Методическая разработка открытого урока по волоконно-оптическим системам связи

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АТЫРАУСКОЙ ОБЛАСТИ
КГПК «АТЫРАУСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ
ИМЕНИ САЛАМАТА МУКАШЕВА»
«Согласовано» «Утверждаю»
Зав.учебно-методическим кабинетом Зам.директора по УМР
_____________ Ж.Кереева _____________ К.Б.Боранова «____» ________________ 2016г. «____» ________________ 2016г.
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ОТКРЫТОГО УРОКА
Тема:«Волоконно-оптические системы передачи»
Предмет: «Волоконно-оптические системы передачи»
Группа: РЭиСб-13
Рассмотрено и одобрено Разработал(а)
на заседаний ПЦК преподаватель
информационных технологии и связи ________А.А.КуанышеваПротокол № _______
Председатель ПЦК
__________ З.Т.Едигенова «____» ____________ 2016г.
АТЫРАУ-2016 г
Тема урока: : Волоконно оптические системы передачи.
Группа: РЭиСб-13
Кабинет: №314
Цели и задачи урока:
-образовательные:
изучить построение оптических передатчиков и приемников
изучить типы оптических сетей передачи
изучить виды модуляции оптических колебаний
-воспитательные:
продолжить формирование познавательного интереса к дисциплине и позитивного отношения к учебе;
воспитывать аккуратность, внимательность, вежливость,
дисциплинированность.
-развивающие:
формировать умение обобщать, сравнивать, анализировать и самостоятельно делать выводы;
наблюдательности и аналитического мышления
умение делать выводы
Тип урока: комбинированный
Метод урока: демонстрационный.
Дидактические материалы: тестовые задание, презентация.
Оборудование: Мультимедийный проектор.
План урока:
Организационный этап.
Домашнее задание.
Постановка темы и проблемы урока, сообщение цели урока.
Основная часть урока –обсуждение новый темы.
Формирование домашнего задания.
Закрепление новых знаний, полученных на уроке.
Выводы по итогам урока комментарий ответов учащихся, выставление оценок.
Ход урока
І. Организационный момент. 5 мин.
1. Приветствие.
2. Проверить посещаемость студентов, отметить отсутствующих.
ІІ. Опрос домашнего задания. 25 мин.
Проверить ответы на контрольные вопросы по пройденным материалам в виде презентации.
1. Объясните принцип передачи информации в ВОСП
2. Что такое световод?
3. Назовите простейшего световода.
4. Структура оптического волокна.
5. Назовите два вида оптических волокон, изображенных на рисунке.
6. Назовите два вида оптоволокон, изображенных на рисунке.
7. Две важнейшие характеристики оптоволокна.
8. Что изображено на рисунке?
9. Для чего предназначен передающий оптический модуль ПОМ? Назовите два основных типа источников излучения (ПОМ).
10. Что изображено на рисунке?
11. Что изображено на рисунке и объясните его принцип действия.
12. Какие диоды используются в качестве приемных оптических модулей ПРОМ?
13. Расскажите назначение ретрансляционных устройств.
ІІІ. Объяснение нового материала, путем рассказа, используя слайды презентации на тему «Волоконно-оптические системы передачи» 30 мин.
План: 1. Классификация ВОСП
2. Виды модуляции оптических колебаний
3. Построение оптического передатчика
4. Построение оптического приемника
1. Классификация ВОСП
ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования делятся на:
- аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);
- цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей. Самое широкое применение находят ЦВОСП.
ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излучения подразделяются на:
- волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемой в большинстве ЦВОСП;
- волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.
ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оптического сигнала подразделяются на:
- волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;
- когерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточной частоте. При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты fc на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой fr, на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота f = fc - fr, на которой и осуществляются дальнейшие пребразования оптического сигнала в электрический. При гомодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеродина должны быть одинаковыми (fc = fr), а фазы синхронизи рованы.
По способу организации двусторонней связи ВОСП подразделяются на:
- двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (ОВ) и осуществляются на одной длине волны L Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т.е. такие ВОСП являются однокабельными однополосными. Принцип построения двухволоконной однокабельной однополосной ВОСП показан на рисунке 1, где приняты обозначения:

Рис.1 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП
КОО - каналообразующее оборудование, ОС - оборудование сопряжения, ОПер - оптический передатчик, ОВ - оптическое волокно, Опр - оптический приемник. Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.
- одноволоконную однополосную однокабельную, особенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны.

Рис.2 Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ВОСП
На рисунке к ранее принятым обозначениям добавились следующие: ОРУ - оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направляемой волны оптического излучения.
- одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения, а в другом - разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. Обобщенная схема такого способа организации двусторонней связи приведена на рисунке, здесь - направляющие оптические фильтры, выделяющие соответствующие длины волн.

Рис.3 Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП
По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на:
а) магистральные ВОСП, предназначенных для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;
б) зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600 км;
в) ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;
г) ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.
2. Виды модуляции оптических колебаний
Модуляцией называют изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного (модулирующего) сигнала С(t). Демодуляцией называют процесс восстановления исходного сигнала из модулированного колебания.
    Виды оптической модуляции:
    Прямая (непосредственная) модуляция. При этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала (рис.4, а).
    Внешняя модуляция. В этом случае для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей, можно модулировать параметры оптической несущей (рис.4, б).
    Внутренняя модуляция. В этом случае исходный сигнал управляет параметрами модулятора, введенного в резонатор лазера (рис.4, в).

