Проектирование ЛВС

Преимущества сварного соединения:

непрерывное соединение

меньшие вносимые потери

меньшие обратные потери

легче достигается герметичность

менее дорогое в расчете на одно соединение

более компактное в расчете на одно соединение

Терминирование ОК. Терминированием называется оконцовывание волокон ОК оптическими коннекторами и последующее подключение оконцованных волокон к переходным розеткам, закрепленным на оптической распределительной коробке/панели, для обеспечения дальнейшей связи с сетевым оборудованием через оптические соединительные шнуры. В здание может заходить несколько линейных ОК. Оптический узел является тем центром, где осуществляется сопряжение волокон внешних и внутренних ОК. Основные требования, которые предъявляются к оптическому узлу - его надежность и гибкость. В данной сети рекомендуется использовать оптические распределительные коробки (ОРК). ОРК предназначены для крепления на стену и выполняют функцию терминирования волокон внешнего ОК требуемым типом оптических соединительных розеток, рис.3.3. Они могут устанавливаться в тех случаях, когда не требуется сложная коммутация, например, на удаленном сетевом узле или в центральном узле с небольшой концентрацией волокон. Как правило, ОРК используются при построении волоконно-оптических магистралей локальных сетей предприятий. По способу терминирования волокон ОРК относятся к терминированию через сварку с pig-tail-ами. При монтаже ОРК происходит сварка оптических волокон предварительно разделанного внешнего кабеля с волокнами pig-tail-ов. Места сварки защищаются термоусаживающимися защитными гильзами, которые крепятся в специальное гнездо. Pig-tail с внутренней стороны подключается к переходной розетке, установленной в боковой панели ОРК. Излишки волокон внешнего кабеля и pig-tail-ов укладываются в сплайс-пластины. Запас волокон в пластине должен составлять 0,8…1 м с каждой стороны кабеля. Pig-tail-ы заготавливаются заранее с типом коннектора, соответствующим типу переходных розеток. Оптические распределительные шнуры подключаются к соединительным розеткам с наружной стороны коробок.

1 - внешний ВОК

2 - гермоввод для крепления кабеля

3 - разделанные волокна ВОК

4 - корпус

5 - сплайс-пластина

6 - место для крепления на стену

7 - комплект для защиты сварки

8 - место сварки

9 - волокно pig-tail-а

10 - коннектор pig-tail-a

11 - оптическая переходная розетка

Рис.3.3. Схема разделки оптических волокон внутри ОРК



4. Методика расчета основных параметров оптического кабеля

Геометрические параметры кабеля

Относительная разность показателей преломления. Волокно состоит из сердцевины и оболочки. Оболочка окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Будем обозначать через n1 и n2 показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно. Один из важных параметров, который характеризует волокно, - это относительная разность показателей преломления :

. (4 - 1)

Если показатель преломления оболочки выбирается всегда постоянной величиной, то показатель преломления сердцевины в общем случае может зависеть от радиуса. Распространение света по волокну можно объяснить на основе принципа полного внутреннего отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса:

, (4 -2)

где n1 - показатель преломления среды 1, - угол падения, n2 - показатель преломления среды 2, - угол преломления.

Формальные выкладки удобнее производить для ступенчатого волокна, в котором показатель преломления сердцевины является постоянной величиной (n1 = const). Так как сердцевина является оптически более плотной средой по отношению к оболочке (n1 > n2), то существует критический угол падения - внутренний угол падения на границу, при котором преломленный луч идет на границе двух сред (). Из закона Снеллиуса легко найти этот критический угол падения:

(4-3)

Если угол падения на границу раздела меньше критического угла падения (луч 2), то при каждом внутреннем отражении от границы вся энергия возвращается обратно в сердцевину благодаря полному внутреннему отражению.

Лучи, траектории которых полностью лежат в оптически более плотной среде, называются направляемыми. Поскольку энергия таких лучей не рассеивается наружу, они могут распространяться на большие расстояния.

Числовая апертура. Важным параметром, характеризующим волокно, является числовая апертура NA. Она связана с максимальным углом вводимого в волокно излучения из свободного пространства, при котором свет испытывает полное внутреннее отражение и распространяется по волокну, формулой:

(4 - 4)

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокна. Для волокна со ступенчатым профилем легко получить значение числовой апертуры, выраженное через показатели преломления:

(4 - 5)

Для градиентного волокна используется понятие локальной числовой апертуры , значение которой максимально на оси и падает до 0 на границе сердцевины и оболочки. Для градиентного волокна с параболическим показателем преломления, формула ХХХ, определяется эффективная числовая апертура, которая равна

(4 - 6)

где - максимальное значение показателя преломления на оси.

Нормированная частота. Другим важным параметром, характеризующим волокно и распространяющийся по нему свет, является нормированная частота V, которая определяется как

(4 - 5)

где d - диаметр сердцевины волокна.

Номенклатура мод. При более строгом рассмотрении процесса распространения света по волокну следует решать волновые уравнения Максвелла. Именно в этой трактовке лучи ассоциируются с волнами, причем различные типы волн - решения уравнений - называются модами.

Сами моды обозначаются буквами E и/или H с двумя индексами n и m. Индекс n характеризует азимутальные свойства волны (число изменений поля по окружности), а m - радиальные (число изменений поля по диаметру).

По оптическому волокну распространяются только два типа волн: симметричные (E0m и H0m), у которых только одна продольная составляющая, и несимметричные (смешанные) (Enm и Hnm), у которых две продольные составляющие.



