Лабораторная работа №6-0
« Измерение дисперсионных характеристик
оптических кабелей »
1. Цель работы
В результате выполнения лабораторной работы студент должен:
- узнать о дисперсии, явлении, ухудшающем качество передачи цифровой информации по волоконным световодам;
- научится измерять уширение импульса при прохождении по световоду.
2. Задание
2.1. Ознакомиться с механизмом дисперсионных искажений в оптических волокнах.
2.2 Изучить закономерности связи между дисперсией и пропускной способностью световода.
2.3. Измерить уширение импульсов в образцах оптических волокон. Определить километрическое уширение импульсов.
3. Оборудование рабочего места
3.1. Генератор оптических и электрических импульсов ОГ-5-87.
3.2. Измеритель коэффициента ошибок ИКО-832.
3.3. Ваттметр поглощаемой оптической мощности ОМЗ-65.
3.4.Двухканальный осциллограф С-1-93.
3.5.Оптический кабель.
3.6. Соединительные оптические кабели.
4. Порядок выполнения работы
4.1. Проверить заземление приборов. Включить в сеть, прогреть.
4.2. Измерить уширение сигнала, проходящего по кабелю, для этого выполнить следующие операции.
4.2.1.Собрать схему измерения (рис.4.1.).
4.2.2. Соединить гибким оптическим кабелем выход лазера оптического генератора ОГ- 5- 87 с входом ОЭП ваттметра ОМЗ-65.
4.2.3. На генераторе оптических импульсов установить тактовую частоту 2.048 МГц. На выходе лазера установить максимальную мощность сигнала Р.
4.2.4. Измерить мощность оптического сигнала ваттметром ОМЗ-65.
4.2.5. Результат измерения занести в табл. 4.1.
4.2.6. Соединить выход оптического лазера гибким оптическим кабелем с входом оптоэлектронного преобразователя прибора ИКО-832. Собрать схему, изображённую на рис. 4.2.
4.2.7. Измерить осциллографом С1-93 напряжение и длительность на половине амплитуды импульсного сигнала Uвх, tвх. Результаты измерений занести в табл.4.1.
4.2.8. Соединить выход гибкого оптического кабеля с входом волоконного световода, как показано на рис. 4.3.
4.2.9.Измерить осциллографом С1- 93 напряжение и длительность импульсного сигнала Uвых , tвых. Результаты измерений занести в табл. 4.1.
4.2.10. Повторить аналогичные измерения для тактовых частот 8.448 и 343.68 МГц при выходной мощности лазера равной Р/2, Р/4.
4.2.11.Зарисовать изображение импульсного сигнала на входе и выходе линии для одного из вариантов измерения, например при измеренной выходной мощности лазера Р и тактовой частоте 2.048 МГц.
4.3. Пользуясь формулой (6.6), рассчитать уширение импульса, проходящего по волокну. Результаты расчетов занести в табл. 4.1.
4.4.По данным результатов
измерений построить графики зависимости 
(fтакт) и (Рвх).
Таблица 4.1.
|
Тактовая частота |
Uвх, В |
Uвых, В |
tвх, мкс |
tвых, мкс |
τ, с/км |
|
|
|
Р= |
|
|
|
|
2.048 |
|
|
|
|
|
|
8.488 |
|
|
|
|
|
|
34.368 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р/2= |
|
|
|
|
2.048 |
|
|
|
|
|
|
8.488 |
|
|
|
|
|
|
34.368 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р/4= |
|
|
|
|
2.048 |
|
|
|
|
|
|
8.488 |
|
|
|
|
|
|
34.368 |
|
|
|
|
|
 |
Рис. 4.1. Схема измерения мощности оптического сигнала
 |
ОГ- 5- 87 Опт имп
Рис.4.2. Схема измерения сигнала на входе волоконного световода
 |
Рис.4.3. Схема измерения сигнала на выходе волоконного световода
5.Содержание отчета
5.1. Схема измерения уширения импульсного сигнала, проходящего по световоду.
5.2. Результаты измерений в виде табл. 4.1.
5.3. Графики зависимости (fтакт) и (Рвх).
5.4. Осциллограммы измеренных импульсных сигналов.
5.5. Анализ полученных результатов измерения.
6. Теоретические сведения
Одним из важных явлений процесса распространения сигналов по оптическим кабелям является дисперсия – рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала.
Дисперсионные искажения имеют характер фазовых искажений сигнала. При работе цифровых систем передачи они выражаются в уширении передаваемых импульсов, появлении межсимвольных помех, и, в конечном счете – в ограничении пропускной способности волокна.
Этот процесс показан на рис.6.1.
Если на входе световода действует единичный импульс δ(t), имеющий бесконечно короткую длительность, то сигнал на выходе световода представляет собой импульсную характеристику g(t), занимающую конечный временной интервал.
,
(6.1.)
В данном случае tmax и tmin представляют собой время задержки в кабеле наиболее быстро распространяющихся компонент из совокупности мод и частотных составляющих передаваемого сигнала.
Таким образом, выходной импульс стал шире входного на величину τ. Следовательно τ – уширение импульса в оптическом кабеле (рис.6.1а).
Если на входе световода имеется единичная функция, представляющая собой интеграл единичного импульса по времени,
,
(6.2.)
выходной сигнал есть переходная характеристика h(t). Переходная характеристика является интегралом по времени импульсной реакции:
,
(6.3.)
следовательно, она имеет длительность фронта τ ф =τ (рис.6.1б).
