Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Казахская академия транспорта и коммуникаций

имени М.Тынышпаева

Специальность: 050719 - "Радиотехника, электроника и телекоммникации"

Дипломная работа

Анализ методов повышения эффективности использования волоконно-оптических кабелей на ж.д. транспорте

Серикпай А.О.

Алматы 2011

Содержание

• Введение
• 1. Современное состояние производства волоконно-оптических систем связи
• 1.1 Предпосылки появления волоконно-оптического кабеля
• 1.2 Оптические кабели, их конструкции и свойства
• 1.2.1 Преимущества и недостатки оптических световодов
• 1.2.2 Защита световодов (кабелей) от коррозии
• 1.2.3 Срок службы источников света
• 1.2.4 Какой источник света предпочтительнее
• 1.2.5 Преобразование света в электрический ток
• 1.2.6 Классификация волоконно-оптических кабелей
• 1.2.7 Основные характеристики типовых кабелей
• 1.2.8 Помехи
• 1.2.9 Длина оптической линии
• 1.2.10 Сращивание отдельных участков кабелей
• 1.2.11 Новейшие электронные компоненты систем оптической связи
• 1.3 Обзор литературы по данной теме дипломной работы
• 1.4 Обоснование постановки задачи
• 2. Сравнительный анализ характеристик волоконно-оптических систем связи
• 2.1 Построение схемы для организации связи
• 2.2 Выбор системы передачи и её характеристика

2.2.1 Высокорентабельная платформа

• 2.3 Выбор типа оптического волокна
• 2.4 Выбор типа оптического кабеля
• Выводы по 2 главе
• 3. Методы улучшения качества передачи информации по волоконно-оптическим системам связи
• 3.1 Прокладка оптического кабеля на опорах ЭЖД (электрофицированной железной дороги)
• 3.1.1 Методика независимого подвеса
• 3.1.2 Этапы инсталляционных работ
• 3.1.3 Кабельная арматура
• 3.1.4 Виброгасители
• 3.1.5 Ролики
• 3.1.6 Подвес линейных муфт ВОК. Выкладка эксплуатационного запаса в местах сращивания строительных длин
• 3.1.7 Некоторые особенности технической эксплуатации подвесных ВОЛС
• 3.2 Перспективы волоконно-оптического кабеля
• 3.3 Монтаж ВОЛС
• 3.3.1 Подготовка оптического волокна к сращиванию
• 3.3.2 Сварка оптических волокон
• 3.3.3 Коммутационно-распределительные устройства. Муфты
• 3.3.4 Ввод оптического кабеля в здания и сооружения связи
• 3.3.5 Ввод оптического кабеля в здание Жетыгенской дистанции сигнализации и связи
• 3.3.6 Выбор типа и монтаж оптического кросса
• 3.3.7 Измерения при строительстве волоконно-оптической линии связи
• Выводы по 3 главе
• 4. Сравнительные характеристики параметров волоконно-оптических линий связи
• 4.1 Расчет проектной длины регенерационного участка, полной длины оптического линейного тракта и определение его структуры
• 4.2 Определение суммарных потерь в оптическом тракте
• 4.3 Расчет полного запаса мощности системы
• 4.4 Расчет энергетического запаса
• 4.5 Определение отношения сигнал/шум или вероятности ошибки на данном участке
• 4.6 Определение уровня передачи мощности оптического излучения на выходе передающего оптического модуля (ПОМ)
• 4.7 Определение уровня МДМ (порога чувствительности приемного оптического модуля - ПРОМ)
• 4.8 Определение быстродействия системы
• 4.9 Расчет надежности системы
• Выводы по 4 главе
• 5. Охрана труда и экологическая безопасность при организации кабельных линий связи
• 5.1 Техника безопасности при техобслуживании ВОЛС
• 5.2 Техника безопасности при монтажных работах ВОЛС
• 5.3 Мероприятия по пожарной безопасности
• 5.4 Расчёт коэффициентов условий труда работников Кокшетауской дистанции сигнализации и связи
• Выводы по 5 главе
• 6. Экономическое обоснование эффективности внедрения волоконно-оптических систем связи на участке телекоммуникационной сети
• 6.1 Расчеты капитальных вложений на строительство ВОЛС
• 6.2 Расчеты годовых эксплуатационных расходов
• 6.3 Расчет доходов от основной деятельности
• 6.4 Расчет срока окупаемости
• Выводы по 6 главе
• Выводы и заключения
• Список использованной литературы
• Приложения

Введение

Мир телекоммуникаций и передачи данных сталкивается с динамично растущим спросом на частотные ресурсы. Эта тенденция в основном связана с увеличением числа пользователей Internet и также с растущим взаимодействием международных операторов и увеличением объемов передаваемой информации. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается. Поэтому поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации.

Широкомасштабное использование волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) началось примерно 40 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли. В межрегиональном масштабе следует выделить строительство волоконно-оптических сетей синхронной цифровой иерархии (SDH). Интерес к SDH обусловлен тем, что эта технология пришла на смену импульсно-кодовой модуляции PCM (ИКМ) и плезиохронной цифровой иерархии PDH (ПЦИ) и стала интенсивно внедряться в результате массовой установки современных зарубежных цифровых АТС, позволяющих оперировать потоками 2 Мбит/с, и создания в регионах локальных колец SDH.