При этом, если преобладает продольная составляющая электрического поля - Е_z, то волна обозначается ЕН_nm, а если преобладает продольная составляющая магнитного поля Н_z, то волна называется , то волна называется НЕ_nm, Сопоставляя волновую теорию с геометрической оптикой, следует отметить, что симметричные моды Е_0m и Н_0m соответствуют меридиональным лучам, несимметричные моды Е_nm и Н_nm - косым лучам.

По волокну могут распространятся как только одна мода - одномодовый режим, так и много мод - многомодовый режим. Многомодовый или одномодовый характер идущего по волокну света коренным образом влияет на дисперсию, а следовательно, и на пропускную способность волокна. Расчет на основе уравнений Максвелла позволяет найти простой критерий распространения одной моды: V2,405 (точное значение константы в правой части неравенства определяется первым нулем функции Бесселя I₀(x)). Это гибридная мода НЕ₁₁. Отметим, что нормированная частота явно зависит от длины волны света. В табл. 4.1 приведены значения нормированной частоты, вычесленные по формуле (4-7).

Как видно из табл. (4.1), в одномодовом ступенчатом волокне при длине волны света 1550 нм выполняется критерий (4-8), и поэтому распространяется только одна мода. При длине волны 1310 нм критерий не выполнен, что означает возможность распространения нескольких мод в одномодовом волокне на этой длине волны. На практике, однако, волокно помещается в кабель, который, будучи проложенным, имеет множество изгибов. Особенно велики искривления волокна в сплайс-боксах. Искривления волокна приводит к быстрому затуханию неосновных мод. Во всех остальных случаях наблюдается многомодовый характер распространения света. Отметим, что при длине волны 850 нм критерий (4-8) нарушается для всех типов волокон. Таким образом, если вводить излучение длинной волны 850 нм в одномодовое волокно, то иметь место будет многомодовый режим распространения света. Противоречия здесь нет. Дело в том, что ступенчатое одномодовое волокно 8/125 предназначено для использования в спектральных окрестностях двух длин волн: 1310 нм и 1550 нм, где оно в истинном смысле проявляет себя как одномодовое.

Таблица (4.1). Значения основных оптических параметров волокон и нормированной частоты V для различных длин волн.

№№	Оптическое волокно	(нм)
	Название и диаметр	? (%)	n1	A	1550	1310	850
1	step MMF 200/240	-	-	0,39*	V=158,09	187,06	288,29
2	step MMF 100/140	-	-	0,29*	58,77	69,54	107,18
3	grad MMF 62,5/125	2,1**	1,47**	0,28*	35,46	41,96	64,67
4	grad MMF 50/125	1,25**	1,46**	0,20*	20,26	23,98	36,95
5	step SMF (SF) 8,3/125	0,36**	1,468**	0,13*	2,187	2,588	3,990

Обозначения: step MMF (multi mode fiber) - ступенчатое многомодовое волокно;

step SMF (single mode fiber) - ступенчатое одномодовое волокно;

grad MMF - градиентное многомодовое волокно;

- параметры волокон

** - параметры волокон, производимых фирмой Corning

Количество мод. Если при V2,405 может распространятся только одна мода, то с ростом v количество мод начинает резко расти, причем новые типы мод «включаются» при переходе v через определенные критические значения, табл. 4.2

Таблица 4.2. Номенклатура мод низких порядков.

Нормированная частота V	Числомод Nm	Тип мод
0-2б405	1	НЕ11 - основная мода (единственно допустимая для одномодового волокна
2,405-3,832	4	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21
3,832-5,136	7	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31
5,136-5,52	9	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41
5,52-6,38	12	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22
6,38-7,02	14	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51
7,02-7,59	17	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31
7,59-8,42	19	НЕ11, Н01, Е01, НЕ21, НЕ12, ЕН11, НЕ31, ЕН21, НЕ41, Н02, Е02, НЕ22, ЕН31, НЕ51, НЕ13, ЕН12, НЕ31, ЕН41, НЕ61

При больших значениях V количество мод N_m для ступенчатого волокна можно оценить по формуле:

(4-8)

Значение этого выражения может быть как целым, так и дробным. В действительности же число мод может быть только целым и составлять величину от одной до нескольких тысяч.

Количество мод для градиентного оптического волокна с параболическим профилем сердцевины:

(4-9)

(a - радиус сердцевины, b - радиус оболочки) определяется так:

(4-10)

Длина волны отсечки (cutoff wavelength)

Минимальная длина волны, при которой волокно поддерживает только одну распространяемую моду, называется длиной волны отсечки. Этот параметр характерен для одномодового волокна. Если рабочая длина волны меньше длины волны отсечки, то имеет место многомодовый режим распространения света. В этом случае появляется дополнительный источник дисперсии - межмодовая дисперсия, ведущий к уменьшению полосы пропускания волокна.

Различают волоконную длину волны отсечки (_CF) и кабельную длину волны отсечки (_CСF). Первая соответствует слабо напряженному волокну. На практике же волокно помещается в кабель, который при прокладке испытывает множество изгибов. Кроме этого, сильные искривления волокон происходят при их укладке в сплайс-боксах. Все это ведет к подавлению побочных мод и смещению _CСF в сторону коротких длин волн по сравнению с _CF. С практической точки зрения кабельная длина волны отсечки представляет большой интерес.

Волоконную длину волны отсечки можно оценить как теоритически, так и экспериментально. Теоритически легко это сделать для ступенчатого одномодового волокна - на основании выражений (4-7), (4-8) и (4-9) получаем _CF=dNA/2,405=1,847dn_1Д .