Пусть на входе световода действует двоичный сигнал (рис.6.1в). этот сигнал может быть представлен последовательностью сдвинутых во времени единичных функций. Ввиду дисперсионных процессов фронты двоичного сигнала размываются, получая на входе величину τ ф =τ .
Для того, чтобы не было перекрытия между соседними импульсами на входе приемного устройства, уширение импульса τ ф =τ должно быть
Рис.6.1. Уширение импульсов в
световоде
а – единичный импульс;
б – единичная функция;
в – импульсная последовательность
меньше T/2 (рис.6.1в). По скольку у двоичной последовательности период Т есть величина, обратная тактовой частоте 1/f, это условие записывается в следующем виде:
;
;
, с. (6.4.)
У цифровых систем передачи скорость передачи цифровой информации В обычно приравнивается тактовой частоте fт .
На практике импульс на входе имеет не нулевую, а конечную длительность τ вх поэтому в случае нормального закона распределения эти частные уширения суммируются по квадратичному закону, т.е.
,
с2 (6.5.)
где τ в – длительность импульса на выходе фотоприемника, с;
τвх – длительность импульса на входе световода, с;
τ1… τn – уширение импульса в i– том элементе тракта, с.
Как правило, наибольшие искажения в сигнал вносит оптический кабель. Тогда, зная длительность импульсов на входе и выходе тракта, можно рассчитать уширение импульса, проходящего по тракту:
, (6.6)
, - результирующее уширение
импульса, с2.
Результирующее уширение импульса обусловлено, как было сказано выше, явлением, называемым дисперсией (рассеяние).
Дисперсия возникает по двум причинам:
1. Некогерентность источника излучения и появление спектра.
2. Существование большого количества мод (N).
Дисперсия по первой причине называется хроматической или частотной. Некогерентность источника излучения заключается в том, что на его выходе наблюдается более широкая полоса излучения (например, λ=0,85 мкм±5 нм).
Хроматическая дисперсия делится на:
а) материальную дисперсию;
б) волноводную дисперсию.
Материальная дисперсия объясняется зависимостью показателя преломления стекла от длины передаваемой волны. В результате этого различные спектральные составляющие сигнала имеют различную скорость распространения, и испытывают в волокне различную задержку (рис.6.2.).
 |
Рис.6.2. Материальная дисперсия в световоде
Волноводная дисперсия имеет место за счет зависимости коэффициента фазы направляемых волн β от частоты сигнала (рис.6.3.).
 |
Рис.6.3. Волноводная дисперсия в световоде
Дисперсия по второй причине называется модовой. Различные моды имеют различную скорость распространения. Соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна, и, следовательно, поступают на выход с различной задержкой (рис.6.4.).
 |
Рис.6.4. Модовая дисперсия в волокне
Для расчета уширения импульса существует ряд аналитических выражений.
Во – первых, результирующее значение уширения импульса за счет перечисленных видов дисперсии определяется формулой:
,
с. (6.7.)
Уширение импульса за счет материальной дисперсии определяется:
,
с. (6.8.)
За счет волноводной дисперсии уширение будет равно:
,
с. (6.9.)
Модовая дисперсия приведет к следующему уширению импульса:
,
с, (6.10.)
где dn/dl - производная n1 по длине волны λ;
Δλ - ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,1±4 нм для лазера и 15±80 нм для световода;
λ – длина волны оптического излучения, мкм;
С – скорость света, км/с;
n1 – показатель преломления сердцевины волокна;
n2 - показатель преломления оболочки волокна;
l – длина световода, км.
Существуют и упрощенные методы расчета дисперсии, так как в выражении (6.8.) не известен закон изменения n1 от λ.
Рассчитав уширение импульса, можно определить пропускную способность световода:
, МГц
км (6.11.)
Уширение сигнала за счет дисперсии измеряется электронным осциллографом,
т.е. методом прямого измерения. Он состоит в том, что в оптическое волокно
вводят короткий импульс света и регистрируют во времени мощность, излучаемую из
дальнего конца измеряемого оптического волокна непосредственно на экране
электронного осциллографа. По форме входного и выходного импульсов определяют
на уровне 0,5 уширение выходного импульса.
Схема измерения дисперсии оптических волокон приведена на рис.4.2,4.3. Значение дисперсии в с/ км определяется величиной уширения импульса, отсчитываемой непосредственно по временной шкале электронной трубки осциллографа, т е.
, с/км (6.12.)
где l – длина оптического волокна, км.
Между качеством передачи информации – коэффициентом ошибок и степенью искажения импульсных сигналов, проходящих по оптическому волокну , существует прямая зависимость. Чем меньше исказятся, посылаемые в линию импульсы, тем меньше будет коэффициент ошибок.
7. Контрольные вопросы
1. В чем состоит содержание лабораторной работы? Каковы ожидаемые результаты измерений и расчетов?
2. Что представляют собой импульсная и переходная характеристика оптического волокна?
3. За счет чего происходит уширение импульсов в волоконных световодах: физическая сущность, количественная оценка, влияние на пропускную способность?
4. Что представляет собой дисперсия в многомодовых оптических волокнах ее связь со скоростью передачи цифровой информации?
5. Какая связь между уширением импульсов, полосой пропускания световодов и скоростью передачи цифровой информации?
6. Как можно измерить уширение импульсов, проходящих по волоконному световоду?
Литература
1. Гроднев И. И. Волоконно – оптические линии связи. – М.: Радио и связь, 1990, с.40 – 43, 190 – 191.
2. Гроднев И. И., Верник С. М. Линии связи. – М.: Радио и связь, 1988, с.206 – 212, 532 – 533.