Принцип построения волоконно-оптической линии (ВОЛП)

Содержание 

Введение

. Принцип построения волоконно-оптической  линии (ВОЛП)

. Расчет оптического волокна

.1 Расчет физических параметров  оптического волокна

.2 Расчет потерь в оптическом  волокне

.3 Расчет дисперсии оптического  волокна

. Выбор кабеля

. Выбор системы передачи

. Расчет длины участка регенерации  и разработка схемы организации

. Расчет помехозащищенности системы  передачи

Заключение

Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одним из наиболее перспективных направлений развития многоканальных систем передачи является использование оптического диапазона частот. Длительное время практическая реализация оптических систем передачи сдерживалась несовершенством элементной базы и, особенно, отсутствием передающей среды с надлежащими характеристиками. В последние годы наблюдается бурный прогресс в области создания эффективных волоконных световодов, оптических излучателей и фотодетекторов, поэтому в настоящее время проектируется, строятся и вводятся в эксплуатацию почти исключительно волоконно-оптические линии передачи.

Техническое задание

 

В курсовой работе необходимо произвести расчет волокна с параметрами, представленными в таблице 1.

 

Таблица1 - Коэффициенты ряда Сел Мейера для кварцевых стекол

Состав стеклаТип коэффициентаЗначения коэффициентов1237% GeO2 93% SiO2Ai0,68698290,444795050,790973512Ii0,0780875820,115518410,436628

Структурная схема участка линии связи представлена на рисунке 1.

 

Рисунок 1 - Структурная схема участка линии связи

 

Значения параметров, участвующих в расчетах:

= 1,3 мкм;

= 1,0 мкм;

= 0,6 мВт = -3 дБ;

П = 40 дБ;

В = 155 МГц.

1. Принцип построения волоконно-оптической  линии (ВОЛП)

 

В настоящее время на всех участках сети связи широко внедряются волоконно-оптические системы передачи.

По сравнению с другими системами передачи, работающими по медному кабелю, эти системы имеют ряд преимуществ:

широкая полоса пропускания;

высокая защищенность от помех;

малое километрическое затухание ОВ;

потенциально низкая стоимость оптического кабеля.

Структурная схема ВОЛП представлена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 - Структурная схема ВОЛП

 

На передающей станции А первичные сигналы в электрической форме поступают на вход системы передачи (СП), где формируется цифровой поток с определенной скоростью. В оборудовании сопряжения (ОС) электрические сигналы преобразуются в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал в оптический. При распространении оптического сигнала по линии происходит его ослабление и искажение.

Для увеличения дальности связи через определенные расстояния, называемыми участками регенерации, устанавливаются промежуточные обслуживаемые или необслуживаемые регенераторы (ОРП, НРП). Регенераторы корректируют искажения и компенсируют затухание, вносимое линией. В регенераторах обработка (усиление, коррекция, регенерация) осуществляется на уровне электрического сигнала. Поэтому на НРП или ОРП есть передатчик и приемник оптического сигнала (ОПер, ОПр). Можно некоторые регенераторы заменять оптическими усилителями (ОУ), но возможности ОУ ограничены, они не компенсируют искажения.

На приемной станции Б происходит обратное преобразование сигнала.

В настоящее время ВОЛП строятся в основном по однокабельной схеме, так как взаимные влияния между оптическими волокнами практически отсутствуют. Достоинством такой схемы является однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций. Возможны и другие схемы организации, например, двухкабельная.

Наибольший интерес представляют ВОЛП со спектральным разделением. Такие системы строятся как одноволоконные многополосные однокабельные. На передающей станции электрические сигналы от n систем передачи поступают на передатчик, излучающий оптические несущие с длинами волн . С помощью мультиплексора о демультиплексора осуществляется их ввод в ОВ на передаче и разделение на приеме.

Первоначально развитие ВОЛП шло в направлении создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического излучения) и оснащения данными элементами каналообразующего оборудования цифровых систем передачи PDH. Совершенствование ЦСП и устройств оптоэлектроники для применения в ЦСП происходило независимо.

Появление синхронной цифровой иерархии, специально разработанной для использования преимуществ ОВ вывело развитие ВОСП на новый уровень.

