Проектирование линий передачи для построения железнодорожной технологической сети связи

 

Частотные зависимости первичных  параметров передачи кабельной цепи представлены на рис. 8.3-8.6.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.3

 

 

Рис. 8.4

Рис. 8.5

 

Рис. 8.6

 

 

 

 

 

 

 

 

     

8.2. Расчет  волновых параметров симметричной  кабельной цепи.

Коэффициент затухания  , дБ/км, и коэффициент фазы , рад/км, определяются из формулы для коэффициента распространения волны:

,                        (8.9)

,        (8.10)

, (8.11)

 

Модуль волнового сопротивления , Ом

, (8.12)

 

Приближенные формулы для расчета  волновых параметров для частот f  ³ 40 кГц:

,   (8.13)

 

 (8.14)

,   (8.15)

Фазовая скорость распространения сигнала , км/с, рассчитывается по формуле

,   (8.16)

Время распространения Т, с/км, сигнала на длине 1 км цепи рассчитывается по формуле

,  (8.17)

 

 

Выполним расчет при частоте  f = 93 кГц.

Исходные данные приведены в табл. 8.3.

Таблица 8.3

f, Гц	R, Ом/км	L, Гн/км	C, Ф/км	G, См/км
93000	120,734	0,000781637	4,54	1,78

 

(Ом)

(дБ/км)

(рад/км)

 

(км/с)

(с/км)

 

 

Результаты расчетов волновых параметров для заданных частот сведены в табл. 8.4.

 

                                                                                               Таблица 8.4

f, Гц	, Ом	, дБ/км	β, рад/км	Vф, км/с	T, с/км
3000	332,677	1,610	0,2165	167311,3	5,98
93000	131,241	4,012	3,4802	167868,6	5,96
183000	130,262	5,230	6,7970	169166,3	5,91
273000	129,293	6,364	10,0643	170434,1	5,87
363000	128,533	7,367	13,3037	171441,4	5,83

 

Частотные зависимости волновых параметров передачи кабельной цепи, фазовой скорости и времени распространения сигнала представлены на рис.8.7-8.11.

 

Рис. 8.7

 

Рис. 8.8

 

Рис. 8.9

 

Рис. 8.10

 

Рис. 8.11

 

9. Расчет передаточных параметров оптического волокна.

 

Под передаточными параметрами  понимаются величины, количественно характеризующие распространение электромагнитных волн вдоль оптического волокна.

Основным элементом оптического  кабеля является  оптическое волокно, изготовленное на основе особо чистого кварцевого стекла. Оптическое волокно  имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и отражающей оболочки с  фазовыми показателями преломления (далее показателями) равными соответственно n₁ и n₂:

n1 = 1,466

n2 = 1,463

Абсолютная разность показателей преломления  сердцевины и отражающей оболочки  равна:

,         (9.1)

= 1,466 – 1,463 = 0,003

 

Относительная разность показателей  преломления равна:

,      (9.2)

= (2,1492 – 2,1404)/( ) = 0,00205

Числовая апертура световода со ступенчатым профилем  равна:

 

,   (9.3)

NA = 0,0938

Нормированная частота равна: 

V= π ∙ d ∙ NA / λ ,   (9.4)

V = 3,14 0,10807/1,31  =  2,176

 

Затухание оптических волокон обусловлено  собственными потерями в оптических волокнах α_с и дополнительными потерями, обусловленными их деформацией и изгибами при изготовлении, прокладке и эксплуатации оптического кабеля связи.

Собственные потери оптических волокон  складываются из потерь  на поглощение α_п, дБ/км, и потерь на рассеяния α_р, т.е. a_с = a_п + a_р,                                       (9.5)

                                                   ,          (9.6)

где tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ для кварца (tgδ=10^-12)

- длина волны, км; ( = км)

(дБ/км)

,                         (9.7)

где К_р- коэффициент рассеяния материала сердцевины ОВ,  дБ×мкм⁴/км (принимаем Кр = 1,1)

- длина волны, мкм; ( = мкм)

 1,1/ ⁴ =0,19057

(дБ/км)

 

Фазовая скорость распространения светового импульса по оптическим волокнам изменяется в пределах:

максимальная фазовая скорость, км/с:  = с/n₂,  (9.8)

= /1,463 = 2,0506 (км/с)

минимальная фазовая скорость, км/с:   =с/n₁,  (9.9)

= / 1,466 = 2,0464 (км/с)

10. Расчет параметров источника и приемника излучений.

 

Источник светового излучения  – это прибор, преобразующий электрическую  энергию возбуждения в энергию  оптического излучения заданного  спектрального состава и пространственного распределения. Приемник светового излучения представляет собой прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение и измерить его характеристики.  В курсовом проекте в качестве источника светового излучения используется полупроводниковый лазер, а в качестве приемника – лазерный фотодиод.

Исходные данные:

1. Длина волны  λ = 1,55 мкм;

2. Ширина спектральной линии  Δλ = 1,8 нм;

3. Оптическая мощность P₁= -3 дБм;

4. Вероятность ошибки менее 10^-9 при приеме l = 2700 фотон/бит;

5. Система передачи 155Мбит/с (B = 155 Мбит/с).

 

10.1. Расчёт ширины спектральной линии  полупроводникового лазера и  добротности резонатора.

 

Максимальная длина волны излучения:

 (10.1)

Минимальная длина волны излучения:

 (10.2)

Максимальная частота излучения:

   (10.3)

Минимальная частота излучения:

     (10.4) 

Ширина спектральной линии:

  (10.5)

 

Добротность резонатора:

    (10.6)

10.2. Расчет уровня оптической мощности на входе фотоприемника.

Длине волны λ = 1,31 мкм в оптическом волокне соответствует частота f, равная:

   (10.7)

             где V – скорость распространения света в оптическом волокне (V=200000км/с)

 

Энергия фотона:

  (10.8)

где h – постоянная Планка (h = )

Требуемое число фотонов на входе  фотоприемника при вероятности ошибки менее :

   (10.9)

Минимально допустимый уровень мощности на входе фотоприемника:

 (10.10)

11. Расчет длины регенерационного участка на ВОЛС.

 

Структурная схема регенерационного участка без использования оптических усилителей показана на рис.11.1.

Рис. 11.1

 

1 - станционный одноволоконный  оптический кабель; 2- оптический  кросс; 3- соединительная розетка оптического разъема; 4- коннектор оптического разъема; 5 - строительная длина оптического кабеля; 6 - оптическое волокно; 7- оптическая соединительная муфта; ПОМ - передающий оптоэлектронный модуль; ПРОМ - приемный оптоэлектронный модуль.

11.1. Расчет длины регенерационного участка на основании из допустимых потерь в линии передачи.

Длина регенерационного участка определяется энергетическим потенциалом системы передачи W. Энергетический потенциал, дБ, зависит от характеристик источника и приемника оптического излучения и определяется как разность между уровнем средней мощности оптического сигнала, вводимого в оптическое волокно P₁, и минимально допустимым уровнем мощности на входе приемника оптического излучения Р₂ при заданном значении коэффициента ошибок:

   (11.1)

P₁= -8 дБ в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т (рек. G.957) при передаче в диапазоне оптических длин волн 1,26…1,36 мкм и передаче со скоростью 155 Мбит/с.

P₂= -42,2527 дБ – расчет выполнен в п. 10.2.

W=-8-(-42,2527)=34,2527 (дБ)

Исходные данные для расчета  потерь в линии на длине регенерационного участка:

a - коэффициент затухания оптических волокон на эксплуатационной длине волны ВОСП, дБ/км; a = a_с = 0,4549 дБ/км – расчет выполнен в п. 9.

- строительная длина оптического  кабеля ( = 5 км);

n₁  - число дополнительных сварных соединений, обусловленных технологией строительно-монтажных работ ВОЛС (сварки в оптическом кроссе и стыковые сварки на переходах); в курсовом проекте будем считать n₁ = 8;

n₂  - число дополнительных сварных соединений, появляющихся на длине регенерационного участка в процессе эксплуатации ВОЛС (n₂ = 6);

а_св   - средние потери на сварку путем плавления; а_св =0,05 дБ;

а_рз - средние потери на оптическом разъеме; а_рз =0,3 дБ;

 

Максимальная длина  регенерационного участка определяется по формуле

,  (11.2)

где a_э -  энергетический запас системы передачи, a_э = 6 дБм.

      п - общее число сварных соединений (n= n₁ +n₂)

 

 

11.2. Расчет длины регенерационного участка на основании ограничений по дисперсии.

Между информационной пропускной способностью оптического волокна В, бит/с, уширением импульса ΔT, с, и шириной оптической полосы пропускания , Гц, имеется взаимосвязь. Ширина оптической полосы пропускания, в герцах, должна быть не менее скорости передачи информации в битах. Связь между величиной уширения оптических импульсов ΔT и оптической ширины полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка выражается соотношением 

,   (11.3)

где k-коэффициент, учитывающий форму оптического сигнала.

Для гауссовского спектра источника  излучения и скорости передачи менее 565 Мбит/с для практических оценок можно использовать следующие соотношения:

,   (11.4)

,   (11.5)

  где       - хроматическая дисперсия, пc/(нм*км), состоящая из материальной и волноводной составляющих;

- ширина спектральной линии  источника излучения, нм;

- максимальная длина регенерационного участка исходя из условия потерь в линии, км. 

 

Производим расчет:

= 1,0 нм - ширина спектральной  линии источника излучения.

λ = 1,31 мкм - длина волны.

      (11.6)                                                      

- материальная дисперсия.

- удельная материальная дисперсия для кварца при данной длине волны.

= -5 пс/нм×км

= = 1,0* (-5) = -5,0 (пс/нм×км)  (11.7)              

- волноводная дисперсия

- удельная волноводная дисперсия для кварца при данной длине волны.

= 8 пс/нм×км

= = 1,0*8 = 8,0 (пс/нм×км)   (11.8)                        

= 8,0 - 5,0 = 3,0 (пс/нм×км)

(пc)

12. Расчет опасных влияний тяговой сети переменного тока на симметричные цепи кабельной линии связи.

 

Кабельные линии связи подвергаются опасным и мешающим магнитным влияниям тяговой сети переменного тока

Опасные напряжения в жилах кабеля могут возникать при аварийном (замыкании тяговой сети на землю или рельсы) и вынужденном (отключении от контактной сети одной из тяговых подстанций) режимах работы тяговой сети.

В курсовом проекте производится расчет опасных влияний только для вынужденного режима, когда одна из тяговых подстанций отключена, а другая тяговая подстанция питает все плечо тяговой сети.

12.1. Допустимые значения опасных  напряжений.

Выберем систему эксплуатации кабельной  магистрали, при которой аппаратуру оконечных и промежуточных пунктов включают в кабельные цепи через изолирующие трансформаторы, а техническое обслуживание и ремонт кабеля выполняют с соблюдением мер предосторожности. В этом случае величина индуктированных напряжений не должна превышать величины, обусловленной типом применяемой аппаратуры. В курсовом проекте примем = 200 В.

 

12.2. Расчет опасных влияний.

Цель расчета влияний заключается  в определении такой ширины сближения кабельной линии с тяговой сетью, при которой опасное напряжение, индуктируемое в жилах кабеля, не превышало бы допустимых значений 200 В при вынужденном режиме работы контактной сети.