Проектирование волоконно-оптических линий передач

Иерархические параметры  транспортных модулей приведены  в таблице 

 

Таблица 2.2 – Уровни иерархии SDH и параметры транспортных модулей

Уровни иерархии	Модуль	Скорость цифрового  потока, Мбит/с	Количество потоков Е1	Количество ОЦК
4	STM-4	622,080	252	7560
16	STM-16	2448,320	1008	30240
64	STM-64	9953,280	4032	120960

 

 

 

2.2 Выбор ОК и трассы прокладки

 

В пункте 2.1 выбрали комплекс аппаратуры «STM-4». Она представляет второе поколение аппаратуры четверичной цифровой системы передачи по оптическому кабелю для магистральных сетей. Аппаратура работает в диапазоне оптических длин волн 1,55 мкм по кабелю с одномодовым оптическим волокном (ООВ) и обеспечивает организацию цифровых трактов со скоростью передачи 622,080 Мбит/с (7560 каналов ТЧ).

В качестве среды распространения  сигналов в данном дипломном проекте предусмотрено использование оптического кабеля типа ОКЛ марки ОКЛСт-02. Это кабель магистральный и внутризоновый с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены оптические модули с гидрофобным заполнением, промежуточной полиэтиленовой оболочкой и броней из стеклопластиковых стержней, и защитной полиэтиленовой оболочкой с четырьмя одномодовыми волокнами.

Кабель предназначен для прокладки  в грунтах всех категорий, в том  числе зараженных грызунами, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и шахтах, через несудоходные реки и не глубокие болота, а также в условиях повышенных электромагнитных влияний.

Допустимая температура  эксплуатации от минус 40°С до плюс 50°С

Строительная длина  не менее 2000 метров

 

Таблица 2.3 – Геометрические размеры ООВ

Диаметр модового поля	8,5 ± 1 мкм
Диаметр оболочки	125 ± 3 мкм
Неконцентричность сердцевины и оболочки не более	0,7 мкм
Коэффициент затухания  не более	0,34…0,35 дБ/км
Дисперсия сигнала в  оптическом волокне не более	3,5 пс/нс км
Допустимое растягивающее  усилие	3000 Н
Стойкость к раздавливающим усилиям на 1см длины для линейных кабелей	1000 Н
Диаметр кабеля	14,0 – 25,0 мм

 

Проектом предусмотрена прокладка  Оптического Кабеля вдоль автомобильной дороги государственного значения, на расстоянии 25 метров от центра дороги. Расстояние между Павлодаром-Лебяжье равно 120 километров. Трасса прокладки ОК автомобильную дорогу не пересекает. Схема прокладки ОК приведена на рисунке 1.2.

 

 

 

 

 

3 Расчет параметров Оптического кабеля

 

 

3.1 Основы теории передачи по световодам

 

Как нам известно, свет имеет двойственную природу: волновую и корпускулярную. На базе изучения этих свойств разработаны квантовая (корпускулярная) и волновая (электромагнитная) теории света. Эти теории нельзя противопоставлять. Лишь в своей совокупности они позволяют объяснить известные оптические явления.

Волновая теория показывает, что все свойства света совпадают  со свойствами электромагнитных волн и свет является разновидностью электромагнитных колебаний очень высоких частот (10¹⁴…10¹⁵ Гц) и очень коротких волн (микрометры). Основу данной теории составляют уравнения Максвелла.

Еще Максвеллом было установлено, что существуют два вида токов: ток  проводимости Jпр=sЕ и ток смещения Jсм=jweЕ (в формулах s – проводимость, e – диэлетрическая проницаемость, w – циклическая частота, Е – напряженность электрического поля). Первый вид тока характерен для процессов передачи энергии в металлических проводниках, второй–в диэлектрике (воздухе).

В отличие от обычных кабелей, обладающих электрической проводимостью и током проводимости Jпр, оптические кабели имеют совершенно другой механизм передачи энергии, а именно токи смещения Jcм. Волна концентрируется в самом объеме световода и передаются по нему в заданном направлении.

В обычных кабелях  с медными проводниками носителем  передаваемой информации является электрический ток, а в оптических кабелях со световодами – лазерный луч. Волны по световоду в заданном направлении передаются за счет отражений их от границы раздела сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (n₁ и n₂). В световодах, волноводах и других направляющих системах (НС) нет двух проводников, и передача энергии происходит волноводным методом по закону многократного отражения волны от границы раздела сред. Такими отражающими границами раздела могут быть «металл–диэлектрик», «диэлектрик–диэлектрик» с разными диэлектрическими свойствами.

Граница раздела двухпроводных (двухсвязных) и волноводных (односвязных) НС характеризуется в основном соотношением между длиной волны l и поперечными размерами (диаметром) d направляющей системы. При l > d в большинстве случаев необходимо иметь два провода: прямой и обратный. Передача в этом случае происходит по двухпроводней схеме. При    l < d двухпроводная схема не требуется, передача осуществляется за счет многократного отражения волны от раздела сред с различными характеристиками. Поэтому по волноводным системам (световодам, волноводам и другим НС) передача возможна лишь в диапазоне очень высоких частот, когда длина волны соизмерима или меньше, чем поперечные размеры НС. Для связи по световодам используются видимые лучи (0,4...0,75 мкм) и ближний диапазон инфракрасных лучей (0,85; 1,3; 1,55...6 мкм).

По корпускулярной теории свет представляется в виде быстро движущихся мелких частиц, которые  излучаются отдельными порциями и образуют луч света. Такая теория называется лучевой. Она основывается на законах геометрической оптики и позволяет просто и наглядно описывать распространение света в световодах.

В геометрической оптике световые волны изображаются лучами, направленными по нормали к волновой поверхности. В оптически однородных средах лучи прямолинейны. При падении световой волны на плоскую границу раздела двух диэлектриков с разными значениями относительной диэлектрической проницаемости e в общем случае появляется прошедшая (преломленная) и отраженная волны. В соответствии с законами следующими соотношениями

 

 

Рисунок 3.1 –Угол падения j связан с углами отражения j_отр и преломления j_пр

 

j = j_отр, n₁sinj = n₂sinj_пр                                    (3.1)

 

где – показатель преломления первой среды, в которой распространяется падающая волна;

  – показатель преломления второй (смежной) среды.

Если световая волна из оптически более плотной среды падает на границу раздела с оптически менее плотной средой (n₁ > n₂), то существует критический (предельный) угол падения

 

j_кр = arcsin(n₁ / n₂)                                           (3.2)

 

при котором прошедшая волна распространяется вдоль границы раздела сред (j_пр = p/2). При всех углах падения j > j_кр преломленная волна отсутствует и свет полностью отражается от поверхности оптически менее плотной среды (рисунок 3.1). Это явление называется полным внутренним отражением и на нем основан принцип передачи по световодам.

Оптическое волокно  состоит из сердцевины, по которому распространяются световые лучи (волны) и оболочки, назначение которой создание лучших условий отражения на границе раздела сред и защита от излучения энергии в окружающее пространство. По верх оболочки наложено первичное защитно–упрочняющее покрытие. Оптические волны распространяются в световоде при выполнении условия

 

n₁ > n₂

 

где n₁ – показатели преломления сердцевины;

 n₂ – показатели преломления оболочки.

В общем случае, в зависимости от угла q, который образуют с осью лучи, выходящие из точечного источника в центре торца световода, в оптическом волокне могут быть три типа волн.

1. волны сердечника или отраженные;

2. волны оболочки или преломления;

3. волны излучения.

 В сердечнике и оболочке существуют два типа лучей: меридиональные, которые пересекаются в некоторой точке с осью световода, и косые, которые с осью световода не пересекаются.

Если угол q меньше некоторого критического угла q крит., который определяется соотношением

 

sinqкрит =                                  (3.3)

 

то луч полностью отражается на границе «сердечник–оболочка» и остается внутри сердцевины. Величина этого угла обусловлена углом полного внутреннего отражения j

 

j = n₂ / n₁                                                 (3.4)

 

Угол полного внутреннего  отражения предопределяет условия  подачи света на входной торец  световода. Световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах конуса с углом q крит.

