Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) [3,6,11] имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на ос­нове металлических кабелей. К ним относятся: большая пропуск­ная способность, малое затухание, малые масса и габариты, высо­кая помехозащищенность, надежная техника безопасности, прак­тически отсутствующие взаимные влияния, долговечность, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

Конечно, ВОЛС обладают рядом недостатков:

• при создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в оптическое излучение и обратно, а также оптические соединители (коннекто­ры) с малым затуханием и большим ресурсом на подключение-отключение; точность изготовления таких элементов линии связи должна быть очень высока, поэтому их производство дорого­стоящее;

• для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а по­тому дорогое технологическое оборудование;

• при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление вы­ше, чем при использовании кабелей с металлическими провод­никами.

Преимущества ВОЛС настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, эти линии связи очень широко ис­пользуются на практике.

В ВОЛС применяют электромагнитные волны оптического диапазона. Напомним, что видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн З80...760нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

Оптическое волокно (ОВ) изготавливается из недорогого ма­териала - кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной (Core), а внешний слой - обо­лочкой (Cladding). Принцип распространения оптического излуче­ния вдоль оптического волокна основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления (рис. 6.7).

 

 

                           

 

 

Угол полного внутреннего отражения, называемый также критическим, при котором падающее на границу двух сред излу­чение полностью отражается без проникновения во внешнюю сре­ду, определяется соотношением где n₁- пока­затель преломления сердцевины; n₂-показатель преломления оболочки, причем n₁>n₂. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси, меньшим θ_кр.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У сту­ пенчатых ОВ показатель преломления сердцевины постоянен (рис.6.8,а). У градиентных ОВ показатель преломления сердце­вины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис. 6.8, б).

В ОВ может одновременно существовать несколько типов волн (мод). В зависимости от модовых характеристик ОВ со сту­пенчатым профилем преломления делятся на два вида: многомо- довые и одномодовые.

Количество мод зависит от значения нормированной частоты

  λ - рабочая дли­на волны. Одномодовый режим реализуется при V<2,405. Заранее определенными и сравнительно малыми величинами являются ра­бочая длина волны и разность показателей преломления δ_n=n₁-n₂. Обычно ОВ изготавливают с δn=0,003...0,05. Поэтому диаметр сердцевины одномодовых волокон также небольшой и составляет 5...15 мкм (обычно 9 или 10). Для многомодовых волокон диаметр сердцевины около 50 мкм (обычно 50 или 62,5). Диаметр оболочки у всех типов ОВ 125 мкм. Диаметр защитного покрытия 500 мкм. Наружный диаметр кабеля с числом ОВ от 2...32 с учетом всех за­щитных оболочек и элементов обычно составляет 5...17 мм.

Затухание ОВ определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние - от неодно­родности показателя преломления материала.

 

 

Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависи­мость коэффициента затухания а ОВ от рабочей длины волны приведена на рис.6.9. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было ос­воено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0,85 мкм. Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодио-ды) и фотоприемники были разработаны именно для данной дли­ны волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы децибелов на километр (дБ/км). Позднее бы­ли созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффици­ентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей децибела на километр.

Другой важнейший параметр оптического волокна - диспер­сия - рассеяние во времени спектральных и модовых составляю­щих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии:

• модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обуслов­лена наличием большого числа мод, время распространения ко­торых различно;

• материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;

• волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.

Поскольку источники оптического излучения излучают некото­рый спектр длин волн (светодиоды-15...80 нм; лазеры-0,1...4 нм), дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. Уширение

определяется как - длительность импульса

соответственно на входе и выходе ОВ. Единицей измерения уширения является наносекунда на километр (нс/км). При оценке поль­зуются термином «полоса пропускания», ΔF≈1/τ - это величина, обратная уширению импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния 1 км. Полоса пропускания измеряется в мега­герц-километрах (МГц•км). Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность свя­зи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1,3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномо-довом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наи­высшую пропускную способность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны. Одномодовые волокна обладают лучшими характери­стиками по затуханию и по полосе пропускания. Однако одномодо­вые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых раз­меров ОВ, по этой же причине сращивание одномодовых волокон сложно осуществить с малыми потерями. Монтаж оптических разъ­емов для одномодовых кабелей также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как размер сердцевины в них в несколько раз больше, чем в одномо­довых волокнах. Проще получается монтаж оптических разъемов для многомодового кабеля с малыми потерями (до 0,3 дБ) на сты­ке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм-доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3...4 дБ/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у много­модовых волокон достигает 800 МГц-км, что приемлемо для ло­кальных сетей связи, но недостаточно для магистральных линий. Полоса пропускания у одномодовых волокон может достигать 5000 МГц-км.

Сегодня в мире существует несколько десятков фирм, произ­водящих волоконно-оптические кабели (ВОК) различного назначе­ния. Определяющими параметрами при производстве ВОК явля­ются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. Основные требования к ВОК сформулированы в рекомендациях ITU-T серии G.650.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на монтаж­ные, станционные, зоновые и магистральные. Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооруже­ний. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены

 

 

     Рис. 6.10. Пример конструкции оптического кабеля:

1 - ОВ, 2 - полиэтиленовая трубка, 3 – силовой элемент,

4 и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели име­ют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух кило­метров.

     Для обеспечения большой пропускной способности линии свя­зи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до восьми) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распре­делительных сетей могут содержать до 144 волокон, как одномо­довых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между

сегментами сети.

     При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

• конструкции со свободным перемещением элементов;

• конструкции с жесткой связью между элементами.

     Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании с большим ассортиментом применяемых ма­териалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим об­разом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе стоимостным. На рис.6.10 приведен пример конструкции оптическо­го кабеля.

     Сращивание строительных длин оптических кабелей произво­дится с помощью кабельных муфт специальной конструкции.

КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

     В настоящее время проводные линии связи широко использу­ются при построении локальных сетей. Данные линии связи стан­дартизированы и обычно называются структурированной кабель­ ной системой (СКС) [6.4,6.10]. Известны СКС категорий 3,4,5 стандартов EIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомите­та TR41.8.1. Приведем основные параметры проводки:

• длина горизонтальных кабелей - не более 90 м независимо от типа кабеля;

• к применению допускаются кабели четырех типов: 4-парный из неэкранированных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом; 2-парный из экранированных витых пар с волновым сопротивле­нием 150 Ом; коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом; волоконно-оптический с волокнами диаметром 62,5/125 мкм;

• типы соединителей: модульный 8-контактный RJ-45; 4-контакт­ный по стандарту IEEE 802.5; коаксиальный BNC; оптический не определен;

• на каждом рабочем месте устанавливается не менее двух ро­зеток;

• разводка кабелей должна соответствовать топологии «звезда».

Общая структура СКС показана на рис.6.11.

РАДИОЛИНИИ

В радиолиниях связи средой распространения электромагнит­ных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмо­сфера Земли. На рис. 6.12 приведено упрощенное строение атмос­феры Земли.

    Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно ус­ловно. Высота слоев приблизительна и различна для разных гео­графических точек Земли. Около 80 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере и около 20 % - в стратосфере. Плотность атмо­сферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и кос­мическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

 

 

Типичный вид радиолинии показан на рис.6.13. Линия может состоять из двух оконечных станций, примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содер­жать несколько промежуточных переприемных станций. Так стро­ятся линии радиорелейных систем передачи.

Классификация и способы распространения радиоволн приве­дены в табл.6.2 и 6.3. Деление радиоволн на диапазоны установ­лено Международным регламентом радиосвязи ITU-R.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На значение напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

	Таблица 6.2
Вид радиоволн	Основные способы распростра­нения радиоволн	Дальность связи, км
Мириаметровые и километ­ровые (сверхдлинные и длин­ные)	Дифракция. Отражение от Земли и ионо­сферы	До тысячи. Тысячи
Гектометровые (средние)	Дифракция. Преломление в ионосфере	Сотни. Тысячи
Декаметровые (короткие)	Преломление в ионосфере и отражение от Земли	Тысячи
Метровые и более короткие	Свободное распространение и отражение от Земли. Рассеяние в тропосфере	Десятки.   Сотни

 

Та блица 6.3
Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон радиоволн (длина волны)	Номер диапазона	Диапазон частот	Вид радио­частот
Мириаметровые	Сверх­длинные	10...100 км	4	3...30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1...10 км	5	30...300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100...1000 м	6	300...3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10...100 м	7	3...30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые	Ультра­короткие	1...10М	8	30...300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)
Дециметровые		10...100 см	9	300...3000 МГц	Ультра­высокие (УВЧ)
Сантиметровые		1...10см	10	3...30 ГГц	Сверх высокие (СВЧ)
Миллиметровые		1...10 мм	11	30...300 ГГц	Крайне высокие (КВЧ)
Децимиллимет- ровые		0,1...1 мм	12	300...3000 ГГц	Гипер высокие (ГВЧ)

 

                      

 

 

Характеристики линий связи

Типы характеристик и способы их определения

К основным характеристикам линий связи относятся:

• амплитудно-частотная характеристика;

• полоса пропускания;

• затухание;

• помехоустойчивость;

• перекрестные наводки на ближнем конце линии;
• пропускная способность;

• достоверность передачи данных;

• удельная стоимость.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная спо­собность и достоверность — это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристи­ки линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчи­вость и другие характеристики.

Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реак­ций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно про­сто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталон­ных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидаль­ные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию вре­мени — как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импуль­сы, генерируемые компьютером.