_CСF, в отличие от _CF, можно оценить только экспериментальным образом. Одним из практических методов измерения длин волн отсечки _CF и _CСF является метод передаваемой мощности. Сравнивается измеренная переданная спектральная мощность в зависимости от длины волны для образца одномодового волокна длиной 2 м с аналогичным параметром, полученным на образце многомодового волокна. Строится кривая

дБ (4-11)

где А_m - разница затуханий; P_s - мощность на выходе одномодового волокна; P_m - мощность на выходе многомодового волокна.

Многомодовое волокно является эталонным. При этом один и тот же источник излучения с перестраиваемой длиной волны используется как для одномодового, так и для многомодового волокна. Строится кривая A_m(л), рис (4.1), длинноволновый участок которой экстраполируется кривой (1). Строится параллельная прямая (2), отстоящая ниже (1) на 0,1 дБ. Точка пересечения прямой (2) с кривой A_m(л) соответствует длине волны отсечки.

Условия измерения должны соответствовать рекомендациям TIA/EIA и CCITT. Концы волокна очищаются от защитного покрытия, скалываются - угол скола не должен превышать 2. Диаметр светового пятна от источника излучения - 200 мкм; числовая апертура вводимого излучения 0,20; полная ширина спектра излучения 10 нм, измеренная на полумаксимуме; измеряемый диапазон длин волн от 1000 нм до 1600 нм с шагом 10 нм.

При измерении длины волны отсечки волокна _CF образец волокна должен иметь длину 2 м и располагаться таким образом, чтобы образовывалась одна петля радиусом 140 мм, рис 4.2а. Не должно быть дополнительных изгибов волокна с радиусом, меньшим 140 мм. Экспериментально измеренная длина волны отсечки волокна близка к теоритическому значению, которое можно получить из критерия (4-7), если обратить его в равенство.

При измерении кабельной длины волны отсечки _CСF тестируемый образец волокна должен иметь длину 22 м. Большая часть волокна свертывается и располагается на катушке с радиусом не меньше, чем 140 мм, что моделирует кабельные эффекты. Затем делается по одной петле диаметром 76 мм на расстоянии 1м от каждого конца волокна для моделирования эффекта изгиба волокна в сплайс-боксах, рис. 4.2б. И, наконец, в средней части делаются две дополнительные петли радиусом, меньшим 140 мм.

)

б)

Рис.4.2. Размещение волокна.

а) при определении _СF ; б) при определении _CСF

Затухание.

Волокно характеризуется двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией. Чем меньше затухание (потери) и чем меньше дисперсия распространяемого сигнала в волокне, тем больше может быть расстояние между регенерационными участками или повторителями.

На затухание света в волокне влияют такие факторы, как: потери на поглащении; потери на рассеянии; кабельные потери.

Потери на поглощении и на рассеянии вместе называют собственными потерями, в то время как кабельные потери в силу их природы называют также дополнительными потерями, рис. 4.3.

Рис. 4.3. Основные типы потерь в волокне.

Полное затухание в волокне (измеряется в дБ/км) определяется в виде суммы:

=_int+_rad=_abs+_sct+_rad (4-12)

Потери на поглощении _abs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и ультракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примесей, поглощают свет на определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую енергию в виде джоулевого тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис 2.7. Следует отметить характерный максимум в районе длины волны 1480 нм, который соответствует примесям ОН^- . Этот пик присутствует всегда. Область спектра в районе этого пика ввиду больших потерь практически не используется. Собственные потери на поглощении растут и становятся значимыми в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. При длине волны излучения выше 1,6 мкм обычное кварцевое стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением, рис. 4.4. Потери на рассеянии _sct. Уже к 1970 году изготавливаемое оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999 %), что наличие примесей перестает быть главенствующим фактором затухания в волокне. На длине волны 800 нм затухание составило 1,5 дБ/км . Дальнейшему уменьшению затухания препятствует так называемое рэлеевское рассеяние света. Рэлеевское рассеяние света вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях. В результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовлении волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны по закону ^-4 и сильней проявляются в области коротких длин волн, рис 4.4.

Рис.4.4. Факторы, влияющие на затухание в области длины волны 1500 нм (по материалам фирмы Corning Optical Fiber)



Длина волны, на которой достигается нижний предел собственного затухания чистого кварцевого волокна, составляет 1550 нм и определяется разумным компромиссом между потерями вследствие рэлеевского рассеяния и инфракрасного поглощения.

Внутренние потери хорошо интерполируются формулой:

,

где _ОН() отражает пик поглощения на примесях ОН с максимумом при 1480 нм, а первое и последнее слагаемые соответствуют рэлеевскому рассеянию и инфракрасному поглощению соответственно ( К_rel=0,8мкм⁴дБ/км; С=0,9дБ/км; k=0,7-0,9мкм; данные приведены для кварца). На рис 4.5. приводится общий вид спектральной зависимости собственных потерь с указанием характерных значений четырех основных параметров (минимумов затухания в трех окнах прозрачности 850, 1300 и 1550 нм, и пик поглощения на длине волны 1480 нм) для современных одномодовых и многомодовых волокон.

Кабельные (радиационные потери) _rad обусловлены скруткой, деформациями и изгибами волокон, возникающими при наложении покрытий и защитных оболочек, а также в процессе инсталляции ВОК. При соблюдении ТУ на прокладку кабеля номинальный вклад со стороны радиационных потерь составляет не больше 20% от полного затухания. Дополнительные радиационные потери появляются, если радиус изгиба кабеля становится меньше минимального радиуса изгиба, указанного в спецификации на ВОК.

