Федеральное агентство Российской Федерации по связи иинформатизации.
Государственное образовательное учреждение высшего профессиональногообразования.
«Сибирский государственный университеттелекоммуникаций и информатики».
Реферат по основам телекоммуникаций натему:
Волоконно-оптические системы передачи.
Выполнил: студент Iкурса, МРМ,Р-61, Кудрявец И.Г.
Проверил: Катунин Г.П.
Новосибирск – 2006
Содержание
1. Введение 2-6 стр.
2. Основная часть 7-20стр.
2.1 История развития линий связи 7-8 стр.
2.2 Конструкция и характеристика оптическихкабелей связи 9-11 стр.
2.2.1 Разновидности оптических кабелей связи 9 стр.
2.2.2 Оптическиеволокна и особенности их изготовления 10-11 стр.
2.2.3 Конструкции оптических кабелей 11-13 стр.
2.3 Основные требования к линиям связи 13-14 стр.
2.4 Достоинства и недостатки оптических кабелей 15-17 стр.
2.5 Направления развития и применения волоконной оптики 17-20 стр.
3. Вывод 20 стр.
4. Список литературы 21 стр.
Введение
Сегодня, как никогда ранее,регионы России нуждаются в связи, как вколичественном, так и в качественном плане. Руководители регионов в первуюочередь озабочены социальным аспектом этой проблемы, ведь телефон-это предметпервой необходимости. Связь влияет и на экономическое развитие региона, егоинвестиционную привлекательность. Вместе с тем операторы электросвязи, тратящиемассу сил и средств на поддержку дряхлеющей телефонной сети, все же изыскивают средства на развитиесвоих сетей, на цифровизацию, внедрениеоптоволоконных и беспроводных технологий.
Вданный момент времени сложилась ситуация, когда практически все крупнейшиероссийские ведомства проводят масштабнуюмодернизацию своих телекоммуникационных сетей.
Запоследний период развития в области связи, наибольшее распространение получилиоптические кабели (ОК) иволоконно-оптические системы передачи (ВОСП) которые по своим характеристикамнамного превосходят все традиционные кабели системы связи. Связь поволоконно-оптическим кабелям, являетсяодним из главных направлений научно-технического прогресса. Оптические системыи кабели используются не только для организации телефонной городской и междугородней связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонирования,радиовещания, вычислительной техники,технологической связи и т.д.
Применяя волоконно-оптическую связь, резко увеличивается объем передаваемой информации по сравнению с такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные линии, это объясняется тем, что волоконно-оптические системы передачи имеют более широкую полосу пропускания.
Для любой системы связи важное значение имеют три фактора:
— информационная емкость системы, выраженная в числе каналов связи, или скорость передачи информации, выраженная в бит в секунду;
— затухание, определяющее максимальную длину участка регенерации;
— стойкость к воздействию окружающей среды;
Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора — лазера.Слово лазер составлено из первых букв фразы Light Amplification by Emission of Radiation — усиление света с помощью индуцированного излучения.Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передачи по кабелям используются частоты — мегагерцы,
а по волноводам — гигагерцы, то для лазерных систем используется видимый и инфракрасный спектроптического диапазона волн (сотни гигагерцы).
Направляющей системой для волоконно-оптических систем связи являются диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных размеров и метода получения. В то время когда был получен первый световод, затухание составляло порядка 1000 дб/км это объяснялось потерями из-за различных примесей присутствующих в волокне. В 1970 г. были созданы волоконные световоды с затуханием 20 дб/км. Сердечник этого световода был изготовлен из кварца с добавкой титана для увеличения коэффициента преломления, а оболочкой служил чистый кварц. В 1974г. затухание было снижено до 4 дб/км, а в 1979г. Получены световоды с затуханием 0,2дб/км на длине волны 1,55мкм.
Успехи в технологии получения световодов с малыми потерями стимулировали работы по созданию волоконно-оптических линий связи.
Волоконно-оптические линии связи по сравнению с обычными кабельными линиями имеют следующие преимущества:
— Высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель.
— Значительно большая широкополосность.
— Малая масса и габаритные размеры. Что уменьшает стоимость и время прокладки оптического кабеля.
— Полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника. Можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования.
— Отсутствие коротких замыканий,вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон без боязни коротких замыканий,являющихся причиной пожара в зонах с горючими и легковоспламеняющимися средами.
— Потенциально низкая стоимость. Хотя волоконные световоды изготавливаются из ультра чистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость не велика. Кроме того, в производстве световодов не используются такие дорогостоящие металлы, как медь и свинец, запасы которых на Земле ограничены. Стоимость же электрических линий коаксиальных кабелей и волноводов постоянно увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат на производство меди иалюминия.
В мире вырос огромный прогресс в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В настоящее время волоконно-оптические кабели и системы передачи для них, выпускаются многими странами мира.
Особое внимание у нас и за рубежом уделяется созданию и внедрению одномодовых систем передачи по оптическим кабелям, которые рассматриваются как наиболее перспективное направление развития техники связи. Достоинством одномодовых систем является возможность передачи большого потока информации на требуемые расстояния при больших длинах регенерационных участков. Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии на большое число каналов с длиной регенерационного участка 100...150 км. Последнее время в США ежегодно изготовляется по 1,6 млн. Км. оптических волокон, причем 80% из них- в одномодовом варианте.
Получили широкое применение современные отечественные волоконно-оптические кабели второго поколения, выпуск которых освоен отечественной кабельной промышленностью к ним, относятся кабели типа:
ОКК — для городских телефонных сетей;
ОКЗ — для внутризоновых;
ОКЛ — для магистральных сетей связи;
Волоконно-оптические системы передачи применяются на всех участках первичной сети ВСС для магистральной, зоновой и местной связи. Требования,которые предъявляются к таким системам передачи, отличаются числом каналов, параметрами и технико-экономическими показателями.
На магистральной и зоновых сетях применяются цифровые волоконно-оптические системы передачи, на местных сетях для организации соединительных линий между АТС также применяютсяцифровые волоконно-оптические системы передачи, а на абонентском участке сети могут использоваться как аналоговые (например, для организации канала телевидения),так и цифровые системы передачи.
Максимальная протяженность линейных трактов магистральных систем передачи составляет 12500 км.При средней длине порядка 500 км. Максимальная протяженность линейных трактов систем передачи внутризоновой первичной сети может быть не более 600 км. При средней длине 200 км. Предельная протяженность городских соединительных линий для различных систем передачи составляет 80...100 км.
Учеловека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен — это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об окружающем его мирев 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря уже об осязании, обоняниии вкусе.
Далее человек заметил ”посторонний источник света” — солнце. Он
использовал огонь, а затемразличные виды искусственных световых источников для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световойисточник, так и процесс модуляции света. 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: преобразованиеоптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.
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 звеноцепи.
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.
История развития линий связи
Линиисвязи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линиисвязи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелейподземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Перваявоздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом иВаршавой. В начале 70-х годов прошлого столетия была построена воздушнаятелеграфная линия от Петербурга до Владивостока длиной около 10 тыс. км. В 1939 г. была пущена вэксплуатацию величайшая в мире по протяженности высокочастотная телефоннаямагистраль Москва—Хабаровск длиной 8300 км.
Создание первых кабельных линий связано с именемрусского ученого П. Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировалвзрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированныйпроводник.
В 1851 г. одновременно с постройкой железной дороги междуМосквой и Петербургом был проложен телеграфный кабель, изолированныйгуттаперчей. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двинуи в 1879 г.через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в стройкабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США,
В 1882—1884 гг. в Москве, Петрограде, Риге, Одессебыли построены первые в России городские телефонные сети. В 90-х годах прошлогостолетия на городских телефонных сетях Москвы и Петрограда были подвешеныпервые кабели, насчитывающие до 54 жил. В 1901 г. началась постройкаподземной городской телефонной сети.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началуXX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния.Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажнойизоляцией жил и парной их скруткой. В 1900—1902 гг. была сделана успешнаяпопытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличенияиндуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложениеПупина), а также применения токопроводящих жил сферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа). Такиеспособы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефоннойсвязи в несколько раз.
Важным этапом в развитии техники связи явилосьизобретение, а начиная с 1912—1913 гг. освоение производства электронных ламп.В 1917 г.В. И. Коваленковым был разработан и испытан на линии телефонный усилитель наэлектронных лампах. В 1923 г.была осуществлена телефонная связь с усилителями на линииХарьков—Москва—Петроград.
В 30-х годах началось развитие многоканальных системпередачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот иувеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей,так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появленияновых высококачественных диэлектриков типа эскапона,высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса ит. д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до несколькихмиллионов герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программна большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧтелефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям,проложенным в 1856 г.,организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооруженаподводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальнойтелефонной связи.
В 1965—1967 гг. появились опытные волноводные линиисвязи для передачи широкополосной информации, а также криогенныесверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулисьработы по созданию световодов и оптических кабелей,использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.
Создание волоконного световодаи получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающуюроль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов былиразработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи.Основные сферы применения таких систем — телефонная сеть, кабельноетелевидение, внутри объектовая связь, вычислительная техника, система контроляи управления технологическими процессами и т. д.
В России и других странах проложены городские имеждугородные волоконно-оптические линии связи. Им отводится ведущее место внаучно-техническом прогрессе отрасли связи.
Конструкцияи характеристика оптических кабелей связи
Разновидности оптических кабелей связи
Оптическийкабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон изкварцевого стекла (световодов), заключенных в общуюзащитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые(упрочняющие) и демпфирующие элементы.
Существующие ОК по своему назначениюмогут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновыеи городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажныеОК.
МагистральныеОК предназначаются для передачиинформации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должныобладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускнойспособностью. Используется одномодовое волокно сразмерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.
Зоновые ОК служатдля организации многоканальной связи между областным центром и районами сдальностью связи до 250 км.Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.
ГородскиеОК применяются в качестве соединительныхмежду городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до|10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные(50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают безпромежуточных линейных регенераторов.
ПодводныеОК предназначаются для осуществлениясвязи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механическойпрочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводнойсвязи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационныхучастков.
ОбъектовыеОК служат для передачи информации внутриобъекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сетькабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижныхобъектов (самолет, корабль и др.).
МонтажныеОК используются для внутри- и межблочногомонтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
Оптические волокна и особенности их изготовления
Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокнацилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) • 1014Гц.
Световодимеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевиныи оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина служит для передачиэлектромагнитной энергии. Назначение оболочки — создание лучших условийотражения на границе “сердцевина — оболочка” и защита от помех из окружающегопространства.
Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, аоболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называетсякварц—кварц, а второе кварц—полимер (кремнеор-ганическийкомпаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдаетсяпервому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показательпреломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк,плотность 2203 кг/м3.
Снаружисветовода располагается защитное покрытие дляпредохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитноепокрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганическийкомпаунд (СИЭЛ), а затем—эпоксидакрылат, фторопласт,нейлон, полиэтилен или лак. Общий диаметр волокна 500...800 мкм
Всуществующих конструкциях ОК применяются световодытрех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным(параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм)
Почастотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими— ступенчатые.
Важнейшая проблемаоптической связи — создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качествеисходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло, котороеявляется хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, какправило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких какметаллы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Этипримеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения ирассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимоизбавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.
В настоящее время наиболее распространен методсоздания ОВ с малыми потерями путем химического осаждения из газовой фазы.
Получение ОВ путем химического осаждения из газовойфазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка ииз нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом
Вовнутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0,5...2 м идиаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода. Врезультате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) навнутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц. Таким образом,заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра. Чтобыликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура(1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовкапревращается в сплошную цилиндрическую заготовку. Чистый осажденный кварц затемстановится сердечником ОВ с показателем преломления, а сама трубка выполняет роль оболочки с показателем преломления. Вытяжка волокна из заготовки и намоткаего на приемный барабан производятся при температуре размягчения стекла(1800...2200° С). Из заготовки длиной в 1 м получается свыше 1 км оптического волокна.
Достоинством данногоспособа является не только получение ОВ с сердечником из химически чистогокварца, но и возможность создания градиентных волокон с заданным профилемпоказателя преломления. Это осуществляется: за счет применения легированногокварца с присадкой титана, германия, бора, фосфора или других реагентов. Взависимости от применяемой присадки показатель преломления волокна можетизменяться. Так, германий увеличивает, а бор уменьшает показатель преломления.Подбирая рецептуру легированного кварца и соблюдая определенный объем присадкив осаждаемых на внутренней поверхности трубки слоях, можно обеспечить требуемыйхарактер изменения по сечению сердечника волокна.
Конструкции оптическихкабелей
КонструкцииОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этимимеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странахразрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.
Однако всемногообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы
1. кабели повивной концентрической скрутки
2. кабели с фигурнымсердечником
3. плоские кабелиленточного типа.
Кабелипервой группы имеют традиционную повивнуюконцентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями.Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шестьволокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12,19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуямодули.
Кабеливторой группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, вкоторых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются погеликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такиекабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабельбольшой емкости, то применяется несколько первичных модулей.
Кабельленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которыевмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель можетсодержать 144 волокна.
Воптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующиеэлементы:
· силовые(упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;
· заполнители ввиде сплошных пластмассовых нитей;
· армирующиеэлеме