МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ
УЧИЛИЩЕ ЗВ'ЯЗКУ
КАФЕДРА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ багатоканальних мереж ЗВ'ЯЗКУ
Курсова робота
ЗА ТЕМОЮ:
«Цифровий волоконно - оптична система передачі зі швидкістю 422 Мбіт / с для кабельного телебачення»
Виконав:
Перевірив:
Ростов-на-Дону, 2006
ЗМІСТ:
Введення. 3
ГЛАВА I. 5
1. 1. Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку, поняття, структура. 5
РОЗДІЛ II. 9
2.1. Основні принципи цифрової системи передачі даних. 9
Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ) 11
Метод частотного ущільнення (FDM) 12
Ущільнення по поляризації (PDM) 12
Багатохвильові мультиплексування оптичних несучих (WDM) 13
2.2. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації. 16
З'єднання оптичних волокон. 19
Оптичне волокно. Загальні положення. 20
Одномодові оптичні волокна. 24
Константа розповсюдження і фазова швидкість. 26
Згасання оптичного волокна. 28
Дисперсія. 31
Поширення світлових імпульсів в середовищі з дисперсією. 34
Природа поляризаційних ефектів в одномодовом оптичному волокні. 38
Контроль PMD у процесі експлуатації ВОСП. 42
Висновок. 43
Список використаних джерел інформації. 44
ДОДАТОК Список прийнятих скорочень. 45
Введення
Наступив XXI століття може бути охарактеризований бурхливим розвитком процесів інформатизації у всіх сферах людського життя, що об'єднує людей з різних країн, без географічних і геополітичних кордонів. Інформація, роль якої в такому суспільстві, часто іменованим інформаційним (постіндустріальним) невблаганно зростає, стає не тільки чинником спілкування, володіння новими знаннями, але також і найважливішим засобом виробництва. Сучасні телекомунікаційні технології дозволяють зробити доступним все, для всіх, скрізь і завжди, дозволяючи організувати спільну роботу великої кількості людей на основі їх прямих зв'язків, даючи майже повну свободу переміщати інформацію. Оптичне волокно (далі - ВВ), широкомасштабне використання у волоконно-оптичних ліній зв'язку (далі - ВОЛЗ) якого почалася приблизно 40 років тому, в даний час вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані. Сьогодні волоконна оптика застосовується практично у всіх завданнях, пов'язаних з передачею інформації. Стрімко входять в наше життя волоконно-оптичні інтерфейси в локальних і регіональних мережах Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM. Безліч компаній, у тому числі найбільші: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens, Pirelli ведуть інтенсивні дослідження в області волоконно-оптичних технологій. До числа найбільш прогресивних можна віднести технологію надщільного хвильового мультиплексування по довжині хвилі DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), що дозволяє значно збільшити пропускну здатність існуючих волоконно-оптичних магістралей.
Область можливих застосувань ВОЛЗ досить широка - від міської та сільської зв'язку до систем зв'язку на великі відстані з високою інформаційною ємністю. На основі оптичної волоконної зв'язку можна створити принципово нові системи передачі інформації. На базі ВОЛЗ розвивається єдиний інтегральна мережа багатоцільового призначення. Дуже перспективним є застосування волоконно-оптичних систем в кабельному телебаченні, яке забезпечує високу якість зображення істотно розширює можливості інформаційного обслуговування абонентів, що є предметом цієї курсової роботи. Отже, метою представленої роботи є дослідження застосування цифрових волоконно - оптичних систем передачі зі швидкістю 486 Мбіт / с для передачі сигналів кабельного телебачення. Відповідно до цієї мети поставлені наступні завдання:
- Дослідити основні принципи цифрової системи передачі даних
- Розкрити поняття і структуру цифрової волоконно - оптичної системи зв'язку,
- Дослідити процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації
В якості джерел інформації були використані навчальні та наукові матеріали, в тому числі Інтернет - ресурси. Структура представленої роботи зумовлена логікою дослідження і включає вступ, основну частину, що включає два розділи, висновок з висновками, список використаних джерел, додатки.
ГЛАВА I
1. 1. Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку, поняття, структура
Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку (далі - Восс) призначені для передачі цифрових сигналів, несучих інформацію, від передавальної інформаційної системи (ІС) до ІС приймача (абонента). Як передає інформацію ІС, так і приймаюча інформацію ІС працюють з цифровими електричними сигналами. У той же час сам процес передачі інформаційних сигналів здійснюється оптичними імпульсами, що поширюються вздовж волоконно-оптичної лінії зв'язку (ВОЛЗ) [1].
Послідовність електричних сигналів (повідомлення), що формується передавальної ІС, перетвориться оптичним передавачем в послідовність оптичних сигналів [2], що вводяться в оптичне волокно і поширюються в ньому до приймальної частини. У приймальні частини ВОЛЗ оптичні сигнали знову перетворюються в електричні. Перетворення оптичних сигналів в електричні відбувається в приймачах оптичного випромінювання.
Приймачі оптичного випромінювання цифрових волоконнооптичних систем зв'язку. Приймачі оптичного випромінювання (фотоприймачі) в цифрових системах зв'язку представляють собою складні пристрої, які здійснюють перетворення світлових сигналів в електричні. Для цього світлове випромінювання перетвориться в електричний струм, посилюється, а потім відбувається відновлення переданого повідомлення і формування відповідного цьому повідомленню електричного сигналу. Переважна більшість діючих оптичних систем передачі інформації використовують двійковий (бінарний) код і найпростішу амплітудну модуляцію з двома значеннями амплітуди сигналу. Приймачі оптичного випромінювання для таких систем і будуть розглянуті в даній статті, тим більше що вони мають найбільш просту структуру. Останнім часом у наукових лабораторіях інтенсивно досліджуються різні нові формати модуляції, під яким розуміється процес перетворення первинного сигналу полягає в змін одного або кількох параметрів несучого коливання за законом зміни первинного сигналу, тобто в наділенні несучого коливання ознаками первинного сигналу. Звичайно як переносників використовують гармонійне коливання високої частоти - несе коливання [3]. Приймачі для таких систем мають більш складну структуру, але в них складовою частиною присутні приймачі бінарних амплітудно-модульованих сигналів. Цифровий фотоприймач (приймач цифрової волоконно-оптичної системи зв'язку з амплітудною модуляцією і прямим детектуванням) конструктивно складається з чотирьох блоків. У першому блоці відбувається послідовне перетворення оптичних сигналів в електричний струм (оптоелектронні перетворення). У другому блоці здійснюється лінійне посилення електричного струму, у третьому блоці відбувається відновлення даних, а в четвертому - створення вихідного електричного сигналу.
Перетворення модульованого світлового випромінювання (світлового сигналу) в модульований електричний струм відбувається в фотодіоді. Струм фотодіода (фотострум) посилюється малошумливим трансімпедансним підсилювачем. Виходять з нього електричні імпульси струму посилюються лінійним підсилювачем з автоматичним регулюванням посилення, фільтруються і потрапляють в блок відновлення даних. У блоці відновлення даних посилений електричний імпульс ділиться на три частини. Одна частина імпульсу використовується для формування тактовою частоти в блоці синхронізації. Друга частина електричного імпульсу використовується для формування постійного порогового струму, використовуваного в якості рівня порівняння з імпульсами струму інформаційного сигналу. Третя частина сигналу подається на схему порівняння, де вона порівнюється з граничним значенням струму для прийняття рішення про те, який символ, 1 або 0, переданий. Порівнювати значення імпульсу струму з граничним значенням необхідно у точно визначені моменти часу, що відповідають середині тактових періодів. Інтервали часу, в які відбувається порівняння порогового значення струму з величиною струму фотодіода, задає генератор тактової частоти. Для оптимальної роботи фотоприймача величина середнього значення посиленої струму повинна приблизно збігатися з пороговим значенням. Виконання цієї умови забезпечує блок автоматичного регулювання підсилення. Схема порівняння управляє роботою формувача електричних сигналів, що залежно від результатів порівняння створює електричний сигнал, відповідний логічній одиниці або логічному нулю. Чутливість приймачів оптичного випромінювання
Найважливішою робочої характеристикою діючої системи передачі інформації, що визначає якість зв'язку, є коефіцієнт помилок. Його значення дорівнює відношенню числа помилково інтерпретованих символів до загальної кількості переданих символів. Причина виникнення помилок - наявність шумів.
Для нормальної роботи цифрової системи зв'язку потрібно, щоб шум не перевищував деякого заданого значення. При фіксованій швидкості передачі інформації та нехтуванні шумами самого світлового сигналу шуми фотоприймача можна вважати постійними і не залежать від потужності світла. Очевидно, що в цьому випадку Куменьшается при збільшенні амплітуди корисного сигналу і збільшується при його зменшенні. Мінімальне значення середньої потужності оптичного випромінювання, необхідний для передачі сигналів із заданим коефіцієнтом помилок, називається чутливістю оптичного приймача. У цифрових системах голосового зв'язку максимально допустиме значення коефіцієнта помилок звичайно приймається рівним 10. Чутливість може виражатися в лінійних одиницях, похідних від вата (НВТ, мкВт) або в логарифмічних - децибелах по відношенню до мілліваттах (дБм). Реальна чутливість приймачів визначається багатьма факторами: нормованим значенням коефіцієнта помилок, формою імпульсу, швидкістю передачі інформації, шириною смуги приймача і шумами оптичного зламами оптичного випромінювання [4]. Тому практично у специфікаціях чутливість приймача задається тільки для цілком певного передавача, швидкості передачі двійкових сигналів та їх форми. Зі збільшенням швидкості передачі інформації чутливість погіршується (тобто зростає) в лінійних одиницях приблизно пропорційно швидкості B [біт / с]. Чутливість сучасних цифрових високошвидкісних приймачів на основі in-фотодіодів визначається тепловими шумами трансімпедансного підсилювача. У відсутності шумів чутливість фотоприймача визначається квантовими властивостями світлового випромінювання і називається квантовим межею чутливості.
Отже, була розглянута загальна схема передачі повідомлень. Отримані на виході пристроїв перетворення повідомлення в сигнали первинні сигнали повинні бути передані системою електрозв'язку, тобто сигнал є об'єкт транспортування, а техніка зв'язку є по суті техніка транспортування (передачі) сигналу. Для передачі сигналу в системі електрозв'язку необхідно скористатися переносників, в якості якого можливе використання тих матеріальних об'єктів, які мають властивість переміщатися в просторі. Тобто у пункті передачі первинний сигнал необхідно перетворити в сигнал, зручний для його передачі по відповідному середовищі поширення, але наділений у той же час ознаками первинного сигналу. У пункті прийому виконується зворотне перетворення [5].