В качестве системы передачи используются терминальные мультиплексоры на передаче и на приеме, формирующие высокоскоростные потоки со скоростью 155 Мбит/с, 622 Мбит/с, 2,5 Гбит/с, 10 Гбит/с… Исходными сигналами являются потоки со скоростью 2,048 Мбит/с, 8,448 Мбит/с, 34,368 Мбит/с и 139264 Мбит/с. Оптический передатчик устанавливается на одном из модулей мультиплексора. Между оконечными мультиплексорами, на одном из промежуточных пунктов, устанавливается мультиплексор ввода-вывода, этот мультиплексор устанавливается там, где необходимо организовать выделение некоторого количества потоков.

В качестве соединительной линии между сетевыми элементами может быть использовано оптическое волокно.

 

2. Расчет оптического волокна

 

.1 Расчет физических параметров  оптического волокна

 

Для изготовления оптических волокон, используемых в диапазоне = 0,8…1,8 мкм, применяются кварцевые стекла с легирующими добавками окиси германия GeO2, фосфора P2O3 повышающими показатель преломления кварца добавками окиси бора B2O3, фтора F, понижающими его показатель преломления. В таблице 2.1 представлены Коэффициенты ряда Селмейера для кварцевых стекол согласно варианта задания на курсовую работу.

 

Таблица 2.1 - Коэффициенты ряда Селмейера для кварцевых стекол

Состав стеклаТип коэффициентаЗначения коэффициентов1237% GeO2 93% SiO2Ai0,68698290,444795050,790973512Ii0,0780875820,115518410,436628

Исходя из коэффициентов Селмейера, можно рассчитать показатель преломления для данного состава стекла по формуле:

 

, (2.1)

 

где - длина волны, мкм

 

Таким образом, подставив табличные значения в формулу получим:

 

n2 = 1,45785458

С учетом того, что в данной работе рассчитывается одномодовое волокно, для него имеет место условие:

. (2.2)

 

Таким образом, исходя из данного условия, найдем n1:

 

 

Получив значения n1 и n2 теперь можно найти относительную разность показателей преломления ():

 

(2.3)

 

.2 Расчет потерь в оптическом  волокне

 

Потери мощности оптического сигнала при его распространении в оптическом волокне обусловлены различными механизмами взаимодействия световых волн с материалом сердцевины и оболочки волокна. Основными причинами потерь в световодах являются рассеяние и поглощение энергии.

Рассеяние света при распространении по оптическому волокну зависит от показателя преломления сердцевины световода и от микродефектов в сердцевине, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Особенно вредно, если такие центры рассеивания имеют место на границе оболочки и сердцевины волокна, так как падая на центр рассеивания, луч света может отклонится от основного пути вдоль оси световода. Это приведет к потери части энергии луча.

Поглощение света в ОВ определяется:

собственным поглощением материала световода;

поглощением примесями;

поглощением на атомных дефектах;

Собственное поглощение материала световода обусловлено колебательными полосами в ультрафиолетовой и ближайшей инфракрасной области. Их влияние может распространятся на длину волны = 0,7…1,1 мкм. При примесном поглощении основную роль играют ионы металлов: железа, хрома, меди и гидроксильной группы.

Атомные дефекты возникают при тепловой обработке или облучении оптического волокна. Эта составляющая потерь может быть значительно уменьшена и даже сведена к нулю при выборе материала оптического волокна.

В настоящее время изготавливают оптические волокна с очень малой концентрацией примесей в исходных материалах. Следовательно, такие волокна имеют малые потери.

При монтаже кабеля могут создаваться изгибы световода, его деформация, что приводит к дополнительным потерям. Полное ослабление энергии при передаче по оптическому волокну определится как сумма всех вышеперечисленных составляющих:

 

, (2.4)

 

где - затухание оптического волокна, дБ/км;

- затухание оптического волокна, определяемое потерями на рассеивание, дБ/км;

- затухание оптического волокна, определяемое потерями на поглощение, дБ/км;

- дополнительные потери, дБ/км.

Одной из основных характеристик оптического волокна является коэффициент ослабления (затухания) - это величина затухания на единице длины волокна и выражается в дБ/км. Коэффициент затухания в оптическом волокне обуславливается собственными потерями волокна и выражается в виде:

 

, (2.5)

 

где и - коэффициенты затухания оптического волокна за счет рассеивания и поглощения энергии в волокне.

