Дипломная (вкр): Проектирование магистральной волоконно-оптической линии связи

Проектирование магистральной волоконно-оптической линии связи

Аннотация

Дипломный проект посвящен вопросу проектирования магистральной волоконно-оптической линии связи.

Разработана методика проектирования магистральной ВОЛС, на ее основе произведен расчет магистрали Уфа - Самара. Проведены выбор и обоснование аппаратуры, экспериментально исследованы основные параметры проектируемой системы передачи.

Введение

В последнее время одним из наиболее перспективных и развивающихся направлений построения сетей связи в мире являются волоконно-оптические линии связи (далее - ВОЛС). В области систем передачи информации с большой информационной емкостью и высокой надежностью работы ВОЛС не имеют конкурентов. Это объясняется тем, что они значительно превосходят проводные по таким показателям, как пропускная способность, длина регенерационного участка, а также помехозащищенность.

В состав первичной сети цифровых систем передачи данных входит среда передачи сигналов и аппаратура систем передачи. Современная цифровая первичная сеть может строиться на основе трех технологий: PDH, SDH и ATM. Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней иерархии стандартной пропускной способности (ниже), регенераторов, восстанавливающих цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов первичной сети. Первичная сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Цикловая структура сигнала используется для синхронизации, процессов мультиплексирования и демультиплексирования между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также для контроля блоковых ошибок. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический сигнал, передаваемый затем по среде передачи. Тип модуляции зависит от используемой аппаратуры и среды передачи. Внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода. Современная цифровая первичная сеть строится на основе трех основных технологий: плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM). Из перечисленных технологий только первые две в настоящее время могут рассматриваться как основа построения цифровой первичной сети.

Многоканальные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) широко используются на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это тем, что ОВ обладает очень широкой полосой пропускания. Особенно эффективны и экономичны подводные солитонные оптические магистрали.

Целью данного дипломного проекта является проектирование линии связи на основе волоконно-оптических кабелей. В связи с чем особое внимание уделено строительству волоконно-оптической линии связи.

. Общая часть

.1 Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - линии оптической связи, в которых передача информации осуществляется с помощью волоконно-оптических элементов. ВОЛС состоит из передающего и приёмного оптических модулей, волоконно-оптических кабелей и волоконно-оптических соединителей. Оптическое волокно - самая совершенная среда для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, - широко распространённого и недорогого материала, в отличие от меди, используемой в обычных проводах. Оптическое волокно очень компактное и лёгкое, его диаметр всего около 100 мкм. Волоконные световоды представляют собой волоконно-оптические жгуты, склеенные или спечённые у концов, защищённые непрозрачной оболочкой и имеющие торцы с полированной поверхностью. Стеклянное волокно - диэлектрик, поэтому при строительстве волоконно-оптических систем связи отдельные оптические волокна не нуждаются в изоляции друг от друга. Долговечность оптического волокна - до 25 лет.

При создании волоконно-оптических линий связи необходимы высоконадёжные электронные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы, а также оптические соединители с малыми оптическими потерями. Поэтому для монтажа таких линий требуется дорогостоящее оборудование. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько велики, что, несмотря на перечисленные недостатки оптических волокон, эти линии связи всё шире используются для передачи информации. Скорость передачи данных может быть увеличена за счёт передачи информации сразу в двух направлениях, т.к. световые волны могут распространяться в одном оптическом волокне независимо друг от друга. Это даёт возможность удвоить пропускную способность оптического канала связи. Волоконно-оптические линии связи устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. К таким линиям связи невозможно подключиться без нарушения целостности линии.

.2 Элементы ВОЛС

ВОЛС состоит из пассивных и активных элементов.

) Активные компоненты:

мультиплексор/Демультиплексер;

регенератор;

усилитель;

лазер;

модулятор;

фотоприёмник (Фотодиод).

) Пассивные элементы:

оптический кабель;

оптическая муфта;

оптический кросс.

.2.1 Оптический кабель

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель - это принципиально иной тип кабеля по сравнению с другими типами электрических или медных кабелей. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рисунок 1). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Рисунок 1 - Структура оптоволоконного кабеля

В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей). Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д. Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. При передаче данных по оптоволокну, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Некорректная спецификация мощности сигнала приводит к увеличению коэффициента битовых ошибок при передаче; мощность слишком большая - и усилитель приемника «перенасыщается», слишком малая - и возникает проблема с шумами, поскольку они начинают мешает полезному сигналу. Вот два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче - затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

) многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

) одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Тип кабеля определят количество режимов распространения или «путей», по которым свет проходит внутри кабеля.

Рисунок 2 - Различия в физических параметрах одномодового и многомодовых оптических кабелей.

Многомодовый кабель (рисунок 2), наиболее часто используемый в небольших промышленных, бытовых и коммерческих проектах, имеет самый высокий коэффициент ослабления и работает только на коротких расстояниях. Более старый тип кабеля, 62,5/125 (эти цифры характеризуют внутренний/ внешний диаметры световода в мкм), часто называемый «OM1», имеет ограниченную пропускную способность и используется для передачи данных со скоростью до 200 Мбит/с. Недавно стали применять кабели 50/125 «OM2» и «OM3», предлагающие скорости 1Гбит/с на расстояниях до 500 м и 10 Гбит/с на до 300 м. Одномодовый кабель используется в высокоскоростных соединениях (выше 10 Гбит/с) или на длинных дистанциях (до 30 км). Для передачи аудио и видео наиболее целесообразным является применение кабелей «OM2».