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ) обладает существенными преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений, позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических и радиорелейных линий передачи (ВОЛП и РРЛП) и создавать гибкие, удобные для эксплуатации и управления сети, гарантируя высокое качество связи. Таким образом, концепция SDH позволяет оптимально сочетать процессы высококачественной передачи цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Системы СЦИ обеспечивают скорости передачи от 155 Мбит/с и выше и могут транспортировать как сигналы существующих цифровых систем (например, распространённых на городских сетях ИКМ-30), так и новых перспективных служб, в том числе широкополосных. Аппаратура СЦИ является программно управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, оперативного переключения, контроля, управления.

Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей (ВОК) оказались возможными высокие скорости передачи в линейных трактах (ЛТ) цифровых систем передачи с одновременным удлинением секций регенерации до 100 км и более. Производительность таких ЛТ превышает производительность цифровых трактов на кабелях с металлическими парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает их экономическую эффективность. Большинство регенераторов оказывается возможным совместить с оконечными или транзитными станциями. Из этого следует, что СЦИ - это не просто новые системы передачи, это и принципиальные изменения в сетевой архитектуре, организации управления. Внедрение СЦИ представляет собой качественно новый этап развития цифровой сети связи.

Стремительно входят в нашу жизнь волоконно-оптические интерфейсы в локальных и региональных сетях Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM.

В настоящее время по всему миру поставщики услуг связи прокладывают за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в тоннелях и коллекторах. Множество компаний, в том числе крупнейшие: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Alcoa Fujikura, Siemens, Pirelli ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий. К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию сверхплотного волнового мультиплексирования по длине волны DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей.

Область возможных применений ВОЛС весьма широка - от линии городской и сельской связи и бортовых комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы принципиально новые системы передачи информации. На базе ВОЛС развивается единая интегральная сеть многоцелевого назначения. Весьма перспективно применение волоконно-оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.

Многоканальные ВОСП широко используются на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это тем, что по одному ОВ может одновременно распространяться много информационных сигналов на разных длинах волн, т.е. по оптическим кабелям (ОК) можно передавать очень большой объем информации. Особенно эффективны и экономичны подводные оптические магистрали.

В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) цифровые системы передачи нашли самое широкое распространение как наиболее приемлемые по своим физическим принципам для передачи.

На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного допуска. Одним словом на сегодняшний день ВОК удовлетворяет потребности рынка.

Актуальность этой работы в наше время велика и имеет большое значение для организации перевозок на железнодорожном транспорте. Волоконно-оптический кабель применяется на железнодорожном транспорте не так давно. Используемый кабель принадлежит АО "Транстелеком", железная дорогая всего лишь арендует каналы на этом кабеле. Поскольку арендная сумма велика, в данной дипломной работе решено показать насколько будет выгодно монтаж собственного волоконно-оптического кабеля и его эксплуатация. Для этого примера взяли новый участок железной дорогой протяженностью 292 км от станции Жетыген до станции Коргас. На данном участке применили эффективную аппаратуру для волоконно-оптического кабеля, с целью уменьшения затрат. Это и определяет цель и новизну данной дипломной работы.

Целью дипломной работы является исследование повышения эффективности волоконно-оптического кабеля на железнодорожном транспорте.

Задачами дипломной работы являются:

- исследование современное состояние производства волоконно-оптических систем, с рассмотрением вопроса применения самой эффективной системы для железнодорожного транспорта.

- анализ характеристик выбранной аппаратуры.

- исследование методов улучшения качества передачи по волоконно-оптическим кабелям;

- изучение характеристик монтируемой аппаратуры.

- разработка перспективной схемы организации связи на железнодорожном участке Жетыген-Коргас.

В данной дипломной работе рассмотрим возможность повышения эффективности волоконно-оптического кабеля на железнодорожном участке Жетыген-Коргас. Как известно железная дорога обеспечивает безопасные перевозки груза-багажа и пассажиров. Для обеспечения безопасности движения поездов нужна надежная связь. Для обеспечения связи на железнодорожном транспорте сейчас используется современные технологии, в том числе высококачественная аппаратура для обеспечения связи. В данной дипломной работе рассматриваем улучшения передачи данных на волоконно-оптической линии связи которая обеспечивает оперативную связь на железнодородном транспорте. И рассмотрим вопросы создания сети которая будет работать на основе волоконно-оптического кабеля, и отвечать всем требованиям современной телекоммуникации.

1. Современное состояние производства волоконно-оптических систем связи

1.1 Предпосылки появления волоконно-оптического кабеля

Человек издавна использовал свет в качестве источника сигналов, например маяки, костры и тому подобное. Еще в те далекие времена он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз).

Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс - демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике [1].

Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи. Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду. В отличие от глаза, современные оптические системы используют в качестве световых приемников технические устройства - фотоэлементы или фотодиоды, позволяющие отслеживать значительные частоты колебаний [2].