Дисперсия и полоса пропускания.

По оптическому волокну передается не просто световая энергия, но также полезный информационный сигнал. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приеме. Дисперсия В более узком смысле в оптике под этим термином понимается зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны - уширение импульсов - имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле . Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1 км, и измеряется в пс/км. Дисперсия в общем случае характеризуется тремя основными факторами, рассматриваемыми ниже:

различие скоростей распространения направляемых мод (межмодовой дисперсией _mod),

направляющими свойствами световодной структуры (волноводной дисперсией _w),

свойствами материала оптического волокна (материальной дисперсией _mat).

Рис. 4.6. Виды дисперсии.

Чем меньше значение дисперсии, тем больший поток информации можно передать по волокну. Результирующая дисперсия определяется из формулы:

(4-13)

Межмодовая дисперсия.

Межмодовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне. Для ступенчатого многомодового волокна и градиентного многомодового волокна с параболическим профилем показателя преломления ее можно вычислить соответственно по формулам:

, , (4-14), (4-15)

где L_с - длина межмодовой связи (для ступенчатого волокна порядка 5 км, для градиентного - порядка 10 км).

Изменение закона дисперсии с линейного на квадратичный связано с неоднородностями, которые есть в реальном волокне. Эти неоднородности приводят к взаимодействию между модами, и перераспределению энергии внутри них. При L>L_c наступает установившейся режим, когда все моды в определенной установившейся пропорции присутствуют в излучении. Обычно длины линий связи между активными устройствами при использовании многомодового волокна не превосходят 2 км и значительно меньше длины межмодовой связи. Поэтому можно пользоваться линейным законом дисперсии.

Вследствие квадратичной зависимости от значения межмодовой дисперсии у градиентного волокна значительно меньше, чем у ступенчатого, что делает более предпочтительным использование градиентного многомодового волокна в линиях связи.

На практике, особенно при описании многомодового волокна, чаще пользуются термином полоса пропускания. При расчете полосы пропускания W можно воспользоваться формулой :

W=0,44/ (4-16)

Измеряется полоса пропускания в МГц км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. Физический смысл W - это максимальная частота (частота модуляции) передаваемого сигнала при длине линии 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания зависит от расстояния обратно пропорционально.

Хроматическая дисперсия.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для дисперсии одномодового волокна входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

(4-17)

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

, (4-18)

где ведены коэффициенты М() и N() удельные материальная и волноводная дисперсии соответственно, а (нм) - уширение длины волны вследствие некогерентности источника излучения. Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии определяется как D()=М()+N(). Удельная дисперсия имеет размерность пс/(нм км). Если коэффициент волноводной дисперсии всегда больше нуля, то коэффициент материальной дисперсии может быть как положительным, так и отрицательным. И здесь важным является то, что при определенной длине волны (примерно 131010 нм для ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная компенсация М() и В, а результирующая дисперсия D() обращается в ноль. Длина волны, при которой это происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии ₀. Обычно указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может варьироваться ₀ для данного конкретного волокна. Фирма Corning использует следующий метод определения удельной хроматической дисперсии. Измеряются задержки по времени при распространении коротких импульсов света в волокне длиной не меньше 1 км. После получения выборки данных для нескольких длин волн из диапазона интерполяции (800-1600 нм для MMF, 1200-1600 для SF и DSF) делается повторная выборка измерения задержек на тех же длинах волн, но только на коротком эталонном волокне (длина 2 м). Времена задержек, полученных на нем, вычитаются из соответствующих времен, полученных на длинном волокне. Для одномодового ступенчатого и многомодового градиентного волокна используется эмпирическая формула Селмейера: ()=А+В²+С^-2. Коэффициенты А,В,С являются подгоночными, и выбираются так, чтобы экспериментальные точки лучше ложились на кривую (). Тогда удельная монохроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

(4-19)

где ₀=(С/В)^1/4 - длина волны нулевой дисперсии, новый параметр S₀=8B - наклон нулевой дисперсии (размерность пс/(нм² км), а - рабочая длина волны, для которой определяется удельная хроматическая дисперсия.

Для волокна со смещенной дисперсией эмпирическая формула временных задержек записывается в виде ()=А+В+Сln, а соответствующая удельная дисперсия определяется как

(4-19)

со значениями параметров ₀=е^-(1+В/С) и S₀=C/₀, где - рабочая длина волны, ₀ - длина волны нулевой дисперсии, и S₀ - наклон нулевой дисперсии.

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией простым соотношением _chr()=D(), где - ширина спектра излучения источника. К уменьшению хроматической дисперсии ведет использование более когерентных источников излучения, например лазерных передатчиков (2 нм), и использование рабочей длины волны более близкой к длине волны нулевой дисперсии. В табл. 4.3. представлены дисперсионные свойства различных оптических волокон.

Табл. 4.3. Дисперсия оптических сигналов в различных оптических волокнах.