ГЛАВА II
2.1. Основні принципи цифрової системи передачі даних
Структура первинної мережі зумовлює об'єднання і розділення потоків переданої інформації, тому використовувані у ньому системи передачі будуються за ієрархічним принципом. Стосовно до цифрових систем цей принцип полягає в тому, що кількість каналів цифрової системи передачі (далі - ЦСП), що відповідає даній щаблі ієрархії, більше числа каналів ЦСП попереднього ступеня в ціле число разів.
Аналогові системи передачі з ЧРК також будуються за ієрархічним принципом, але на відміну від ЦСП для них ступенями ієрархії є не самі системи передачі, а типові групи каналів. Цифрова система передачі, відповідна першого ступеня ієрархії, називається первинної; в цій ЦСП здійснюється пряме перетворення щодо невеликого числа первинних сигналів в первинний цифровий потік. Системи передачі другої щаблі ієрархії об'єднують певну кількість первинних потоків у вторинний цифровий потік і т.д.
У рекомендаціях МСЕ-Т представлено два типи ієрархій ЦСП: плезиохронная цифрова ієрархія PDH і синхронна цифрова ієрархія SDH. Первинним сигналом для всіх типів ЦСП є цифровий потік зі швидкістю передачі 64 кбіт / с, званим основним цифровим каналом (ОЦК). Для об'єднання сигналів ОЦК в групові високошвидкісні цифрові сигнали використовується принцип часового розподілу каналів.
Нові технології телекомунікацій почали розвиватися у зв'язку з переходом від аналогових до цифрових методів передачі даних, заснованих на імпульсно-кодової модуляції (далі - ІКМ) і мультиплексировании з тимчасовим поділом каналів. У плезіохронної цифрової ієрархії PDH мультиплексор сам вирівнює швидкості вхідних потоків шляхом додавання потрібного числа вирівнюючих біт в канали з меншими швидкостями передачі. Звідси йшли недоліки PDH - неможливість виведення потоку з меншою швидкістю з потоку з більшою швидкістю передачі без повного демультиплексування цього потоку і видалення вирівнюючих біт. Недоліки PDH викликали необхідність у розробці синхронної цифрової ієрархії SDH, яка дозволила вводити / виводити вхідні потоки без необхідності проводити їх складання / розбирання і систематизувати ієрархічний ряд швидкостей передачі.
SDH має такі переваги перед PDH:
- Спрощення мережі, викликане можливістю вводить / виводити цифрові потоки без їх складання або розбирання як у PDH;
- Перешкодозахищеність - Мережа використовує волоконно-оптичні кабелі (BOК), передача по яких практично не схильна до дії електромагнітних завад;
- Виділення смуги пропускання на вимогу - цей сервіс тепер може бути наданий у лічені секунди шляхом перемикання на інший (широкосмуговий) канал;
- Прозорість для передачі будь-якого трафіку - факт, обумовлений використанням віртуальних контейнерів для передачі трафіку, сформованого іншими технологіями, включаючи найсучасніші технології Frame Relay, ISDN та ATM;
- Універсальність застосування - технологія використовується для створення глобальних мереж або глобальної магістралі і для корпоративної мережі, що об'єднує десятки локальних мереж;
- Простота нарощування потужності - при наявності універсальної стійки для розміщення апаратури перехід на наступну більш високу швидкість ієрархії можна здійснити просто вийнявши одну групу функціональних блоків і вставивши нову (розраховану на велику швидкість) групу блоків.
SDH дозволяє організувати універсальну транспортну систему, що охоплює всі ділянки мережі і виконує функції як передачі інформації, так і контролю і управління. Вона розрахована на транспортування всіх сигналів PDH, а також всіх діючих і перспективних служб, у тому числі і широкосмугової цифрової мережі з інтеграцією служб (ISDN), використовує асинхронний спосіб перенесення (АТМ). УЧИЛИЩЕ ЗВ'ЯЗКУ
КАФЕДРА ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ багатоканальних мереж ЗВ'ЯЗКУ
Курсова робота
ЗА ТЕМОЮ:
«Цифровий волоконно - оптична система передачі зі швидкістю 422 Мбіт / с для кабельного телебачення»
Виконав:
Перевірив:
Ростов-на-Дону, 2006
ЗМІСТ:
Введення. 3
ГЛАВА I. 5
1. 1. Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку, поняття, структура. 5
РОЗДІЛ II. 9
2.1. Основні принципи цифрової системи передачі даних. 9
Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ) 11
Метод частотного ущільнення (FDM) 12
Ущільнення по поляризації (PDM) 12
Багатохвильові мультиплексування оптичних несучих (WDM) 13
2.2. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації. 16
З'єднання оптичних волокон. 19
Оптичне волокно. Загальні положення. 20
Одномодові оптичні волокна. 24
Константа розповсюдження і фазова швидкість. 26
Згасання оптичного волокна. 28
Дисперсія. 31
Поширення світлових імпульсів в середовищі з дисперсією. 34
Природа поляризаційних ефектів в одномодовом оптичному волокні. 38
Контроль PMD у процесі експлуатації ВОСП. 42
Висновок. 43
Список використаних джерел інформації. 44
ДОДАТОК Список прийнятих скорочень. 45
Наступив XXI століття може бути охарактеризований бурхливим розвитком процесів інформатизації у всіх сферах людського життя, що об'єднує людей з різних країн, без географічних і геополітичних кордонів. Інформація, роль якої в такому суспільстві, часто іменованим інформаційним (постіндустріальним) невблаганно зростає, стає не тільки чинником спілкування, володіння новими знаннями, але також і найважливішим засобом виробництва. Сучасні телекомунікаційні технології дозволяють зробити доступним все, для всіх, скрізь і завжди, дозволяючи організувати спільну роботу великої кількості людей на основі їх прямих зв'язків, даючи майже повну свободу переміщати інформацію. Оптичне волокно (далі - ВВ), широкомасштабне використання у волоконно-оптичних ліній зв'язку (далі - ВОЛЗ) якого почалася приблизно 40 років тому, в даний час вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані. Сьогодні волоконна оптика застосовується практично у всіх завданнях, пов'язаних з передачею інформації. Стрімко входять в наше життя волоконно-оптичні інтерфейси в локальних і регіональних мережах Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM. Безліч компаній, у тому числі найбільші: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens, Pirelli ведуть інтенсивні дослідження в області волоконно-оптичних технологій. До числа найбільш прогресивних можна віднести технологію надщільного хвильового мультиплексування по довжині хвилі DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), що дозволяє значно збільшити пропускну здатність існуючих волоконно-оптичних магістралей.
Область можливих застосувань ВОЛЗ досить широка - від міської та сільської зв'язку до систем зв'язку на великі відстані з високою інформаційною ємністю. На основі оптичної волоконної зв'язку можна створити принципово нові системи передачі інформації. На базі ВОЛЗ розвивається єдиний інтегральна мережа багатоцільового призначення. Дуже перспективним є застосування волоконно-оптичних систем в кабельному телебаченні, яке забезпечує високу якість зображення істотно розширює можливості інформаційного обслуговування абонентів, що є предметом цієї курсової роботи. Отже, метою представленої роботи є дослідження застосування цифрових волоконно - оптичних систем передачі зі швидкістю 486 Мбіт / с для передачі сигналів кабельного телебачення. Відповідно до цієї мети поставлені наступні завдання:
- Дослідити основні принципи цифрової системи передачі даних
- Розкрити поняття і структуру цифрової волоконно - оптичної системи зв'язку,
- Дослідити процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації
В якості джерел інформації були використані навчальні та наукові матеріали, в тому числі Інтернет - ресурси. Структура представленої роботи зумовлена логікою дослідження і включає вступ, основну частину, що включає два розділи, висновок з висновками, список використаних джерел, додатки.
ГЛАВА I
1. 1. Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку, поняття, структура
Цифрові волоконно-оптичні системи зв'язку (далі - Восс) призначені для передачі цифрових сигналів, несучих інформацію, від передавальної інформаційної системи (ІС) до ІС приймача (абонента). Як передає інформацію ІС, так і приймаюча інформацію ІС працюють з цифровими електричними сигналами. У той же час сам процес передачі інформаційних сигналів здійснюється оптичними імпульсами, що поширюються вздовж волоконно-оптичної лінії зв'язку (ВОЛЗ) [1].
Послідовність електричних сигналів (повідомлення), що формується передавальної ІС, перетвориться оптичним передавачем в послідовність оптичних сигналів [2], що вводяться в оптичне волокно і поширюються в ньому до приймальної частини. У приймальні частини ВОЛЗ оптичні сигнали знову перетворюються в електричні. Перетворення оптичних сигналів в електричні відбувається в приймачах оптичного випромінювання.
Приймачі оптичного випромінювання цифрових волоконнооптичних систем зв'язку. Приймачі оптичного випромінювання (фотоприймачі) в цифрових системах зв'язку представляють собою складні пристрої, які здійснюють перетворення світлових сигналів в електричні. Для цього світлове випромінювання перетвориться в електричний струм, посилюється, а потім відбувається відновлення переданого повідомлення і формування відповідного цьому повідомленню електричного сигналу. Переважна більшість діючих оптичних систем передачі інформації використовують двійковий (бінарний) код і найпростішу амплітудну модуляцію з двома значеннями амплітуди сигналу. Приймачі оптичного випромінювання для таких систем і будуть розглянуті в даній статті, тим більше що вони мають найбільш просту структуру. Останнім часом у наукових лабораторіях інтенсивно досліджуються різні нові формати модуляції, під яким розуміється процес перетворення первинного сигналу полягає в змін одного або кількох параметрів несучого коливання за законом зміни первинного сигналу, тобто в наділенні несучого коливання ознаками первинного сигналу. Звичайно як переносників використовують гармонійне коливання високої частоти - несе коливання [3]. Приймачі для таких систем мають більш складну структуру, але в них складовою частиною присутні приймачі бінарних амплітудно-модульованих сигналів. Цифровий фотоприймач (приймач цифрової волоконно-оптичної системи зв'язку з амплітудною модуляцією і прямим детектуванням) конструктивно складається з чотирьох блоків. У першому блоці відбувається послідовне перетворення оптичних сигналів в електричний струм (оптоелектронні перетворення). У другому блоці здійснюється лінійне посилення електричного струму, у третьому блоці відбувається відновлення даних, а в четвертому - створення вихідного електричного сигналу.
Перетворення модульованого світлового випромінювання (світлового сигналу) в модульований електричний струм відбувається в фотодіоді. Струм фотодіода (фотострум) посилюється малошумливим трансімпедансним підсилювачем. Виходять з нього електричні імпульси струму посилюються лінійним підсилювачем з автоматичним регулюванням посилення, фільтруються і потрапляють в блок відновлення даних. У блоці відновлення даних посилений електричний імпульс ділиться на три частини. Одна частина імпульсу використовується для формування тактовою частоти в блоці синхронізації. Друга частина електричного імпульсу використовується для формування постійного порогового струму, використовуваного в якості рівня порівняння з імпульсами струму інформаційного сигналу. Третя частина сигналу подається на схему порівняння, де вона порівнюється з граничним значенням струму для прийняття рішення про те, який символ, 1 або 0, переданий. Порівнювати значення імпульсу струму з граничним значенням необхідно у точно визначені моменти часу, що відповідають середині тактових періодів. Інтервали часу, в які відбувається порівняння порогового значення струму з величиною струму фотодіода, задає генератор тактової частоти. Для оптимальної роботи фотоприймача величина середнього значення посиленої струму повинна приблизно збігатися з пороговим значенням. Виконання цієї умови забезпечує блок автоматичного регулювання підсилення. Схема порівняння управляє роботою формувача електричних сигналів, що залежно від результатів порівняння створює електричний сигнал, відповідний логічній одиниці або логічному нулю. Чутливість приймачів оптичного випромінювання
Найважливішою робочої характеристикою діючої системи передачі інформації, що визначає якість зв'язку, є коефіцієнт помилок. Його значення дорівнює відношенню числа помилково інтерпретованих символів до загальної кількості переданих символів. Причина виникнення помилок - наявність шумів.
Для нормальної роботи цифрової системи зв'язку потрібно, щоб шум не перевищував деякого заданого значення. При фіксованій швидкості передачі інформації та нехтуванні шумами самого світлового сигналу шуми фотоприймача можна вважати постійними і не залежать від потужності світла. Очевидно, що в цьому випадку Куменьшается при збільшенні амплітуди корисного сигналу і збільшується при його зменшенні. Мінімальне значення середньої потужності оптичного випромінювання, необхідний для передачі сигналів із заданим коефіцієнтом помилок, називається чутливістю оптичного приймача. У цифрових системах голосового зв'язку максимально допустиме значення коефіцієнта помилок звичайно приймається рівним 10. Чутливість може виражатися в лінійних одиницях, похідних від вата (НВТ, мкВт) або в логарифмічних - децибелах по відношенню до мілліваттах (дБм). Реальна чутливість приймачів визначається багатьма факторами: нормованим значенням коефіцієнта помилок, формою імпульсу, швидкістю передачі інформації, шириною смуги приймача і шумами оптичного зламами оптичного випромінювання [4]. Тому практично у специфікаціях чутливість приймача задається тільки для цілком певного передавача, швидкості передачі двійкових сигналів та їх форми. Зі збільшенням швидкості передачі інформації чутливість погіршується (тобто зростає) в лінійних одиницях приблизно пропорційно швидкості B [біт / с]. Чутливість сучасних цифрових високошвидкісних приймачів на основі in-фотодіодів визначається тепловими шумами трансімпедансного підсилювача. У відсутності шумів чутливість фотоприймача визначається квантовими властивостями світлового випромінювання і називається квантовим межею чутливості.
Отже, була розглянута загальна схема передачі повідомлень. Отримані на виході пристроїв перетворення повідомлення в сигнали первинні сигнали повинні бути передані системою електрозв'язку, тобто сигнал є об'єкт транспортування, а техніка зв'язку є по суті техніка транспортування (передачі) сигналу. Для передачі сигналу в системі електрозв'язку необхідно скористатися переносників, в якості якого можливе використання тих матеріальних об'єктів, які мають властивість переміщатися в просторі. Тобто у пункті передачі первинний сигнал необхідно перетворити в сигнал, зручний для його передачі по відповідному середовищі поширення, але наділений у той же час ознаками первинного сигналу. У пункті прийому виконується зворотне перетворення [5].
ГЛАВА II
2.1. Основні принципи цифрової системи передачі даних
Структура первинної мережі зумовлює об'єднання і розділення потоків переданої інформації, тому використовувані у ньому системи передачі будуються за ієрархічним принципом. Стосовно до цифрових систем цей принцип полягає в тому, що кількість каналів цифрової системи передачі (далі - ЦСП), що відповідає даній щаблі ієрархії, більше числа каналів ЦСП попереднього ступеня в ціле число разів.
Аналогові системи передачі з ЧРК також будуються за ієрархічним принципом, але на відміну від ЦСП для них ступенями ієрархії є не самі системи передачі, а типові групи каналів. Цифрова система передачі, відповідна першого ступеня ієрархії, називається первинної; в цій ЦСП здійснюється пряме перетворення щодо невеликого числа первинних сигналів в первинний цифровий потік. Системи передачі другої щаблі ієрархії об'єднують певну кількість первинних потоків у вторинний цифровий потік і т.д.
У рекомендаціях МСЕ-Т представлено два типи ієрархій ЦСП: плезиохронная цифрова ієрархія PDH і синхронна цифрова ієрархія SDH. Первинним сигналом для всіх типів ЦСП є цифровий потік зі швидкістю передачі 64 кбіт / с, званим основним цифровим каналом (ОЦК). Для об'єднання сигналів ОЦК в групові високошвидкісні цифрові сигнали використовується принцип часового розподілу каналів.
Нові технології телекомунікацій почали розвиватися у зв'язку з переходом від аналогових до цифрових методів передачі даних, заснованих на імпульсно-кодової модуляції (далі - ІКМ) і мультиплексировании з тимчасовим поділом каналів. У плезіохронної цифрової ієрархії PDH мультиплексор сам вирівнює швидкості вхідних потоків шляхом додавання потрібного числа вирівнюючих біт в канали з меншими швидкостями передачі. Звідси йшли недоліки PDH - неможливість виведення потоку з меншою швидкістю з потоку з більшою швидкістю передачі без повного демультиплексування цього потоку і видалення вирівнюючих біт. Недоліки PDH викликали необхідність у розробці синхронної цифрової ієрархії SDH, яка дозволила вводити / виводити вхідні потоки без необхідності проводити їх складання / розбирання і систематизувати ієрархічний ряд швидкостей передачі.
SDH має такі переваги перед PDH:
- Спрощення мережі, викликане можливістю вводить / виводити цифрові потоки без їх складання або розбирання як у PDH;
- Перешкодозахищеність - Мережа використовує волоконно-оптичні кабелі (BOК), передача по яких практично не схильна до дії електромагнітних завад;
- Виділення смуги пропускання на вимогу - цей сервіс тепер може бути наданий у лічені секунди шляхом перемикання на інший (широкосмуговий) канал;
- Прозорість для передачі будь-якого трафіку - факт, обумовлений використанням віртуальних контейнерів для передачі трафіку, сформованого іншими технологіями, включаючи найсучасніші технології Frame Relay, ISDN та ATM;
- Універсальність застосування - технологія використовується для створення глобальних мереж або глобальної магістралі і для корпоративної мережі, що об'єднує десятки локальних мереж;
- Простота нарощування потужності - при наявності універсальної стійки для розміщення апаратури перехід на наступну більш високу швидкість ієрархії можна здійснити просто вийнявши одну групу функціональних блоків і вставивши нову (розраховану на велику швидкість) групу блоків.
Лінійні сигнали SDH організовані в так звані синхронні транспортні модулі STM (Synchronous Transport Module) (Див. Табл. 1.1). Перший з них - STM-1 - відповідає швидкості передачі інформації 155 Мбіт / с. Кожен наступний має швидкість в 4 рази більшу, ніж попередній, і утворюється побайтного синхронним мультиплексуванням. В даний час експлуатуються або розробляються SDH системи зі швидкостями, відповідними остаточної версії SDH ієрархії: STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 або 155,52, 622,08, 2488,32, 9953 , 28, 39813,12 Мбіт / с. Три перших рівня (званих по-старому першим, четвертим і шістнадцятим) були стандартизовані в останній версії ITU-T Rec. G.707.
Таблиця 1.1.
| Рівень | Модуль | Швидкість передачі |
| 1 | STM-1 | 155,52 Мбіт / с |
| 4 | STM-4 | 622,08 Мбіт / с |
| 16 | STM-16 | 2488,32 Мбіт / с |
| 64 | STM-64 | 9953,28 Мбіт / с |
| 256 | STM-256 | 39813,12 Мбіт / с |
У теорії електрозв'язку існує кілька способів збільшення пропускної здатності систем передачі інформації. Більшість з них зводиться до одного з методів ущільнення компонентних інформаційних потоків в один груповий, який передається по лінії зв'язку.
Метод тимчасового мультиплексування (ТDМ)
В даний час метод тимчасового ущільнення інформаційних потоків (TDM - Time Division Multiplexing) є найбільш поширеним. Він застосовується при передачі інформації в цифровому вигляді. Суть його полягає в наступному. Процес передачі розбивається на ряд тимчасових циклів, кожен з яких у свою чергу розбивається на N субціклов, де N - число ущільнюються потоків (або каналів). Кожен субцікл підрозділяється на тимчасові позиції, тобто тимчасові інтервали, протягом яких передається частина інформацією одного з цифрових мультіплексіруемих потоків. Крім того, деяке число позицій відводиться для ідентифікаційних синхроімпульсів, вставок і цифрового потоку службового зв'язку.
Метод тимчасового ущільнення підрозділяється на два види - асинхронне або плезіохронної, тимчасове мультиплексування (PDH, ATM) і синхронне тимчасове мультиплексування (SDH). Сучасні технології дозволяють забезпечити швидкість передачі групового сигналу 10 Гбіт / с (STM-64). Кілька років тому вважалося, що це межа для електронних пристроїв мультиплексування. Однак, завдяки розвитку нових електронних технологій (напівпровідникові структури на основі арсеніду галію, мікровакуумних елементів) вже створені лабораторні зразки електронних мультиплексорів для швидкості 40 Гбіт / с (STM-256), підготовлені для серійного промислового виробництва. Наукові дослідження в цій області продовжуються з метою подальшого збільшення швидкості передачі.
Метод частотного ущільнення (FDM)
При частотному методі мультиплексування (FDM - Frequency Division Multiplexing) кожен інформаційний потік передається по фізичному каналу на відповідній частоті - піднесе ѓ ПН Якщо в якості фізичного каналу виступає оптичне випромінювання - оптична несуча, то вона модулюється за інтенсивністю груповим інформаційним сигналом, спектр якого складається з ряду частот піднесуть, кількість яких дорівнює кількості компонентних інформаційних потоків. Частота поднесущей кожного каналу вибирається виходячи з умови ѓ пн ≥ 10 ѓ ВЧП, де ѓ пн - частота піднесе, ѓ ВЧП - верхня частота спектру інформаційного потоку. Частотний інтервал між поднесущими Δƒ пн вибирається з умови Δƒ пн ≥ ѓ ВЧП.
На приймальному боці оптична несуча потрапляє на фотодетектор, на навантаженні якого виділяється електричний груповий потік, що надходить після посилення в широкосмуговому підсилювачі прийому на входи вузькосмугових фільтрів, центральна частота пропускання яких дорівнює одній з частот,.
В якості компонентних потоків можуть виступати як цифрові, так і аналогові сигнали, В даний час в кабельних системах передачі частотне ущільнення застосовується в багатоканальному кабельному телебаченні, де для цієї мети відведено діапазон частот 47 - 860 МГц, тобто як метровий, так і дециметровий діапазони ТБ.
Ущільнення по поляризації (PDM)
Ущільнення потоків інформації за допомогою оптичних несучих, що мають лінійну поляризацію, називається ущільненням по поляризації (PDM - Polarization Division Multiplexing). При цьому площина поляризації кожної несучої повинна бути розташована під своїм кутом. Мультиплексування здійснюється за допомогою спеціальних оптичних призм, наприклад, призми Рошона. Поляризаційне мультиплексування можливо тільки тоді, коли в середовищі передачі відсутня оптична анізотропія, тобто волокно не повинно мати локальних неоднорідностей і вигинів. Це одна з причин досить обмеженого застосування даного методу ущільнення. Зокрема, він застосовується в оптичних ізоляторах, а також в оптичних волоконних підсилювачах, які використовуються в пристроях накачування ербіевого волокна для складання випромінювання накачування двох лазерів, випромінювання яких має виражену поляризацію у вигляді витягнутого еліпса.
Багатохвильові мультиплексування оптичних несучих (WDM)
Рішення завдання подальшого росту пропускної здатності ВОСП шляхом збільшення швидкості передачі за допомогою TDM обмежується не тільки технологічними складнощами при електронному тимчасове ущільненні, а й обмеженнями, викликаними тимчасової (хроматичної) дисперсією оптичних імпульсів у процесі їх поширення в ОВ. Це наочно видно з зіставлення допустимих величин хроматичної дисперсії для систем передачі STM-16 і STM-64 відповідно: 10500 пс / нм і 1600 пс / нм та поляризаційної модової дисперсії - 40 пс і 10 пс.
Зазначена вище завдання успішно вирішується за допомогою оптичного мультиплексування з поділом по довжинах хвиль - WDM (Wavelength Division Multiplexing). Суть цього методу полягає в тому, що m інформаційних цифрових потоків, що переносяться кожен на своїй оптичної несучої на довжині хвилі λ m і рознесених у просторі, за допомогою спеціальних пристроїв - оптичних мультиплексорів (ОМ) - об'єднуються в один оптичний потік λ 1 .. λ m, після чого він вводиться в оптичне волокно. На приймальному боці проводиться зворотна операція демультиплексування. Орієнтовна структурна схема такої системи з WDM представлена на рис. 1.1.
Оптичні параметри систем WDM регламентуються рекомендаціями, в яких визначені довжини хвиль і оптичні частоти для кожного каналу. Згідно з цими рекомендаціями, багатохвильові системи передачі працюють у 3-му вікні прозорості ВВ, тобто в діапазоні довжин хвиль 1530-1565 нм. Для цього встановлено стандарт довжин хвиль, що представляє собою сітку оптичних частот, в якій розписані регламентовані значення оптичних частот у діапазоні 196,1-192,1 ТГц з інтервалами 100 ГГц і довжини хвиль - 1528,77-1560,61 нм з інтервалом 0, 8 нм. Стандарт складається з 41 довжини хвилі, тобто розрахований на 41 спектральний канал. Але на практиці використовується 39 каналів з представленої сітки частот, оскільки два крайніх не використовуються, так як вони знаходяться на схилах частотної характеристики оптичних підсилювачів, що застосовуються в системах WDM.
Рис. 1.1. Найпростіша структурна схема системи передачі WDM.
Останнім часом встановилася чітка тенденція зменшення частотного інтервалу між спектральними каналами до 50 ГГц і навіть до 25 ГГц, що призводить до більш щільному розташуванню спектральних каналів у відведеному діапазоні довжин хвиль (1530-1565 нм). Таке ущільнення отримало назву DWDM. Очевидно, що DWDM викликано прагненням збільшити кількість переданих каналів. Відзначимо також, що в даний час абревіатура DWDM закріпилася і для систем з багатохвильові ущільненням, у яких частотний інтервал між каналами дорівнює 100 ГГц.
В даний час в обладнанні систем зв'язку з DWDM, розрахованих для передачі до 32-х каналів, ряд фірм застосовує довжину хвилі 1510 нм, а деякі - 1625 нм. Але зі збільшенням кількості переданих каналів до 128 і більше виникає необхідність освоєння більш довгохвильовій частині оптичного спектру, зокрема L-діапазону (або 4-е вікно прозорості ОВ), в який входитиме довжина хвилі 1625 нм.
Створення систем передачі DWDM зажадало розробки цілого ряду як активних, так і пасивних квантових і оптичних елементів і пристроїв з високостабільним параметрами. Сюди відносяться напівпровідникові лазери з вузькою спектральною шириною лінії випромінювання (менше 0,05 нм) при стабільності не гірше ± 0,04 нм. Волоконно-оптичні підсилювачі повинні мати стабільний коефіцієнт посилення, малу нерівномірність коефіцієнта посилення, (<± 0,5 дБ) у всьому спектральному діапазоні посилення і ряд інших характеристик. Серед пасивних елементів найбільш відповідальними є оптичні мультиплексори / демультіплексори для великої кількості каналів при роботі в одному вікні прозорості (1530-1565 нм). Расстройка по довжині хвилі цих елементів не повинна перевищувати 0,05 нм. Така стабільність забезпечується жорсткої температурної стабілізацією цих елементів з точністю не гірше ± 1 ° С. Все це різко підвищує вартість систем DWDM.
2.2. Процеси, що відбуваються в оптичному волокні, і їх вплив на швидкість і дальність передачі інформації
У волоконно-оптичних системах передачі (ВОСП) інформація передається електромагнітними хвилями високої частоти, близько 200 ТГц, що відповідає ближньому інфрачервоному діапазону оптичного спектра 1500 нм. Хвилеводом, переносящим інформаційні сигнали в ВОСП, є оптичне волокно (ВВ), яке має важливою здатністю передавати світлове випромінювання на великі відстані з малими втратами. Втрати в ОВ кількісно характеризуються загасанням. Швидкість і дальність передачі інформації визначаються спотворенням оптичних сигналів через дисперсії і загасання. Волоконно-оптична мережа - це інформаційна мережа, сполучними елементами між вузлами якої є волоконно-оптичні лінії зв'язку. Технології волоконно-оптичних мереж крім питань волоконної оптики охоплюють також питання, що стосуються електронного передавального обладнання, його стандартизації, протоколів передачі, питання топології мережі та загальні питання побудови мереж.
Оптичне волокно в даний час вважається найдосконалішою фізичним середовищем для передачі інформації, а також самої перспективним середовищем для передачі великих потоків інформації на значні відстані. Підстави так вважати випливають з ряду особливостей, властивих оптичних хвилеводів:
- Широкополосность оптичних сигналів, обумовлена надзвичайно високою частотою несучої
- Дуже мала (у порівнянні з іншими середовищами) згасання світлового сигналу в оптичному волокні. Кращі зразки російського волокна мають згасання 0,22 дБ / км на довжині хвилі 1,55 мкм, що дозволяє будувати лінії зв'язку довжиною до 100 км без регенерації сигналів. Для порівняння, краще волокно Sumitomo на довжині хвилі 1,55 мкм має згасання 0,154 дБ / км. В оптичних лабораторіях США розробляються ще більш «прозорі», так звані фторцірконатние оптичні волокна з теоретичним межею порядку 0,02 дБ / км на довжині хвилі 2,5 мкм. Лабораторні дослідження показали, що на основі таких волокон можуть бути створені лінії зв'язку з регенераційними ділянками через 4600 км при швидкості передачі порядку 1 Гбіт / с;
- ОВ виготовлено з кварцу, основу якого складає двоокис кремнію, широко поширеної, а тому недорогого матеріалу, на відміну від міді;
- Оптичні волокна мають діаметр близько 100 мкм, тобто дуже компактні і легкі, що робить їх перспективними для використання в авіації, приладобудуванні, у кабельній техніці;
- Тому що оптичні волокна є діелектриками, отже, при будівництві систем зв'язку автоматично досягається гальванічна розв'язка сегментів. В оптичній системі вони електрично цілком ізольовані один від одного, і багато проблем, пов'язаних із заземленням та зняттям потенціалів, які до цих пір виникали при з'єднанні електричних кабелів, втрачають свою актуальність. Застосовуючи особливо міцний пластик, на кабельних заводах виготовляють самонесучі підвісні кабелі, які містять металу і тим самим безпечні в електричному відношенні. Такі кабелі можна монтувати на щоглах існуючих ліній електропередач, як окремо, так і вбудовані в фазовий провід, економлячи значні кошти на прокладку кабелю через річки та інші перешкоди;
- Системи зв'язку на основі оптичних волокон стійкі до електромагнітних перешкод, а передана по световодам інформація захищена від несанкціонованого доступу. Волоконно-оптичні лінії зв'язку не можна підслухати неруйнуючим способом. Всякі впливу на ОР можуть бути зареєстровані методом моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії;
- Важлива властивість оптичного волокна - довговічність. Час життя волокна, тобто збереження своїх властивостей в певних межах, перевищує 25 років, що дозволяє прокласти волоконно-оптичний кабель один раз і, в міру необхідності, нарощувати пропускну здатність каналу шляхом заміни приймачів і передавачів на більш швидкодіючі.
Але існують також деякі недоліки волоконно-оптичних технологій:
- При створенні лінії зв'язку потрібні високонадійні активні елементи, змінюють електричні сигнали в світ, і світло в електричні сигнали. Для з'єднання ВВ з приймально-передавальним устаткуванням використовуються оптичні коннектори (з'єднувачі), які повинні володіти малими оптичними втратами і великим ресурсом на підключення-відключення. Похибки при виготовленні таких елементів лінії зв'язку повинні бути порядку частки мікрона, тобто відповідати довжині хвилі випромінювання. Тому виробництво цих компонентів оптичних ліній зв'язку дуже дороге;
- Інший недолік полягає в тому, що для монтажу оптичних волокон потрібно прецизійне, а тому дороге, технологічне обладнання.
Як наслідок, при аварії (обриві) оптичного кабелю витрати на відновлення вище, ніж при роботі з мідними кабелями. Переваги від використання волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) настільки значні, що, незважаючи, на перелічені недоліки оптичного волокна, ці лінії зв'язку все ширше використовуються для передачі інформації.
Одним з найважливіших компонентів ВОЛЗ є волоконно-оптичний кабель (ВОК). Визначальними параметрами при виробництві ВОК є умови експлуатації і пропускна здатність лінії зв'язку.
За умовами експлуатації кабелі поділяють на:
- Монтажні;
- Станційні;
- Зонові;
- Магістральні.
Перші два типи кабелів призначені для прокладки усередині будівель і споруд. Вони компактні, легкі і, як правило, мають невелику будівельну довжину.
