Проектирование волоконно-оптической линий связи

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Средства общения между  людьми (средства связи) непрерывно совершенствуются в соответствии с изменениями  условий жизни, развитием культуры и техники. Сегодня средства связи  стали неотъемлемой частью производственного  процесса и нашего быта. Современные системы связи должны не только гарантировать быструю обработку и высокую надежность передачи информации, но и обеспечивать выполнение этих условий наиболее экономическим способом. Высокая стоимость линий связи обусловливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений — многоканальных систем передачи.

Системы передачи с ЧРК  нашли широкое распространение. Они относительно просты в эксплуатации, имеют достаточно высокую надежность работы, хорошее качество передачи сигналов и обеспечивают необходимую дальность связи. Одним из основных недостатков этих систем является относительно низкая защищенность сигнала от помех, причем с увеличением протяженности магистрали защищенность уменьшается, т.е. с увеличением длины связи помехи накапливаются.

Кроме систем с ЧРК  существуют системы передачи с временным  разделением каналов (ВРК), когда  осуществляется поочередная передача сигналов по линии связи от различных  источников сообщений, полоса линейного тракта во время передачи сигналов каждого источника используется полностью

Интенсивное развитие цифровых систем передачи (ЦСП), которое наблюдается  в настоящее время в большинстве  развитых странах мира, объясняется  следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи по сравнению с  аналоговыми :

а) высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме, то есть в виде последовательности символов с малым числом разрешенных  значений и детерминированной частотой следования, позволяет осуществлять регенерацию этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации. В результате обеспечивается возможность использования ЦСП на линиях связи, на которых аналоговые применяться не могут. Так, цифровые методы передачи весьма эффективны при передаче по волоконно-оптическим линиям, отличающимся высоким уровнем дисперсионных искажений и нелинейностью электронно-оптических и оптоэлектронных преобразователей;

б) слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии в 100 раз для сохранения качества передачи информации неизменным достаточно уменьшить длину участка регенерации лишь на 2-3 %;

в) стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность параметров каналов (остаточного затухания, частотной характеристики, нелинейных искажений) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть аппаратурного комплекса цифровых систем передачи, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых системах. Этому способствует также отсутствие в цифровых системах с ВРК влияния загрузки систем передачи в целом на параметры отдельного канала. Кроме того, при ВРК обеспечивается идентичность параметров всех каналов, что также способствует стабильности характеристик каналов сети связи, тогда как в системах с ЧРК параметры последних зависят от их размещения в линейном спектре системы передачи;

г) эффективность использования  пропускной способности каналов  для передачи дискретных сигналов. Эффективное использование каналов  цифровых систем для передачи дискретных сигналов обеспечивается при вводе  этих сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП. При этом скорость передачи дискретных сигналов может приближаться к скорости передачи группового сигнала. Так, дискретные сигналы, вводимые в групповой тракт на временные позиции, соответствующие одному каналу ТЧ, могут передаваться со скоростью, близкой к 64 кбит/сек. Скорость передачи дискретных сигналов при вторичном уплотнении канала ТЧ обычно не превышает 9,6 Кбит/сек. Кроме того, ввод дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт цифровых систем позволяет значительно снизить требования к частотной и фазовой характеристикам канала ТЧ, которые являются весьма жесткими при передаче этих сигналов методом вторичного уплотнения канала аналоговых систем передачи;

д) более простая математическая обработка передаваемых сигналов. Цифровая форма представления информации позволяет производить математическую обработку сигналов, направленную как на устранение избыточности в исходных сигналах, так и на перекодирование передаваемых сигналов;

е) возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с оборудованием коммутации цифровых сигналов являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. Отношение сигнал-шум, обеспечиваемое в оборудовании транзита и коммутации, является достаточно высоким. Следовательно, параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети связи, обладающей высокой надежностью;

