Қалалық телефон желісінде электрондық талшықты-оптикалық беріліс жүйесін тұрғызудың ерекшеліктері

КІРІСПЕ

 

Байланыс желісін автоматтандыру бүгінгі күннің заманауи жаңа ақпараттық технологиялар көмегімен Қазақстан Республикасында жақсы дамып келе жатыр. Оның ішінде оптикалық кабельдер бойынша сандық байланыс бүгінгі күні ғылыми-техникалық прогрестің маңызды, басты бағыттарының бірі болып табылады.

Сандық ағындардың артықшылығы, олар ЭЕМ көмегімен жеңіл жүзеге асырылады.

Оптикалық беріліс жүйелерінің  металл кабельдерімен жұмыс істейтін жүйелерден айырмашылығы:

• жарық жүргізгіштерді аз өшіп қалу мүкіндігімен және дисперсиямен алу, демек, алыстағы байланысты ұлғайту;
• үлкен ақпараттың сыйымдылықты, демек кең өткізу жолағы бар;
• оптикалық кабельде идуктивтілігі және электр өткізгіштік қасиет болмайды, демек кабельде электромагниттік өрісінің әсерлері кездеспейді;
• аз ғана қиылысу бөгеттері бар;
• оптикалық кабельдің материалы төмен бағасының болуы, оның кішкене диаметрі мен массасы;
• басқа беріліс жүйелермен толық бірігіп, сақталып жұмыс істеуді дамыту мүмкіндігі.

Талшықты-оптикалық беріліс  жүйесінің желілі трактісі екі талшықты бір жолақты, бір кабельді, бір талшықты бір жолақты, бір кабельді, бір талшықты көп жолақты бір кабельді (спектрлі нығыздалуымен).

Байланыс облысында  соңғы периодта кеңінен тараған  әдіс, ол оптикалық кабельдер (ОК) және талшықты-оптикалық беріліс жүйесі (ТОБЖ), олар өздерінің сипаттамасы бойынша барлық кәдімгі байланыс жүйесінің кабельдерінен артығырақ.

Талшықты-оптикалық  кабель байланысы – ғылыми-техникалық прогрестің басты бағыты болып табылады. Оптикалық жүйелер мен кабельдер  тек қана қалалық және қала аралық байланысты ұйымдастыру үшін ғана емес, сонымен қатар кабельді теледидар, бейнетелефондау, радиациялық таралу, есептеу техникасында, технологиялық байланысқа да жарайды.

Талшықты-оптикалық  байланысты қолдануға беретін ақпараттың көлемі мынадай кеңінен таралған құралдармен салыстырғанда (олар спутниктік байланыс пен радиорелелі желілер) күрт өзгереді.

Бұл былай түсіндіріледі, талшықты-оптикалық беріліс жүйесінде  көбінесе кең өткізу жолағы болады.

Оптикалық жүйелер  дамуындағы маңызды факторы, ол оптикалық кванттық генераторлы-лазердің пайда болуы.

Лазер сөзі мағыналы сөздердің  бірінші әріптері – Light Ampli Sication by Emission of Radiation – (усиление света с помощью  индуцированного излучения) – сәулеленудің индукцияланған жарық күшейткіші көмегімен болады деген сөз.  Екінші мыңжылдық соңы индустриалдықтан негізгі өнімділік күші білім болатын ақпараттық қоғамға өтумен белгілі болды. Ақпараттық қоғамда өміршеңділікпен байланыс саласын автоматтандыру стратегиясы өзгеруде, және де оның ең маңызды бейнесі ол тұтынушыларға жаңа ақпараттық құралдар көмегімен байланысты дұрыс жеткізу. Бұл мәселелерді шешу жаңа ақпараттық технологияларды кең қолданбай мүмкін болмайды. Лазерлі жүйелер оптикалық толқындар диапазонында болады. Егер беріліс кезінде кабельдерде жиіліктер қолданса, онда ол мегагерцтер, ал толқын жолда – гигагерцтер, сонымен лазерлі жүйеде көрінетін оптикалық толқын диапазонының инфрақызыл спектрі қолданылады (ОУ – жүздеген гигагерцтер).