1.2 Оптические кабели, их конструкции и свойства

1.2.1 Преимущества и недостатки оптических световодов

Одиночная двухпроводная цепь, одиночная коаксиальная пара являются в электрической технике связи редким явлением. Как правило, электрический кабель состоит из нескольких пар. Общая броня защищает их от окружающего влияния различного рода - повреждения грызунами, влажности и механических воздействий.

Световод, так же как и электрический проводник, помимо применения в качестве одиночного проводника света включается в состав оптического кабеля, и к нему предъявляются требования, аналогичные требованиям, предъявляемым к электрическим кабелям.

Однако электрические проводники и световоды настолько сильно различаются, что было бы удивительно, если бы электрические и оптические кабели не отличались между собой по конструкции, способам монтажа, прокладки и эксплуатации. Вместе с тем имеется многолетний опыт механической защиты тонких проводников (медные провода толщиной в десятые доли миллиметра используются достаточно широко), который может быть использован для защиты чувствительных стеклянных волокон [2].

Когда речь идет о различии между световодами и медными проводниками, необходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не называлось: абсолютная нечувствительность световода по отношению к помехам от электрического и магнитного полей. Здесь можно было бы сказать, что экранирование электрических кабелей для защиты их от внешних электромагнитных помех абсолютно излишне в оптических кабелях.

Основную роль играет, конечно, сам материал - стекло, которое выступает теперь в качестве заменителя ценного цветного металла - меди. Этот материал-заменитель обусловливает большой экономический выигрыш. Запасы меди в мире постоянно истощаются, а цены растут. По некоторым прогнозам еще на исходе столетия месторождения на суше, известные сегодня, будут исчерпаны. Основной материал для стеклянных оптических волокон - кварцевый песок - имеется в больших количествах. В технике связи несколько килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой очистки, если за основу принять одинаковую пропускную способность кабеля.

Из этого соотношения следует еще одно преимущество: оптические кабели легче электрических. Это особенно заметно в кабелях с высокой пропускной способностью - из-за малого диаметра световода. Ясно, что оба эти свойства являются, непосредственным преимуществом во многих областях применения.

Наконец, необходимо указать на фактор гальванической развязки передатчика и приемника. В оптической системе они электрически полностью изолированы друг от друга, и многие проблемы, связанные с заземлением и снятием потенциалов, которые до сих пор возникали при соединении электрических кабелей, теряют силу.

Наряду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать другие, по которым оптические волокна уступают меди и которые должен учитывать конструктор кабелей.

Это, прежде всего чувствительность незащищенного волокна к водяному пару. Это критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также обнаружено и противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой толщиной несколько микронметров непосредственно в процессе вытягивания волокна.

Эта защитная оболочка, в основном состоящая из полимера, полностью защищает световод. Она повышает также механическую прочность световода и его упругость. Кроме того, обеспечивается постоянство параметров при неблагоприятных окружающих условиях; без защитной оболочки они снижаются уже через несколько часов или дней. [1]

Механический предел прочности при разрыве для волокна довольно высок и соответствует прочности стали. Однако стекло хрупко, изгибы с малым радиусом волокно не выдерживает и ломается. Но и этот недостаток относителен: стекловолокно, снабженное упомянутым тонким защитным слоем, вполне можно обмотать вокруг пальца, а некоторые сорта - даже вокруг тонкого карандаша. Учитывая это типичное свойство стекла, необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случаях, когда несколько световодов объединяются в одном кабеле, который в дальнейшем будет изгибаться и скручиваться. Это случается при намотке на барабан и при укладке. Конструкция кабеля должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки световода. Но опасны не только разрушение волокна, но и микроизгибы. Они возникают, когда светопроводящие волокна лежат на шероховатой поверхности в условиях приложения растягивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери. Это явление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопроводящему волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводится видимый свет, например от He-Ne лазера. Весь барабан при этом излучает яркий красный свет, что указывает на световые потери, вызванные микроизгибами.

Чтобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован ряд решений. Отдельные проводники свободно укладываются в поперечном сечении кабеля; в процессе изготовления кабеля следят за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель.

При колебаниях окружающей температуры от конструкции кабеля существенно зависят механические силы, которые действуют на световод. Единственным слабым местом, кажется, является оболочка волокон со ступенчатым показателем преломления. Ее показатель преломления, который лишь ненамного меньше показателя преломления сердечника, может в неблагоприятных случаях увеличиться при низких температурах, чем будут нарушены условия полного внутреннего отражения и соответственно появятся дополнительные потери на излучение.

1.2.2 Защита световодов (кабелей) от коррозии

Для обеспечения устойчивой связи и сохранности оптического волокна разработано множество конструкций оптических кабелей. Можно условно разделить эти конструкции по наличию в кабеле металлических элементов, выполняющих защитные и (или) силовые функции и оптические кабели, выполненные целиком из диэлектрических материалов и рассмотреть поведение этих групп кабелей во время эксплуатации [2].

Для механической защиты кабелей, прокладываемых непосредственно в грунт, в конструкцию кабелей закладывают металлические элементы, расположенные под защитной оболочкой: стальную ленточную и проволочную броню, центральный силовой элемент, которые в процессе эксплуатации подвергаются коррозии. В разных регионах, в зависимости от климатических условий, типов грунтов, а так же наличия блуждающих токов, скорость коррозии металлических элементов кабелей разная. Электрическая коррозия возникает от прохождения по металлическим оболочкам кабелей блуждающих электрических токов, источниками которых могут быть рельсовые пути трамвайных и электрифицированных железных дорог, установки дистанционного питания и тому подобное. В электрических цепях трамвая и электрифицированных железных дорог в качестве обратного провода используются рельсовые пути и из-за значительного сопротивления рельсовых стыков, плохой изоляции их от земли, изменения направлений линий (путей) часть тока ответвляется в землю. При совпадении направления тока с проложенными в земле кабелями ток проникает в металлическую оболочку и проходит по ней до места ответвления к источникам (тяговым подстанциям). Место входа блуждающего тока в кабель называется катодной зоной, а место выхода - анодной. В анодной зоне ток уносит в землю мельчайшие частицы металла, разъедая оболочку.

Почвенная коррозия возникает при взаимодействии металла с окружающей средой (грунтом) и представляет собой электрохимическое разрушение металлических сооружений, вызванное действием почвы, грунта, почвенных и грунтовых вод и тому подобное. Содержание в грунте или почве минеральных солей, органических веществ, газов и влаги определяет их коррозионную активность. С повышением температуры скорость коррозии металла увеличивается [3].

Обычно для защиты от коррозии, прежде всего от электрокоррозии, прибегают к пассивным методам защиты, используют в конструкциях кабелей оцинкованные проволоки (трос). Для кабелей, проложенных в условиях химически агрессивных грунтов, помимо пассивной защиты (в том числе и протекторной) применяют активную (катодную защиту) металлических элементов кабелей. Даже при наличии правильно построенной системы активной защиты кабеля, процесс коррозии не останавливается, а только растягивается во времени.

При эксплуатации кабеля в условиях нейтральных почв и отсутствия заболачиваемости (песчаные грунты) коррозия металлических элементов под полимерной оболочкой продолжается. В любом полимерном покрытии присутствуют ионы Н+ и ОН-, которые непосредственно участвуют в развивающемся процессе коррозии. Полимерная оболочка не является препятствием для миграции ионов. После разрушения слоя протекторной защиты процесс коррозии ускоряется.

Глинистые, суглинистые, заболоченные почвы наиболее типичны для Казахстана имеют, как правило, РН<7, то есть выраженный кислотный характер. Коррозия в таких условиях эксплуатации происходит значительно быстрее. Результат такой эксплуатации полное разрушение металлических элементов кабеля, что делает невозможным любой ремонт при возникновении отказов. Отказы на таких линиях неизбежны, так как продукты коррозии от металлических элементов кабеля, увеличиваясь в объеме, передавливают оптические модули с волокном, что и приводит к росту затухания и потери сигнала [3].

Коррозии подвержены силовые элементы самонесущих и подвесных кабелей, выполненных из сталей. Прежде всего, это связано с остаточной влажностью полимеров, хоть это и доли процента у полимеров с гидрофобным эффектом, например полиэтилена, но этого достаточно для возникновения очагов коррозии. В виду большой протяженности кабелей связи, по длине в разных направлениях возникает градиент электрического потенциала, что способствует началу очаговой коррозии.

Радикальный выход из этого имеется, это оптические кабели связи без металлических элементов в конструкции, то есть полностью диэлектрические кабели. Помимо стойкости к коррозии, независимо от условий эксплуатации и химической агрессивности окружающей среды, что реально увеличивает срок эксплуатации, они обладают еще целым рядом преимуществ:

Прежде всего, малый удельный вес, который в 4 - 10 раз меньше удельного веса кабелей, защищенных круглой проволочной броней. Небольшой вес позволяет применять при строительстве волоконно-оптических лазерных сетей (ВОЛС) большие строительные длины с меньшими затратами. При укладке в грунт с применением защитных пластиковых труб, возможно инсталлировать строительные дины более 6км, что сокращает количество сращиваний на линии связи и повышает надежность в эксплуатации.

Инсталлированный в защитную полимерную трубу оптический кабель имеет лучшую защищенность. Стойкость к механическому воздействию пучнистых грунтов выше, чем у кабеля со стальной проволочной броней на 20 - 30% (по результатам сравнительных испытаний на ЗАО "Трансвок").

Вмораживание в лед они переносят значительно легче бронированного кабеля [2,4].

Кабель, проложенный в полимерной трубе можно, при необходимости, заменить или проложить рядом добавочный кабель без вскрытия грунта на трассе.

Скорость задувки кабеля в проложенные защитные полимерные трубы составляет до 80 м/мин.

Рост цен на Российский металл создал условия для сопоставления итоговой цены на бронированные кабели для грунта и кабели, предназначенные для задувки в защитные полимерные трубы.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве волоконно-оптические кабели (ВОК) являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

- монтажные

- станционные

- зоновые

- магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров [4].

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производят ВОК, содержащие небольшое число (до 8) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:

- конструкции со свободным перемещением элементов

- конструкции с жесткой связью между элементами.

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

1.2.3 Срок службы источников света

Одним из основных параметров оптических элементов передатчика является срок службы. Он ограничивается тем, что после определенного времени работы выходная световая мощность падает и в дальнейшем не выдерживается ее гарантированное для указанного времени значение даже за счет повышения тока в диоде.

Если оптический передатчик, например на узле связи, должен проработать без замены элементов 10 лет, то для него должен быть гарантирован срок службы около 100000 часов (считая продолжительность года равной приблизительно 10000 часов). Для светоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. Хотя для них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значения в несколько лет. К сожалению, для, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. Только в 1970г. в лаборатории появился первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны различные структуры и геометрии, приемлемые для конструирования и изготовления лазеров непрерывного излучения, работающих при комнатной температуре [4].

Понятно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после длительных испытаний большого числа готовых элементов. Чтобы уже сегодня получить какие-то суждения, применяют меры к сокращению времени измерений. При этом лазерные диоды заставляют работать в жестких условиях (как правило, при очень высоких температурах, 50-70 градусов Цельсия). На основании этого судят об ожидаемом сроке службы в нормальных условиях. При этих предположениях в конце 70-х годов многими изготовителями предсказывались ожидаемые сроки службы для лазеров 100000 часов, а в отдельных случаях - свыше 1 миллиона часов. И хотя эти цифры сегодня еще не проверены, все же существует гарантия наименьшего срока службы 10000 часов, и этим данным можно доверять [3,6].

Проблема срока службы лазеров сегодня еще не решена, но существуют оптимистические прогнозы.

Вероятно, через несколько лет можно будет отказаться от привычной в настоящее время оптической отрицательной обратной связи. Она применяется для того, чтобы скомпенсировать возникающее старение, влияние напряжения и температуры на отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.

1.2.4 Какой источник света предпочтительнее

В качестве источников света лазер и светоизлучающий диод стоят рядом. Ни для одного из них нельзя назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом отдельном случае зависит от области применения.

Существенным фактором, конечно, является цена. Для обоих типов источников с годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом отношении имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при высококачественной работе, столь необходимой для техники связи. Поэтому для систем местной связи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 Мбит/с и ниже), будут всегда применяться светоизлучающие диоды и в основном совместно со световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в пластмассовой оболочке). Таким образом можно ввести в волокно существенно большую часть излучаемого света [3].

Типичные параметры полупроводниковых источников света.

Второй важный параметр светопередатчика: ширина полосы модуляции. Светоизлучающие диоды прежде всего "медлительнее" лазеров. В зависимости от конструкции, имеющиеся сегодня в распоряжении типы, как правило, могут быть модулированы частотами 30 - 50 Мгц. Если же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со скоростью свыше 30 Мбит/с, то почти всегда применяется лазер ввиду его большой световой мощности. Для него граница модуляции лежит в пределах нескольких сотен мегагерц, а иногда выше 1 ГГц. Хотя светоизлучающий диод еще не достиг границ своих возможностей (в настоящее время уже имеются отдельные типы диодов, модулируемых со скоростью 150 Мбит/с; по прогнозам до 1 Гбит/с), все же лазер имеет преимущество в виде более высокой выходной мощности. Наконец, необходимо принять во внимание, что ширина передаваемой полосы частот ограничивается не только быстродействием самого излучающего диода. Здесь важным фактором являются также дисперсионные свойства световода. Помимо этого необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: большая ширина спектра излучения светоизлучающего диода в сочетании со световодом может привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Это свойство может играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии материала допускать в минимальных пределах.

В настоящее время появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Появление оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, способных усиливать проходящие по световоду сигналы на 30 dB, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи Япония-Сингапур-Индия-Саудовская Аравия-Египет-Италия.

1.2.5 Преобразование света в электрический ток

На конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию (передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).

Если бы человечество не обращались к технике электрической связи и с самого начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас, наверное, у нас была бы хорошо развитая техника, которая непосредственно преобразовывала бы световые сигналы в акустические или изображения. Возможно, через несколько лет подобные решения будут осуществлены. На сегодняшний день решения этой проблемы нет. Все существующие способы преобразования сигналов выполняются на основе электрических сигналов. Телевизионное изображение создается путем управления электронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов, акустический сигнал в телефонных трубках образуется за счет электрического тока [5,11].

На магистральных линиях было бы хорошо использовать усилитель света. К сожалению, такого у нас пока не имеется. Принцип усиления света (прежде всего это принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен, но еще не готов к техническому воплощению.

Таким образом, и в промежуточном усилителе остается задача преобразования и регенерации электрического сигнала (усиление или восстановление нужной формы импульса при двойных бинарных сигналах). Этот восстановленный электрический сигнал вторично используют для управления лазером или светоизлучающим диодом, который теперь излучает усиленный световой сигнал.

1.2.6 Классификация волоконно-оптических кабелей

В настоящее время у разных производителей, поставщиков и инсталляторов ВОК существует некоторая путаница в классификации типов волоконно-оптических кабелей. Среди многообразия попыток классифицировать ВОК заслуживает внимания классификация, основанная на опыте работы и здравом смысле, не содержащая англоязычных терминов и экзотических кабелей для локальных сетей типа трансатлантических.

Сам принцип деления волоконно-оптических кабелей по способам прокладки и назначению в случае применения в локальных сетях представляется неудачным.

Вот пример такой распространенной (Выбор и поставку волоконно-оптических кабелей для конкретного применения, как правило, мы осуществляем в индивидуальном порядке при заказе на монтажные работы. и при этом неудачной) классификации волоконно-оптических кабелей:

- кабели внешней прокладки (outdoor cables);

- кабели внутренней прокладки (indoor cables);

- кабели для шнуров.

По назначению оптические кабели делятся на линейные и внутриобъектные. Линейные, в свою очередь, подразделяются на:

- распределительные (оптическая сеть доступа);

- соединительные (соединительные линии МТС);

- междугородные (магистральные и зоновые ВОЛС).

Внутриобъектовые кабели делятся на абонентские и станционные. По условиям использования оптические кабели подразделяются на подвесные, подземные и подводные.

Подвесные кабели делятся на:

- самонесущие:

- волоконно оптические кабели со встроенным несущим тросом;

- волоконно оптические кабели, армированные кевларовыми нитями;

- волоконно оптические кабели, встроенные в грозозащитный трос;

- волоконно оптические кабели, встроенные в фазный провод;

- волоконно оптические кабели, которые наматываются на грозозащитный трос или фазный провод;

Подземные кабели подразделяются на:

- волоконно оптические кабели для прокладки непосредственно в грунт и в кабельную канализацию;

- волоконно оптические кабели, облегчённой конструкции для прокладки в защитных пластиковых трубках;

- волоконно оптические кабели, для прокладки в туннелях, шахтах

Помогает ли такая классификация оптических кабелей в выборе кабеля для непосредственного применения? Практически нет.

Вот пример реальной кабельной трассы на промышленном предприятии, где нужна прокладка оптоволокна: из центра коммутации здания А по внешней стене, затем проброс по воздушной линии до здания Б, по крыше, спуск в телефонную канализацию, затем по подвалу к центру коммутации здания В [7].

Если придерживаться стандартной классификации, то необходимо только на одной, достаточно непротяженной (в нашем случае около 600 метров) кабельной трассе использовать 4-5 видов волоконно-оптического кабеля, соединяя их проходными муфтами. Дороговато будет, да и ненадежно (сколько лишних точек сращивания!). Можно ли в таком случае использовать один, максимум два типа оптического кабеля? Можно и нужно, если, например, не смотреть на кабель с кевларовыми нитями исключительно как на "подвесной". Если применить при этом негорючую оболочку, то такой кабель вполне сгодится и как "внутриобъектовый". Конечно, нужно учитывать еще несколько факторов. Например, если в подвале могут быть грызуны то, нужна броня из стальной ленты или проволок.

Взамен распространенной, но не эффективной классификации волоконно-оптических кабелей применительно к локально-вычислительным сетям некоторые авторы предлагают более удачную классифицируются по конструктивным особенностям и характеристикам по отношению к окружающей среде. Выбор кабеля производится индивидуально для каждой трассы, исходя из условий прокладки и эксплуатации ВОЛС [6].

Пример более удачной классификации волоконно-оптических кабелей следующий:

По типу оптических волокон

- с одномодовыми волокнами (SM)

- с многомодовыми волокнами (MM)

- комбинированный (SM+MM)

По типу центрального силового элемента

- со стальным тросом

- с пластиковым тросом

- с центральной трубкой

По типу буфера в модулях

- с плотным буфером

- со свободным буфером

По типу силового элемента в оболочке

- небронированный

- с кевларовыми нитями

- бронированный стальной лентой

- бронированный проволокой

По наличию встроенного троса

- со встроенным несущим тросом

- без встроенного несущего троса

По величине допустимого растягивающего усилия

- 2,7 кН

- 4,0 кН

- 6,0 кН

- 8,0 кН

- 9,0 кН

- 12,0 кН

- 15,0 кН

- 20,0 кН

По диапазону температуры эксплуатации, градус Сє.

- от -12 до +75

- от -20 до +60

- от -40 до +60

- от -60 до +60

- от -60 до +70

По огнестойкости оболочки

- с горючей оболочкой

- с негорючей оболочкой

Примечание. Значения температуры эксплуатации и величины растягивающего усилия у разных производителей могут немного различаться.

Если учесть все указанные типы кабелей, а также число оптических волокон в кабеле, которое обычно при применении в локальных сетях составляет от 4 до 24, легко подсчитать, что число вариантов спецификаций волоконно-оптического кабеля превышает 100000 [11,1].

Примеры оптических кабелей



Рисунок 1.1 - Кабель для прокладки в грунт

Кабели с броней из стальной оцинкованной проволоки являются самыми защищенными от внешних воздействий и могут прокладываться без дополнительной защиты как в грунт, так и на дно рек.