Для характеристики световода  большое значение имеет профиль  показателя преломления в поперечном сечении. Показатель преломления оболочки имеет постоянное значение, а показатель преломления сердцевины может оставаться постоянным или изменяться вдоль радиуса по определенному закону. Изменение показателя преломления ОВ вдоль радиуса n(r) называется профилем показателя преломления.

В зависимости от профиля  показателя преломления ОВ подразделяются на ступенчатые и градиентные. Волокно (световод) называется ступенчатым, если значение показателя преломления остается постоянным в пределах сердцевины. В случае градиентного волокна профиль показателя преломления является монотонной убывающей функцией радиуса в пределах его сердцевины.

Наибольшее распространение на практике получили градиентные световоды с параболическим профилем показателя преломления

 

n(r) =                                          (3.5)

 

где r – текущий радиус;

n₁ – значение показателя преломления на оси ВС;

D = (n₁-n₂) / n₁ – относительная разность показателей преломления;

а – радиус сердцевины.

Исходя из свойств  света, как электромагнитной волны  позволил установить, что из всего множества световых лучей в пределах угла полного внутреннего отражения для световода существует ограниченное число лучей, с дискретными углами. Они образуют направленные волны–моды. Эти лучи характеризуются тем, что после двух последовательных переотражений, волны должны быть в фазе. Если это не выполняется, то волны интерферируются так, что взаимно уничтожаются т.е. гасят друг друга.

В зависимости от числа  распространяющих на рабочей частоте  волн (мод), световоды подразделяются на одномодовые и многомодовые. Число  мод зависит от соотношения диаметра d сердцевины световода и длины волны l. С увеличением диаметра световода число мод резко увеличивается. Для обеспечения одномодового режима необходимо иметь малый диаметр (d = 6...10 мкм) сердцевины ОВ.

В данном дипломном проекте предусмотрено использование ОК с одномодовым ОВ.В настоящее время у нас и за рубежом принят как основной одномодовый режим передачи по световодам. В этом случае на волне 1,55 мкм обеспечивается работа систем ИКМ-1920 и даже ИКМ-7680 с длиной регенерационного участка 70 км и более.

Достоинством одномодовых систем являются весьма широкий диапазон частот и большая пропускная способность, так как с увеличением числа мод полоса передаваемых частот снижается. Одномодовые системы используются в основном на междугородних ВОЛС, обеспечивая большую дальность связи и высокую пропускную способность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.1 – Характеристики кабеля ОКЛСт-02

Параметр	Значение
Количество ОВ	2-144
Диаметр кабеля, мм	14.0-25.0
Вес, кг/м	185-500
Коэффициент затухания, дБ/км, не более:   - на длине волны 1.31 мкм   - на длине волны 1.55 мкм	0.34 0.22
Хроматическая дисперсия, пс/нм·км, не более:   - на длине волны 1.31 мкм   - на длине волны 1.55 мкм	3.5  1   18
Допустимое раздавливающее усилие, Н/см, не менее	400
Допустимое растягивающее  усилие, кН	от 1.0 до 6.0

 

 

 

1 – оптическое волокно фирмы "Корнинг"; 2 – гидрофобный заполнитель;   3 – центральный силовой элемент (стеклопластик-01, стальной трос в ПЭ оболочке-02); 4 – водоблокирующая лента (по требованию); 5 – полимерная трубка; 6 – скрепляющая лента; 7 – вспарывающий корд (по требованию); 8 – водоблокирующая лента; 9 – полимерная защитная внутренняя оболочка; 10 – полимерная защитная наружная оболочка; 11 – ламинированная стальная гофрированная лента (зетабон); 12 – маркировка

 

Рисунок 3.2 – Сечение кабеля ОКЛСт-02.

 

 

3.2 Затухание

 

Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км. Величина оптических потерь линии состоит из погонных потерь в кабеле, потерь в местах соединений и потерь в механических соединениях. Одним из основополагающих параметров линии является ширина полосы пропускания линии, которая определяется дисперсией оптического волокна. Собственное затухание ов зависит от l, n₁ и n₂ , и рассчитывается по формулам