Талшықты-оптикалық  жүйелер байланысының бағыттағыш жүйесі, олар диэлектрлік толқын жолдар. Ертеректе, ең бірінші жарық жолы алынғанда, оның өшуі 1000 дБ/км қатарын құраған, бұл талшықтағы әртүрлі қоспаның жоғалуымен түсіндірілген.

1970 жылы өшуі 20дБ/км құрайтын талшықта жарық  жолдары пайда болды.  Бұл жарық  жолының жүрекшесі титан қосылған кварцтан шағылысу коэффициентін ұлғаю үшін жасалған, ал қабығы үшін таза кварц қолданған.

1974 жылы өшу процесі  4дБ/км-ге дейін төмендеп, ал 1979 жылы 0,2 дБ/км-ге тең болатын өшуі  бар жарық жолдары 1,55 км толқын  ұзындығында пайда болды.

Сонымен ТОБЖ кәдімгі кабельді желілерден салыстырғанда, артықшылығы  мынандай:

- жоғарғы бөгетке тұрақты,  орнықты, жеке бөгеттер қыилысында  электромагнитті өрісте, сезімталдығы  болмайды;

-   өте үлкен кең  жолағы бар;

- массасы аз, габаритті  өлшемдері де аз (бұл құнын төмндетіп, оптикалық кабельді төсеу уақытын қысқартады);

- байланыс жүйесінің кірісі  мен шығысы арасында толық  электрлік изоляция, сондықтан қабылдағышпен  предатчикке жалпы жерлендіру  керек емес. Мұнда қондырғыны  өшірмей-ақ оптикалық кабельді жөндеу жүргізе беруге болады.

-  қысқа тұйықталудан  қорықпай, қауіпті зоналарда қыилыстыру  үшін жарық жолдарын қолдана  білу;

-   потенциалдлы төмеңгі  құнды.

Дегенмен талшықта жарық жүргізгіштер таза ультра шыныдан  жасалғанмен, массалы түрде өндіргенде олардың құны аз емес. Бұдан басқа жарық жолдарын өндіру кезінде мынадай қымбат мыс, қорғасын (қорлары жерде шектелген) металлдар қолданылмайды.

Мен бұл тақырыпқа  дипломдық жоба жазу себебім, автоматтандыру арқылы  талшықты-оптикалық беріліс жүйесі қазіргі кезде ең актуальды тақырыптардың бірі және бұл тәсілден кеіін өте жоғарғы орнықтылықты, төзімділікті автоматика, микроэлектроника, оптоэлектроника көмегімен байланыс жүйесіне көптеген жаңалықтар енеді дегенге сенгім келеді.

 

 

1 НЕГІЗГІ БӨЛІМ

 

1.1 Қалалық  телефон  желісінде электрондық талшықты-оптикалық беріліс жүйесін тұрғызудың ерекшеліктері

 

Байланыс желісінің қосатын тораптарының ерекшелігі – ол желілерді аудандастырудың тереңдігінің ұзындығына байланысы.

Талшықты-оптикалық беріліс  жүйесінің регенерационды пункттерінің арасы оларды регенераторлардан бас тартып, желі канализациясының құдықтарында жұмыс істеуге мүмкіндік тұғызбайды.

 

 

  Негізгі ТОБЖ-да беріліс түрі келесі 1.2 суретте көрсетеміз.

         Мұнда жарықты сәулелендірудің беретін жағында ТОБЖ ретінде жарық диоды немесе жартылай өткізгішті лазер қолданады, оған байланыс желісіне беріліс үшін электрлі сигнал келіп түседі. Осы сигнал жарық көзін оптикалық сәулеленуді модульдейді, нәтижесінде электрлік сигнал оптикалыққа түрленеді.

Қабылдағыш жағында оптикалық талшықтың сигналы фотодетекторға түседі. Қазіргі кезде жоғарылатын ТОБЖ-да фотодетектор ретінде р-і-n немесе құламалы фотодиод қолданылады.

Фотодетектор өзіне  құлайтын оптикалық сәулені алғашқы  электрлік сигналға түрлендіреді. Сосын электрлік сигнал күшейткішке (генератор) келіп түседі да хабарды алатын құрылғыға жібереді.