В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида:

) Кабель внутренней прокладки:

При монтаже ВОЛС в закрытых помещениях обычно применяется Волоконно-оптический кабель с плотным буфером (для защиты от грызунов). Используется для построения СКС в качестве магистрального или горизонтального кабеля. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния. Идеально подходит для горизонтального каблирования.

) Кабель внешней прокладки:

Волоконно-оптический кабель с плотным буфером, бронированный стальной лентой, влагостойкий. Применяется для внешней прокладки при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания. Может прокладываться в кабельные каналы. Подходит для непосредственной укладки в грунт.

) Внешний самонесущий оптоволоконный кабель:

Волоконно-оптический кабель самонесущий, со стальным тросиком. Применяется для внешней прокладки на большие расстояния в рамках телефонных сетей. Поддерживает передачу сигналов кабельного телевидения, а также передачу данных. Подходит для прокладки в кабельной канализации и воздушной прокладки.

.2.2 Оптическая муфта

Важной деталью коммуникационных сетей на основе оптоволоконной связи является оптическая муфта - небольшой короб, внутри которого расположены инструменты, необходимые для защиты места сварки оптического волокна от повреждения. Кроме того, оптическая муфта позволяет вывести одно или несколько волокон из кабеля для того, чтобы подсоединить его к активному сетевому оборудованию. В большинстве случаев кабельная муфта комплектуется сплайс-кассетой, которая позволяет уложить кабель несколькими витками - это обеспечивает дополнительную защиту места сварки и также позволяет хранить небольшой технологический запас оптических волокон. Оптическая муфта может использоваться в помещении, зачастую рядом с патч-панелями. Также ее можно разместить вне помещений. Иногда возникает необходимость в сварке разбитого волокна или же в ответвлении нескольких волокон. В таких случаях кабельная муфта незаменима. Ее можно разместить на столбе - если кабель оптоволокна протягивался на опорах. При необходимости использования в общедоступных местах муфту рекомендуется прятать в антивандальный ящик. Имеются модели, которые можно спрятать в техническом кабельном колодце или небольшой вентиляционной шахте.

Кабельная муфта для оптического кабеля бывает нескольких видов. В зависимости от расположения отверстий для кабеля она бывает проходная и тупиковая. Первая предназначена для соединения кабелей в местах разрыва, для наращивания кабеля или разветвления его. Вторая подходит для использования в конце ветки, тут оптическая муфта облегчает соединение с различным активным оборудованием. Имеются также муфты с компактными размерами, предназначенные для установки в условиях острого недостатка пространства - их еще называют городскими. Кабельная муфта вне зависимости от области применения и конструкции, отличается высокой точностью исполнения деталей, прочностью и долговечностью узлов. От ее качеств во многом зависит стабильность соединения и долговечность сварки. В сравнении с другими способами соединения оптических волокон кабельная муфта обеспечивает небольшие потери сигнала, при качественной сварке замутненность волокна не сильно ухудшает качество сигнала. Оптическая муфта обеспечивает надежную защиту кабеля от механического воздействия - она позволяет выдерживать большие нагрузки на скручивание, растяжение, поскольку нагрузку берет на себя неповрежденный участок кабеля. Также это превосходный вариант для организации разветвлений магистрали.

1.2.3 Оптический кросс

Оптический кросс - это устройство, которое может быть представлено в разном форм-факторе - в панелях, стойках, коробках, оснащенных необходимыми элементами для концевой заделки, укладки и распределения оптических кабелей. Речь идет о пассивном компоненте волоконно-оптических линий связи, распределяющим и коммутирующим оптоволокно.

Оптический кросс предназначен для соединения волокон оптического кабеля с разъёмами стандартного вида волоконно-оптического оборудования. Реализация современной структурированной кабельной системы на базе волоконно-оптических линий связи невозможна без использования оптических кроссов.

Требования к качеству и функциональности кроссового оборудования диктует сама специфика оптического волокна. Хрупкие и достаточно уязвимые материалы нуждаются в надежной защите при монтаже и эксплуатации. Оптические кроссы, сделанные из высокопрочного пластика или металла с антикоррозийным покрытием, выступают тем самым защитным элементом, протектором, который обеспечивает сохранность оптоволокна, предотвращая физические повреждения и исключая негативное воздействие внешних факторов.

.2.4 Мультиплексор/Демультиплексер

Широкий класс устройств, предназначенных для объединения и разделения информационных каналов. Мультиплексоры и демультиплексоры могут работать как во временной, так и в частотной областях, могут быть электрическими и оптическими (для систем со спектральным уплотнением).

.2.5 Регенератор

Оптический регенератор (англ. optical regenerator) - компонент оптической системы связи, предназначенный для регенерации цифрового оптического сигнала.

В сетях дальней связи даже при использовании оптических усилителей, восстанавливающих амплитуду сигнала, накапливаются искажения формы и девиация относительной задержки сигналов (потеря синхронизации). Поэтому обычно требуется периодическая регенерация (от англ. regeneration - восстановление) для восстановления первоначальной формы и синхронизации сигналов. Полная регенерация (3R регенерация) предполагает выполнение трех восстанавливающих операций по отношению к сигналу: восстановление амплитуды (усиление), восстановление формы и восстановление синхронизации. В современных сетях связи эти три операции выполняются с использованием опто-электро-оптического (ОЕО) преобразования. Такие оптические регенераторы называются оптическими повторителями.