ж) высокие технико-экономические показатели. Большой удельный вес цифрового оборудования в аппаратурном комплексе цифровых систем передачи определяет особенности изготовления, настройки и эксплуатации таких систем. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать весь аппаратурный комплекс цифровой сети на электронной основе с широким применением цифровых интегральных схем. Это позволяет резко уменьшать трудоемкость изготовления оборудования, добиваться высокой степени унификации узлов оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габаритные размеры. Высокая стабильность параметров каналов ЦСП устраняет необходимость регулировки узлов аппаратуры, в частности узлов линейного тракта в условиях эксплуатации, что существенно повышает технико-экономические показатели цифровых систем. Высокая степень унификации узлов также упрощает эксплуатацию систем и повышает надежность оборудования.

Из вышеизложенного  видно, что цифровые системы передачи с ВРК обладают более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с другими системами, и на сегодняшний день нашли очень широкое применение.

 

Основной цифровой канал.

Внедрение систем цифровой телефонии вызвало необходимость  представления аналогового сигнала  в цифровой форме. Метод, принятый связистами для преобразования аналогового сигнала в цифровой, носит название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В англоязычной литературе этот термин имеет эквивалент PCM - Pulse Code Modulation. По этому методу аналоговый сигнал представляется в виде последовательности уровней, взятых с определенной частотой (частотой дискретизации), а затем квантуется, т. е. каждому отсчету ставится в соответствие численное значение. Частота дискретизации должна быть такой, чтобы на приемном конце канала можно было восстановить исходный сигнал. Для сигнала с ограниченным спектром частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать максимальную частоту в спектре сигнала (согласно теореме Котельникова - Найквиста). Поэтому для передачи стандартного ТЧ-сигнала организуется цифровой канал со скоростью обмена данными 8 кГц х 8 бит = 64 Кбит/с. Этот канал называется основным цифровым каналом или DS0 (Digital Signal level zero). Каналы DS0 - это те кирпичики, из которых строятся более мощные цифровые системы передачи, емкость которых измеряется числом содержащихся в них DS0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

 

а) проанализировать состояние связи  на участке и привести варианты ее модернизации;

б) выбрать аппаратуру передачи и привести ее технические характеристики;

в) выбрать тип оптического волокна  и марку кабеля, привести его характеристики;

г) рассчитать дисперсионные свойства оптоволокна и определить фактическую  дисперсию и затухание сигнала  в линии, рассчитать по этим данным длину регенерационного участка и число регенераторов на трассе;

д) выбрать и описать автоматизированную систему управления сетью связи;

е) проанализировать факторы, влияющие на безопасность труда персонала  при сооружении и эксплуатации сети связи, сделать расчет необходимых параметров (освещенность рабочего помещения, заземление, устойчивость строительной техники и т.д.);

ж) сделать расчет по экономическому обоснованию проекта и составить  его бизнес-план, определить экономические  показатели проекта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

Анализ состояния связи на магистральном участке сети

 

 

 Использование на  магистральном участке сети линии  связи с небольшой скоростью  передачи данных, а также на  основе оптического волокна устаревшего  типа, с растущим спросом на  системы связи с высоким качеством  передачи информации и высокими  темпами технического прогресса, требуют замены тракта передачи и аппаратуры уплотнения на современное оборудование. Дорогостоящее оборудование и высоко – технологичные процессы затрудняют приобретения и монтаж аппаратуры операторами связи. В данное время использование оптоволоконной линии связи не полномасштабное, в сетях, и в частности на магистральном участке, применяются линии связи на основе коаксиальных кабелей, недостатки очевидны: маленькая полоса пропускания, следствием чего является передача небольшого количества информации, большое затухание в линейном тракте, влияющего на качество передаваемых сигналов, и многие другие показатели которые уступают оптоволоконным линиям передачи. Нельзя не заметить и косвенных параметров аппаратуры, такие как площадь занимаемую оборудованием, что сказывается на дополнительных капиталовложениях, и ряда остальных причин.  Аппаратура проработавшая несколько лет или даже десятков лет морально устаревает. Линии связи между двумя индустриальными городами, ближайшими, в среднем достигают протяжённости от 500 до 1000 км. Если рассмотреть участок в 1000 км это будет подходящим вариантом для строительства линии связи между любыми двумя ближайшими городами страны.

3 ОПТОВОЛОКОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

3.1 Проблемы синхронизации. Кодирование данных в канале

 

 

Двоичные последовательности при посылке в линию связи  кодируются последовательностью импульсов  и пауз. Передача и прием этих последовательностей приемопередающими  устройствами привязаны к тактовым импульсам, которые вырабатывают тактовые генераторы этих устройств. Для того чтобы битовые последовательности считывались на принимающем конце без ошибок, тактовые генераторы приемника и передатчика должны быть синхронизированы (в этом случае говорят о тактовой синхронизации между устройствами) [1]. Тактовый сигнал, используемый для синхронизации, может быть получен из отдельного источника либо выделен из передаваемого информационного сигнала. С этой целью, а также с целью уменьшить влияние искажений при передаче через линию связи применяют особые методы кодирования данных в канале связи.

 

3.2 Мультиплексирование с временным разделением каналов

 

 

В цифровой связи для передачи нескольких цифровых потоков по одной линии  связи, как и в аналоговых системах, применяется мультиплексирование [2], но используется другой метод, называемый мультиплексированием с временным разделением каналов. В англоязычной литературе эквивалентный термин - Time Division Multiplexing (TDM). Процедура TDM выглядит так: из входных цифровых потоков мультиплексор поочередно отбирает определенную последовательность бит, добавляет служебную информацию и формирует выходную последовательность. Непрерывную последовательность бит в выходном потоке, принадлежащую определенному входному каналу, называют канальным интервалом или тайм-слотом. На практике наиболее употребительными являются схемы мультиплексирования с байт-интерливингом (чередованием), когда канальный интервал состоит из 8 бит, либо с бит-чередованием, когда на выход последовательно коммутируется по одному биту из каждого канала. Одной только тактовой синхронизации недостаточно для демультиплексирования битовой последовательности, так как в получаемом потоке бит необходимо еще привязаться к началу первого канального интервала на принимающем конце линии. С этой целью при формировании уплотненного потока в него с определенной периодичностью вставляют фиксированную битовую последовательность, которая вместе с группой канальных интервалов, следующих за ней и содержащих равное количество интервалов из каждого входного потока, образует кадр или фрейм (в терминологии связистов “цикл”).

С помощью этой битовой  последовательности, выделяя ее как  маркер, принимающая аппаратура может  привязаться к началу каждого  кадра в цифровом потоке. Этот вид  синхронизации называют кадровой или  цикловой синхронизацией. В цифровых системах несколько кадров объединяют в структуру, называемую сверхкадром (или сверхциклом, по-английски super-frame). Для правильного приема таких структур, кроме тактовой и кадровой синхронизации, необходима еще и сверхкадровая синхронизация.

 

 

 

 

3.3 Сети SDH

Устройства  транспортной сети

 

Терминальный мультиплексор.

Оконечное устройство сети с некоторым  числом каналов доступа (электрических  и оптических). Терминальные мультиплексоры [3] имеют один или два оптических входа / выхода, называемых агрегатными. Два входа / выхода используются для повышения надежности, которая обеспечивается схемой резервирования на 100% линии и групповой части аппаратуры.

Мультиплексор ввода / вывода

Отличается от ТМ наличием двух или  четырёх оптических агрегатных входов / выходов при том же числе каналов  доступа, что и в ТМ. При этом в ADM различают западный и восточный агрегатные порты (интерфейсы). Мультиплексор ADM [3] может выполнять функции кроссового коммутатора для цифровых потоков определенных ступеней мультиплексирования (VC12, VC3, VC4). Коммутация может осуществляться путем проключения цифровых трактов или перестановками временных позиций.