Контрольная работа по предмету «Основы инженерных технологий в отрасли (связь)»

Волоконно-оптические линии связи, помимо широкой полосы пропускания, обладают и др. преимуществами; они не требуют дефицитных цветных материалов, невосприимчивы к электро-магнитным помехам, имеют малый вес и габариты.

Многомодовое волокно - волокно с большим диаметром сердцевины по которой проходит свет. Такое название объясняется спецификой прохождения электромагнитной волны по сердечнику волокна. В стандартном многомодовом волокне со ступенчатым профилем преломления, лучи света распространяются по сердцевине волокна благодаря эффекту полного внутреннего отражения. При этом, лучи света встречающие границу (торец оптического волокна) под острым углом (измеренным относительно осевой линии), входя во внутрь волокна, полностью отражаются, двигаясь в сердцевине волокна. Критический угол (максимальный угол для полного внутреннего отражения) определяется средой преломления между материалами оболочки и сердцевины волокна. Лучи, которые сталкиваются с границей под углом большим, чем критический, преломляются, проходя из сердцевины в оболочку, и не передают свет, т. е. информацию вдоль волокна. Критический угол равен максимальному углу входящего в волокно излучения и зависит от величины диаметра сердцевины волокна. Высокая числовая апертура (диаметр сердцевины) вынуждают свет проходящий под различными углами, подвергаться эффекту дисперсии, при этом происходит существенное наложение лучей света в сердцевине. Большой диаметр сердцевины увеличивает дисперсию, поскольку лучи под различными углами имеют различные длины траекторий и поэтому затрачивают различное время на прохождение всей длины волокна.

МОВ состоят из сердцевины и оболочки. Снаружи волокна имеют до нескольких защитных буферных покрытий (оболочек).

Структура стандартного многомодового оптического волокна G 50/125 (G 62,5/125) мкм в соответствии со Стандарт EN 188200; Стандарт VDE 0888, часть 105; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.651; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 50 (62,5) ± 3 мкм;

допуск  на некруглость 3 мкм;

внешний диаметр оптического волокна 125 ± 2 мкм;

допуск  на некруглость 2,5 мкм;

допуск  на эксцентриситет между сердцевиной  и внешним диаметром волокна 3 мкм;

внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;

внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Многомодовые волокна со ступенчатым профилем

Первые  волокна для передачи данных были многомодовыми со ступенчатым профилем показателя преломления. Для распространения света благодаря полному внутреннему отражению, необходимо иметь показатель преломления стекла сердцевины n1, немного большим, чем показатель преломления стекла оболочки n2. На границе раздела двух стеклянных сред должно выполняться условие: n1 > n2. Если показатель преломления сердцевины оптического волокна n1 одинаков по всему поперечному сечению, то тогда говорят, что волокно имеет ступенчатый профиль. Такой волоконный световод является многомодовым. Импульс света, распространяющийся в нем, состоит из многих составляющих, направляемых в отдельных модах световода. Каждая из этих мод возбуждается на входе волокна под своим определённым углом ввода в световод и направляется по нему вдоль сердцевины, проходя с различным траекториями движения луча. Каждая мода проходит разное расстояние оптического пути и поэтому проходит всю длину световода за разное время. При этом, если мы подадим на вход световода короткий (прямоугольный) импульс света, то на выходе многомодового световода получим «размытый» по времени импульс. Эти искажения, обуслов-ленные дисперсией времени задержки отдельных мод, называются модовой дисперсией.

Многомодовые волокна с градиентным профилем

В многомодовом оптическом волокне со ступенчатом профилем, моды распространяются по оптическим путям разной длинны и поэтому приходят к концу световода в разное время. Эта дисперсия может быть значительно уменьшена, если показатель преломления стекла сердцевины уменьшается параболически от максимальной величины n1 у оси световода, до величины показателя преломления n2 на поверхности границы раздела с оболочкой. Оптический волновод с таким профилем, (когда показатель преломления плавно изменяется) называется градиентным волоконным световодом. Лучи света проходят по такому волокну по волно- или винтообразным спиралям. Чем дальше отклоняется луч света от оси световода, тем сильнее он заворачивается обратно к оси. При этом, так как показатель преломления от оси к краю сердцевины уменьшается, то увеличивается скорость распространения света в среде. Благодаря этому более «длинные» оптические пути компенсируются меньшим временем прохождения. В результате различие временных задержек различных лучей почти полностью исчезает.

Рисунок - Структура стандартного одномодового волокна

 

 

Рисунок - Одномодовое оптическое волокно E 9,5/125 мкм

 

Одномодовое волокно — волокно, основной диаметр сердцевины которого, приблизительно в семь - десять раз больше длины волны, проходящего по нему света.

Структура стандартного одномодового оптического волокна E 9,5/125 мкм (см. рис.1, рис.2) в соответствии со Стандарт EN 188100; Стандарт VDE 0888, часть 102; Рекомендация МСЭ-Т (ITU-T) G.652; Стандарт МЭК “IEC 60793-2”:

диаметр светопроводящего ядра (сердцевины) 9,5 ± 1 мкм;

внешний диаметр оптического волокна 125 ± 3 мкм;

допуск  на некруглость 2,5 мкм;

допуск  на эксцентриситет между сердцевиной  и внешним диаметром волокна 1 мкм;

внешний диаметр первичной защитной оболочки 250 ± 10 мкм;

внешний диаметр вторичной защитной оболочки 900 ± 10 мкм

Волокно со ступенчатым профилем

Модовая дисперсия в оптическом волокне может быть исключена, если структурные параметры ступенчатого световода подобрать таким образом, что в нём будет направляться только одна мода, а именно — фундаментальная (основная) мода. Однако и основная мода так-же уширяется во времени по мере её прохождения по такому световоду. Это явление называется хроматической дисперсией. Она является свойством материала, поэтому как правило, имеет место в любом оптическом световоде, но в диапазоне длин волн от 1200 до 1600 нм она относительно мала или отсутствует. Для изготовления ступенчатого волоконного световода с малым затуханием, который направляет только фундаментальную моду в диапазоне длин волн более 1200 нм диаметр поля моды должен быть уменьшен до 8-10 мкм. Такой ступенчатый волоконный световод называется стандартным одномодовым оптическим волокном.

Волокна с многоступенчатым профилем

Профиль показателя преломления обычного одномодового световода имеет ступенчатый профиль. Для такой структуры профиля сумма дисперсии материала в волноводной дисперсии при длине волны около 1300 нм равна нулю. Для современных устройств передачи данных по оптическому волокну, использующих длины волн 1550 нм или одновременную передачу сигналов на нескольких длинах волн, желательно иметь нулевую дисперсию и при других длинах волн. А для этого необходимо изменить волновую дисперсию и, следовательно, структуру профиля волоконного световода. Это приводит к многоступенчатому или сегментному профилям показателей преломления в волокне. Используя эти профили, можно производить волоконные световоды, у которых длина волны с нулевой дисперсией сдвинута до 1550 нм (волокно со смещённой дисперсией) или величины дисперсии очень малы во всём диапазоне волн от 1300 нм до 1550 нм (волокно со сглаженной или компенсированной дисперсией).

Волновод - искусственный или естественный канал, при распространении вдоль которого распространяющаяся в нём волна слабо затухает. Поле волны при этом сосредоточены внутри канала или в непосредственно примыкающей к нему области. По природе распространяющихся волн различают электрические и акустические волноводы.

 

42. Спутниковые системы передачи (высокая эллиптическая орбита (ВЭО), геостационарная орбита (ГСО), низковысотная орбита (НВО). Спутниковая система передачи (две наземные станции, промежуточная станция на борту ИСЗ). Фиксированная спутниковая служба, подвижная спутниковая служба, радиовещательная спутниковая служба. 

 

Высокая эллиптическая орбита (ВЭО) - это тип эллиптической орбиты, у которой высота в апогее во много раз превышает высоту в перигее.

Спутники  на ВЭО обладают следующими достоинствами:

Возможность обслуживания очень большой территории. Так, например, такая система может  обслуживать всю территорию России;

Обслуживание  в высоких широтах. Угол места  в этих зонах у систем на ВЭО  гораздо больше, чем у геостационарных  спутников;[1]

Широкое использование различных частотных  диапазонов на ВЭО без регистрации (в отличие от геостационарной  орбиты, где уже практически не осталось ни свободного места, ни свободных  частот);

более дешевый вывод на орбиту (примерно в 1,8 раза)[2].

Геостационарные спутниковые системы связи имеют  свои плюсы и минусы. Главное преимущество - неподвижность относительно земного наблюдателя. Второе - с каждого спутника видно 42,4% земной поверхности. Трех геостационарных

спутников хватает, чтобы охватить всю земную поверхность.

Существуют  два основных варианта вывода спутника на геостационарную орбиту (ГСО), выбор  которых зависит от массы, точки  запуска и характеристик

носителя. Можно вывести аппарат сразу  на ГСО, можно на переходную орбиту - сильно вытянутую наклоненную эллиптическую орбиту с апогеем в 35 000 км. С переходной орбиты КА доводится до своей орбитальной позиции при помощи собственного апогейного двигателя.

Спутники  на низких орбитах обладают значительными  преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности  сеансов связи и времени активного  существования КА. Если период обращения  спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой  стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как  правило, не превышает 5 - 8 лет.  Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а, следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников, сложная система межспутниковых связей для ретрансляции сигналов, сложная система управления для поддержания постоянства орбитальной группировки. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10 - 15 мин.

В зависимости от назначения системы  СС и типа земных станций регламентом  МСЭ различаются следующие службы:

фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также распределения телевизионных программ;

подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, морских судах, автомобилях и пр.);

радиовещательная  спутниковая служба для непосредственной передачи радио и телевизионных программ на терминалы, находящиеся у абонентов.

Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном  этапе развития ФСС развивалась  в направлении создания систем магистральной  связи с применением крупных  земных станций с диаметрами зеркала  антенн порядка 12..30 м. В настоящее  время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить отечественные системы СС "Молния-3", "Радуга", "Горизонт" и международные  системы Intelsat и Eutelsat. Развитие ФСС идет по направлениям увеличения срока службы ИСЗ, повышения точности удержания ИСЗ на орбите, разработки и совершенствования многолучевых антенн, а также возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2..2,4 м) (системы VSAT).

Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного характера работы транспорта для его управления создаются международные системы глобальной спутниковой связи, например, система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 году. Функционально она содержит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах, и разветвленную сеть судовых станций различных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тысяч судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема создания системы авиационной спутниковой связи.

Успехи  в космических технологиях последних  лет, а также достижения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов параметрического компандирования речевых сигналов (см. подраздел 8.2.5), разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использованию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десятки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во-первых, ввиду упоминавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи возможностью создания систем с малогабаритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны. Ожидается, что к 2000 году будет запущено около 3000 таких ИСЗ.

Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых  из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно  или с задержкой на время пролета  по трассе. Второй тип систем обеспечивает непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объединяются в  единое информационное пространство.

Примером  такой системы служит международный  проект Iridium, возглавляемый фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равномерно размещенных на 6 полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30° , но совпадают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с числом лучей 48, что позволяет организовать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли.

В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным разделением  каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот "K" 19..29 ГГц, для абонентских линий "Земля-ИСЗ" и "ИСЗ-Земля" - использование двух полос в диапазоне частот "L" 1610..1626,5 МГц. Система Iridium сможет охватить связью до 1,5 млн. абонентов. Начало коммерческой эксплуатации системы планируется в 1998 году. Планируется применение двухрежимных абонентских терминалов: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне обслуживания системы сотовой связи, он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, автоматически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium.