Проектирование цифровой первичной сети связи

 

NА = sin φa = √n12-n22 (11)

 

Подставляя значения показателей преломления в формулу (11) определяем:

 

NА = √1,4932 - 1,4902 = 0,1

 

Так как NA < 0,2, то необходимо использовать низкотемпературные волокна.

4. Нормированная или характеристическая частота

Является важнейшим обобщенным параметром волоконного световода, используемым для оценки его свойств. Это частота, при которой процесс передачи энергии по световоду прекращается и только одна одномодовая волна НЕ11 не имеет критической частоты, для нее нормированная частота находится по формуле:

 

V = 2 Ч π Ч d Ч NA / λ (12)

 

Где d - диаметр оптического волокна

NA - числовая апертура

λ - рабочая длина волны

Подставляя расчетные данные в формулу (12) определим значение нормированной частоты:

 

V = 2 Ч 3,14 Ч 5 Ч 0,1/1,55 = 2,02

 

5) Критическая частота

При определенной длине волны наступает такой режим, когда луч падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны и энергия вдоль световода не переносится.

Это соответствует случаю критической длины волны λкр и критической частоты fкр.

Тогда критическая частота определяется по формуле:

 

fкр = 2,405с / (π Ч d Ч NA) (13)

 

где с - скорость света

Подставляя исходные значения в формулу (13) получаем:

 

fкр = 2,405 Ч 3 Ч 108/ З,14 Ч 10 Ч 10-6 Ч 0,1 = 2,3 Ч 1014 Гц

 

При частоте выше критической вся энергия поля концентрируется внутри сердечника световода и эффективно распространяется вдоль нее. Ниже критической частоты энергия рассеивается в окружающем пространстве и не передается по световоду.

6. Критическая длина волны

Данный параметр можно рассчитать по следующей формуле:

 

λкр = π Ч d Ч NA / (2,405 ∙ n1) (14)

 

Подставив необходимые значения в формулу (14), определяем критическую длину волны:

 

λкр = З,14 Ч 10 Ч 10-6 Ч 0,1/ (2,405 Ч 1,493) =1,51мкм.

 

Таким образом, в световоде могут распространяться лишь волны длиной, меньше, чем λкр = 1,51 мкм.

7) Коэффициент затухания

Ослабление световодных трактов волоконно-оптических кабелей (α) обусловлено собственными потерями в волоконных световодах (αс) и дополнительными потерями, обусловленными деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (αк).

Собственные потери (αс) волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (αп) и потерь рассеяния (αр). Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (αпр) могут быть значительными.

Дополнительные потери в оптических кабелях обусловлены деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля, скруткой, изгибами волокон и технологическими неоднородностями в процессе изготовления волокна.

Их классифицируют по следующим составляющим:

А) α 1 - вследствие микроизгибов;

Б) α2 - вследствие макроизгибов оптического волокна и других нарушений прямолинейности;

В) α3 - за счет потерь в защитной оболочке;

Г) α4 - вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля

Собственные потери можно определить по формуле:

 

αс= αп + αр (15)

 

где αп - потери на поглощение, αр - потери на рассеяние

Соответственно потери на поглощение и потери на рассеяние можно определить по формулам:

 

αп= 4,34 Ч π Ч n1 Ч tgδ / λ (15.1)

αр = Кр/ λ4 (15.2)

 

где Кр - коэффициент рассеяния в кварце

tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь световода10-12

Подставив исходные значения в формулу (15.1), определяем:

 

αп = 4,34 Ч 3,14 Ч 1,493 Ч 10-12/ (1,55 Ч 10-9) = 0,0125 (дБ/км)

 

Подставив исходные значения в формулу (15.2), определяем:

 

αр = 1,25/ 1,554 = 0,2166 дБ/км.

 

В итоге подставив полученные значения в формулу (15) получаем:

 

α = 0,0125 + 0,2166 = 0,2291 дБ/км

 

8) Дисперсия

Под дисперсией понимается увеличение длительности импульса оптического излучения при распространении его по оптическому волокну. Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и существование большого количества мод.

Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) τхр, она состоит из двух составляющих - материальной τм и волноводной (внутримодовой) τв дисперсий. Причина хроматической дисперсии - некогерентность источника излучения. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) τмод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечении световода на расстоянии от начала в 1 км, может быть рассчитано по формуле:

 

τрез = √τмод2 + τхр2 =√ τмод2 + (τ +τ) 2 (16)

 

В одномодовых оптических волокнах модовая дисперсия отсутствует, поэтому формула (16) примет вид:

 

τрез = √ (τ +τ) 2 (16.0)

 

Результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией, которая в свою очередь состоит из внутримодовой (волновой) и материальной дисперсий, которые соответственно определяются по формулам:

 

τв = Δλ Ч В (λ) пс/км (16.1)

τм = Δλ Ч М (λ) пс/км (16.2)

 

где В (1,55 мкм) = 12 пс/ (нм км); М (1,55 мкм) = - 18 пс/ (нм км) Δλ = 2,5 нм;

Подставив исходные значения в формулу (16.1), определяем:

 

τ в = 2,5 Ч 12 =30 (пс/км)

 

Подставив исходные значения в формулу (16.2), определяем:

 

τм = 2,5 Ч (-18) = - 45 (пс/км)

 

Подставив полученные значения в формулу (16.0), определяем результирующее значение дисперсии:

 

τрез =√ (30+ (-45)) 2 = 15 (пс/км)

 

9) Максимальная ширина полосы пропускания (ΔF)

Она определяет объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю. Ограничение ЛЕ применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Полоса частот связана с дисперсией соотношением:

 

ΔF = 0,44/τ рез (17)

 

Подставив исходные значения в формулу (17) определяем ширину полосы пропускания:

 

ΔF = 0,44/ (15 Ч 1012) = 29,33 (ГГц Ч км)

 

10) Границы изменения фазовой скорости

Данный параметр необходимо рассчитывать как для сердцевины, так и для оболочки оптического волокна, этот параметр определяется по формуле:

 

V = с/n (18)

 

Подставляя исходные значения показателей преломления в формулу (18), определяем границы изменения фазовой скорости моды в волокне:

 

с/n1 = 3 ∙ 105/1,493 = 201342 (км/с), с/n2 = 3 ∙ 105/1,490 = 202702 (км/с)

 

Учитывая рассчитанные параметры оптического кабеля, имеем магистральный оптический кабель ЭКБ-ДПС-Н-36Е6 ТУ 3587-006-001-450.2-99.

 

6. Расчет длины регенерационного участка

 

По мере распространения оптического сигнала по линии происходит снижение уровня мощности и увеличение дисперсии его составляющих во времени. Определение длины регенерационного участка ВОЛС производится на основе заданного качества связи и пропускной способности линии после того, как выбраны типовая система передачи

(SТМ-1) и оптический кабель (ЭКБ-ДПС-Н-36Е6).

Качество связи в первом приближении определяется уровнем флуктуационных шумов на выходе фотоприемника и межсимвольной интеРКеренцией, то есть перекрытием импульсов при их уширении. С ростом длины линии уширение импульсов увеличивается и вероятность ошибки возрастает. Таким образом, длина регенерационного участка lр ограничивается либо ослаблением, либо уширением импульса в линии для безискаженного приема сигналов достаточно выполнить требование:

 

Lв= 0,44/ (τрез Ч Fт) (19)

 

где Fт - тактовая частота (скорость передачи линейного сигнала для ВОСП SТМ - 1, равная 155,520 Мбит/с)

Подставив заданные значения в формулу (19), определяем

 

Lв = 0,44/ (15 Ч 1012 Ч 155,52 Ч 106) = 188,6 км.

 

Длину регенерационного участка, определяемого затуханием линии, можно определить по следующей формуле:

 

Lpmax< (Amax - 2 Ч aps - M) / (α + aнс/lстр) (19.1)

Lpmin> Аmin / (α + aнс/lстр) (19.2)

 

где Аmax, Аmin (дБ) - максимальное и минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛС, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более чем 1∙10 - 10

α (дБ/км) - километрическое затухание в оптическом волокне кабеля.

aнс (дБ) - среднее значение затухания на стыке между строительными длинами на участке регенерации.

aрс (дБ) - затухание разъемного оптического соединителя.

lстр (км) - среднее значение строительной длины.

Подставив числовые значения в формулы (19.1) и (19.2) получаем соответственно:

 

Lpmax = (39 - 2 ∙ 0,5 - 7) / (0,23 + 0,1/2) =32/0,28= 111 (км)

Lpmin = 7 / (0,23 + 0,1/2) = 7/0,28 = 28 (км)

 

Рассчитанную длину регенерационного участка будем учитывать при распределении НРП и ОУП на трассе А - Б Рассмотрим размещение НРП и ОУП на трассе.

На рисунке 2 изображена структурная схема данной линии связи.

