Проектирование линейного тракта волоконно-оптических систем передачи

 

     КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

     по  дисциплине Оптические напавляющие  среды и пассивные компоненты ВОЛС 

     ПРОЕКТИРОВАНИЕ  ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА

     ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 

     Введение 

     В современных сетях связи используются аналоговые и цифровые системы передачи (СП) с тенденцией постепенного перехода к применению только цифровых систем. Однако предстоит длительный период сосуществования на сетях связи аналоговых и цифровых систем, когда большое число соединений будет устанавливаться с использованием обоих технологий. Для обеспечения в этих условиях заданных характеристик каналов и трактов, гарантирующих высокое качество передачи информации, принципы проектирования цифровых и аналоговых систем передачи должны быть совместимы.

     Высокая стоимость линий связи обуславливает  разработку систем и методов, позволяющих  одновременно передавать по одной линии  связи большое число независимых  сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы связи называют многоканальными. Связь, осуществляемую с помощью этих систем, принято называть многоканальной. Практически все современные системы связи за редким исключением являются многоканальными. Волоконно-оптическими (ВОСП) называют системы передачи, использующие в качестве среды распространения сигнала оптическое волокно.

     Первоначально развитие ВОСП шло в направлении  создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического  излучения) и оборудования данными элементами каналообразующего оборудования ЦСП ПЦИ. Развитие ЦСП и оптоэлектроники для применения в ЦСП шло, фактически, независимо. В качестве примера систем, построенных по такому принципу, можно привести ВОСП отечественного производства "Соната-2", "Сопка-2" и ИКМ-120-4/5 со скоростью передачи 8 Мбит/с; "Сопка-3", ИКМ-480-5 со скоростью передачи 34 Мбит/с; "Сопка-4М", "Сопка-5" со скоростью передачи 140 Мбит/с. Основным преимуществом ВОСП по сравнению с ЦСП, работающими по металлическому кабелю, явилось значительное увеличение длины участка регенерации (до нескольких десятков км).

     Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями  и широкополосностью, стабильностью  и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках.

     Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и для любой кабельной  системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что носителем информации является поток фотонов.

     Волоконно-оптические технологии (ВОТ) и их особенности. Среди особенностей ВОТ выделяются следующие:

• Сверхвысокая пропускная способность, обусловленная работой в оптическом диапазоне радиоволн. По одному ОВ можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12-13 бит/с, что эквивалентно 15 млн. одновременных телефонных разговоров цифрового качества. На сегодняшний день полоса пропускания оптоволокна превышает все потребности существующих сетевых приложений.
• Малое затухание сигнала, значения которого составляют 0.2-0.25 дб/км на длине волны 1.55 мкм. В зависимости от скорости передачи это позволяет создавать линии с регенерационными участками более 100 км.
• Невосприимчивость к электромагнитным помехам и высокая степень защищенности от прослушивания.
• Малый вес и габариты кабелей (малый диаметр оптического волокна, малая удельная масса кварца, отсутствие экранов), легкость и компактность источников и приемников
• ОВ, применяемые в связи на длинные и средние дистанции, в основном состоят из материала широко распространенного в природе, а потому более дешевого, чем медь.
• ОВ обладают гальванической развязкой и большим сроком службы (25 лет и более при качественном изготовлении и прокладке кабелей)

     Однако  любое оптическое волокно обладает и рядом недостатков, такими как  хрупкость, высокие требования при  монтаже коннекторов. Важнейшими характеристиками ОВ являются затухание и дисперсия. Затухание в оптическом волокне  связано с собственными потерями волокна и так называемыми кабельными потерями, обусловленными деформациями в процессе изготовления. Составляющими собственных потерь ОВ являются: потери на поглощение в стекле и на примесях; потери рассеяния на микронеоднородностях материала и тепловых флуктуациях показателя преломления; рэлеевские потери;

     Оптическое  волокно бывает следующих типов:

• Многомодовое градиентное (GI – Gradient Index);
• Одномодовое ОВ (SM – single mode 1.31 мкм);
• Одномодовое со смещенной дисперсией (DS – Dispersion Shifted 1.55 мкм). К этому же семейству принадлежат одномодовые ОВ со сглаженной дисперсией (DF – Dispersion Flatted 1.3 и 1.55 мкм) и одномодовые со смещенной, но не нулевой дисперсией (NZDS – None Zero Dispersion Shifted);
• “Активные” ОВ (ED – Еrbium Doped). Волокна этого типа используются в оптических усилителях;
• Пластиковые ОВ (POF); Основными факторами, влияющими на надежность и долговечность ОВ являются влага, механические деформации, водород, остаточные деформации.

     Типы  соединений

• Разъемные:

     Механические соединители.

     Действие  механических соединителей основано на юстировке ОВ по общей V-образной канавке  выполняемой часто из мягкого  эластичного материала. Реальные конструкции  содержат иммерсионную жидкость для  улучшения согласования. Указанные  выше устройства являются условно разъемными и рекомендуются к применению на объектах, при аварийно-восстановительных работах, а также для измерения неоконцованых линий.

     Разъемы.  
В разъемных соединениях используется принцип перехода от задачи юстировки тонких сердцевин к более простой задаче юстировки наконечников (ferrule) имеющих “макро размеры” (обычно 2.499 мм в диаметре).  
Соединение состоит из двух собственно разъемов или коннекторов сидящих на стыкуемых ОВ и проходной розетки. Основной частью оптических разъемов является прецизионный наконечник, выполняемый обычно из циркониевой керамики. По оси наконечника располагается капилляр под зачищенное ОВ (125 мкм). Наконечники юстируются при помощи разрезных керамических или бронзовых втулок составляющих основу проходной розетки.

     Основными типами применяемых сегодня коннекторов  являются SC, ST и FC, ST (straight tip connector или stick and twist) – разработан компанией АТ&Т  в середине 80х и используется в основном в локальных сетях  и на ММ ОВ. Отличается фиксацией  типа BNC и простотой конструкции.  
SC (stick and click) – разъем широко применяется в США и имеет пластиковый корпус прямоугольного сечения с фиксацией push-pull (защелка). Отличается большой плотностью соединений и простотой фиксации.

     FC – изобретен NTT , и отличается резьбовой фиксацией с помощью накидной гайки и высокой степенью надежности. Часто можно встретить аббревиатуру PC следующую за типом разъема. Сокращение означает physical или positive contact и относится к наконечникам со слабо выпуклым (R=25 мм) торцом. Когда два таких разъема давят друг на друга в розетке, обеспечивается лучший контакт и меньшее отражение.

• Неразъемные:

     Сварные . Сварка представляет собой наиболее надежное соединение с точки зрения температурной, временной и механической стабильности затухания. Характеризуется очень низким обратным отражением (лучше –60 дб в широком температурном диапазоне). Соединение производится электрической дугой с помощью сварочных аппаратов, которые относительно недавно стали компактными, высокопроизводительными (длительность процесса 20-30 секунд) и высокоточными (с точки зрения механики). Составляющие процесса сварки: оплавление предварительно сколотых ОВ, предотвращающее возможное появление пузырей, юстировка и собственно разряд. Контроль процесса и юстировка могут осуществляться либо визуально, с помощью микроскопа (обычно в ручных сварках) либо с помощью боковой подсветки и непосредственного непрерывного наблюдения сердцевины (автоматы и полуавтоматы). В современных автоматических сварочных аппаратах фокусировка, обработка изображения с камеры, оценка качества торца, управление моторами подвижек и зеркал – все находится под контролем микропроцессора. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Исходные данные 

     Вариант №4

1. длина тракта передачи L=300 км;
2. число необходимых каналов N=300;
3. допуск на температурные изменения параметров ВОСП DT=30 ⁰С;
4. схема температурной компенсации (СТК) в блоке передачи не присутствует;
5. ширина полосы оптического излучения источника Dl=0,2 нм;
6. квантовая эффективность фотодиода h=0,75;
7. полная емкость цепи фотодиода С=10 пФ;
8. коэффициент шума усилителя ПРОМ F_ш=8;
9. расчетная температура ПРОМ в градусах Кельвина = 283 К;
10. коэффициент лавинного умножения фотодиода М=25;
11. быстродействие ПОМ t_пер=4 нс;
12. быстродействие ПРОМ t_пр=1 нс.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Выбор аппаратуры ВОСП 

     Выбор аппаратуры волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) для проектируемой волоконно-оптической системы передачи произведем в соответствии с исходными данными. Так как длина проектируемой ВОЛС составляет 300 км, а число необходимых каналов равно 300, то наиболее оптимальным вариантом является аппаратура “Сопка-3М”(число стандартных каналов ТЧ составляет 480). Система передачи «Сопка-3М» обеспечивает передачу третичного цифрового потока (34,368 Мбит/с), работает в диапазоне волны 1,55 мкм с использованием одномодовых ОВ.

     Комплекс  аппаратуры «Сопка-3М» представляет собой  второе поколение аппаратуры третичной  ЦСП. В диапазоне оптических длин волн 1,55 мкм передача сигналов по ОК с одномодовыми ОВ осуществляется с  меньшими потерями и дисперсионными искажениями , чем по ОК с градиентными ОВ на длинах волн 1,3 мкм.

     Принцип работы аппаратуры линейного тракта систем передачи «Сопка-3М» представлен  на рис.1. Аппаратура содержит: стандартное каналообразующее оборудование(стойки СВВГ,САЦО,СТВГ); стойку оборудования линейного тракта (СОЛТ-О) для передачи вторичного и третичного цифровых потоков со скоростями 8,448 и 34,368 Мбит/с; стойку телемеханики и служебной связи (СТМСС); оборудование линейного тракта, устанавливаемое в НРП; стойку дистанционного питания (СДП-О); специализированную контрольно-измерительную аппаратуру; комплект инструментов и приспособлений для монтажа ОК. Трехуровневый сигнал в коде HDB-3 по станционному электрическому кабелю поступает от оборудования временного группообразования на вход стойки СОЛТ-О, где происходит его преобразование в двухуровневый сигнал с линейным кодом 2В4В при одновременном увеличении скорости. Сигналы СТМСС объединяются с информационным сигналом передающей части стойки СОЛТ-О методом ЧРК и передаются нижней части спектра линейного сигнала. Объединенный электрический сигнал поступает на вход платы передачи (ПП), на которой установлен ЛД. С выхода ЛД оптический сигнал передается в оптический станционный кабель, который в устройстве соединения станционного и линейного кабеля(УССЛК) состыкован с линейным кабелем. На стойке СОЛТ_О противоположного оконечного пункта происходит обратное преобразование.

     Стойки  телемеханики и служебной связи  предназначена для сбора и  отображения информации о положении  датчиков на контролируемых ОП, ОРП, НРП по двум ОВ в цифровом виде в низкочастотной части спектра совместно с информационным сигналом, с также для организации оперативной телефонной связи между ОП, ОРП и НРП по двум ОВ совместно с информационным сигналом. Одна стойка обслуживает два линейных тракта при установке на ОП и четыре при установке на ОРП.

     Комплект  блоков НРП обеспечивает передачу по каждой паре ОВ цифровых сигналов совместно  с сигналами СС и ТМ. Оптический сигнал поступает на оптический линейный регенератор (РЛ-О), в котором производится оптоэлектронное преобразование, после чего сигнал усиливается, из него выделяются низкочастотные сигналы ТМ и СС, которое подаются соответственно в блоки телемеханики и сервисного обслуживания (БТМ-О и БССС-О). Информационный сигнал поступает на видеорегенератор, где восстанавливается по амплитуде и временному положению и объединяется с сервисными сигналами ТМ и СС. Объединенный сигнал преобразуется в оптический с помощью ЛД и излучается в ОВ ОК.