 

Из вышесказанного следует, что зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеивание света. Между максимальными значениями находятся окна прозрачности, в которых ослабление сравнительно небольшое. Увеличение на длинах волн больше 1,8 мкм обусловлены инфракрасным поглощением.

Типичные значения затухания оптического волокна составляют 2…3 дБ/км в первом окне прозрачности = 0,85 мкм, во втором 0,4…0,5 дБ/км на = 1,3 мкм и в третьем 0,2…0,3 дБ/км на = 1,55 мкм.

В настоящее время в технике связи в основном применяются кварцевые оптические волокна, которые используются в диапазоне до 2 мкм. При замене кварца на другие материалы, например, на поликристаллы бромистого таллия удалось получить волокно с коэффициентом затухания 0,01 дБ/км на = 4…5 мкм.

С появлением оптического волокна из новых материалов становится реальным создание ВОЛП без регенераторов.

Так как теоретические расчеты потерь на рассеяние и поглощение очень сложны, то при выполнении курсового проекта удобно применять приближенные формулы. Расчет всех составляющих коэффициента ослабления оптического волокна приводится ниже.

Расчет составляющей коэффициента потерь за счет рассеяния

Затухание на рассеяние обусловлено неоднородностями материала и тепловыми флуктуациями показателя преломления.

Величина определяется по формуле:

 

, дБ/км, (2.6)

 

где - постоянная Больцмана, Дж/К;

- температура перехода стекла  в твердую фазу, К;

- коэффициент сжимаемости, м2/н;

- показатель преломления сердцевины  волокна;

- длина волны, мкм.

Подставив все значения в формулу, мы получим:

 

 

Расчет составляющей коэффициента потерь за счет поглощения

Затухание на поглощение связано с потерями на диэлектрическую поляризацию и существенно зависит от свойств материала оптического волокна.

Величина определяется по формуле:

 

, дБ/км, (2.7)

где - тангенс угла диэлектрических потерь световода, .

Подставив значения в формулу, получим:

 

 

Следовательно суммарный коэффициент затухания в оптическом кабеле может быть рассчитан по формуле:

 

 

Расчет дополнительных потерь в оптическом волокне

Дополнительные потери - обусловлены технологией изготовления, условиями прокладки, хранения, транспортировки и эксплуатации оптических кабелей.

Дополнительное (кабельное) затухание рассчитывается как сумма 7 составляющих:

 

, (2.8)

 

где - затухание вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля;

- затухание вследствие температурной  зависимости коэффициента преломления  оптического волокна;

- затухание на микроизгибах  оптического волокна;

- затухание вследствие нарушения  прямолинейности оптического волокна, затухание на макроизгибах;

- затухание вследствие кручения  оптического волокна вокруг оси;

- затухание из-за неравномерности  покрытия оптического волокна;

- затухание вследствие потерь  в защитной оболочке.

 

Расчету подлежат затухания за счет макро- и микроизгибов. Затухание за счет излучения при микроизгибах для одномодовых волокон рассчитывается по формуле:

 

,(2.9)

 

где - коэффициент зависящий от длины и амплитуды микроизгибов, ;

- радиус сердечника оптического  волокна, , мкм;

- диаметр оболочки оптического  волокна, , мкм;

- длина волны, мкм;

- радиус поля моды, мкм.

 

Радиус поля моды рассчитывается по формуле:

 

, мкм, (2.10)

 

где - нормированная частота, которую можно рассчитать как:

 

(2.11)

 

Таким образом, будет:

 

Теперь, зная все необходимые параметры можно найти ослабление сигнала за счет микроизгибов:

 

 

Потери на макроизгибах обусловлены скруткой волоконных световодов по геликоиде вдоль всего оптического кабеля, и, для ступенчатых оптических волокон, рассчитывается по формуле:

 

, (2.12)

 

где - радиус сердечника оптического волокна, мкм;

- относительная разность показателей  преломления;

- диаметр скрутки, мм, ;

- шаг скрутки, мм.

 

Отношение называется параметром устойчивости скрутки, который в оптических кабелях находится в пределах 12 - 30.

Подставив все значения найдем ослабление сигнала за счет макроизгибов:

 

В итоге затухание на микро- и макроизгибах составит:

 

 

В целом дополнительное затухание на должно превышать собственное затухание волокна более чем на 40 - 50 %.

Таким образом, суммарное затухание в кабеле составит: