Нелинейные твердотельные устройства СВЧ. Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума

Министерство образование и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования « РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Арутюнян М. О., Быкадоров Ю. О., Нойкин Ю. М., Чеботарев Г. Д.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению специального лабораторного практикума "Нелинейные твердотельные устройства СВЧ " (специальность 013800, радиофизика и электроника) Часть IX ВРЕМЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ВОЛОКОННО - ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Ростов-на-Дону 2005

Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета РГУ и рекомендовано в качестве методических указаний для выполнения специального лабораторного практикума "Нелинейные твердотельные устройства СВЧ" для студентов 5 курса дневного отделения и магистрантов 1 года обучения.

Основание: Протокол №3 от 2 марта 2004 Рецензенты: доцент Орлов С. В. (кафедра радиофизики), доцент Иванов И. Г. (кафедра квантовой радиофизики) Ответственный редактор: профессор кафедры квантовой радиофизики Латуш Е. Л. Авторы:

Арутюнян Марина Олеговна, студентка Быкадоров Юрий Олегович, начальник подразделения Нойкин Ювеналий Михайлович, доцент Чеботарев Геннадий Дмитриевич, доцен

Компьютерный набор и верстка Арутюнян М. О.

Лабораторная работа №9 ВРЕМЕННОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ КАНАЛОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ Цель работы - изучить методы уплотнения каналов с помощью цифровых устройств, а также механизмы передачи данных по волоконно- оптической линии связи (ВОЛС). Подготовка к работе – занести в рабочую тетрадь название и цель лабораторной работы, основные положения, формулы и рисунки, необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ПРЕИМУЩЕСТВА ВОЛС Волоконно-оптическая линия связи – это вид системы передачи, в которой информация передаётся по оптическим диэлектрическим волноводам (световодам). Оптические линии передачи данных сейчас очень распространены. В настоящее время производится ∼10 млн. км волокна в год. А уже проложено ∼100 млн. км, из них 40% в Сев. Америке. Все континенты соединены ВОЛС. Этих линий около 20, общая их длина примерно 300 тыс. км. Основные преимущества ВОЛС: 1. Широкая полоса пропускания. Известно, что чем выше несущая частота νнес, тем больший объём информации можно по ней передать. Сигнал, проходящий по световоду, имеет высокую несущую частоту: ∼3*1014Гц. В связи с этим максимальное число цифровых телефонных каналов в световоде достигает ∼5*109. 2. Малое затухание оптического сигнала. В кварцевом оптическом волокне на длине волны 1.55 мкм удалось снизить затухание до 0.15дБ/км (для медного кабеля эта величина составляет 200 дБ/км, а для коаксиального133дБ/к на частоте ∼ 100МГц). 3. Высокая помехозащищённость. ВОЛС невосприимчивы к электромагнитным помехам, т.к. они сделаны из диэлектрика (SiO2), т.е. носителем сигналов являются нейтральные фотоны. 4. Высокая защищённость от несанкционированного доступа (не излучает в радиодиапазоне). 5. Малый вес и объём оптического кабеля по сравнению с традиционными линиями передачи. 6. Экономичность (малая стоимость). Волоконно-оптический кабель в 2.5 раза дешевле медного. 3

7. Длительный срок эксплуатации. Металлические линии подвержены воздействию окружающей среды. В отличие от них световод обладает стойкостью к коррозии. Срок службы оптического волокна более 25лет. 8. Гальваническая развязка элементов цепи (элементы цепи по току не связаны). Низкий уровень шумов позволяет увеличить полосу пропускания и пропускную способность оптической линии связи. Для этого используют различные методы. 2 МЕТОДЫ УПЛОТНЕНИЯ КАНАЛОВ СВЯЗИ Связь по оптоволокну - пока единственный способ удовлетворить огромные потребности в скоростной передаче данных. Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру WDM (Wivelength Devision Multiplexing) – мультиплексирование по длинам волн, или спектральное уплотнение и с временным разделением TDM (Time Devision Multiplexing) – мультиплексирование по времени или временное уплотнение. О последнем и пойдет речь в данной работе. И та и другая технологии важны не только для повышения скорости передачи данных, но и для ускорения коммутации и маршрутизации. Уже разработаны необходимые средства для решения этих задач без использования электронных устройств. Таким образом, снимаются ограничения, накладываемые электроникой. Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число TDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая ёмкость линии. Технология WDM нашла большее коммерческое применение, нежели TDM. Тем не менее, технология TDM тоже весьма интересна, так как позволяет преодолеть ограничения, присущие WDM из-за ее существенно аналоговой природы. Метод временного уплотнения используется в многоканальных линиях связи с временным разделением каналов. Информация передаётся по сети в виде очень коротких импульсов со скоростью до 100Гбит/c и более, что превосходит возможности электронных систем. Принцип работы технологии TDM заключается в формировании из большого числа менее скоростных каналов, с носителями информации в виде коротких импульсов, одного высокоскоростного потока данных с разделением сигналов из различных каналов по времени. При медленно изменяющихся телеметрических данных сигнал будет узкополосным (например, данные о температуре можно передавать с малой скоростью; скажем, один раз в 10с), и крайне неэкономно занимать та4