Самый легкий и гибкий оптический кабель для внешней прокладки. Идеален для прокладки в пластмассовых трубопроводах (рисунок 1.4). Кабели с силовыми элементами из специальных высокопрочных нитей могут подвешиваться за внешнюю оболочку (рисунок 1.5).

Рисунок 1.2 - Кабель для прокладки в кабельную канализацию

Рисунок 1.3 - Кабель для прокладки в пластмассовых трубопроводах



Рисунок 1.4 - Самонесущий кабель

Рисунок 1.5 - Подвесной кабель

Легкие кабели с вынесенным силовым элементом для воздушной подвески

1.2.7 Основные характеристики типовых кабелей

Типы волоконно-оптических кабелей обычно сходны у различных компаний и делятся на следующие ниже приведенный перечень.

Волоконно-оптические кабели в броне из круглых стальных оцинкованных проволок и защитном шланге из полиэтилена - для прокладки через водные преграды, непосредственно в грунте, в кабельной канализации и других линейных сооружениях [20].

Волоконно-оптические кабели с оптическими волокнами в центральной трубке, в броне из круглых стальных оцинкованных проволок и защитном шланге из полиэтилена - для прокладки через водные преграды, непосредственно в грунте, в кабельной канализации и других линейных сооружениях.

Волоконно-оптические кабели в стальной ленточной гофрированной броне, защитном шланге из полиэтилена - для прокладки в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, тоннелях, на мостах и эстакадах, в станционных шахтах.

Небронированные волоконно-оптические кабели в полиэтиленовой оболочке для прокладки в пластмассовых трубах и внутри зданий.

Волоконно-оптические кабели полностью диэлектрические подвесные самонесущие для подвески на опорах воздушных линий связи и контактной сети электрифицированных железных дорог и городского транспорта

Волоконно-оптические кабели подвесные с выносным силовым элементом для подвески на столбах освещения

По типу оптических волокон кабели подразделяются на одномодовые и многомодовые. Число оптических волокон в кабелях обычно составляет от 4 до 216. Срок службы волоконно-оптических кабелей: как правило, не менее 25 лет.

По требованию заказчика кабели могут изготавливаться в защитной оболочке из материала, не распространяющего горения.

В производстве волоконно-оптического кабеля на российских заводах-изготовителях используется оптическое волокно ведущих зарубежных фирм.

У каждого завода-производителя свой тип обозначения и маркировки волоконно-оптических кабелей, а также имеются отличия в параметрах технических характеристик.

Для примера сравним по одной марке кабелей СП ЗАО "Москабель-Фуржикура" (марка - ОМЗКГМ), выполняемых по ТУ 16.К 87-001-00 и ЗАО "Севкабель" (марка - ДАС (DAC), выполняемых по ТУ 3587-007-05755714-98. Если говорить в отношении предпочтения того или иного производителя ("Москабель-Фуржикура" или "Севкабель"), исходя из сравнительных характеристик рассмотренных однотипных марок кабелей и принимая во внимание отличия по параметрам, отмеченным синим шрифтом, можно считать, что ввиду малых отличий, решающим фактором при выборе может быть скорее цена.

Таблица 1.1 - Рекомендуемые условия прокладки

Марка кабеля	Конструктивные элементы, образующие марку кабеля	Рекомендуемые условия прокладки
"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"	"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"	"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"
ОМЗКГМ	ДАС (DAC)	ЦСЭ из стеклопластиково-го стержня, вокруг которого скручены ОМ, содержащие до 12 ОВ каждый, кордель заполнения, внутренняя оболочка ПЭ, броня из круглых стальных оцинкованных проволок, наружная ПЭ оболочка	Диэлектрический ЦСЭ, алюмополиэтиленовая оболочка, однослойная броня из стальных проволок, наружная полиэтиленовая оболочка	В грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, тоннелях на мостах и в шахтах, через неглубокие болота и несудоходные реки	В грунтах всех групп при прокладке в открытую траншею, грунтах групп 1-3 при прокладке ножевым кабелеукладчиком (кроме грунтов, подверженным мерзлотным деформациям). В кабельной канализации, ЗПТ, блоках, по мостам и эстакадам при наличии особо высоких требований по механической устойчивости. В тоннелях и коллекторах, включая болота и несудоходные реки

Таблица 1.2 - Конструктивные параметры

Марка кабеля	Диаметр кабеля, мм	Масса кабеля, кг/км
"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"	"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"	"Москабель-Фуржикура"	"Севкабель"
ОМЗКГМ	ДАС (DAC)	12,9…20,8	16,5…26,0	258…859	471…1011

1.2.8 Помехи

Понятие, которое имеет решающее значение для функционирования каждой системы связи,- помехи [12].

Насколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питания или отказов каких-либо элементов, встречающиеся в каждом приборе или устройстве, настолько же не одинаковы помехи, вызванные электромагнитными полями. Это поля, создаваемые плохо экранированными электродвигателями, радиоизлучениями автомобилей, часто вызывающими сильные помехи в радио или телевизионной аппаратуре, и т.п.