Кабелі двох типів призначені для прокладки в колодязях кабельних комунікацій, в грунті, на опорах вздовж ЛЕП, під водою. Ці кабелі мають захист від зовнішніх впливів і будівельну довжину більше двох кілометрів. Для забезпечення великої пропускної здатності лінії зв'язку виробляються ВОК, містять мало (до 8) одномодових волокон з малим загасанням, а кабелі для розподільних мереж можуть містити до 144 волокон як одномодових, так і багатомодових, в залежності від відстані між сегментами мережі.
При виготовленні ВОК в основному використовуються два підходи:
- Конструкції з вільним переміщенням елементів;
- Конструкції з жорстким зв'язком між елементами.
За видами конструкцій розрізняють кабелі повивной скрутки, пучкової скрутки, кабелі з профільним серцевиною, а також стрічкові кабелі. Існують численні комбінації конструкцій ВОК, які в поєднанні з великим асортиментом застосовуваних матеріалів дозволяють вибрати виконання кабелю, найкращим чином задовольняє всім умовам проекту, в тому числі - вартісним.
Особливий клас утворюють кабелі, вбудовані в грозозахисний трос (оптичні волокна укладаються в сталеві трубки, які замінюють дріт заземлення), що використовуються для підвіски на опорах повітряних ліній електропередачі. Такі кабелі характеризуються здатністю витримувати високі механічні та електричні навантаження, мають високу блискавкостійкості і високою стійкістю до вібрації, і призначені для з'єднання електростанцій та станцій управління, використовуючи діючі високовольтні лінії.
З'єднання оптичних волокон
Розвиток волоконно-оптичних телекомунікаційних технологій в основному визначається якістю волоконно-оптичних кабелів (ВОК) на багатомодових і одномодових оптичних волокнах, виготовлених методом покриття кварцовою жили полімерними або кварцовими матеріалами. Деякі з цих волокон в даний час по ряду характеристик наблизилися до гранично можливим показниками. Так, одномодове волокно з робочою довжиною хвилі 1,55 мкм практично досягло межі по загасання, рівного 0,154 дБ / км. Це дозволило в даний час будувати регенераційні ділянки довжиною до 200 км і більше, знижуючи тим самим витрати на будівництво волоконно-оптичних ліній зв'язку. Однак з огляду на природних обмежень робити волокна таких довжин не представляється можливим. Тому здійснюють з'єднання оптичних волокон, називаючи ділянку між сполуками будівельної довжиною. Зниження коефіцієнта загасання оптичного волокна обумовлює посилення вимог до якості з'єднань. Це пояснюється тим, що кількість таких сполук, як правило, досить велике. Інші вимоги пред'являються до пристроїв з'єднання волоконно-оптичних кабелів, призначених для локальних мереж, що мають невеликі довжини ділянок. Дані пристрої повинні бути компактними, допускати багаторазове з'єднання і відрізнятися простотою виконання з'єднання.
Оптичне волокно. Загальні положення
Найважливіший з компонентів ВОЛЗ - оптичне волокно. Для передачі сигналів застосовуються два види волокна: одномодове і багатомодове. Свою назву волокна отримали від способу розповсюдження в них випромінювання.Оптичне волокно (рис. 2.1) складається з серцевини, за якою відбувається поширення світлових хвиль, і оболонки, призначеної, з одного боку, для створення кращих умов відбиття на границі розділу «серцевина - оболонка», а з іншого - для зниження випромінювання енергії в навколишній простір. З метою підвищення міцності і тим самим надійності волокна поверх оболонки, як правило, накладаються захисні зміцнюючі покриття.
Рис 2.1. Загальний вигляд типового ОВ.
Така конструкція ОВ використовується в більшості оптичних кабелів (ОК) в якості базової. Серцевина виготовляється з оптично більш щільного матеріалу. Оптичні волокна відрізняються діаметром серцевини і оболонки, а також профілем показника заломлення серцевини, тобто залежністю показника заломлення від відстані від осі ОР (див. рис 2.3).
Всі оптичні волокна поділяються на дві основні групи: багатомодові MMF (multi mode fiber) і одномодові SMF (single mode fiber). У багатомодових ОВ, що мають діаметр светонесущей жили на порядок більше довжини хвилі передачі, поширюється безліч різних типів світлових променів - мод. Багатомодові волокна поділяються за профілем показника заломлення на східчасті (step index multi mode fiber) і градієнтні (graded index multi mode fiber).
Основними факторами, що впливають на характер поширення світла у волокні, поряд з довжиною хвилі випромінювання, є: геометричні параметри волокна, загасання, дисперсія.
Рис. 2.2. Поширення випромінювання по ступінчастому і градиентному багатомодовим і одномодовому ОВ.
Принцип поширення оптичного випромінювання уздовж оптичного волокна заснований на явищі повного внутрішнього відбиття на межі середовищ з різними показниками заломлення. Процес поширення світлових променів в оптично більш щільному середовищі, оточеній менш щільної зображений на рис. 2.2. Кут повного внутрішнього відображення, при якому падаюче на кордон оптично більш щільною і оптично менш щільної середовищ випромінювання повністю відбивається, визначається співвідношенням:
де n 1 - показник заломлення серцевини ОВ, n 2 - показник заломлення оболонки ОР, причому n 1> n 2. При попаданні світлового випромінювання на торець ВВ у ньому можуть поширюватися три типи світлових променів, звані направляються, що випливають і випромінюваними променями, наявність і переважання будь-якого типу променів визначається кутом їх падіння на кордон розділу «серцевина - оболонка». Ті промені, які падають на межу розділу під кутом
Промені, які падають на межу розділу під кутами
У загальному випадку поширення електромагнітних хвиль описується системою рівнянь Максвелла в диференціальній формі:
де
Якщо уявити напруженість електричного і магнітного поля
то хвильові рівняння приймуть вигляд:
де
Світловод можна представити ідеальним циліндром з поздовжньою віссю z, осі х і у в поперечної (ху) площині утворюють горизонтальну (xz) і вертикальну (xz) площині. У цій системі існують 4 класу хвиль (Е і Н ортогональні):
поперечні Т: E z = Н z = 0; Е = Е y; Н = Н x;
електричні Е: Е z = 0, Н z = 0; Е = (Е y, Е z) - поширюються в площині (yz); Н = Н x;
магнітні Н: Н z = 0, Е z = 0; Н = (Н x, Н z) - поширюються в площині (xz), E = E z;
змішані ЄП або НЕ: Е z = 0, Н z = 0; Е = (Е y, Е z), Н = (Н x, Н z) - поширюються в площинах (xz) і (yz).
При вирішенні системи рівнянь Максвелла зручніше використовувати циліндричні координати (z, r, φ), при цьому рішення шукається у вигляді хвиль з компонентами E z, Н z види:
де
Рішення для
Умовою існування спрямовується моди є експоненційний убування її поля в оболонці вздовж координати r , Що визначається значенням поперечного коефіцієнта поширення в оболонці. При
Останнє рівняння має незліченну безліч рішень:
(2.4.6)
Введемо величину, яка називається нормованої частотою V, яка пов'язує структурні параметри ОВ і довжину світлової хвилі, і визначаємо наступним виразом:
При
Для моди HE 11 критичне значення нормованої частоти
Мінімальна довжина хвилі, при якій в ОВ поширюється фундаментальна мода, називається волоконної довжиною хвилі відсічення. Значення визначається з останнього виразу як:
Одномодові оптичні волокна
Одномодові волокна поділяються на ступінчасті одномодові волокна (step index single mode fiber) або стандартні волокна SF (standard fiber), на волокна зі зміщеною дисперсією DSF (dispersion-shifted single mode fiber), і на волокна з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF (non-zero dispersion- shifted single mode fiber).У ступінчастому одномодовом оптичному волокні (SF) (рис. 2.3) діаметр светонесущей жили становить 8-10 мкм і порівняємо з довжиною світлової хвилі. У такому волокні при досить великій довжині хвилі світла λ> λ CF (λ CF - довжина хвилі відсічення) поширюється лише один промінь (одна мода). Одномодовий режим в оптичному волокні реалізується у вікнах прозорості 1310 нм і 1550 нм. Поширення тільки однієї моди усуває межмодовая дисперсію і забезпечує дуже високу пропускну здатність одномодового волокна в цих вікнах прозорості. Найкращий режим розповсюдження з точки зору дисперсії досягається в околиці довжини хвилі 1310 нм, коли хроматична дисперсія звертається в нуль. З точки зору втрат це не найкраще вікно прозорості. У цьому вікні втрати становлять 0,3 - 0,4 дБ / км, в той час як найменше загасання 0,20 - 0,25 дБ / км досягається у вікні 1550 нм.
Рис. 2.3. Профілі показника заломлення
У одномодовом оптичному волокні зі зміщеною дисперсією (DSF) (рис. 2.3) довжина хвилі, на якій дисперсія звертається в нуль, - довжина хвилі нульової дисперсії λ 0 - зміщена у вікно прозорості 1550 нм. Таке зміщення досягається завдяки спеціальному профілю показника заломлення волокна. Таким чином, у волокні зі зміщеною дисперсією реалізуються найкращі характеристики, як по мінімуму дисперсії, так і по мінімуму втрат. Тому таке волокно краще підходить для будівництва протяжних сегментів з відстанню між ретрансляторами до 100 і більше км. Зрозуміло, єдина робоча довжина хвилі береться близькою до: 1550 нм.
Одномодовое оптичне волокно з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF на відміну від DSF оптимізовано для передачі не однієї довжини хвилі, а відразу декількох довжин хвиль (мультиплексного хвильового сигналу) і найбільш ефективно може використовуватися при побудові магістралей «повністю оптичних мереж» - мереж, на сайтах яких не відбувається оптоелектронного перетворення при поширенні оптичного сигналу.
Оптимізація трьох перерахованих типів одномодових ОВ зовсім не означає, що вони завжди повинні використовуватися виключно під певні завдання: SF - передача сигналу на довжині хвилі 1310 нм, DSF - передача сигналу на довжині хвилі 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигналу у вікні 1530-1560 нм. Так, наприклад, мультиплексний сигнал у вікні 1530-1560 нм можна передавати і за стандартним ступінчастому одномодовому волокну SF. Проте довжина безретрансляціонного ділянки при використанні волокна SF буде менше, ніж при використанні NZDSF, чи інакше буде потрібно дуже вузька смуга спектрального випромінювання лазерних передавачів для зменшення результуючої хроматичної дисперсії. Максимальна допустима відстань визначається технічними характеристиками як самого волокна (загасанням, дисперсією), так і приемопередающего устаткування (потужністю, частотою, спектральним розширенням випромінювання передавача, чутливістю приймача).
У ВОЛЗ найбільш широко використовуються такі стандарти волокон:
- Багатомодове градієнтне волокно 50/125;
- Багатомодове градієнтне волокно 62,5 / 125;
- Одномодове ступеневу волокно SF (волокно з незміщеної дисперсією або стандартне волокно) 8-10/125;
- Одномодове волокно зі зміщеною дисперсією DSF 8-10/125;
- Одномодове волокно з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF (за профілем показника заломлення це волокно схоже з попереднім типом волокна).
Константа розповсюдження і фазова швидкість
Хвильове число k можна розглядати як вектор, напрямок якого збігається з напрямком поширення світла в об'ємних середовищах. Цей вектор називається хвильовим вектором. У середовищі з показником заломленняде
Рис. 2.4. Хвильовий вектор і константа поширення
Кут падіння
Таким чином, величина константи поширення всередині хвилеводу завжди лежить між значеннями хвильових чисел плоскої світлової хвилі в матеріалі серцевини й оболонки. Якщо врахувати, що
Фазові швидкості розповсюдження мод
Швидкість поширення світлового сигналу або групова швидкість - це швидкість поширення огинаючої світлового імпульсу. У загальному випадку групова швидкість u не дорівнює фазової швидкості. Різниця фазових швидкостей мод приводить до спотворення вхідного пучка світла в міру його розповсюдження у волокні.
У волокні з параболічним градієнтним показником заломлення похилі промені поширюються по криволінійній траєкторії, яка, природно, довше, ніж шлях розповсюдження аксіального променя. Однак через зменшення показника заломлення в міру віддалення від осі волокна, швидкість поширення складових світлового сигналу при наближенні до оболонки оптичного волокна зростає, так що в результаті цього час поширення складових з ОВ виявляється приблизно однаковим. Таким чином, дисперсія або зміна часу поширення різних мод, зводиться до мінімуму, а ширина смуги пропускання волокна збільшується. Точний розрахунок показує, що розкид групових швидкостей різних мод в такому волокні істотно менше, ніж у волокні зі ступінчастим профілем показника заломлення. Оптичні волокна, які можуть підтримувати поширення лише моди найнижчого порядку, називаються одномодовими.
Таким чином, кожна мода, що розповсюджується в ОВ, характеризується постійним по довжині світловода розподілом інтенсивності в поперечному перерізі, постійної поширення β, а також фазової v і групової u швидкостями розповсюдження вздовж оптичної осі, які різні для різних мод. Через відмінності фазових швидкостей мод хвильової фронт і розподіл поля в поперечному перерізі змінюються вздовж осі волокна. Через відмінності групових швидкостей мод світлові імпульси розширюються, і це явище називається межмодовой дисперсією.
У одномодовом волокні існує тільки одна мода поширення, тому таке волокно характеризується постійним розподілом поля в поперечному перерізі, в ньому відсутня межмодовая дисперсія, і воно може передавати випромінювання з дуже широкою смугою модуляції, обмеженої тільки іншими видами дисперсії.
Згасання оптичного волокна
У міру поширення світла в оптичному середовищі він слабшає, що носить назву загасання середовища - загасання ОВ. Згасання залежить від довжини хвилі випромінювання, що вводиться в волокно. В даний час передача сигналів по волокну здійснюється в трьох діапазонах: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм, так як саме в цих діапазонах кварц має підвищену прозорість. Згасання (рис. 3.1) зазвичай вимірюється в дБ / км і визначається втратами на поглинання і розсіяння випромінювання в оптичному волокні:- Релєєвськоє розсіювання;
- Розсіювання на дефектах волокна;
- Власне поглинання кварцового скла;
- Домішкової поглинання;
- Поглинання на мікро і макроізгібах.
Рис. 3.1. Згасання.
Ступінь втрат визначається коефіцієнтом загасання
де
В даний час у техніку зв'язку в основному застосовуються кварцові ОВ, область ефективного використання яких знаходиться в діапазоні довжин хвиль до 2 мкм. На більш довгих хвилях в якості матеріалу для волокна використовуються галоїдні, халькогенідні і фторидним скла. У порівнянні з кварцовими волокнами вони володіють більшою прозорістю і забезпечують зниження втрат на кілька порядків. З появою ОВ з нових матеріалів стає реальним створення ВОЛЗ без ретрансляторів.
Згасання оптичного хвилеводу враховується при розрахунку енергетичного бюджету.
Згасання оптоволоконної лінії з урахуванням втрат на рознімних з'єднаннях і сростках (нероз'ємних з'єднаннях) визначається за формулою:
де
Тоді енергетичний бюджет розраховується за формулою:
де
Дисперсія
Світловий сигнал в цифрових системах передачі надходить у світловод імпульсами, які внаслідок некогерентности реальних джерел випромінювання містять складові з різною частотою. Розширення світлового імпульсу, що викликається різницею часу поширення спектральних і поляризаційних компонент, і називається дисперсією.Світлова хвиля, що розповсюджується вздовж напрямку x, описується рівнянням:
де А - амплітуда світлової хвилі;
Якщо взяти фіксоване значення фази хвилі:
то швидкість переміщення фази в просторі або фазова швидкість буде:
Світловий імпульс, що поширюється в ОВ представляє собою суперпозицію електромагнітних хвиль з частотами, укладеними в інтервалі Δ
званої груповий. Замінивши k = 2 π / λ і висловивши
Це і є причиною, що приводить до різниці швидкостей поширення частотних складових випромінюваного спектру з оптичного волокна. У результаті у міру поширення по оптичному волокну частотні складові досягають приймача в різний час. Внаслідок цього імпульсний сигнал на виході ОВ видозмінюється, стаючи «розмитим». Це явище називається волноводной дисперсією, яка визначається показником заломлення ОВ і шириною спектру випромінювання джерела Δλ і має розмірність часу:
де Δ - відносна різниця показників заломлення серцевини і оболонки, L - довжина ОВ,
Швидкість поширення хвилі залежить не тільки від частоти, але і від середовища поширення. Для пояснення цього явища електрони всередині атомів і молекул розглядаються в теорії дисперсії квазіпружної пов'язаними. При проходженні через речовину світлової хвилі кожен електрон виявляється під впливом електричної сили і починає здійснювати вимушені коливання. Хиткі електрони збуджують вторинні хвилі, що поширюються зі швидкістю з, які, складаючись з первинною, утворюють результуючу хвилю. Ця результуюча хвиля поширюється в речовині з фазовою швидкістю v, причому, чим ближче частота первинної хвилі до власної частоти електронів, тим сильніше будуть вимушені коливання електронів і відмінність між v і c буде більше, що пояснює залежність
де N - щільність часток (число частинок в одиниці об'єму), m і е - маса і заряд електрона відповідно,
Явище, виникнення якого пов'язане з характерними частотами, на яких середовище поглинає електромагнітне випромінювання внаслідок осциляції пов'язаних електронів, і яке визначає розширення тривалості світлового імпульсу після його проходження через дисперсійне середовище, називається в техніці волоконно-оптичного зв'язку матеріальної дисперсією:
де коефіцієнт М (λ) називається питомою матеріальної дисперсією. На довжині хвилі λ = 1276 нм у кварцу величина
Результуюча дисперсія складається з волноводной й матеріальної і називається хроматичної дисперсією. Дисперсію в оптичних волокнах прийнято характеризувати коефіцієнтом дисперсії або питомої дисперсією, вимірюваному в пс / (нм · км). Коефіцієнт дисперсії чисельно дорівнює збільшенню тривалості світлового імпульсу (в пикосекундах), спектральна ширина якого дорівнює 1 нм, після проходження відрізка ОВ довжиною 1 км. Значення коефіцієнта хроматичної дисперсії визначається як D (λ) = М (λ) + N (λ). Питома дисперсія має розмірність пс / (нм · км).
Рис. 3.2. Залежності коефіцієнтів волноводной, матеріальної і результуючої хроматичної дисперсії від довжини хвилі.
При припущеннях, які виходять із результатів дослідів для різних речовин, з виразу (3.2.7) може бути отримана наближена формула залежності показника заломлення від довжини хвилі:
де a, b і c - постійні, значення яких визначаються експериментально для кожної речовини.
Для одномодового ступеневої і багатомодового градієнтного оптичних волокон для розрахунку дисперсії застосовна емпірична формула Селмейера:
Коефіцієнти А, В, С є підгінну і визначаються для кожного матеріалу ОВ експериментальним шляхом. Тоді питома хроматична дисперсія обчислюється за формулою:
де
Хроматична дисперсія пов'язані з питомою хроматичної дисперсією простим співвідношенням:
До зменшення хроматичної дисперсії веде використання більш когерентних джерел випромінювання, наприклад лазерних передавачів, і використання робочої довжини хвилі ближчою до довжини хвилі нульової дисперсії.
Поширення світлових імпульсів в середовищі з дисперсією
Електричне поле лінійно поляризованого світлового сигналу, що поширюється в одномодовом волокні, можна описати наступним чином:де
Розподіл амплітуди поля основної моди в поперечному напрямку описується таким рівнянням:
де
У відсутність у волокні нелінійних явищ розрахувати зміна форми світлового імпульсу в процесі розповсюдження вздовж волокна можна, скориставшись перетворенням Фур'є.