Тип волокна	, нм	Межмодовая дисперсия, пс/км mod	Удельная хроматическая дисперсия, пс/(нм км) D()	Результирующая удельная полоса пропускания, МГц км, W=0,44/
				=2 нм	=4 нм	=35 нм
MMF 50/125	850	4141)	99,63)	958	766	125
	1310	414	1,0	1062	1062	1050
	1550	414	19,2	1058	1044	540
MMF 62,5/125	850	9732)	106,74)	441	414	114
	1310	973	4,2	452	452	450
	1550	973	17,3	451	450	384
SF 8/125	1310	0	<1,85)	>120000	61000	6900
	1550	0	17,5	12600	6300	720
DSF 8/125	1310	0	21,26)	10400	5200	594
	1550	0	<1,7	>120000	6500	7400

на основе формулы (4-14), =0,013, n1=1,47

²⁾ - на основе формулы (4-14), =0,02, n1=1,46

³⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=12971316 нм, S₀0,101 пс/(нм² км)

⁴⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=13221354 нм, S₀0,097 пс/(нм² км)

⁵⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=1301,51321,5 нм, S₀0,092 пс/(нм² км)

⁶⁾ - на основе формулы (4-19), ₀=15351565 нм, S₀0,085 пс/(нм² км)

Технические характеристики взяты у волокон, производимых фирмой Corning

Для того, чтобы при передаче сигнала сохранялось его приемлемое качество - соотношение сигнал/шум было не ниже определенного значения_необходимо, чтобы полоса пропускания волокна на длине волны передачи превосходила частоту модуляции. Ниже приводятся пример расчета допустимой длины сегмента с использованием табл. 4.3.

Расчет: Стандарт Fast Ethernet для многомодового волокна. Оптический интерфейс 100Base-FX предполагает кодировку 4В/5В с частотой модуляции 125 МГц. При использовании светодиодов с =35 нм (1310 нм) удельная полоса пропускания для волокна 62,5/125 составляет 450 МГц км, и при длине оптического сегмента 2 км будет 225, что больше 125 МГц, то есть с точки зрения дисперсии, протяженность в 2 км является допустимой, что находится в полном соответствии со стандартом Fast Ethernet на многомодовое волокно. Слабая зависимость полосы пропускания многомодового волокна (например 62,5/125) от спектральной ширины источника излучения, работающего на длине волны 1310 нм (450 МГц км при =35 нм, и 452 МГц км при =2 нм), объясняется незначительной долей хроматической дисперсией по сравнению с межмодовой в силу близости рабочей длины волны к длине волны нулевой дисперсии. Таким образом, технические требования к спектральной полосе оптических передатчиков для работы по многомодовому волокну на длине 1310 нм обычно слабые.

Градиентное многомодовое волокно.

Широко используются два стандарта многомодового градиентного волокна - 62,5/125 и 50/125, отличающиеся профилем сердцевины, рис. 4.7.а. Соответствующие спектральные потери для типичных волокон показаны на рис. 4.7.б.

В табл. 4.4. приведены основные характеристики многомодовых градиентных волокон двух основных стандартов 50/125 и 62,5/125.

Отметим, что полоса пропускания на длине волны 1300 нм превосходит соответствующее значение на длине волны 850 нм. Это объясняется следующим образом. Дисперсия, которая определяет полосу пропускания, состоит из межмодовой и хроматической составляющих.

Рис.4.7.а. Многомодовые градиентные волокна; профили показателей преломления волокон 50/125 и 62,5/125/



Рис.4.7.б. Многомодовые градиентные волокна; характерные кривые спектральных потерь мощности.

Таблица 4.4. Значения параметров градиентных многомодовых волокон.

Параметры	Градиентно многомодовое волокно
	MMF 50/125	MMF 62,5/125
Номинальное затухание на длине волны 850 нм (дБ/км)	2,4	2,8
Номинальное затухание на длине волны 1300 нм (дБ/км)	0,5	0,6
Максимальное затухание на длине волны 850 нм (дБ/км)	2,5	3,0
Максимальное затухание на длине волны 1300 нм (дБ/км)	0,8	0,7
Полоса пропускания на длине волны 850 нм (МГц км)	400	200
Полоса пропускания на длине волны 1300 нм (МГц км)	800	400
Длина волны нулевой дисперсии, 0 (нм)	1297-1316	1332-1354
Наклон нулевой дисперсии, S0 (пс/(нм2 км))	0,101	0,097
Диаметр сердцевины, d (мкм)	50,03,0	62,53,0
Числовая апертура, NA	0,2000,015	0,2750,015
Рабочий диапазон температур	-60С-+85С	-60С-+85С
Вносимое затухание в температурных пределах -60С-+85С на длинах волн 850 нм и 1300 нм (дБ/км)	0,2	0,2
Вносимое затухание в температурных пределах -10С-+85С, влажности до 98% на длинах волн 850 нм и 1300 нм (дБ/км)	0,2	0,2
Стандартная длина волокна, поставляемого на катушке (м)	1100-4400	1100-8800
Диаметр оболочки (мкм)	125,02,0	125,02,0
Радиальное отклонение сердцевины относительно оболочки (мкм)	3,0	3,0
Диаметр защитного покрытия (мкм)	24510	24510
Отклонение сердцевины от окружности	5%	5%
Тестовое усилие на разрыв (Гн/м2)	0,7	0,7
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 850 нм	1,4897	1,5014
Эффективный показатель преломления neff на длине волны 1300 нм	1,4856	1,4966

Если межмодовая дисперсия слабо зависит от длины волны - в соотношениях (4-14), (4-15) зависимостью показателя преломления от длины волны можно пренебречь, то хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения. Коэффициент пропорциональности D() при длинах волн в окресности 1300 нм (₀) близок к нулю, в то время как на длине волны 850 нм примерно равен 100 пс/(нм² км). Специфика использования многомодового волокна такова, что обычно в качестве передатчиков используются светоизлучающие диоды, имеющие уширения спектральной линии излучения благодаря некогерентности источника примерно   50 нм, в отличии от лазерных диодов с уширением   2 нм и меньше. Это приводит к тому, что хроматическая дисперсия на длине волны 850 нм начинает играть существенную роль наряду с межмодовой дисперсией. Значительно уменьшить хроматическую дисперсию можно при использовании лазерных передатчиков, имеющих значительно меньшее спектральное уширение. Воспользоваться этим преимуществом лазерных передатчиков можно только при использовании одномодового волокна в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм, когда полностью отсутствует межмодовая дисперсия и остается только хроматическая дисперсия.

