ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время волоконная оптика широко применяется не только для организации телефонной связи, но для кабельного телевидения, видеотелефонии, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д. Уникальные свойства ВОЛС - широкополосность и весьма малые затухания в кабелях - дают им особые перспективы при построении линий дальней связи.
ВОСП называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние по оптическим волокнам (ОВ) с помощью оптических волн и сигналов. Другими словами, ВОСП - это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. При этом оптическим сигналом служит модулированное излучение лузера (светодиода), передаваемое по ОВ линии передачи в виде совокупности различных типов оптических волн (мод). Под типом оптической волны (моды) понимается электромагнитный образ, характеризиующийся своим особым распределением электромагнитного поля в ОВ и своей скоростью распространения.
Первоначально развитие ВОСП шло в направлении создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического излучения) и оборудования данными элементами каналообразующего оборудования ЦСП ПЦИ. Развитие ЦСП и оптоэлектроники для применения в ЦСП шло, фактически, независимо. Основным преимуществом ВОСП по сравнению с ЦСП, работающими по металлическому кабелю, явилось значительное увеличение длины участка регенерации (до нескольких десятков км). Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями и широкополосностью, стабильностью и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках.
Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и для любой кабельной системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что носителем информации является поток фотонов.
Волоконно-оптические технологии (ВОТ) и их особенности. Среди особенностей ВОТ выделяются следующие:
· Сверхвысокая пропускная способность, обусловленная работой в оптическом диапазоне радиоволн. По одному ОВ можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12-13 бит/с, что эквивалентно 15 млн. одновременных телефонных разговоров цифрового качества. На сегодняшний день полоса пропускания оптоволокна превышает все потребности существующих сетевых приложений.
· Малое затухание сигнала, значения которого составляют 0.2-0.25 дб/км на длине волны 1.55 мкм. В зависимости от скорости передачи это позволяет создавать линии с регенерационными участками более 100 км.
· Невосприимчивость к электромагнитным помехам и высокая степень защищенности от прослушивания.
· Малый вес и габариты кабелей (малый диаметр оптического волокна, малая удельная масса кварца, отсутствие экранов), легкость и компактность источников и приемников
· ОВ, применяемые в связи на длинные и средние дистанции, в основном состоят из материала широко распространенного в природе, а потому более дешевого, чем медь.
· ОВ обладают гальванической развязкой и большим сроком службы (25 лет и более при качественном изготовлении и прокладке кабелей)
Однако любое оптическое волокно обладает и рядом недостатков, такими как хрупкость, высокие требования при монтаже коннекторов. Важнейшими характеристиками ОВ являются затухание и дисперсия. Затухание в оптическом волокне связано с собственными потерями волокна и так называемыми кабельными потерями, обусловленными деформациями в процессе изготовления. Составляющими собственных потерь ОВ являются: потери на поглощение в стекле и на примесях; потери рассеяния на микронеоднородностях материала и тепловых флуктуациях показателя преломления; рэлеевские потери;
Оптическое волокно бывает следующих типов:
· Многомодовое градиентное (GI – Gradient Index);
· Одномодовое ОВ (SM – single mode 1.31 мкм);
· Одномодовое со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted 1.55 мкм). К этому же семейству принадлежат одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией (DF – Dispersion Flatted 1.3 и 1.55 мкм) и одномодовые со смещенной, но не нулевой дисперсией (NZDS – None Zero Dispersion Shifted);
· “Активные” ОВ (ED – Еrbium Doped). Волокна этого типа используются в оптических усилителях;
· Пластиковые ОВ (POF); Основными факторами, влияющими на надежность и долговечность ОВ являются влага, механические деформации, водород, остаточные деформации.
Типы соединений
· Разъемные:
Механические соединители.
Действие механических соединителей основано на юстировке ОВ по общей V-образной канавке выполняемой часто из мягкого эластичного материала. Реальные конструкции содержат иммерсионную жидкость для улучшения согласования. Указанные выше устройства являются условно разъемными и рекомендуются к применению на объектах, при аварийно-восстановительных работах, а также для измерения неоконцованых линий.
Основными типами применяемых сегодня коннекторов являются SC, ST и FC, ST (straight tip connector или stick and twist)
· Неразъемные:
Сварные. Сварка представляет собой наиболее надежное соединение с точки зрения температурной, временной и механической стабильности затухания. Характеризуется очень низким обратным отражением (лучше –60 дб в широком температурном диапазоне). Соединение производится электрической дугой с помощью сварочных аппаратов, которые относительно недавно стали компактными, высокопроизводительными (длительность процесса 20-30 секунд) и высокоточными (с точки зрения механики).
Линейный тракт волоконно-оптической системы передачи
1. Комплекс технических средств волоконно-оптической системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи
Обобщенная структурная схема ВОСП показана на рисунке 1.1.
В состав ВОСП входят: система передачи (СП), оборудование сопряжения (ОС), оптический передатчик (ОПер), оптическое волокно (ОВ), оптический ретранслятор (ОР), оптический приемник (ОПр). Совокупности СП, ОС, ОПер и СП, ОС, ОПр образуют соответственно тракт передачи и тракт приема оконечных станций А и Б. В промежуточных станциях устанавливаются ОР. В волоконно-оптический линейный тракт входят: ОПер, ОВ, ОР и ОПр.
Как видно из рисунка 1.1, с передающей станции N первичные электрические сигналы поступают на систему передачи. С выходом СП многоканальный электрический сигнал подается в ОС, где он преобразутеся в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. В оптическом передатчике электрический сигнал путем модуляции оптической несущей преобразутся в оптический, который далее передается в ОВ.
При распространении оптического сигнала по ОВ происходит его ослабление и искажение. С целью увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные станции, где осуществляются коррекция искажения и компенсация затухания. В настоящее время, главным образом по техническим причинам, на этих станциях может производится обработка (усиление, коррекция, регенерация и т.д.) лишь электрического сигнала. Поэтому на выходе станции оптический сигнал преобразуется в электрический, а на выходе - снова в оптический. Эти преобразования осуществляются соответственно в фотоприемнике и оптическом передатчике. В принципе возможно построение чисто оптических промежуточных станций на основе оптических квантовых усилителей.
На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование.
Одним из главных факторов, обуславливающих широкое внедрение ВОСП является возможность получения оптических волокон с низкими значениями затухания и дисперсии. Это позволяет значительно увеличить длину регенерационного участка и обеспечить скорость передачи информации до 2 ТБ/с на одно волокно.
Важными достоинствами ВОСП являются: гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменять электрические кабели в цифровых системах связи всех уровней иерархии, возможность постоянного усовершенствования системы связи по мере появления источников излучения, ОВ и фотоприемников с улучшенными характеристиками; пренебрежительно малые перекрестные помехи между соседними ОВ в кабеле.
Для многих применение ВОСП важнейшим качеством является их невоспреимчивость к внешним электроманитным полям.
Немаловажное значение имеет и достигаемая скрытность связи. Передачу сигналов по оптическому кабелю практически невозможно обнаружить и трудно "подслушать".
В качестве следующего достоинства укажем на малые габаритные размеры и массу оптических кабелей.
Отметим еще, что отсутствие явлений искрения при обрывах, коротких замыканиях, ненадежных контактах позволяет обеспечить полную безопасность использования ВОСП во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Кроме того, при работе персонала с действующим кабелем не возникает опасностей поражения электрическими разрядами.
В заключение перечня положительных качеств ВОСП необходимо подчеркнуть, что волоконные световоды изготавливаются из диэлектрических материалов - кварца, многокомпонентных стекол, полимеров. На их изготовление не расходуются дефицитные цветные металлы.
При всех достоинствах оптического диапазона нельзя не учитывать и те большие трудности, которые стоят на пути его освоения. Многие элементы и узлы здесь изготавливаются с очень сложной технологией и почти на пределе технических возможностей. Достаточно принять во внимание, что допуски на геометрические размеры составляют долю длины волны, т.е. долю микрометра. В полной мере элементный базис оптического диапазона еще далеко не разработан и тем более не освоен промышленностью. Наконец, в этом диапазоне есть и некоторые принципиальные, диалектически неизбежные недостатки. Отметим наиболее существенные из них.
Повышение несущей частоты на несколько порядков по сравнению с радиотехническим диапазоном приводит к очень большим трудностям в решении задач стабилизации частот и синхронизации генераторного оборудования. При небольших относительных уходах частоты оптического сигнала их абсолютные значения оказываются намного больше ширины спектра, обусловленной модуляцией. Ясно, что при этом ограничиваются возможности и эффективность полосовой фильтрации, соответственно ухудшается отношение сигнала-шум.
Нестабильность частот, а также эффекты, связанные с многомодовостью оптических сигналов, приводят к относительно большим дисперсионным искажениям, ограничивающим качество и дальность передачи. Указанные эффекты препятствуют использованию когерентных способов обработки сигналов. Даже обычное в радиотехнических системах гетеродинирование наталкивается здесь на необходимость весьма сложных технических решений.
Кроме того, большие трудности возникают при их использовании из-за опасности возникновения микроизгибов, микротрещин. Существуют свои проблемы осуществления надежных соединений между отрезками (строительными длинами) кабельных магистралей.
Линейный тракт ВОСП может быть организован несколькими способами. Различают следующие принципы построения ВОСП: двухволоконный однополосный однокабельный или классический, одноволоконный однополосный однокабельный, одноволоконный многополосный однокабельный или со спектральным уплотнением.
Оптическая система с ИКМ отличается от соответствующей кабельной системы главным образом линейным оборудованием и средой передачи сигналов. Поэтому, рассматривая работу цифровой ВОСП, необходимо выделить прежде всего код в линии передачи сигнала, оптические приемник и передатчик, построение линейного тракта.
Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры ее линейного тракта зависит от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи. Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется передачи символов, соответствующую предыдущей ступени. Цифровые сигналы во вторичной, третичной и т.д. системах получаются объединением сигналов пердыдущих иерархических систем. Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов (рис. 1.2). На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал в устройстве, называемом скреблером, преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов, т.е. его свойства приближены к свойствам случайного сигнала. Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статических свойств источника информации. С помощью аппаратуры стыка скремблированный цифровой сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы связи. Для каждой иерархической скорости МККТТ рекомендует свои коды стыка, например для вторичной - код HDB-3, для четверичной - код CMI и т.д. Операцию преобразования бинарного сигнала, поступающего от аппаратуры временного объединения в код стыка, выполняет преобразователь кода стыка. Код стыка может отличаться от кода, принятого в оптическом линейном тракте. Операцию преобразования кода стыка в код цифровой ВОСП выполняет преобразователь кода линейного тракта, на выходе которого получается цифровой электрический сигнал, моделирующий ток излучателя передающего оптического модуля.
Моделированное оптическое излучение с помощью оптического соединителя вводится в волокно оптического кабеля. Для восстановления формы, амплитуды и временных характеристик цифровой последовательности в ВОСП, так же как в цифровых системах с другой средой передачи сигнала, используются регенераторы. Регенератор состоит из приемного оптического модуля, устройства обработки сигнала, передающего оптического модуля и устройства контроля. Различают линейные регенераторы, устанавливаемые вдоль линейного тракта системы в необслуживаемых пунктах (НРП), обслуживаемых пунктах с гарантированным электропитанием (ОРП) и станционные регенераторы, размещаемые на оконечных станциях и входящие в состав приемной части станционной аппаратуры линейного тракта. Восстановленный в регенераторе сигнал проходит следующий участок регенерации, восстанавливается в очередном регенераторе и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока оптический сигнал не достигает приемного оптического модуля станционного регенератора.
После восстановления в станционном регенераторе электрический цифровой сигнал преобразуется в цифровой сигнал в коде стыка преобразователя кода (декодером), затем по соединительной линии поступает на преобразователь кода (декодер) аппаратуры стыка, на выходе которого получаетя сигнал в бинарном коде. После этого в дескремблере над сигналом выполняется операция, обратная скремблированию, и исходный цифровой сигнал поступает в аппаратуру временного разделения.
Принципы построения двусторонних линейных трактов ВОСП
Как отмечалось выше, линейные тракты строятся как двухволоконные однополосные однокабельные, одноволоконные однополосные однокабельные, одноволоконные многополосные однокабельные (со спектральным уплотнением).
Приведенная на рис. 1.1 обобщенная схема ВОСП показывает только одно направление передачи. При таком построении передача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам (рис. 1.12) и осуществляются на одной длине волны λ. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между ОВ кабеля практически отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. ВОСП являются однокабельными. Таким образом, данная схема организации оптического линейного тракта (ОЛТ) является двухволоконной однополосной однокабельной, т. е. эквивалентом однополосным четырехпроводным однокабельным системам передачи, работающим по коаксиальным кабелям.
К достоинствам данной схемы организации связи следует отнести однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций. Существенным недостатком является очень малый коэффициент использования пропускной способности. ОВ. Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости системы связи, а цены на ОК в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности ОВ за счет одновременной передачи по нему большего объема информации» Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ.
Схема построения одноволоконного однополосного однокабельного показан а на рис. 1.13. Особенностью данной схемы является использование ОВ для сигналов в двух направлениях на одной длине волны. Этот способ является перспективным, поэтому остановимся на нем подробнее.
Принципиальной особенностью дуплексных систем передачи информации является наличие переходных помех между информационными по токами, распространяющимися во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного релеевского рассеяния в ОВ и ответвителях, отражения света от сварных стыков и разъемных соединений н концах линии.
Уровень помехи и ее спектральный состав в значительной степени зависят от передаваемого сигнала (скорости передачи, формы импульсов) и параметров линейного тракта (затухания волокна, его длины, числовой апертуры, профиля показателя преломления). Для практических целей важно знать зависимость переходного затухания помехи обратного рассеяния от параметров ОЛТ.
В ВОСП со спектральным уплотнением (одноволоконные многополосные однокабельные) по одному оптическому волокну одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется, как правило, многоканальным цифровым сигналом. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОК в пределах используемого спектрального диапазона от частоты (или длины волны) оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ, подобно многоствольным радиорелейным система передачи, можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Это позволяет обойти ограничение на скорость передачи по одному ОВ, связанное с дисперсионными искажениями. Структурная схема системы передачи со спектральным разделением оптических каналов показана на рис. 1.14.
На передающей станции имеется n систем передачи, сигналы с которых передаются на п оптических передатчиков ОПер, получающих оптические несущие с длинами волн λ1; λ2; … λn. С по мощью устройств спектрального объединения (УСО) осуществляется ввод различных оптически несущих в одно ОВ. На приемной стороне в устройстве спектрального разделения (УСР) оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники ОПр. Таким образом, по одному ОВ организуется п спектрально разделенных оптических каналов, т. е. коэффициент использования пропускной способности увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением линейных трактов оптических систем.
Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры и демультиплексоры, работа которых основана на известных явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.
Источник: https://pc-4you.ru/lokalnaya-set/volp/86-printsipy-postroeniya-dvustoronnikh-linejnykh-traktov-vosp