Рис.4 Виды оптической модуляции: а - прямая; б - внешняя; в - внутренняя
    Параметры оптической несущей. Если рассматривать оптическую несущую как электромагнитное колебание, то напряженность электрического поля несущей E(t) можно представить гармонической функцией:

где  – угловая частота; j – фаза;  – амплитудная напряженность поля.
    Модулирующий сигнал C(t) может изменять любой из этих параметров. С этой точки зрения можно говорить об амплитудной  = F[C(t)], частотной w = F[C(t)] и фазовой j = F[C(t)] модуляциях оптической несущей. Кроме того, исходный сигнал может управлять интенсивностью оптического колебания и его поляризацией. В существующих ВОСП наиболее часто применяют модуляцию интенсивности.
3. Построение оптического передатчика
На рисунке 5 представлена структурная схема оптического передатчика (ОП) с прямой модуляцией несущей. Преобразователь кода ПК преобразует стыковой код, в код, используемый в линии, после чего сигнал поступает на модулятор. Схема оптического модулятора исполняется в виде передающего оптического модуля (ПОМ), который помимо модулятора содержит схемы стабилизации мощности и частоты излучения полупроводникового лазера или светоизлучающего диода. Здесь модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель УС-1 поступает в прямой модулятор с излучателем (МОД). Модулированный оптический сигнал излучается в основное волокно ОВ-1. Для контроля мощности излучаемого оптического сигнала используется фотодиод (ФД), на который через вспомогательное волокно ОВ-2 подается часть излучаемого оптического сигнала. Напряжение на выходе фотодиода, отображающее все изменения оптической мощности излучателя, усиливается усилителем УС-2 и подается на инвертирующий вход усилителя УС-1. Таким образом, создается петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря введению ООС обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя. Для уменьшения температурной зависимости порогового тока в передающем оптическом модуле имеется схема термокомпенсации (СТК), поддерживающая внутри ПОМ постоянную температуру с заданным отклонением от номинального значения. Современные микрохолодильники позволяют получать отклонения не более тысячных долей градуса.

Рис.5 Структурная схема оптического передатчика4. Построение оптического приемника
Структурная схема оптического приемника (ОПр) показана на рисунке 6. Приемник содержит фотодетектор (ФД) для преобразования оптического сигнала в электрический. Малошумящий усилитель (УС) для усиления полученного электрического сигнала до номинального уровня. Усиленный сигнал через фильтр (Ф), формирующий частотную характеристику приемника, обеспечивающую квазиоптимальный прием, поступает в устройство линейной коррекции (ЛК). В ЛК компенсируются частотные искажения электрической цепи на стыке фотодиода и первого транзистора усилителя. После преобразований сигнал поступает на вход решающего устройства (РУ), где под действием тактовых импульсов, поступающих от устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), принимается решение о принятом символе. На выходе оптического приёмника имеется преобразователь кода (ПК), преобразующий код линейный в стыковой код

Рис.6 Структурная схема оптического приемника
IV. Закрепление новых знаний, полученных на уроке. 25 мин.
Тестовые задания
1 На какие виды делятся ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования?
Аналоговые и цифровые ВОСП+
Двухволоконные и одноволоконные ВОСП
Однополосные и двеполосные ВОСП
Магистральные и зоновые ВОСП
2 Каналообразующие оборудования каких ВОСП строится на основе импульсно-кодовой модуляции?
Местные
Магистральные
Аналоговые
Цифровые+
3 Вид модуляции, при которой модулирующий сигнал управляет интенсивностью оптической несущей?
Внешняя
Прямая+
Внутренняя
Частотная
4 Укажите вид модуляции, в которой для изменения параметров несущей используют модуляторы?
Прямая
Внутренняя
Внешняя+
Частотная
5 Благодаря чему обеспечивается стабилизация рабочей точки излучателя?
СТК
УС
ООС+
МОД
6 Какой элемент входит в состав оптического передатчика?
ЛК
Ф
МОД+
ВТЧ
7 Как называется вид ВОСП, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам и осуществляется на одной длине волны?
Одноволоконные двухполосные однокабельныеДвухволоконные однополосные однокабельную+
Одноволоконные однополосные однокабельныеДвухволоконные, двухполосные,однокабельные8 Укажите вид модуляции, в котором исходный сигнал управляет параметрами модулятора, введенного в резонатор лазера.
Прямая
Внутренняя+
Внешняя
Частотная
9 Устройства, которые предназначены для усиление оптического сигнала
Светодиод
Ретранслятор+
Фотодетектор
Лазер
10 Как называются изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного (модулирующего) сигнала С(t)?
Детектирование
Демодуляция
Преобразование
Модуляция+
Выводы по итогам урока, выставление оценок. 5мин.
Домашнее задание. Изучить тему: «Волоконно-оптические системы передачи»
Литература.
Волоконно-оптические системы передачи: Учебник вузов/ М.М.Бутусов, С.М.Верник.
Волоконно-оптические системы связи , Р.Фриман, Москва, Техносфера,2007.