Розглянемо поширення спектральних компонент світлового сигналу 
де
Спектральні компоненти задовольняють рівнянню:
де
Рішення цього рівняння відомо і характеризує затухання сигналу і зрушення фаз, пропорційний пройденій відстані:
де Фур'є - образ вхідного світлового сигналу має вигляд:
Для однорідного волокна вираз спрощується:
Як випливає з виразу (3.3.7), в процесі розповсюдження по волокну різні спектральні компоненти набувають різний фазовий зсув, тому Фур'є - образ вихідного сигналу, що пройшов ділянку однорідного ОВ довжиною L, має вигляд:
Форма вихідного сигналу може бути отримана з Фур'є - образу зворотним перетворенням Фур'є:
Спотворення світлових імпульсів при поширення у ВВ можна оцінити, розклавши постійну поширення β (ω) в ряд Тейлора біля несучої частоти
де:
Вираз (3.3.10), обмежене першими чотирма членами розкладання, має вигляд:
Якщо в розкладанні (3.3.12) знехтувати ступенями вище першої, що відповідає поширенню світлового імпульсу по ОВ без спотворень, то після підстановки (3.3.12) в (3.3.8), (3.3.9) виходить:
Зробивши заміну змінних
Зазвичай коефіцієнт при квадраті різниці частот не дорівнює нулю, в цьому випадку світловий імпульс спотворюється. Для світлового імпульсу довільної форми отримати аналітичний вираз не вдається, але для імпульсу гауссовой форми (
де
Таким чином, гауссовский імпульс зберігають свою форму, але його тривалість
де величина
З виразу (3.3.15) випливає, що розширення гауссовского імпульсу, не володів на вході частотною модуляцією, не залежить від знака параметра дисперсії
де С - параметр модуляції. Полуширина спектру (на рівні інтенсивності 1 / е від максимальної) визначається виразом:
що в
Форма минулого через оптичне волокно світлового імпульсу з лінійною частотною модуляцією (чірпом) має вигляд:
(3.3.18)
Таким чином, частотно-модульований (чірпірованний) гауссовский імпульс зберігає свою форму при розповсюдженні. Тривалість імпульсу
З виразу (3.3.19) випливає, що розширення залежить від знаків параметра
Природа поляризаційних ефектів в одномодовом оптичному волокні
Так як світло являє собою електромагнітну хвилю, а її поширення в будь-якому середовищі описується рівняннями Максвелла, поширення світла може розглядатися шляхом визначення розвитку пов'язаних з ним векторів електричного
Оскільки електрони в атомі заряджені негативно, а ядро несе позитивний заряд, то при дії електричного поля на матеріал, подібний кварцу, відбувається поляризація атомів. Індукована поляризація описується вектором
Зв'язок
Розглянемо поведінку фундаментальної моди, представивши електричне поле
де
Змінюється з часом електричне поле вважається лінійно поляризованим, якщо його напрямок залишається постійним (не залежить від часу). Якщо електричне поле, асоційоване з електромагнітної хвилею, не має поздовжньої компоненти, поле вважається поперечним, в іншому випадку - подовжнім. З огляду на це, два лінійно незалежних рішення хвильового рівняння представляють лінійно поляризовані вздовж осей x і y електричні поля, які в силу взаємної перпендикулярності називаються ортогонально поляризованими складовими електричного поля або станами поляризації SOP (State of Polarization). Будь-яка лінійна комбінація цих двох лінійно поляризованих складових також є рішенням рівняння і, таким чином, фундаментальної модою. В ідеальному ізотропному оптичному волокні обидва стану поляризації мають одну і ту ж постійну розповсюдження, тобто поширюються з однаковою швидкістю, і в результаті проходження такого середовища тривалість результуючого імпульсу залишається незмінною. Але в реальних оптичних волокнах через порушення кругової симетрії виникає невеличка анізотропія, тому, враховуючи, що світлова енергія розподілена між SOP, відмінність констант розповсюдження викликає збільшення тривалості імпульсу на виході ОВ.
Анізотропія або двулучепреломление оптичного волокна може бути пов'язано або з порушенням ідеальної кругової форми серцевини, або з наведеним двулучепреломление речовини, наприклад, з-за несиметричних напружень у матеріалі ОВ як це показано на рис. 3.4а, або через розбіжність геометричних центрів серцевини й оболонки.
Втрата кругової симетрії призводить до появи анізотропії, при цьому, в оптичному волокні поширюються дві ортогонально поляризовані моди з різними фазовими і груповими швидкостями.
Рис. 3.4а. Причини виникнення анізотропії оптичного волокна.
Швидкості поширення поляризаційних компонентів світлового імпульсу різні, що призводить до виникнення тимчасової затримки
Виникнення DGD викликає ряд спотворень інформаційного сигналу, включаючи збільшення тривалості імпульсу. Але на відміну від хроматичної дисперсії, PMD не є стабільною, а має статистичну природу. Існує кілька факторів росту анізотропії профілю волокна:
статичні фактори:
- Власне недосконалість заводського процесу витяжки волокон;
- Скручування волокон при виготовленні волоконно-оптичного кабелю (ВОК);
- Вигини ВОК і як наслідок механічні деформації волокон, що виникають у процесі укладання кабелю;
та динамічні фактори:
- Варіації температури навколишнього середовища - для ВОК, прокладених у грунт;
-
динамічні деформації волокон (вітрові навантаження, варіації температури навколишнього середовища, деформації внаслідок заледеніння кабелю) - для підвісних ВОК.
Рис. 3.4б. Поява PMD при поширенні світлових імпульсів в оптичному волокні.
Через наявність динамічних факторів навіть у межах окремого сегменту волокна неможливо визначити напрямок поляризації сигналу після проходження цього сегмента. Тим більше, неможливо визначити пропорцію, в якій розподілитися енергія між PSP на наступному ділянці волокна. Отже, диференціальна групова затримка
де індекс Max - позначає усереднення по функції розподілу Максвелла.
Поляризаційної модової дисперсією PMD називають середньоквадратичне значення диференціальної груповий затримки:
Вона зазвичай вимірюється в пс.
У лінії з великою кількістю сегментів значення PMD визначається в залежності від сумарного відстані за формулою:
де L - протяжність оптичної лінії зв'язку (км),
Значення коефіцієнта
Таблиця 3.4. Значення максимальної довжини волоконно-оптичної лінії зв'язку.
Затримка світлової хвилі, поляризованої вздовж повільної осі, відносно хвилі, поляризованої вздовж швидкої осі, призводить до появи різниці фаз 
Лінійна залежність різниці фаз двох поляризаційних компонент призводить до періодичної залежності поляризації вихідного випромінювання від частоти.
Контроль PMD у процесі експлуатації ВОСП.
Після прокладки кабелю багато параметрів, в тому числі і PMD, можуть по ряду причин (деформації волокна, температурні зміни, натяг і т.д.) відчувати відхилення від паспортних даних. Це вимагає проведення вимірювань PMD оптичних волокон після інсталяції волоконно-оптичної кабельної системи. Також в процесі експлуатації слід проводити регулярні перевірки параметра PMD. Для складних ліній з великою кількістю послідовних сегментів волоконно-оптичних кабелів слід проводити тестування PMD і окремих сегментів. Якщо лінія складається з N сегментів ВОК, дисперсія в кожному з яких дорівнює
Висновок
Отже, у представленій курсовій роботі автором було досліджено основні принципи цифрової системи передачі, основи теорії волоконно-оптичних ліній зв'язку, параметри оптичного волокна та його конструкція. Конструкція волоконно-оптичного кабелю, його технічні характеристики, а також процеси, що відбуваються при розповсюдженні світла в оптичному волокні.
Список використаних джерел інформації
1. Слєпов М.М. Синхронні цифрові мережі SDH. - М., 1997.
2. Наний О.Е. Основи цифрових волоконно опіческіх систем зв'язку. Lightwave Russian Edition, № 1, 2003, с. 48-52.
3. Наний О.Е. Оптичні передавачі. Lightwave Russian Edition, № 2, 2003, с. 48-51.
4. Winzer PJ and Essiambre RJ Advanced optical modulation formats. ECOCIOOC 2003 Proceedings, Vol.4, pp. 1002-1003, Rimini, 2003.
5. Убайдуллаев Р.Р. Протяжні ВОЛЗ на основі EDFA. Lightwave Russian Edition, № 1, 2003, с. 22-28.
6. Jacobs I. Optical fiber communication tech nology and system overview, in Fiber Optics Handbook, McGrawHill Companies Inc., 2002.
7. Agraval GP Fiberoptic communication sys tems, Second edition, John Wiley & Sons Inc., 1997.
8. Волоконна оптика, збірник статей, М., Віко, 2002.
9. Волоконно-оптичні системи передачі та кабелі. Довідник. Під ред. Гроднева І.І. М.: Р і С, 1993.
10. Іванов А.Б. Волоконна оптика. Компоненти, системи передачі, вимірювання. Вид. "Сайрус системс", М.: 1999.
11. Слєпов М.М. Синхронні цифрові мережі SDH. Вид. "Еко - Трендз", М.: 1999.
12. Стерлінг Д.Д., мл. Технічне керівництво по волоконної оптики. М.: ЛОРІ. 1998.
13. Волоконно-оптична техніка: історія, досягнення, перспективи. Під ред. Дмитрієва С.А. Вид. "Коннект", М.: 2000.
14. Рекомендації ITU-T Rec. G.707.
15. http://kunegin.narod.ru.
16. http://optictelecom.ru.
ДОДАТОК Список прийнятих скорочень
ВОЛЗ - волоконно-оптична лінія зв'язку
ВОСП - волоконно-оптична система передачі
BOК - волоконно-оптичний кабель
ОК - оптичний кабель
ОВ - оптичне волокно
SDH - (Synchronous Digital Hierarchy) синхронна цифрова ієрархія
DWDM - (Dense Wavelength Division Multiplexing) надщільного хвильове мультиплексування по довжині хвилі
ЦСП - цифрова система передачі
STM-4 - (Synchronous Transport Module) синхронний транспортний модуль рівня 4, відповідний швидкості передачі інформації 622,08 Мбіт / с
STM-64 - (Synchronous Transport Module) синхронний транспортний модуль рівня 64, відповідний швидкості передачі інформації 9953,28 Мбіт / с
TDM - (Time Division Multiplexing) тимчасове мультиплексування інформаційних потоків
SOP - (State of Polarization) ортогонально поляризовані складові електричного поля або стану поляризації
DGD - (Differential Group Delay) диференційна групова затримка
PSP - (Principal State of Polarization) стану поляризації, що задають найшвидше і саме повільне поширення сигналу, називаються швидким і повільним головними станами поляризації
PMD - (Polarization Mode) поляризаційна модовая дисперсія
DCF - (Dispersion Compesating Fiber) компенсує дисперсію волокно
FBG - (Fiber Bragg Grating) волоконна бреггівськими решітка - оптичний елемент, заснований на періодичному зміні показника заломлення серцевини і оболонки оптичного волокна
де
Спектральні компоненти задовольняють рівнянню:
де
Рішення цього рівняння відомо і характеризує затухання сигналу і зрушення фаз, пропорційний пройденій відстані:
де Фур'є - образ вхідного світлового сигналу має вигляд:
Для однорідного волокна вираз спрощується:
Як випливає з виразу (3.3.7), в процесі розповсюдження по волокну різні спектральні компоненти набувають різний фазовий зсув, тому Фур'є - образ вихідного сигналу, що пройшов ділянку однорідного ОВ довжиною L, має вигляд:
Форма вихідного сигналу може бути отримана з Фур'є - образу зворотним перетворенням Фур'є:
Спотворення світлових імпульсів при поширення у ВВ можна оцінити, розклавши постійну поширення β (ω) в ряд Тейлора біля несучої частоти
де:
Вираз (3.3.10), обмежене першими чотирма членами розкладання, має вигляд:
Якщо в розкладанні (3.3.12) знехтувати ступенями вище першої, що відповідає поширенню світлового імпульсу по ОВ без спотворень, то після підстановки (3.3.12) в (3.3.8), (3.3.9) виходить:
Зробивши заміну змінних
Зазвичай коефіцієнт при квадраті різниці частот не дорівнює нулю, в цьому випадку світловий імпульс спотворюється. Для світлового імпульсу довільної форми отримати аналітичний вираз не вдається, але для імпульсу гауссовой форми (
де
Таким чином, гауссовский імпульс зберігають свою форму, але його тривалість
де величина
З виразу (3.3.15) випливає, що розширення гауссовского імпульсу, не володів на вході частотною модуляцією, не залежить від знака параметра дисперсії
де С - параметр модуляції. Полуширина спектру (на рівні інтенсивності 1 / е від максимальної) визначається виразом:
що в
Форма минулого через оптичне волокно світлового імпульсу з лінійною частотною модуляцією (чірпом) має вигляд:
(3.3.18)
Таким чином, частотно-модульований (чірпірованний) гауссовский імпульс зберігає свою форму при розповсюдженні. Тривалість імпульсу
З виразу (3.3.19) випливає, що розширення залежить від знаків параметра
Природа поляризаційних ефектів в одномодовом оптичному волокні
Так як світло являє собою електромагнітну хвилю, а її поширення в будь-якому середовищі описується рівняннями Максвелла, поширення світла може розглядатися шляхом визначення розвитку пов'язаних з ним векторів електричного
Оскільки електрони в атомі заряджені негативно, а ядро несе позитивний заряд, то при дії електричного поля на матеріал, подібний кварцу, відбувається поляризація атомів. Індукована поляризація описується вектором
Зв'язок
Розглянемо поведінку фундаментальної моди, представивши електричне поле
де
Змінюється з часом електричне поле вважається лінійно поляризованим, якщо його напрямок залишається постійним (не залежить від часу). Якщо електричне поле, асоційоване з електромагнітної хвилею, не має поздовжньої компоненти, поле вважається поперечним, в іншому випадку - подовжнім. З огляду на це, два лінійно незалежних рішення хвильового рівняння представляють лінійно поляризовані вздовж осей x і y електричні поля, які в силу взаємної перпендикулярності називаються ортогонально поляризованими складовими електричного поля або станами поляризації SOP (State of Polarization). Будь-яка лінійна комбінація цих двох лінійно поляризованих складових також є рішенням рівняння і, таким чином, фундаментальної модою. В ідеальному ізотропному оптичному волокні обидва стану поляризації мають одну і ту ж постійну розповсюдження, тобто поширюються з однаковою швидкістю, і в результаті проходження такого середовища тривалість результуючого імпульсу залишається незмінною. Але в реальних оптичних волокнах через порушення кругової симетрії виникає невеличка анізотропія, тому, враховуючи, що світлова енергія розподілена між SOP, відмінність констант розповсюдження викликає збільшення тривалості імпульсу на виході ОВ.