 

Рисунок 2 - Структурная схема линии связи

 

7. Структурная схема организации связи

 

В наше время при организации связи по ВОЛС предпочтение отдается сетям SDH. В данном проекте в качестве системы передачи мы используем, как уже отмечалось, ВОСП SТМ-1. Эта аппаратура обеспечивает существенно большую длину регенерационного участка, что позволяет реализовать высокие показатели качества работы системы и её надежность за счет сокращения числа промежуточных пунктов.

Оптический линейный тракт состоит из станционного оборудования, оконечных пунктов, оборудования промежуточных обслуживаемых и необслуживаемых пунктов.

Станционное оборудование оконечных пунктов содержит стойки окончания линейного тракта; стойки телемеханики и служебной связи; аппаратуру отображения и документирования служебной информации; станционные кабели; контрольно-измерительную аппаратуру; комплекс специализированного инструмента для монтажа одномодового кабеля в полевых условиях.

Оборудование НРП содержит: блоки линейных регенераторов; блоки телемеханики и служебной связи; блоки выделения резервного канала для спецпотребления; блоки вторичного электропитания; вводно-кабельные оптические устройства; контейнер группового типа для размещения оборудования НРП для двух систем передачи.

Характеристики волоконно оптической системы передачи на базе модуля SТМ - 1 представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Характеристики ВОСП STM - 1

Наименование характеристики	Значение характеристики	Единицы измерения	Используемое оборудование
Число стандартных телефонных каналов	1920	шт	ИКМ - 480
Скорость передачи информационных сигналов	155,520	Мбит/с	ИКМ - 480
Длина волны	1480.1580	нм	ИКМ - 480
Класс оборудования	-		L - 1.2/1.3
Лазерный диод	-	-	РОС
Ширина спектра	1 на уровне - 20 дБ	нм	-
Подавление мод	>30	дБ	-
Уровень передачи	+2. +5	дБ
Приемный ФД	-	-	PIN
Уровень приема при вероятности ошибки	<10-10 34. - 2	дБм	-
Тип линии регенерационной секции	-	-	ОМОВ
Совокупная дисперсия	5000	пс/нм	-
Общее затухание в секции при максимальной дисперсии	7.35	дБ	ИКМ - 480

 

Электропитание оконечного оборудования (ОП и ОРП) осуществляется от электропитающих установок постоянного тока напряжением 24В или 60В с заземленным положительным полюсом. Электропитание аппаратуры НРП осуществляется от автономных источников питания или дистанционно с обслуживаемых пунктов.

При установке оборудования двух и более систем передачи предусматриваются два независимых ввода питания систем и ввод питания системы получает питание от собственных источников вторичного электропитания. Мощность, потребляемая в НРП оборудованием двух систем передачи, составляет не более 45Вт.

Техническое обслуживание аппаратуры заключается в оперативном контроле за техническим состоянием станционных и линейно-кабельных сооружений, проведении планово-профилактических и организация ремонтно - восстановительных работ.

 

8. Построение схемы энергетического баланса элементарного кабельного участка и расчет потерь ВОЛС

 

Для построения линейного тракта ВОЛС осуществляется расчет энергетических потенциалов и строится график энергетического баланса, в котором указывается потери на линии (в виде наклонной ступенчатой линии энергетические потери ВОЛС или ЭКУ), для каждого линейного тракта должен быть обеспечен энергетический запас 6 дБ, его расходуют на компенсацию возможных ухудшений и характеристик волокна и оптоэлектронных модулей в процессе эксплуатации, а также на дополнительные стыки при ремонте кабеля (с учетом величин энергетического запаса и потерь в волокне, дисперсионных искажений, потерь на стыках при сращивании строительных длин ВОК). При вводе излучения от излучателя в волокно и из волокна к приемному оптическому модулю в ВОЛС можно обеспечить следующие предельные длины регенерационных участков, указанных в таблице 2.

 

Таблица 2 - длины регенерационных участков

Наименование	Длина волны (мкм)	Длина регенерационного участка
λ	0,85	12 км
	1,31	до 30 км для градиендного волокна
		до 45 км для одномодового волокна
	1,55	до 100 км для одномодового волокна

 

Совокупность последовательных соединенных оптических волокон линейного и станционного кабеля, а также оборудования сопряжения, включает в себя разъемные и неразъемные оптические соединители, линейные и станционные соединительные устройства, образуя элемент кабельного участка ЭКУ, для которого составляется диаграмма энергетических потерь (энергетический баланс).