В условиях отсутствия шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать длину усилительного участка. Требуется только соответственно увеличивать мощность сигнала, поступающего на вход приемника. Но шум существует и уменьшает чувствительность каждого приемника и возможности каждого усилителя. Если мощность полезного сигнала на входе меньше мощности помех, то сигнал перекрывается ею и не может быть выделен приемным устройством или усиления. Даже когда сигнал и помехи имеют почти одинаковую мощность, шум становится довольно значительным. Причины и источники шума разнообразны. К ним относятся корпускулярные шумы электрического тока (дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы квантования световых пучков. Источник света сам вносит в систему шумовые составляющие, добавляют их также фотодиод и оконечный электронный усилитель. Если используется лавинный фотодиод, то возникают дополнительные шумовые составляющие из-за эффекта умножения в этом элементе.

Если рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно установить, что различные шумовые источники проявляют себя в нем тем или иным способом. Вместо чистой формы сигнала, которой модулировалась выходная мощность светового сигнала передатчика, на вход приемника поступает сигнал, амплитуда которого случайным образом более или менее меняется вблизи данного значения. Средние значения соответствуют истинной форме переданного сигнала, но мгновенные значения отклоняются от заданного вследствие влияния помех. Первоначальный сигнал можно лишь приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.

1.2.9 Длина оптической линии

Основная задача - обеспечение того, чтобы посланный сигнал с достаточной для соответствующей цели точно воспроизводился в приемнике, т.е. разработчик будет пытаться по возможности приблизиться к первоначальной (правильной) форме сигнала путем получения среднего значения по возможно большому количеству мгновенных значений сигнала, искаженного помехой. Для этого служат, различного рода электрические фильтры. Конечно, для усреднения амплитуды сигнала можно использовать только такое количество мгновенных значений сигнала, чтобы сами полезные изменения сигнала не были сглажены и не оказались из-за этого потерянными. То, что остается после этой фильтрации, более не уничтожается. С этим разработчик системы должен считаться и, например, выбирать длину передающей линии настолько короткой, чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности шумового фона.

Для инженера связи из этой модели формирования среднего значения следует важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех тем лучше, чем медленнее изменяется сигнал (так как тем большими могут быть интервалы времени усреднения и тем точнее получаемый результат) и чем меньше необходимая для данной цели ширина полосы частот (пропускная способность) [14].

Из этих рассуждений ясно, что для фотоприемника имеется нижняя граница мощности принимаемого сигнала. На этой границе мощность сигнала в определенное число раз больше суммарной мощности шумов, которые появляются в приемнике. Этот коэффициент обозначается как отношение сигнал/шум и выражается в децибелах. Если необходимо передать двоичные сигналы, то достаточно, например, отношения сигнал/шум (в электрическом сигнале), равного 18 Дб. Это означает, что полезная мощность приблизительно в 63 раза больше, чем наложенная шумовая мощность, что позволяет осуществить достаточно достоверное распознавание одиночного импульса. Если, напротив, необходимо передать непрерывные сигналы, которые реагируют на помехи гораздо чувствительнее, чем двоичные, то отношение сигнал/шум должно быть выше и в зависимости от рода сигнала и требуемого его количества должно достигать 30 - 60 дБ.

По крайней мере, существуют два других фактора, которые, как и ослабление, ограничивают длину усилительного участка: материальная дисперсия и модовая дисперсия. С увеличением длины усилительного участка они вызывают уширение посланного импульса и при этом тем большее, чем выше пропускная способность линии. Так как модовая дисперсия зависит от конструкции световода, то тип применяемого световода при заданной пропускной способности линии, пожалуй, гораздо сильнее ограничивает дальность действия, чем ослабление. Таким же образом, ограничивая длину линии световода с малой модовой дисперсией и малым ослаблением, можно влиять на ширину спектра источника света (например, использовав светоизлучающий диод).

Итак, на вопрос о дальности действия оптической связи однозначного ответа может не быть, так как имеется ряд факторов, влияние которых необходимо учитывать при проектировании.

1.2.10 Сращивание отдельных участков кабелей

Особый класс образуют кабели, встроенные в грозотрос.

Отдельно рассмотрим способы сращивания строительных длин кабелей.

Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с использованием кабельных муфт специальной конструкции. Эти муфты имеют два или более кабельных ввода, приспособления для крепления силовых элементов кабелей и одну или несколько сплайс-пластин. Сплайс-пластина - это конструкция для укладки и закрепления сращиваемых волокон разных кабелей.

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов.

Конструкция фиксатора, например, фирмы "Push-Pull" обеспечивает подключение коннектора к розетке наиболее простым образом - на защелке. Защелка-фиксатор обеспечивает надежное соединение, при этом не нужно вращать накидную гайку. Важное преимущество разъемов с фиксацией Push-Pull - это высокая плотность монтажа оптических соединителей на распределительных и кроссовых панелях и удобство подключения [20].

1.2.11 Новейшие электронные компоненты систем оптической связи

В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км.

...