Анізотропія або двулучепреломление оптичного волокна може бути пов'язано або з порушенням ідеальної кругової форми серцевини, або з наведеним двулучепреломление речовини, наприклад, з-за несиметричних напружень у матеріалі ОВ як це показано на рис. 3.4а, або через розбіжність геометричних центрів серцевини й оболонки.
Втрата кругової симетрії призводить до появи анізотропії, при цьому, в оптичному волокні поширюються дві ортогонально поляризовані моди з різними фазовими і груповими швидкостями.
Рис. 3.4а. Причини виникнення анізотропії оптичного волокна.
Швидкості поширення поляризаційних компонентів світлового імпульсу різні, що призводить до виникнення тимчасової затримки
Виникнення DGD викликає ряд спотворень інформаційного сигналу, включаючи збільшення тривалості імпульсу. Але на відміну від хроматичної дисперсії, PMD не є стабільною, а має статистичну природу. Існує кілька факторів росту анізотропії профілю волокна:
статичні фактори:
- Власне недосконалість заводського процесу витяжки волокон;
- Скручування волокон при виготовленні волоконно-оптичного кабелю (ВОК);
- Вигини ВОК і як наслідок механічні деформації волокон, що виникають у процесі укладання кабелю;
та динамічні фактори:
- Варіації температури навколишнього середовища - для ВОК, прокладених у грунт;
-
динамічні деформації волокон (вітрові навантаження, варіації температури навколишнього середовища, деформації внаслідок заледеніння кабелю) - для підвісних ВОК.
Рис. 3.4б. Поява PMD при поширенні світлових імпульсів в оптичному волокні.
Через наявність динамічних факторів навіть у межах окремого сегменту волокна неможливо визначити напрямок поляризації сигналу після проходження цього сегмента. Тим більше, неможливо визначити пропорцію, в якій розподілитися енергія між PSP на наступному ділянці волокна. Отже, диференціальна групова затримка
де індекс Max - позначає усереднення по функції розподілу Максвелла.
Поляризаційної модової дисперсією PMD називають середньоквадратичне значення диференціальної груповий затримки:
Вона зазвичай вимірюється в пс.
У лінії з великою кількістю сегментів значення PMD визначається в залежності від сумарного відстані за формулою:
де L - протяжність оптичної лінії зв'язку (км),
Значення коефіцієнта
Таблиця 3.4. Значення максимальної довжини волоконно-оптичної лінії зв'язку.
| D PMD (пс / км 1 / 2) | 0,1 | 0,5 | 2,0 | |
| B = 2,5 Гбіт / с | L (км) | 160 000 | 6 400 | 400 |
| B = 10Гбіт / с | L (км) | 10 000 | 400 | 25 |
| B = 40Гбіт / с | L (км) | 625 | 25 | 1,56 |
Лінійна залежність різниці фаз двох поляризаційних компонент призводить до періодичної залежності поляризації вихідного випромінювання від частоти.
Контроль PMD у процесі експлуатації ВОСП.
Після прокладки кабелю багато параметрів, в тому числі і PMD, можуть по ряду причин (деформації волокна, температурні зміни, натяг і т.д.) відчувати відхилення від паспортних даних. Це вимагає проведення вимірювань PMD оптичних волокон після інсталяції волоконно-оптичної кабельної системи. Також в процесі експлуатації слід проводити регулярні перевірки параметра PMD. Для складних ліній з великою кількістю послідовних сегментів волоконно-оптичних кабелів слід проводити тестування PMD і окремих сегментів. Якщо лінія складається з N сегментів ВОК, дисперсія в кожному з яких дорівнює
Висновок
Отже, у представленій курсовій роботі автором було досліджено основні принципи цифрової системи передачі, основи теорії волоконно-оптичних ліній зв'язку, параметри оптичного волокна та його конструкція. Конструкція волоконно-оптичного кабелю, його технічні характеристики, а також процеси, що відбуваються при розповсюдженні світла в оптичному волокні.
Список використаних джерел інформації
1. Слєпов М.М. Синхронні цифрові мережі SDH. - М., 1997.
2. Наний О.Е. Основи цифрових волоконно опіческіх систем зв'язку. Lightwave Russian Edition, № 1, 2003, с. 48-52.
3. Наний О.Е. Оптичні передавачі. Lightwave Russian Edition, № 2, 2003, с. 48-51.
4. Winzer PJ and Essiambre RJ Advanced optical modulation formats. ECOCIOOC 2003 Proceedings, Vol.4, pp. 1002-1003, Rimini, 2003.
5. Убайдуллаев Р.Р. Протяжні ВОЛЗ на основі EDFA. Lightwave Russian Edition, № 1, 2003, с. 22-28.
6. Jacobs I. Optical fiber communication tech nology and system overview, in Fiber Optics Handbook, McGrawHill Companies Inc., 2002.
7. Agraval GP Fiberoptic communication sys tems, Second edition, John Wiley & Sons Inc., 1997.
8. Волоконна оптика, збірник статей, М., Віко, 2002.
9. Волоконно-оптичні системи передачі та кабелі. Довідник. Під ред. Гроднева І.І. М.: Р і С, 1993.
10. Іванов А.Б. Волоконна оптика. Компоненти, системи передачі, вимірювання. Вид. "Сайрус системс", М.: 1999.
11. Слєпов М.М. Синхронні цифрові мережі SDH. Вид. "Еко - Трендз", М.: 1999.
12. Стерлінг Д.Д., мл. Технічне керівництво по волоконної оптики. М.: ЛОРІ. 1998.
13. Волоконно-оптична техніка: історія, досягнення, перспективи. Під ред. Дмитрієва С.А. Вид. "Коннект", М.: 2000.
14. Рекомендації ITU-T Rec. G.707.
15. http://kunegin.narod.ru.
16. http://optictelecom.ru.
ДОДАТОК Список прийнятих скорочень
ВОЛЗ - волоконно-оптична лінія зв'язку
ВОСП - волоконно-оптична система передачі
BOК - волоконно-оптичний кабель
ОК - оптичний кабель
ОВ - оптичне волокно
SDH - (Synchronous Digital Hierarchy) синхронна цифрова ієрархія
DWDM - (Dense Wavelength Division Multiplexing) надщільного хвильове мультиплексування по довжині хвилі
ЦСП - цифрова система передачі
STM-4 - (Synchronous Transport Module) синхронний транспортний модуль рівня 4, відповідний швидкості передачі інформації 622,08 Мбіт / с
STM-64 - (Synchronous Transport Module) синхронний транспортний модуль рівня 64, відповідний швидкості передачі інформації 9953,28 Мбіт / с
TDM - (Time Division Multiplexing) тимчасове мультиплексування інформаційних потоків
SOP - (State of Polarization) ортогонально поляризовані складові електричного поля або стану поляризації
DGD - (Differential Group Delay) диференційна групова затримка
PSP - (Principal State of Polarization) стану поляризації, що задають найшвидше і саме повільне поширення сигналу, називаються швидким і повільним головними станами поляризації
PMD - (Polarization Mode) поляризаційна модовая дисперсія
DCF - (Dispersion Compesating Fiber) компенсує дисперсію волокно
FBG - (Fiber Bragg Grating) волоконна бреггівськими решітка - оптичний елемент, заснований на періодичному зміні показника заломлення серцевини і оболонки оптичного волокна
[1] наний О.Е. Основи цифрових волоконно - оптичних систем зв'язку. Lightwave Russian Edition, № 1, 2003, с. 48-52. Доступні в даний час швидкості передачі комерційних бездротових оптичних систем складають від 2 до 622 Мбіт / с із застосуванням всіх поширених інтерфейсів локальних обчислювальних мереж і цифрових мереж передачі даних. Досвідчені установки довели можливість передачі даних з ущільненням по довжині хвилі зі швидкістю 10 Гбіт / с.
[2] наний О.Е. Оптичні передавачі. Lightwave Russian Edition, № 2, 2003, с. 48-51.
[3] Системи електрозв'язку. Підручник для вузів / В.П. Шувалов, Г.П. Катунін, Б.І. Крук та ін Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радіо і зв'язок, 1987. - С. - С. 31
[4] 5. Jacobs I. Optical fiber communication tech nology and system overview, in Fiber Optics Handbook, McGrawHill Companies Inc., 2002; Agraval GP Fiberoptic communication sys tems, Second edition, John Wiley & Sons Inc., 1997; Волоконна оптика, збірник статей, М., Віко, 2002 .
[5] Системи електрозв'язку. Підручник для вузів / В.П. Шувалов, Г.П. Катунін, Б.І. Крук та ін Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радіо і зв'язок, 1987. -С.30