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1.2  ТОБЖ-ға ақпарат берілісінің принциптері

 

ТОБЖ-ны таратқан кезде элементті таңдау, оның желілі трактісі сандық сигнал символдары жылдамдығына байланысты. Сандық сигналдары біріктірудің қойылған ережелері бар, және электрбайланыс сандық сигналдары бірігуінің уақытша иерархиясы анықталған. Демек, әр сатысында белгілі сандық сигнал сандары анықталады. Олар символдар берілісінің бірдей жылдамдығын береді. Ол алдыңғы сатыларға сәйкес иерархия беріліс жылдамдығының стандарты қойылған. Бірінші саты – 20 арна, екінші – 8448 МБит/с (120 арна), үшінші – 34368 МБит/с (480 арна), төртінші – 139264 МБит/с (1920 арна). Осы келтірілген жылдамдықтарға сәйкес бірінші, екінші, үшінші, төртінші электр байланысының сандық топтары туралы айтуға болады (осындай тәртіппен ИКМ жүйелерінің аталуы берілген).

Осындай сигналдарда  біріктіретін аппаратуралар сандық сигналдарды уақытша біріктіру  аппаратурасы деп аталады. Аппаратураның шығысында сандық сигнал скремблермен өңделеді, демек құрылымы бойынша символдар берілісі өзгеріссіз болады (сурет 1.3).

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1.3.  ТОБЖ-ның құрылымдық схемасы

 

Әр иерархиялық жылдамдықта  өзінің код қиылысуы болады. Мысалы, екінші код үшін НДВ-3, ал төртінші –  код СМІ және т.б. Бинарлы сигналды түрлендіретін операция уақытша  біріктіру аппаратурасына қиылысу  кодына келіп түседі, оны қиылысу кодының түлендіргіші орындайды. Қиылысу коды оптикалық желілі тракттегі кодтан айырмасы бар.

Қиылысу кодында түрлену  операциясы ТОБЖ сандық кодына түрленеді, оның шығысында сандық электрлік сигнал түрленеді, ол беретін оптикалық модульдің сәулелену тоғы. Сонымен ТОБЖ стандартты ИКМ жүйелері барысында тұрғызылады.

 

1.2  ТОБЖ-да сызықты кодтар

 

Оптикалық беріліс жүйесінің  кодын таңдау күрделі да маңызды  мәселе. Кодты таңдауға біріншіден, модуляция сипаттаманың сызықты  емес болуы, лазердің оптикалық қуаты  шағылысуының температуралық тәуелділігі  әсер етеді. Ол екі деңгейлі кодтарды қолдануға алып келеді.

Екіншіден, энергетикалық  спектр түрі, ол төмеңгі жиілікті (ТЖ) және жоғарғы жиілікті (ЖЖ) компоненттердің  аз тұтынуы. Энергетикалық спектр үздіксіз және дискретті бөлімнен тұрады. Энергетикалық  спектрдің үздіксіз бөлігі сандық сигналдың код түрі мен ақпараттың сигналына қатысты болады.

Сандық сигнал фотоқабылдағыштың  айнымалы тоқ күшейткішінде бұрмаланбауы үшін мейлінше энергетикалық спектрдің  үздіксіз бөлігінің төмеңгі жиілікті құрастырушыларын алу керек.

Қазіргі кездегі ТОБЖ қалалық байланыс желісі үшін ИКМ-120-4/5 және ИКМ-480-5 сызықты код ретінде сапалы беріліс үшін СМІ кодын қолданады.

Берілген кодтың ерекшелігі кодтардың қарапайымдылығында, берілген фазның тект жиілігі мүмкіндігін  жолақты фильтр көмегімен жасауы. Код НДВ-3 коды негізінде тұрғызылады (сурет 1.5). мұнда +1 символы 11 код сөзіне түрленеді, символ 1 – 00 код көзіне, 0 – 01-ге ауысады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1.5 СМІ және НДВ-3 кодтарын тұрғызу приниптері

 

 

1.3  ТОБЖ-ның сәулелену көздері

 

ТОБЖ сәулелену көздері үлкен шығатын қуатымен болуы керек және әртүрлі жарық модуляциясын жіберуге мүмкіндігі бар, үлкен қызмет атқару мерзімі, кішкене габаритті және аз құны болуы керек.

ТОБЖ үшін қатты денелер  лазерлерге лайық, оларды активті материалдар алюминийді, гранат, активтелген иондармен ниодимдермен оптикалық күшімен болады, мұнда негізгі лазерлі ауысым 1,064 мкм толқын ұзындықты шағылысады.

Барлық ТОБЖ өте кең түрде  қолдануға арналған, оларды сәулелену  көзі болып, жартылай өткізгішті жарық  сәулесіндегі диодтар мен лазерлер қолданылады.

 

ТОБЖ детекторлары.

ТОБД детекторының функциясы  оптикалық сигналдың шығысын  түрлендіруге алып келеді, сосын фотоқабылдағыш схемасынан өңдеуге және күшейтуге болады. Осы мақсат үшін арналған фотодетектор қабылданатын оптикалық сигналдың қосымша шуылсыз қабылданатын түрін келтіреді. Ол керекті кең жолағын, динамикалық диапазонын, және сезімталдығын керек етеді. Одан басқа, фотодетекторда аз өлшем бар, және қызмет мерзімі үлкен, және ішкі орта параметрлерін өзгертуге сезімтал емес.

Осы күні кездесетін фотодетекторлар  осы айтқан талаптардың бәріне қанағаттандырмайды. Олардың ішіндегі ТОБЖ-да көп қолданылатын жартылай өткізгішті р-і-п фотодиодтары мен құламалы фотодиодтар. Олардың өлшемі кішкентай, және талшықты жарық жолдарымен жақсы бірігеді.

Құламалы фотодиодтардың ерекшелігі, олардың жоғарғы сезімталдығы, олар әлсіз оптикалық сигналды детекторларды  қолдануға мүмкіндік тұғызады.

Бірақ, құламалы фотодиодты қолдану кезінде қоректену көзінің  кернеуінде қатты тұрақтану керек, және фотодиодтың құламалы сезімталдығы кернеу мен температураға қатты байланысты.

Сонда да құламалы фотодиодтар  көптеген ТОБЖ қатарында, сол сияқты ИКМ-120/5, ИКМ-480/5 жүйелерінде қолданылады.

 

1.4  ТОБЖ-да оптикалық кабельдер

 

Оптикалық кабельдер  оптикалық диапазон электромагнитті тербелістернде ақпаратты беру үшін арналған. Қазіргі кезде толқын ұзындығының диапазоны 0,8 ден 16 мкм-ға тең, ол жақын инфрақызыл толқындарына (оптикалық диапазонының) сәйкес келеді.

Жарықтың әр жарық  жолмен берілуі, екі режиммен жүзеге асырылуы мүмкін: бір модалы, көп модалы.

        (1.1)

 

мұндағы:

λ – беретін сәулеленудің толқын ұзындығы;

n1 және n2 – жарық жолы материалының шағылысу коэффициенттері.

Егер (1.1) теңсіздігі қанағаттынбаса, онда жарық жолда көп модалы режим қойылады. Демек, модалы режим түрі жарық жолы сипаттамасыны қатысты.

Әр моданың фазалы және топты жылдамдығы жарық жолда  жиілікке қатысты, демек жарық жол  дисперсті жүйе болып табылады. Осымен байланысты пайда болған толқын жолда  дисперсия жіберілетін сигналдың бұрмалануының себебінің бірі болады.

Әр модада тоқ жылдамдық  айырмасы көп модалы режимде модалы дисперсия деп аталады.

Бір модалы режимде модалы дисперсия болмайды, және сигнал көп  модалыға қарағанда, аз бұрмаланады, бірақ  көп модалы жарық жолға үлкен қуатты енгізуге болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 1.5. Сатылы, градиентті оптикалық талшықтардың шағылысу көрсеткіштері

 

Бүгінгі кезде өндіріс  орындары 4 және 8 талшығы бар оптикалық  кабельдерді шығаруды ОК-8 конструкциясы 2.6 - суретте көрсетілген. Оптикалық талшық 1 (көп модалы, сатылы) полимерлі құбырда 2 еркін орналасады.

Оптикалық талшық оралымы  – концентрлік. 3 - ортадағы күшті  элемент, жоғары төзімділікті полимерлі  жіп, пластмассалы құбыр 4. Сыртында 5 –  полиэтиленді таспа, 6 – қабық. ОК-4 кабелінің осындай өлшемі конструкциясы бар. Бірақ төрт ОТ онда пластмассаны стерженьмен ауыстырылған.