ким сигналом всю линию связи. Для увеличения эффективности передачи эту же линию связи можно использовать для передачи других измерений в паузах между передачей значений температуры. Ясно, что эффективное использование линии связи может быть достигнуто за счет временного разделения канала связи между несколькими измеряемыми параметрами, каждый из которых передаётся с частотой, соответствующей скорости его изменения. При таком временном разделении каждой измеряемой величине отводится свой повторяющийся временной интервал. В нашем примере в течение 10с должно быть передано некоторое число разнообразных групп данных. Значения различных измеряемых величин передаются одна за другой через одну и ту же линию связи, каждая величина в свои промежутки времени. Приёмное устройство должно быть в состоянии разделить поток значений по каналам так, чтобы в каждом из каналов образовались последовательности значений, соответствующие первичной измеряемой величине. Для этого необходимо обеспечить временную синхронизацию или метить каждый временной промежуток для того, чтобы на приемном конце можно было распознать каждый источник данных. Общим методом опознавания каждого временного промежутка является отсчет его положения по отношению к синхронизующим импульсам, которые имеются в начале цикла передаваемых значений данных, — «тактовые импульсом». Мультиплексор собирает множество входных каналов от источников сигналов в одну линию передачи. Счётчик задает каждый временной промежуток и, следовательно, место в цикле для каждого источника данных. Для того чтобы понять связь между полосой частот и частотой переключения, необходимо рассмотреть процесс выборки данных. Как отмечалось ранее, синусоида может быть восстановлена из последовательности выборок ее мгновенных значений. Для воспроизведения синусоиды частоты 1кГц с высокой верностью (искажения менее 1%) требуется, по меньшей мере 5, выборок из каждого периода сигнала. Следовательно, сигнал с частотой 1кГц должен быть подвергнут дискретизации со скоростью 5000 значений в секунду, т.е. 5 выборок на период измеряемой величины. Если мы предполагаем коммутировать сигналы от 10 источников данных (имеющих полосы частот по 1кГц), для каждого из которых требуется скорость дискретизации 5000 выборок в секунду, то необходима скорость коммутации 10*5000 выборка/с = 50000выборка/с. Коммутатор должен переключаться от источника к источнику с частотой 50кГц (через 20мс), так что каждый источник сигналов будет опрошен один раз за каждые 10 переключений, т. е. один раз каждые 20мс, но с частотой 5кГц. Частота тактов, т. е. число тактов в секунду, будет равна 5000такт/с. Частота переключений равна тактовой частоте, умноженной на число источников данных в системе, или тактовой частоте, умноженной на число импульсов в такте (5000*10=50000имп./с). Линия связи должна быть в состоянии передавать импульсные данные с такой высокой частотой (50000имп./с) без ощутимых искажений. Это означает, что необходима система связи с шириной полосы пропускания гораздо больше 50000Гц. 5

У временного уплотнения есть следующие достоинства: 1) простой доступ к линям с высокой плотностью данных (100Гбит/с и более); 2) произвольные скорости передачи данных с любой степенью дробления и совместимость с существующими технологиями, например с SDH (Synchronous Digital Hierarchy)- синхронной цифровой иерархией; 3) сильно упрощены, по сравнению с WDM, усилители и средства компенсации дисперсии (благодаря работе только на одной длине несущей волны); 4) от абонентов сети требуется работа только со скоростью их собственного потока данных. Для использования временного уплотнения необходимо наличие источника тактовых импульсов, удовлетворяющего очень строгим ограничениям на ширину спектра импульсов и величину отношения между амплитудой сигнала и шума в промежутках (необходимая величина - более 1000). Кроме того, источник излучения должен быть весьма стабильным. В настоящее время эта проблема решена, и создан генератор на лазере с синхронизацией мод, работающий в диапазоне 1,3-1,55мкм. Его тактовую частоту можно изменять в пределах 2,5-20ГГц. Размеры генератора могут быть весьма невелики. К сожалению, скорость такого метода принципиально ограничена скоростью модуляции - при модуляции лазера это 1 Гбит/с, при использовании внешнего модулятора - 10Гбит/с. Но переход за пределы 10Гбит/сек в такой системе представляется затруднительным как из-за сложности оптических компонент, так и из-за проблем с разработкой электроники, работающей на таких частотах. Использование спектрального уплотнения даёт громадный прирост пропускной способности канала связи (количество информации: 1терабит в секунду). Принцип этого метода состоит в том, что в световоде создаётся не один, а несколько оптических каналов (их может быть более ста), по каждому из которых передаётся относительно небольшой поток (10 - 100Гбит/с в каждом). При этом каналы могут отличаться по длинам волн всего лишь на доли нанометров. Таким образом можно говорить о переходе к терабитным системам цифровой связи (Tera Age). Крайне важна спектральная стабильность источников, поэтому используют либо полупроводниковые, либо волоконные лазеры, которые стабилизируются внешней волоконной дифракционной решёткой или каким-то элементом, позволяющим поддерживать стабильность. Главной проблемой этого метода является широкополосное усиление. Протяженность участков ВОЛС составляет тысячи километров. Без использования усилителей доставить сигнал до приёмника на таком расстоянии невозможно. Поэтому здесь используют оптические усилители (так как даже самые современные электронные усилители на таких скоростях не работают), в которых мощность сигнала повышается за счёт его прохождения через специальный световод, накачиваемый лазером (оптический усилитель, легированный эрбием – EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). 6

Пропускную способность оптического кабеля (суммарную, всего кабеля, а не отдельного волокна) можно увеличивать не только ускорением передачи сигналов по одиночному волокну (временное уплотнение) и введением частотного (волнового) разделения каналов в волокне (спектральное уплотнение). Можно также увеличивать число задействованных волокон в оптическом кабеле (пространственное уплотнение). Пространственное уплотнение в последнее время применяется особенно широко. Произошло это потому, что оптическое волокно быстро дешевеет и составляет в стоимости линии единицы процентов. Следовательно, выгодно с самого начала заложить в магистраль избыточное (в несколько раз) количество оптических волокон, с тем чтобы по мере исчерпания ресурса кабеля вводить все новые и новые пары волокон в действие. Указанный приём наиболее предпочтителен в наземных линиях, где прокладка нового кабеля сложна, а установка дополнительной аппаратуры больших трудностей не вызывает. Закладывая проектные возможности линии, ориентируются на скорость передачи и число оптических волокон значительно большие, чем требует трафик: образуют резерв. Первый (временное уплотнение) и третий (пространственное уплотнение) способы повышения пропускной способности построенных магистралей широко практикуют уже сейчас. Спектральный (волновой) метод уплотнения пока еще используется мало. 3 МУЛЬТИПЛЕКСОР Устройство временного уплотнения обеспечивает разделение времени доступа к высокоскоростному каналу передачи данных между подключенными к этому устройству низкоскоростными линиями передачи. Мультиплексор – устройство, позволяющее передавать по одной линии несколько сигналов одновременно. Это комбинационное устройство с m информационными, n управляющими входами и одним выходом. В качестве мультиплексора в данной работе используется восьмиразрядный универсальный сдвиговый регистр (микросхема КР1533ИР29). С его помощью удалось организовать одновременную передачу информации, поступающей от пяти каналов связи, по одной линии передачи (в нашем случае оптической) путём преобразования данных из параллельной формы в последовательную. Микросхема ИР29 может также применяться в качестве буферного запоминающего устройства для временного хранения данных или для задержки информационных сигналов. Управление работой рассматриваемого логического устройства происходит посредством подачи на один из управляющих входов регистра последовательности импульсов заданной частоты - тактовых импульсов. Этот сигнал задаёт генератор импульсов ГИ (рисунок 1) - элементарная цепочка инверторов, позволяющая получить периодическую последовательность нулей и единиц. 7

Принципиальная схема мультиплексора

Рисунок 1 8

Принцип работы сдвигового регистра следующий. Сначала по положительному фронту тактового импульса осуществляется параллельная загрузка данных. При этом на входы 1 - 8, находящиеся в состоянии высокого импеданса, подается восьмиразрядная информация, которая по положительному фронту записывается в триггер. Это осуществляется путём установки напряжения высокого уровня на управляющих входах R, SEM00 и SEM01. Следующий режим работы - сдвиг вправо - осуществляется синхронно с прохождением положительного фронта тактового импульса при установке на входе SEM00 напряжения высокого, а на входе SEM01 - низкого уровня. При этом данные последовательно поступают на вход сдвига вправо SR, сдвигаясь от 1 к 8. Затем последовательные данные снимаются с выхода D7 и поступают на модулятор. Напряжение высокого уровня на любом из входов EZ1, EZ2 переводит входы / выходы в состояние высокого импеданса, но не оказывает при этом влияния на режим работы регистра - параллельную запись, сдвиг вправо, хранение и сброс. 4 МОДУЛИРОВАНИЕ СИГНАЛА Все данные, передаваемые от одного абонента к другому, представляют собой последовательность нулей и единиц. Распознавание битов данных, если они ориентированы на знаки, возможно за счет использования синхронизированного импульсного генератора, который вырабатывает сигнал с частотой, кратной частоте повторения битов. Из этого сигнала формируется соответствующий стробирующий импульс. И пока нули и единицы с промежуточными паузами последовательно поступают друг за другом, этот метод синхронизации надёжен. В нашей работе реализуется транспортная передача данных, и информация может состоять из длинных последовательностей нулей и единиц. Поэтому синхронизация в том виде, в каком она типична при распознавании знаков, трудноосуществима. Для таких случаев разработаны системы модуляции, в которых из потоков данных выделяется синхронизирующий или стробирующий сигнал для распознавания двоичных разрядов. Модуляция имеет жесткую временную связь с несущей волной, поэтому моменты времени, пригодные для считывания, могут определяться по несущей волне. Для этого может использоваться амплитудная, частотная или фазовая модуляция. Когда мы преобразуем параллельную двоичную комбинацию в последовательную, мы получаем импульсный сигнал, обозначаемый как сигнал "без возвращения к нулю"- NRZ-сигнал. При этом сигнал не изменяется в течение времени, когда в последовательном двоичном ряду выдаются один за другим нули и единицы (рисунок 2). 9

Последовательный двоичный ряд

0

0

1

0

1

1

1

0

1

0

0

1

1

0

NRZ Данные

Рисунок 2 Т.е. в потоке данных, как последовательности единиц, так и последовательности нулей соответственно передаются в виде единого блока. Информация из этого блока не может быть выделена без соответствующего стробирующего сигнала. Сигнал "без возвращения к нулю" представляет собой импульсный сигнал, наинизшая частота которого равна 0, а наивысшая - максимальной частоте следования битов. Наинизшая частота появляется при отсутствии изменения значений передаваемых двоичных разрядов, а наивысшая - при последовательном появлении нулей и единиц. Для того, чтобы передавать информацию соответственно её назначению, мы используем служебные биты "0" и "1", между которыми помещаем полезные биты (обозначим их X1, X2, и т.д. ) : 11110X1 X2 X3 0 X4 X5 Таким образом можно распознавать начало каждой порции символов. Это используется на выходе демультиплексора, когда система логических элементов отправляет каждый полезный бит на соответствующий выход.

5 ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР Процесс, обратный мультиплексированию – это демультиплексирование. Последовательные данные поступают на вход SR (рисунок 3). При этом на SEM00 должно быть напряжение высокого, а на SEM01- низкого уровня. Первые биты (служебные) подаются на логическое устройство. Если на выходе этого устройства формируется высокий уровень, то по данному сигналу информация записывается в регистр с последующей передачей на соответствующие выводы. На С, так же как и в мультиплексоре, подаются тактовые импульсы. 10

Принципиальная схема демультиплексора

Рисунок 3

11

6 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Функциональная схема лабораторной установки изображена на рисунке 4.

МУЛЬТИ ПЛЕКСОР

ОПТИЧЕСКИЙ. ПЕРЕДАТЧИК

ОПТИЧЕСКИЙ. ПРИЁМНИК

ДЕМУЛЬТИ ПЛЕКСОР

БЛОК ПИТАНИЯ

Рисунок 4 Информация подаётся на входы мультиплексора, и после преобразования поступает на оптический передатчик, с помощью которого уплотненный цифровой поток передаётся по оптическому волокну на приёмник. На завершающем этапе информация разбивается на соответствующие каналы демультиплексором 7 УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места и выполнении работы необходимо руководствоваться правилами, изложенными в "Инструкции по технике безопасности для студентов при работе в учебной лаборатории". Изучить раздел "Указание мер безопасности" в "Техническом описании и инструкции по эксплуатации" (ТО и ЭИ) к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться им при работе. ВНИМАНИЕ! В состав установки входит полупроводниковый лазер. Поэтому в процессе работы необходимо соблюдать меры предосторожности в связи с использованием источника инфракрасного излучения.

12

8 ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ Ознакомиться с приборами по "ТО и ЭИ". Для того чтобы подготовиться к работе, необходимо, используя функциональную схему, изображённую на рисунке 4, собрать лабораторную установку. 9 ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ Для того чтобы произвести измерения необходимо проделать следующее 1) выбрать канал, на нём поставить ручку ВРЕМЯ/ ДЕЛ. в произвольном положении; 2) поставить переключатель V/ ДЕЛ. в положение 1 или 2; 3) подключить щуп осциллографа на "+" - вход; 4) установить тумблер в состояние ~ ; 5) включить прибор тумблером СЕТЬ; 6) проверить уровень напряжения на входах мультиплексора (он должен быть высоким); 7) получить на экране ЭЛТ осциллографа изображение передаваемой информации в виде последовательности сигналов низкого и высокого уровня и изобразить отклик сигнала в тетради; 8) подать сигнал низкого уровня на входы мультиплексора, для чего синим концом щупа касаться корпуса мультиплексора, а красным - его любого входа; 9) пронаблюдать, как изменяются при этом данные на экране ЭЛТ осциллографа и изобразить отклик сигнала в тетради. 10 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ При оформлении результатов необходимо выполнить следующее: 1) изобразить осциллограммы сигналов низкого и высокого уровня; 2) изобразить осциллограммы сигналов после подачи сигналов низкого уровня на входы мультиплексора; 3) сравнить полученные результаты; 4) сформулировать письменно выводы по работе и оценку полученных результатов.

13

11 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Опишите принцип работы системы передачи с временным, спектральным и пространственным уплотнением. В чем преимущества и недостатки каждого метода? 2. Почему выгодно использовать ВОЛС с временным уплотнением? 3. Где используется волоконно-оптическая система с временным уплотнением? 4. Описать принцип работы мультиплексора. 5. Для чего нужны служебные биты? 6. Нарисовать схему лабораторной установки, описать принцип ее работы. Как работают основные узлы? 7. В каком состоянии находятся по умолчанию выходы мультиплексора? ЛИТЕРАТУРА 1. Семёнов А. Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. - М.: Компьютер Пресс, 1998. –302 с. 2. Янсен Й. Курс цифровой электроники. - М.: Мир, 1987. –406 с. 3. Гроднев И. И. Волоконно-оптические линии связи: Учебное пособие для высших учебных заведений. - М.: Радио и связь, 1990. –224 с. 4. Петровский И. И., Прибыльский А. В., Троян А. А., Чувелев В. С. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. - М.: Бином, 1993. – 254 с. 5. Щербо В. К. и др. Стандарты по локальным вычислительным сетям. Справочник / Под ред. С. И. Самойленко. - М.: Радио и связь, 1990. -304 с. 6. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети. Редактор А. А. Мячев - М.: Эко – трендз, 1998. –267 с.

14