Расчет регенерационного участка ВОЛС

R = R0 + Rпэ + Rбл + Rм,

где R0 - сопротивление  постоянному току; Rпэ - сопротивление  за счет поверхностного эффекта; Rбл - сопротивление  за счет эффекта близости; Rм - сопротивление, обусловленное потерями в окружающих металлических массах.

Поверхностной эффект обусловлен действием электромагнитной волны, распространяющейся вдоль провода. Оно приводит к тому, что плотность тока по  

сечению проводника становится различной: в центре проводника она  мала, а к поверхности возрастает. Поверхностный эффект проявляется  в большей степени с увеличением частоты переменного тока, магнитной проницаемости и проводимости проводника. При достаточно высокой частоте ток протекает лишь на поверхности проводника, что вызывает увеличение его активного сопротивления (рис.4).

Рис. 4. Проявление поверхностного эффекта

 

Эффект близости вызывается взаимодействием внешних полей (рис. 5). Если по двум соседним проводникам  токи протекают в одном направлении, то увеличивается плотность тока на удаленных друг от друга участках поверхности проводников (рис.5, а). В случае протекания тока по двум соседним проводникам в разных направлениях происходит увеличение плотности тока на участках сближения за счет уменьшения плотности тока на взаимно удаленных поверхностях проводов (рис.5, б).

Под действием электромагнитного поля на металлических массах, окружающих проводник, наводятся так называемые вихревые токи, на что тратится часть энергии сигнала. Поэтому наличие металлических масс рядом с проводником приводит к изменению активного сопротивления. Все эти явления имеют место как в симметричных, так и в коаксиальных кабелях.

Емкость кабеля C аналогична емкости конденсатора, где роль обкладок выполняют проводники, а диэлектриком служит расположенный между ними изоляционный материал или воздух. Например, коаксиальная пара аналогична цилиндрическому конденсатору.

Проводимость изоляции G обуславливается двумя факторами: диэлектрическими потерями при переменном токе и несовершенством изоляции при постоянном токе. Диэлектрические  потери возникают из-за того, что  под действием переменного электрического поля в диэлектрике происходит переполяризация (перемещение зарядов), на что теряется часть энергии сигнала. Проводимость изоляции приводит к утечкам, т.е. к потерям энергии сигнала.

 

Рис. 5. Схема проявления эффекта близости:

а) ток по соседним проводникам протекает в одном направлении;

б) ток по соседним проводникам  протекает в разных направлениях

 

Любая электрическая  цепь, в том числе и цепь, образованная кабельными парами, обладает определенной индуктивностью L, которая характеризует способность сигнала создавать определенное магнитное поле вокруг цепи и зависит от расстояния между проводами цепи, диаметра проводов и магнитных свойств материалов проводов.

Эквивалентная схема  одного километра кабеля представлена на рис. 6. При прохождении сигнала на R и L происходит падение напряжения, а через G и C – утечка тока. В результате на каждом км кабеля сигнал ослабляется, т.е. затухает. С увеличением частоты передаваемого сигнала ослабление возрастает.

 

Рис. 6. Эквивалентная  схема одного км кабеля

Удобнее сравнить разные типы кабеля по вторичным параметрам a и zв, которые зависят от всех первичных  параметров и частоты передаваемого сигнала (рис.7).

Рис. 7. Частотные зависимости вторичных параметров кабеля

 

Километрический коэффициент a - это величина, характеризующая ослабление сигнала в цепи. Волновое сопротивление zв представляет собой сопротивление, которое испытывает электромагнитная волна, несущая сигнал. Оно показывает способность линии принять от передатчика сигнала определенную мощность. Та цепь лучше, которая способна брать от передатчика больше мощности, а терять меньше.

Волоконнооптические системы передачи

Основные типы оптических волокон

Особый интерес представляют направляющие среды, по которым сигналы  электросвязи передаются в оптическом диапазоне частот (1014-1015 Гц). Конструктивно направляющая среда в этом случае представляет собой двух или многослойные оптические волокна. Если луч света направить на входной торец волокна под углом θ > θ0, где θ0 - критический угол, то падающие лучи будут распространяться внутри сердечника волокна (рис.8). При этом оптическая плотность сердечника оптического волокна должна быть больше, чем у оболочки при условии, что коэффициенты преломления соответствуют неравенству n1 > n2.

Рис. 8. Схема распространения света в оптическом волокне 

В зависимости от соотношения между диаметром стекловолокна и длиной волны светового излучения l в световодной линии может распространяться одна волна (одномодовый режим) или одновременно много типов волн (многомодовый режим). Для обеспечения одномодового режима диаметр волокна должен быть порядка 6 мкм. Диаметр сердцевины в многомодовой световодной линии составляет 50-100 мкм. Многомодовые волокна легче изготовить, в них легче ввести оптическое излучение, проще осуществляется соединение волокон друг с другом. Основным недостатком многомодовых волокон является ограничение скорости передачи цифровой информации, вызванное явлением дисперсии, которая проявляется в искажении формы прямоугольных импульсов. Предельная скорость передачи информации по ним составляет 20 Мбит/с. Зато по одномодовым оптическим волокнам можно передавать информацию со скоростью 100 Гбит/с.

Для того, чтобы реализовать  достоинства многомодовых волокон  и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, предложено оптические волокна делать не ступенчатыми, а градиентными – с плавным изменением показателя преломления сердечника от одного края до другого. Такое техническое решение позволяет выровнять время хода различных лучей и уменьшить дисперсию («размывание») световых импульсов. Скорость передачи по градиентным волокнам возрастает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т.е. до 2 Гбит/с.

Реальные конструкции  оптических кабелей состоят из большого числа оптических волокон. Оптические кабели связи имеют существенные преимущества по сравнению с кабелями других конструкций и волноводами:

· возможность передачи сигналов в широкой полосе частот;

· малое ослабление передаваемых сигналов;

· отсутствие в конструкции  дорогостоящих дефицитных материалов;

· малые диаметр и  масса;

· возможность прокладки  или подвески совместно с обычными проводными линиями, не опасаясь влияния последних на распространение сигналов по оптическому кабелю.

Недостатки волоконно-оптической технологии:

1. Необходимы оптические  коннекторы (соединители) с малыми  оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

2. Для монтажа оптических  волокон требуется дорогое технологическое  оборудование.

3. Как следствие, при  аварии (обрыве) оптического кабеля  затраты на восстановление выше, чем при работе с медными  кабелями

Оптическое волокно, как  среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают  

ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. Поэтому между  оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во-первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Во-вторых, вид энергетического  спектра, который должен иметь минимальное  содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В-третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом  устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В-четвертых, код не должен накладывать каких-либо ограничений  на передаваемое сообщение и должен обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В-пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления  ошибок. Основной величиной, характеризующей  качество связи, является частость появления  ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

 

Кроме вышеперечисленных  требований на выбор кода оказывает  влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая  стоимость оборудования линейного  тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для городской телефонной сети ИКМ-120-4/5 и ИКМ-480-5 для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, который позволяет выделять последовательность тактовых импульсов, контролировать величину ошибки. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух-трех, что положительно сказывается на устойчивости работы  ВОСП.

Особенностью данного  кода является сочетание простоты кодирования  и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью  узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.9). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ –1 – в кодовое слово 00, символ 0 - в 01. Из рис.9. видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух-трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00.

Рис. 9.  Принцип построения кода CMI из HDB-3

Функциональные элементы ВОСП

Источники оптического излучения, фотоприёмники ВОСП. Источники света  волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для  ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в  

которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например, СИД – светоизлучающий диод), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом  режиме с низким уровнем шума являются достоинствами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну  было внедрено в 1975 году. Основу передатчика  составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0,85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение – одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1,3 мкм. В 1982 году появилось третье поколение передатчиков – диодные лазеры, работающие на длине волны 1,55 мкм. Исследования продолжались, и вот 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  большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну.

Детекторы  ВОСП. Функция  детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило,  подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор (ФД) должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, ФД должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку