот, занимаемая передаваемым по линии сигналом ∆ f=2В.

Вычислите мощность шумов, приведенную к входу светодиода фотоприемника. Она определится величиной:

Р_ш =√ (I_шт)²+(I_шт)²)/S.

19.Установите уровень шума на входе светодиода 2 фотоприемника. Для этого выполните следующие операции:

-нажмите кнопку в окне «шум» на лицевой панели ИОС. При этом над ней загорается контрольный светодиод;

-с помощью потенциометра в окне «шум» на лицевой панели ИОС увеличивайте уровень шума и проконтролируйте его наличие по осциллограммам на первом и втором каналах осциллографа;

- зафиксируйте значение тока I₁ в отчете и с помощью потенциометра «I₁» на лицевой панели ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА», установите значение амплитуды модулирующего импульса равным нулю, повернув его в крайнее положение против часовой стрелки;

-с помощью потенциометра в окне «шум» на лицевой панели ИОС установите уровень шума и Р_ш. Контроль значения Р_ш осуществляйте по индикатору «оптическая мощность, отн. ед.» «амплитуда» в правой части лицевой панели блока ФП. Показания этого индикатора с учетом проведенной ранее калибровки должны соответствовать величине:

Р_А = Р_ср/(К_А)_фп.

Для удобства проведения измерений следует установить соответствующий предел измерений. Следует помнить, что после изменения предела необходимо произвести калибровку фотоприемника (действия описаны например в пункте 15).

-восстановите с помощью потенциометра и цифрового индикатора«I₁» на лицевой панели ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА» значение тока I₁.

20.Сигнал наблюдаемый на первом канале соответствует смоделированному. Зарисовать его осциллограмму.

21.Провести моделирование формы сигнала при других значениях U_см, I₀ (по указанию преподавателя).

22.Для одного из вариантов по указанию преподавателя произвести моделирование работы системы стабилизации положения рабочей точки лазерного диода. Для этого выполните следующие операции.

22.1.По цифровым индикаторам блоков ИОС и ФП зафиксируйте в таблице 1 значения параметров

22.2.3арисовать осциллограммы сигналов:

-на блочном разъеме КТ1 (ток, протекающий через рп переход лазерного диода);

-на блочном разъеме КТ2 (ток встроенного в лазерный диод фотодиода);

-на блочном разъеме «выход усилителя».

22.3.С помощью потенциометров «I₀» «I₁» на лицевой панели ИОС в окне «Ток лазерного диода, мА», изменить значения величин этих токов (по указанию преподавателя).

22.4.По цифровым индикаторам блоков ИОС и ФП зафиксируйте в таблице 1 значения параметров

Таблица 2. Измененные параметры ИОС и ФП.

22.5.Зарисовать осциллограммы сигналов:

-на блочном разъеме КТ1 (ток, протекающий через рп переход дазерного диода);

-на блочном разъеме КТ2 (ток встроенного в лазерный диод фотодиода);

-на блочном разъеме «выход усилителя».

22.6.Нажать кнопку «вкл ОС» на лицевой панели блока ИОС. При этом над ней загорается контрольный фотодиод.

22.7.С помощью потенциометров (∆ I₀) и (∆ I₁) восстановить значения токов I₀. Проконтролировать по таблицам 1 и 2 восстановление значений остальных параметров.

22.8.Убедится в работоспособности схемы стабилизации положения рабочей точки лазерного диода. Для этого измените в незначительных пределах величины токов I₀, I₁ и убедитесь в том, что средние и амплитудные значения мощностей (Р_ср)_иос, (Р_А)_иос, (Р_ср)_фп (Р_А)_фп при этом не изменились.