7. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах

Линии АТС

7. Физические процессы в линиях связи на оптических волокнах

7.1. Дисперсия и пропускная способность световодов

Наряду с затуханием  важнейшим параметром волоконно-оптических систем переедачи является полоса частот  , пропускаемая световодом . Она определяет объём   информации, который можно передавать по оптическому кабелю. Ограничение  применительно к цифровым  системам передачи обусловлено тем, что принятый импульс  размывается. Это искажение прежде всего объясняется  различной скоростью распространения в световоде  отдельных составляющих светового импульса. Данное явление носит название дисперсии  .  Полоса частот связана с дисперсией  соотношением .      (1)

Дисперсия возникает из-за:

  1. Некогерентности источника излучения; (Когерентность бывает временная и пространственная- проясняю: генерируется несколько различных типов волн и волн разных частот)
  2. Сушествования большого количества мод излучения.

Дисперсия вызванная первой причиной называется хроматической (частотной)  , она состоит из двух составляющих - волноводной (внутримодовой)  и материальной .  Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Дисперсия вызванная второй причиной, называется модовой (или межмодовой)  дисперсией. Она обусловлена наличием различных мод, каждая из которых распространяется по своему пути, и следовательно, с различной скоростью.

Дисперсия приводит к уширению импульсов, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяется как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечении световода. Результирующая дисперсия рассчитывается по формуле

.  (2)

Различные виды дисперсии проявляются по разному в различных видах волоконных световодов.

В ступенчатых многомодовых волоконных световодах  , поэтому уширение импульса практически определяется модовой дисперсией.

,     (3)

где n1 - показатель преломления сердцевины;

      с - скорость света;

      NA - апертура ОВ, равная обычно 0.14.

В реальных волоконных световодах этого типа  нс/км.

Градиентные многомодовые оптические волокна с параболическим профилем показателя преломления по сечению сердцевины имеют:

- модовую дисперсию (имеет порядок 50пс/км)

;(4)

- материальную дисперсию

,(5)

где  - ширина спектра излучения источника;

 - удельная дисперсия материала.

На Рис. 1 представлена удельная дисперсия для кварцевого стекла.

    

Рис.1. Зависимость М() для кварцевого стекла

Модовая и материальная дисперсия для градиентного многомодового волокна имеют один порядок и потому результирующая дисперсия будет

.   (6)

Сравнение модовой дисперсии ступенчатого волокна и градиентного показывает, что в любом случае результирующая дисперсия градиентного волокна во много раз меньше, чем ступенчатого.

В одномодовых оптических волокнах модовая дисперсия отсутствует и её результирующее значение определяется только хроматической дисперсией. В диапазоне длин волн 1.33 - 1.6 мкм хроматическая дисперсия достигает очень небольших значений .

Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими  характеристиками обладают одномодовые световоды. Хорошими показателями обладают градиентные световоды с параболическим изменением показателя преломления. Наиболее сильно проявляется дисперсия у многомодовых ступенчатых световодов.

Таким образом полоса пропускания для оптических кабелей с лазерными источниками составляет:

  • для ступенчатых световодов - 30 МГц/км;
  • для градиентных световодов - 100250 МГц/км;
  • для одномодовых световодов - 0.51ГГц.

Полоса частот  и дальность передачи l взаимосвязаны:

.     (7)

Однако, для световодов с хорошими дисперсионными характеристиками (градиентных и одномодовых)дальность может ограничиваться затуханием.

7.2. Особенности передачи  импульсных сигналов по оптическим кабелям

Когерентность источников излучения, используемых в системах передачи информации по оптическим кабелям, относительно невысока, так как, их спектр значительно щире спектра информационных сигналов. Полупроводниковый лазер - Гц; светоизлучающий диод - . Спектр информационных импульсных сигналов - Гц. Следовательно АЧХ световода в рабочем диапазоне частот можно считать с высокой точностью постоянной. Однако наличие дисперсионных искажений приводит к изменению формы импульса, который уширяется на величину  и принимает форму при достаточно большой длине регенерационного участка форму, близкую к гауссовой.

Принципиальная особенность оптического диапазона состоит в том, что наличие шумов в этом диапазоне не может быть меньше уровня определенного дробовыми шумами. Дробовые шумы или квантовые шумы объясняются дискретной природой света, а именно, случайным характером регистрации моментов прихода квантов. (Напоминает результат падения дроби на поднос). Таким образом чем больше мощность сигнала, тем больше уровень шума, т.е. в отличие от радиодиапазона отношение сигнал/шум состоит не в прямо-пропорциональной зависимости. В силу последнего передача сигналов по оптиковолоконным каналам в аналоговом виде (решается задача идентификации) с высоким качеством задача затруднительная.(Возможно только при очень сильном сигнале) Однако при передаче цифровых сигналов, где решается задача обнаружения, влияние дробовых шумов уже не столь существеено и поэтому в реальных системах в основном применяются цифровые системы.

7.3. Определение длины регенерационных  участков цифровых систем передачи

По мере распространения оптического сигнала по линии происходит снижение уровня мощности и увеличения дисперсии его составляющих во времени. Таким образом, длина регенерационного участка  ограничивается либо ослаблением, либо уширением импульсов в линии.

Первое расчетное соотношение можно получить, если потребовать превышение мощности полезного сигнала минимальной допустимой мощности  при которой обеспечивается необходимая достоверность передачи сигнала. Т. е. 

 ,  (8)

где  - уровень мощности генератора излучения (дБ);

   - потери при вводе и выводе лазерного излучения в волокно (дБ);

    - потери соответственно в разъёмных и неразъёмных соединениях (дБ);

    - коэффициент затухания оптического волокна (дБ/км);

 - строительная длина волоконно-оптического кабеля.

Соотношение (8) позволяет вычислить длину регенерационного участка при условии обеспечения допустимого ослабления

.    (9)

Для безискаженного приема ИКМ в условиях дисперсии достаточно выполнить требование

,  (10)

где  - тактовая частота линейного сигнала;

 - длительность импульса.

Отсюда длина регенерационного участка

.      (11)

Длина регенерационного участка выбирается из условия одновременного выполнения соотношений (61.9) и (61.11). При этом может оказаться, что одно из этих неравенств выполняется с запасом. Тогда возможно ослабление требований на аппаратуру или кабель соответственно по одному или другому параметрам, что возможно удешевит тем самым систему связи.

Предельные значения потерь лучших образцов оптического кабеля, выпускаемых промышленностью:

  • неразьёмные соединения - 0.1...0.2 дБ;
  • разъёмные соединения - 1...2 дБ;
  • потери при выводе излучения из волокна - 2...3 дБ;
  • потери при вводе света в волокно - 14..18 дБ (светодиоды);
  • потери при вводе света в волокно - 5..10 дБ (лазерные диоды).

7.4. Типы и маркировка оптических кабелей 

Российские предприятия освоили и серийно выпускают следующие оптические кабели:

станционные кабели

ОН;

городские оптические кабели:

ОК - работающие в первом оптическом окне (ОП);

ОКК - работающие во втором оптическом окне;

сельские оптические кабели:

ОКСТС - работающие во втором ОП;

зоновые оптические кабели:

ОЗКГ и ОКЗ для работы во втором ОП;

магистральные оптические кабели:

ОГВКГ - работающие во втором ОП;

ОКЛ - работающие в третьем ОП;

Все линейные кабели выпускают строительной длиной - 2км. Все станционные - 100 м.

   Дополнительные буквы в названии:

О - наличие металлической оплетки или полиэтиленовой защитной оболочки;

С - наличие броневого повива из стеклопластиковых стержней;

АК - алюминиевая сварная оболочка и броневой повив из *стальных проволок.

Две первые цифры - диаметр сердечника (50 мкм - многомодовое;  10 мкм - одномодовое волокно).

Последующие две цифры - номер модификации кабеля.

Индексные буквы в обозначении кабеля:

т - трос;

м - морозостойкий.

Пример:   ОКСТСПтм 50-02;   ОККАК-50-01.

Однако выпускаются кабели с отличиями в маркировке:

для зоновых цепей:

      ОЗКГ-1  - 4-ех и 8 - и  волоконный;

      ОКЗК-1;  ОКЗБ-1;  ит.д.

для магистральных цепей:

      ОКЛ-1;   ОКЛБ-1;  ОКЛАК-6  и др.

самонесущие кабели:

      ОКС-3;  ОКС-7;    ОКС-9  и др.

Оптические кабели зарубежного производства.

Фирмы выпускающие оптические кабели за рубежом не имеют единой маркировки. Каждая фирма даже в пределах одной страны маркирует ОК по своему.

Ведущие фирмы выпускающие ОК:

ATT,  General Cable Company  (США);

NOKIA  (Финляндия);

HOUMA  (Китай);

Cables de communicaciones SA (Испания);

SAMSUNG  (Южная Корея);

SEL  (Германия);

SET,   Les ceble de Lyon  (Франция);

Dlex Cables   (Австралия);

NTT (Япония);

VOLROLL  ISOLA  (Швеция)

SIMENS (Германия) и другие.

Линии АТС






© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.