Выводы: на основании приведенной методики был произведен расчет полосы пропускания многомодового градиентного кабеля 62.5/125, откуда видно, что он пригоден для использования в данном проекте.

5. Оценка эффективности проекта и технико-экономические показатели.

5.1 Оценка экономического эффекта от внедрения проекта

При внедрении локальной вычислительной сети будут повышаться текущие эксплуатационные расходы, однако, так как производительность труда служащих возрастет, то будет происходить экономия фонда оплаты труда. Однако для обслуживания и управления работой сети необходимо нанять специалистов, для чего необходимо предусмотреть статью расходов на заработную плату (см. табл. ХХХ). Рассчитаем чистую экономию фондов оплаты труда после внедрения проекта по формуле:

Эфот2 = Эфот - Зфот,

где Эфот - годовая экономия фондов оплаты труда,

Зфот - затраты на заработную плату обслуживающему персоналу.

Годовая экономия от внедрения проекта определяется по формуле:

Эфот = N * H, где

N количество станций, подключенных к сети;

H экономия фондов при подключения одной станции.

Ежегодная экономия фондов при подключении одной рабочей станции определяется по формуле:

, где

Х число служащих, пользующихся одной рабочей станцией (обычно 2-4);

К средневзвешенное число смен (1 - 2,5);

С средние ежегодные затраты на одного сотрудника;

Р относительная средняя производительность сотрудника, пользующегося рабочей станцией (140 - 350%).

Расчет: Примем Х = 1, К = 1, С = 3000 у.е., Р = 150%. Имеем ежегодную экономию от подключения одной рабочей станции Н = 1500 у.е..

Таким образом годовая экономия фондов оплаты труда составляет

Эфот = 16 * 1500 = 24 000 у.е.

Затраты на заработную плату обслуживающему персоналу (табл. 5.1)

Таблица 5.1. Смета на заработную плату обслуживающему персоналу.

Должность	Количество	Сумма заработной платы в год
Администратор сети	2 человека	3000
Системный программист	1 человек	3500
Итого	9500 у.е.

Теперь можно рассчитать чистую экономию фондов при внедрения проекта:

Эфот2 = Эфот - Зфот = 24 000 - 9 500 = 14 500 у.е.

Однако, при экономии на фондах оплаты труда, также происходит экономия на налогах с фонда оплаты труда, которые составляют 39%.

Итого экономия на налогах с фонда оплаты труда:



Эн2 = Эфот2 * 0,39 = 14 500 * 0,39 = 5 655 у.е.

В итоге предприятие имеет прибыль в виде экономии фондов оплаты труда и экономии налогов с фонда оплаты труда, которая составляет:

Пр = Эфот2 + Эн2 = 14 500 + 5 655 = 20 155 у.е.

Чистая прибыль предприятия: Пч = Пр - Нпр , где Нпр - налог на прибыль ( 33 % от суммы прибыли).

Пч = Пр - Нпр = Пр - Пр * 0,33 = 20 155 - 20 155 * 0,33 = 13 500 у.е.

Оценка стоимости внедрения проекта

Общие затраты на проектирование и создание сети определяются:

КLAN = К1 + К2, где

К1 производственные затраты;

К2 капитальные вложения.

Оценим производственные затраты:

К1 = С1 + С2 + С3, где

С1 затраты на НИР и ТЗ;

С2 затраты на опытную эксплуатацию и внедрение;

С3 затраты на рабочий проект.

Смета производственных затрат приведена в табл. 5.2.



Таблица 5.2. Смета производственных затрат

Производственные затраты	Сумма
Затраты на НИР и ТЗ	200
Затраты на опытную эксплуатацию и внедрение	1000
Затраты на рабочий проект	200
ИТОГО	1400 у.е.

Имеем производственные затраты К1 = 1200у.е.

Смета затрат на капитальные вложения приведена в табл.5.3.

Таблица 5.3. Смета затрат на капитальные вложения.

Код	Название	Количество	Цена	Итого
J4120A	HP ProCurve Switch 1600M (16 ports/1slot)	1	1983	1983
J4112A	HP ProCurve Switch 100Base-FX Module (4 ports)	1	920	920
J3233B	HP AdvanceStack 100Base-T Hub-12TXM	4	1001	4004
J3248A	HP AdvanceStack 100Base-FX Switch Port Module	4	590	2360
D6692A	HP 10/100Base-TX NightDirector/100 card	18	91	1638
Затраты на активное оборудование:	10905
ОКП-62,5-02-0,7-4	Кабель оптический подвесной mm 4х62,5/125	2000	1,77	3540
PT-M-1-SC/NC	Pig Tail SC mm, 1m	36	5,95	214,2
DPC-M-3-SC/SC	Dual Patch-cord SC mm, 3 м	10	25	250
EL2243.600	Rittal Шкаф 3ВЕ-600*212*415 стекл. дв., 3-секц.	4	338	1352
HD5-16T4-CK	Патч-панель 16-ти портовая (T568A) 5-й категории (шт.)	3	126	378
0-0057819-2	UTP, Cat. 5, 4 pair, solid, 100MHz, PVC, for 15-years AMP Warr., box (305m)	2	90	180
MMT0	(MINI TRUNKING) Короб 16 x 10mm (1м) Стандартная длина - 2,92м	200	0,98	196
MMT2	(MINI TRUNKING) Короб 25 x 16mm (1м) Стандартная длина - 2,92м	200	1,35	270
CT-5F-T4-(XX)	Модуль CT-серии 5-й категории RJ45 (T568A) белый, в полной комп. (шт.)	18	8,12	146,2
MB5008SC	Распределительная коробка металл. до 8 портов SC	3	50	150
UCONN-WB-12	Распределительная коробка UCONN, 12 портов ST/FC/SC, сплайс	1	75	75
Затраты на пассивное оборудование:	6751,4
Итого:	17656,4
	Вспомогательное оборудование и материалы	10% от стоимости всего оборудования	0,1	1765,6
Итого:	у.е.19422,0

Итого капитальные вложения К2 = 19 422у.е.

Таким образом общие затраты на проектирование и создание сети:

КLAN = К1 + К2 = 1400 + 19 422 = 20 822 у.е.

Расчет срока окупаемости сети

Теперь мы можем оценить срок окупаемости проекта:

Ток = КLAN / Пч = 20 822 / 13 500 = ~ 1,54 года или

~ 19 месяцев

Основные техникоэкономические показатели

Основные техникоэкономические показатели спроектированной сети приведены в таблице 5.4.



Таблица 5.4. Основные техникоэкономические показатели проекта.

Основные характеристики	Ед. изм.	Проект
Технические
скорость передачи данных	Мбит/сек	100 Мбит/сек
количество рабочих станций		16
топология		звезда
среда передачи данных		витая пара и оптическое волокно
пороговая граница коэфициента загрузки сети	%	0,3…0,5
защищенность от перегрузок электропитания	кВ	1,0 кВ электросеть 0,5 кВ сигнальная сеть
Эксплуатационные
возможность администрирования всей сети с одной рабочей станции		протокол SNMP
возможность мониторинга сети		протокол RMON
высокая надежность		пожизненная гарантия на все оборудование
Экономические
cтоимость внедрения проекта	у.е.	20 822
экономия заработной платы (прибыль)	у.е.	13 500
cрок окупаемости	лет	~ 1,54

Вывод: Таким образом, предприятие внедрив сеть, будет иметь прибыль за счет экономии фондов оплаты труда и за счет экономии на налоговых отчислениях, и, окупит затраты на внедрение сети за ~ 19 месяцев.



6. Охрана труда и безопасность жизнедеятельности

Разработанный проект локальной вычислительной сети содержит оборудование, представляющее потенциальную опасность для здоровья человека.

В состав оборудования проекта входят:

источники бесперебойного питания (ИБС);

активное коммутационное оборудование;

оптоволоконные трансиверы и конвертеры;

Питание ИБС и активного оборудования производится от сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Оптоволоконные трансиверы и конвертеры генерируют монохроматическое остронаправленное излучение с длиной волны = 1300 нм.

Возможные воздействия на организм человека могут быть следующие:

оптическое излучение непосредственно из лазера, а так же из ОВ;

возможность поражения электрическим током.

6.1 Общие сведения

Лазерное излучение: = 0,2 - 1000 мкм.

Основной источник - оптический квантовый генератор (лазер).

Особенности лазерного излучения - монохроматичность; острая направленность пучка; когерентность.

Свойства лазерного излучения: высокая плотность энергии: 10¹⁰-10¹² Дж/см²,

высокая плотность мощности 10²⁰-10²² Вт/см².

По виду излучение лазерное излучение подразделяется:

прямое излучение;

рассеянное;

зеркально-отраженное;

диффузное.

По степени опасности:

Неопасные для человека

Опасные

Биологические действия лазерного излучения зависит от длины волны и интенсивности излучения, поэтому весь диапазон длин волн делится на области:

ультрафиолетовая 0.2-0.4 мкм

видимая 0.4-0.75 мкм

инфракрасная:

ближняя 0.75-1

дальняя свыше 1.0

Опасные и вредные факторы при эксплуатации лазеров.

Вредные воздействия лазерного излучения.

термические воздействия

энергетические воздействия (+ мощность)

фотохимические воздействия

механическое воздействие (колебания типа ультразвуковых в облученном организме)

электрострикционное (деформация молекул в поле лазерного излучения)

образование в пределах клетках микроволнового электромагнитного поля

Вредные воздействия оказывает на органы зрения, а также имеют место биологические эффекты при облучении кожи.

Нормирование лазерного излучения.

CH 23- 92- 81

Нормируемый параметр -- предельно - допустимый уровень (ПДУ) лазерного излучения при =0.2-20 мкм и кроме этого регламентируется ПДУ на роговице, сетчатке, коже.

ПДУ -- отношение энергии излучения, падающей на определенные участки поверхности к площади этого участка [Дж/см²]

ПДУ зависит от:

длины волны лазерного излучения [мкм]

продолжительности импульса [сек]

частоты повторения импульса [Гц]

длительности воздействия [сек]

Меры защиты от воздействия лазерного излучения

Наиболее распространенным из технических мер являются :

экранирование (рабочее место, лазерное излучение)

блокировка, с помощью которых, лазер приводится в рабочее положение если экран на месте.

Аппаратура контроля: лазерные дозиметры.

Инфракрасное излучение.

760 -- 1500 н/м.

Поддиапазоны:

А -- 760 нм -- 540 мкм.	коротковолновая область ИФ изл.
В -- 1500 н/м -- 3000 н/м	длинноволновая область ИФ
С -- свыше 3000 н/м

Истинным ИФ излучением являются нагретые поверхности.( 0С).

ИФ излучения играют важную роль в теплообмене человека с окружающей средой терморегуляции организма человека.

В области А ИФ излучение обладает следующими вредными воздействиями :

Большая проникающая способность через поверхность кожи.

Поглощение кровью и подкожной жировой клетчаткой.

На органы зрения (хрусталик помутнение).

Воздействие ИФ излучения оценивается плотностью потока энергии на рабочем месте.

Защита от воздействия ИФ излучения.

Снижение ИФ в источнике.

Ограничение по времени пребывания.

Защита расстоянием.

Индивидуальная защита.

Экранирование (тепло-изомерные материалы).

Воздушное душирование.

Вентиляция.

Приборы контроля ИФ

Актинометр (1 -- 500) Вт/м² .

Радиометры.

Спектрорадиометр.

Радиометр оптического излучения.

Дозиметр оптического излучения.

6.2.Требования безопасности при эксплуатации лазерных изделий

Под лазерными изделиями в последующем понимаем электронно-оптические и оптические элементы, допускающие возможность выхода лазерного излучения наружу.

Используемые лазерные изделия можно отнести к классу 1. Наиболее безопасными как по своей природе (ПДУ облучения никак не может быть превышен), так и по конструктивному исполнению являются лазерные приборы класса 1. В связи с таким двойным подходом допустимые пределы излучения (ДПИ) лазерных приборов класса 1 в спектральной области от 0.4 до 1.4 мкм, для которой возможно как точечное, так и протяженное повреждение сетчатки, характеризуются значениями в двух аспектах -- энергетическом (в ваттах или джоулях) и яркостном.

Таблица 8.1.1 - Нормы излучения

Длина волны	Мощность излучения
мкм	Вт	Вт м -2
1,3	5*10 -2	103

Физиологические эффекты при воздействии лазерного излучения на человека.

Непосредственное воздействие на человека оказывает лазерное излучение любой длины волны, однако, в связи со спектральными особенностями поражаемых органов и существенно различными предельно допустимыми дозами облучения обычно различают воздействие на глаза и кожные покровы человека.

Воздействие лазерного излучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека -- сетчатка глаза -- может быть поражена лишь излучением видимого (от 0.4 мкм) и ближнего ИК-диапазонов (до 1.4 мкм), что объясняется спектральными характеристиками человеческого глаза. При этом хрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижает максимально допустимый уровень (МДУ) облученности зрачка.

Невидимое УФ (0.2<<0.4 мкм) или ИК излучение (1.4<<1000 мкм) практически не доходит до сетчатки и потому может повреждать лишь наружные части глаз человека: УФ излучение вызывает фотокератит, средневолновое ИК излучение (1.4<<3 мкм) -- отек, катаракту и ожог роговой оболочки глаза; дальнее ИК излучение (3 мкм<<1 мм) -- ожог роговицы.

Требования к размещению лазерных изделий. Размещение лазерных изделий в каждом конкретном случае производится с учётом класса опасности изделий, условий и режима труда персонала, особенностей технологического процесса, подводка коммуникаций.

Траектория прохождения лазерного пучка должна быть заключена в оболочку из несгораемого материала или иметь ограждение, снижающие уровень лазерного излучения до ДПИ и исключающие попадание лазерного пучка на зеркальную поверхность. Открытые траектории в зоне возможного нахождения человека должны располагаться значительно выше уровня глаз. Минимальная высота траектории 2,2 м.

Рабочее место должно быть организовано таким образом, чтобы исключать возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величина не превышала ДПИ для первого класса.

Рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех элементов (органов управления, средств отображения информации и другое.) должна обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизические возможности человека.

Следует предусматривать наличие мест для размещения съемных деталей, переносной измерительной аппаратуры, хранения заготовок, готовых изделий.

Классификация условий и характера труда

По степени зашиты персонала от воздействия лазерного излучения условия и характер труда при эксплуатации лазерных изделий независимо от класса изделия подразделяются:

оптимальные - исключающие воздействие на персонал лазерного излучения;

допустимые - уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал, меньше ПДУ установленного СанПиН 5804;

вредные и опасные - уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал, превышает ПДУ.

6.2 Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании лазерных изделий

Выполнение требований безопасности должно обеспечивать исключение или максимальное уменьшение возможности облучения персонала лазерным излучением, а также воздействия на него других опасных факторов.

К ремонту, наладке и испытаниям лазерных изделий допускаются лица, имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие инструктаж по технике безопасности в установленном порядке.

К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие восемнадцати лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие курс специального обучения работе с конкретными лазерными изделиями и аттестацию на группу по охране труда при работе на электроустановках с соответствующим напряжением.

При эксплуатации изделий выше класса 2 должно назначаться лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.

Лазерные изделия, находящиеся в эксплуатации, должны подвергаться регулярной профилактической проверке. При проведении профилактической проверки следует обращать особое внимание на безотказность работы всех защитных устройств, надёжность заземления.