Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Томский Государственный Университет

Систем Управления и Радиоэлектроники

(ТУСУР)

Кафедра Сверхвысокочастотной и Квантовой Радиотехники

(СВЧ и КР)

Курсовая работа

По дисциплине: Волоконно-оптические линии связи

Проектирование волоконно-оптической магистрали Томск-Красноярск

2002

Содержание

1. Введение

2. Определение числа каналов на магистрали

3. Выбор систем передачи, определение числа ОВ в ОК

4. Расчёт ОВ

5. Выбор оптического кабеля

6. Выбор оптического передатчика

7. Выбор оптического приёмника

8. Расчёт энергетического запаса системы

9. Расчёт надёжности ВОСП

10. Расчёт затрат на строительство

Выводы

Список литературы

1. Введение

волоконная оптическая магистраль

С 1976 года стремительно началась прокладка первых в мире волоконно-оптических линий связи. А уже к концу 20-го века появляется возможность нарушить закон Мэрфи, который гласит: потребности превзойдут возможности строящейся емкости еще до окончания строительства.

Это становится возможным благодаря достоинствам оптических средств связи. К ним следует отнести: непревзойденность волоконно-оптических систем передачи по скорости и расстоянию, а также достоверности передачи данных; невосприимчивость к электромагнитным помехам; долгосрочный экономический эффект от применения оптоволокна: запас пропускной способности оптических каналов связи позволит применять установленные системы и в будущем; большая защищенность оптических систем от несанкционированного доступа, чем электрических, так как затруднен физический съем информации.

Современная эпоха характеризуется стремительным процессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается благодаря нескольким факторам. Во-первых, растет популярность приложений World Wide Web и количество электронных банков информации, которые становятся достоянием каждого человека.

Падение цен на персональные компьютеры приводит к росту числа домашних ПК, каждый из которых потенциально превращается в устройство, способное подключиться к сети Internet. Во-вторых, новые сетевые приложения становятся все более "прожорливыми" в отношении полосы пропускания - входят в практику разнообразные приложения Internet, ориентированные на мультимедиа и видеоконференцсвязь, когда одновременно открывается очень большое количество сессий передачи данных. Как результат, наблюдается резкий рост в потреблении ресурсов Internet - по оценкам средний объем потока информации в расчете на одного пользователя в мире увеличивается в 8 раз каждый год. Следует дополнительно отметить, что и сама коммуникационная индустрия является поставщиком гетерогенных коммуникационных служб, способствуя мировой информационной интеграции и возрастанию нагрузки на сеть.

В достаточной мере отвечать растущим объемам передаваемой информации на уровне сетевых магистралей можно используя оптическое волокно. И поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Волоконная оптика, став главной рабочей лошадкой процесса информатизации общества, обеспечила себе гарантированное развитие в настоящем и будущем. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации. Стало допустимым подключение рабочих станций к информационной сети с использованием волоконно-оптического миникабеля.

Волоконная оптика играет в современной телекоммуникации важную роль. Оптическое волокно используется для передачи информации в различных областях техники. В первую очередь такая популярность оптических каналов связана с большой скоростью передачи информации. К этому можно добавить низкие потери при передаче сигнала, что позволяет прокладывать значительные по дальности участки кабеля без установки дополнительного оборудования, хорошую помехозащищенность, легкость прокладки и долгие сроки работы кабеля практически в любых условиях.

Использованию волоконно-оптических средств присущи некоторые особенности, связанные с природой передающей среды, заключающиеся в невозможности передачи по волоконно-оптическому кабелю напряжения питания, а также в потребности приемника и передатчика в дополнительном электропитании для осуществления связи. Анализ направлений развития позволил к настоящему времени определить области применения, в которых без волоконно-оптической связи обойтись практически невозможно: обеспечение связи в условиях значительных электромагнитных помех (промышленное производство, оборона и т.п.); обеспечение высокой скорости передачи данных (магистраль локальных вычислительных сетей, внутри объектовая связь и т.п.); обеспечение передачи информации на большие расстояния. Волоконно-оптический кабель позволяет в значительной степени снизить количество применяемых промежуточных усилителей и обеспечить электроизоляцию обоих концов канала связи; выполнение требований по повышенной защищенности линии связи от несанкционированного доступа. Подключение к оптическому кабелю невозможно без нарушения работы системы, а отсутствие собственного электромагнитного излучения сводит попытку “прослушивания” на нет. За предшествующие годы развития сети на медном кабеле плотно укрепили свои позиции. Однако, требования, предъявляемые сегодня действительностью по пропускной способности, достоверности и расстояниям передачи информации, являются предельными для медного кабеля и по этому требуют поиска новых принципов и способов монтажа, измерения характеристик систем и т.д., что требует определенных затрат и удорожания, и все же носит временный характер.

Оптический кабель уже сегодня по цене приближается к электрическому. При этом обеспечиваются лучшие характеристики системы. Поэтому создаются благоприятные условия для внедрения волоконно-оптических систем (ВОС) как альтернативы традиционным системам на медном кабеле.

Кроме этого, применение ВОС позволяет обеспечить большую гибкость при построении сети, уменьшается количество активных элементов: повторителей, ретрансляторов, концентраторов.

При современных технологиях, кроссовом оборудовании и инструментах монтаж ВОС обходится не дороже инсталляции медного кабеля и требует такой же квалификации персонала. Обслуживание ВОС, характеризующихся высокой отказоустойчивостью, более дешевое.

Следует отметить, что модернизация и расширение сетей ВОС влечет за собой лишь замену аппаратуры сопряжения.

Рынок волоконно-оптического кабеля (ВОК) в России динамично развивается. Следует отметить тенденцию, что все большим спросом пользуется продукция отечественных производителей, среди которых наиболее заметны предприятия “Севкабель-ОПТИК” (Санкт-Петербург), “Электроприбор” (Москва), “Оптэн” (Санкт-Петербург), Самарская оптическая компания. Главным потребителем на этом рынке выступает крупнейший оператор связи компания “Ростелеком”, руководство которого планирует в ближайшем будущем перейти полностью на ВОК отечественного производства.

Весьма перспективным и быстро развивающимся направлением строительства волоконно-оптических линий связи является размещение ВОК на опорах: линий электропередачи, телефонных и телеграфных линий, контактной электросети железной дороги. Мировым лидером в прокладке кабеля вдоль железнодорожных путей является компания Qwest, которая при помощи специальной платформы и полутора тысяч рабочих прокладывает 200 км оптического кабеля в неделю. Россия по темпам такого строительства занимает второе место в мире. Надежность оптических линий, подвешенных на опорах, в 8-10 раз выше, чем подземных.

На сегодняшний день существует полная номенклатура контрольно-измерительного и монтажного оборудования для строительства обслуживания и устранения неисправностей волоконно-оптических линий связи.

Быстрое развитие компьютерных технологий в России и их широкое применение в государственных и коммерческих структурах привело к внедрению волоконно-оптических систем передачи информации в государственных и коммерческих сетях связи. Сегодня Россия по темпам строительства оптоволоконных линий связи занимает одно из первых мест в мире. Лидирует в этом строительстве Москва, где к началу 1999 года развернуто не менее 10000 км оптоволоконных линий связи. Кроме местных линий связи ВОЛС широко внедряются на магистральных линиях связи. К настоящему времени развернуты магистральные оптоволоконные линии связи Москва - Новосибирск, Москва - Самара, Москва - Санкт-Петербург, Хабаровск - Находка. Наблюдается широкое внедрение оптоволоконных сетей крупных нефтегазовых и угольных компаний (РАО “Газпром”, РАО “ЕС России”, “Лукойл” и др.), а также ведомственных сетей. Создаваемые в настоящее время сети связи основаны на внедрении современных и перспективных технологий SDH, АТМ, WDM. Эти сети связи должны обеспечить интеграцию всех видов информации: речи, данных, изображений и др. Кроме этого, эти сети предлагают ряд функций, которые принесут пользу как отдельному абоненту, так и ведомству, корпорации, компании в целом.

Среди ведомственных сетей следует выделить магистральную сеть связи МПС РФ, строительство которой начато в конце 1997 года и имеющую общую протяженность волоконно-оптических линий связи порядка 35 тыс. км.

Значительных успехов в области волоконно-оптических технологий достигли специалисты Bell Labs. Технология спектрального уплотнения (WDM) в сочетании с инновационными достижениями в области производства оптического волокна и лазеров позволяет уже сегодня, а в будущем в большей степени, снизить себестоимость канала передачи на несколько порядков.

К числу наиболее прогрессивных можно отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволяющую значительно увеличить пропускную способность существующих волоконно-оптических магистралей, и крупномасштабные инсталляции волокна с ненулевой смещенной дисперсией TrueWave (Lucent Technologies), а также SMF-LS и LEAF (Corning), специально предназначенного для передачи DWDM сигнала. Терабитный барьер передачи данных по одному волокну был преодолен в 1996 году, когда компании AT&T, Fujitsu и NTT успешно продемонстрировали рекордную пропускную способность, мультиплексировав в одно волокно 55 DWDM каналов, при скорости передачи на канал 20 Гбит/с, что обеспечило cуммарную СКОРОСТЬ 1.1 ТбИТ/С. Эти достижения подтверждают, что за оптоволоконной связью будущее в передаче информации.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА КАНАЛОВ НА МАГИСТРАЛИ.

Число каналов связывающих выбранные оконечные пункты, в основном зависит от численности населения в этих пунктах и от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи.

Численность населения в любом областном центре и в области в целом может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения

(2.1)

где:

- среднегодовой прирост населения в данной местности, %;

- народонаселение в период переписи;

- год составления проекта;

- год переписи;

- период, определяемый как разность между назначенным годом

перспективного проектирования и годом проведения переписи населения.

(2.2)

; год.

- население в год составления проекта;

жителей.

Я имею право на столь грубое округление, так как для ВОЛС Полоса пропускания столь велика, что 10 - 20 лишних каналов никакого влияния не оказывают.

жителей.

3. ВЫБОР СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ОВ В ОК

Существуют стандартные оптические системы передачи, созданные на базе стандартных систем ИКМ или СТМ(STM). Приведём список систем и выберем нужную.

Таблица 3.1. Список систем

Система	Частота модуляции Fm, МГц
ИКМ-30	2,048
ИКМ-120	8,4
ИКМ-480	34,4
ИКМ-1920	140
STM-1	155
STM-4	622
STM-16	2500
STM-64	10000
STM-256	40000

При известной полосе нужно выбрать число волокон в оптическом кабеле. Для этого нужно знать:

- оптический кабель и его характеристики;

оптический передатчик и его характеристики.

Расчет числа абонентов

Данный расчет проводится через коэффициент оснащенности населения телефонным аппаратом, он равен 0,3.

абонентов;

абонентов.

Определим взаимосвязь между абонентами через коэффициент тяготения с целью определения числа каналов тональной частоты (КТЧ) - .

(3.1)

и - это заданные потери,

- удельная нагрузка = 0,05 эрл.

ктч.

Но по кабелю пойдут: - телеграф;

- проводное вещание;

- транзитные каналы.

Этим приложениям отведу 320 ктч.

Также организую 2 TV канала двухстороннего исполнения. TV канал занимает 1600 ктч, один Гц. Оцифрую TV канал

Но обычно TV канал после оцифровки имеет следующую скорость:

Общее число ктч без учета TV каналов

ктч.

Оцифрую их:

Скорость передачи в один конец.

, беру STM4

Расчет длины регенерационного участка для SF с ограничением по дисперсии.

мкм (длина волны лазера)

- дисперсия;

;W - полоса ;;

- ширина импульса.

км (3.2)

- длина регенерационного участка ограниченная дисперсией;

Длина трассы от Томск I до Красноярска = 612 км.

Так как длина волны, то нелинейных эффектов нет.

Пути будущего увеличения объема передаваемой информации.

1. Для моих целей подходит кабель с 2 волокнами, но чаще делают кабели начиная с 4-х волокон, разница в цене между кабелем с 4 волокнами и с 12 составляет 30%, что говорит о том, что выгоднее протянуть кабель с 12 волокнами, чем с четырьмя, а потом прокладывать новый кабель. Ведь сейчас появляются такие услуги как виодеотелефония, услуги интернет, факс и другие, причем компьютеры постоянно дешевеют, а количество информации через интернет на одного пользователя за год увеличивается в разы. К тому же с тайги с численностью в 27000 человек ж/д идет на Новосибирск с численностью в 1000000 человек. Расстояние от тайги до Новосибирска = 228 км.

2. SF в отличие от DSF более приспособлено для WDM устройств, в силу того, что точка нулевой дисперсии выведена за границы усилителя EDFA.

3. Применение новых методов сжатия информации. Например, уплотнители абонентских линий корпорации Raychem поставляет уплотнители Rayplex 2 № 1 и Rayplex 4 № 1.

2 и 4 - число абонентов на один канал, скорость 16 и 32 соответственно.

4. Расчет ОВ

Основные расчетные данные принадлежат волокну фирмы Corning.

- показатель преломления оболочки;

мкм - диаметр оболочки;

мкм - диаметр сердцевины;

- относительная разность показателей преломления;

мкм - длина волны света, взята эта длина волны, так как затухание на этой длине волны меньше, взято ступенчатое волокно, так как оно дешевле, проще в изготовлении, проще расчет, лишено недостатков DSF, хотя и имеет большую дисперсию, что компенсируется выбором лазера с нм.

Дисперсия компенсируется повторителем в Мариинске, хотя есть вариант компенсаций дисперсии специально подобранным волокном с отрицательной дисперсией.

 - показатель преломления сердцевины; (4.1)

- числовая апертура; (4.2)

<;

мкм < d = 8,3 мкм < 10 мкм;

d и взаимосвязаны.

Если выбрать большое значение d, то это улучшает условия возбуждения одной моды, снижает требования к источнику излучения и условию сочленения волокон, кроме того, большой диаметр сердечника позволяет вводить повышенную мощность излучения. Однако при больших d приходится выбирать малое значение . Это, во-первых, приводит к ухудшению условий распространения основной моды, во-вторых, волокно с очень малой величиной имеет повышенную чувствительность к изгибам.

; (4.3)

V - волновое число;

- распространяется 1 мода;

мкм;(4.4)

;

, но d лежит в пределах от мкм;

;

Расчет нормированной f для ООВ

мкм;

;

;

; (4.5)

; (4.6)

.

Расчет эффективного поля моды

W=d*(0.65+1.62*V-1.5) (4.7)

W-радиус поля моды

dпм=2W=19.234748 мкм (4.8)

dпм- эффективный диаметр поля моды



5. Выбор оптического кабеля

Оптические волокна производятся разными способами, обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют разные задачи. Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые MMF (multi mode fiber) и одномодовые SMF (single mode fiber).

Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые (step index multi mode fiber) и градиентные (graded index multi mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber)

Каждое волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. При обозначении волокна указываются через дробь значения диаметров сердцевины и оболочки. Волокна отличаются диаметром сердцевины и оболочки, а также профилем показателя преломления сердцевины. У многомодового градиентного волокна и одномодового волокна со смещенной дисперсией показатель преломления сердцевины зависит от радиуса. Такой более сложный профиль делается для улучшения технических характеристик или для достижения специальных характеристик волокна.

Если сравнивать многомодовые волокна между собой, то градиентное волокно имеет лучшие технические характеристики, чем ступенчатое, по дисперсии. Главным образом это связано с тем, что межмодовая дисперсия в градиентном многомодовом волокне - основной источник дисперсии - значительно меньше, чем в ступенчатом многомодовом волокне, что приводит к большей пропускной способности у градиентного волокна.

Одномодовое волокно имеет значительно меньший диаметр сердцевины по сравнению с многомодовым и, как следствие, из-за отсутствия межмодовой дисперсии, более высокую пропускную способность. Однако оно требует использования более дорогих лазерных передатчиков.

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон (табл. 5.1):

* многомодовое градиентное волокно 50/125;

* многомодовое градиентное волокно 62,5/125;

* одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125;

* одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125;

* одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

Таблица 5.1. Стандарты оптических волокон и области их применения

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF50/125 градиентное волокно	MMF 62,5/125 градиентное волокно	SF (NDSF) ступенчатое волокно	DSF волокно со смещенной дисперсией	NZDSF волокно с ненулевой смещенной дисперсией
ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM), магистрали SDH)	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH.ATM), полностью оптические сети

Одномодовые волокна

В ступенчатом одномодовом волокне (SF) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света X > A,CF (А, > A,CF - длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна

мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

В одномодовом волокне со смещенной дисперсией (DSF) длина волны, на которой результирующая дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии А,0 - смещена в окно 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм.

Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей "полностью оптических сетей" - сетей, на узлах которых не происходит опто-электронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Передача мультиплексного сигнала на большие расстояния требует использования линейных широкополосных оптических усилителей, из которых наибольшее распространение получили так называемые эрбиевые усилители на основе легированного эрбием волокна (EDFA). Линейные усилители типа EDFA эффективно могут усиливать сигнал в своем рабочем диапазоне от 1530-1560 нм. Длина волны нулевой дисперсии у волокна NZDSF, в отличие от волокна DSF, выведена за пределы этого диапазона, что значительно ослабляет влияние нелинейных эффектов в окрестности точки нулевой дисперсии при распространении нескольких длин волн.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых волокон совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - передача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультиплексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF. Однако длина безретрансляционного участка при использовании волокна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемопередающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью приемника).

В данной курсовой работе возьмем одномодовое ступенчатое волокно. Длина волны излучения равна 1,55 мкм.

Таблица 5.2.Типы кабелей и их характеристики.

Тип оптического кабеля	,мкм	, дБ/км	Хромат. дисперсия Пс/нм*км	Темпер. диапазон t0,C	Масса, кг/км
ADSS-D2Y(ZN)246*4E9/125 0.22H18(6,0)	1,55	0,22	<18	-40 до 60	124

Подвесные ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ.

Кабели типов ADSS-D2Y(ZN)246*4E9/125 0.22H18(6,0) предназначены для подвески на опорах линий электропередач железных дорог, столбах городского освещения или телефонной связи.

Допустимое растягивающее усилие - не менее 6000 Н.

Строительная длина кабеля должна быть не менее 4,0 км

6. Выбор оптического передатчика

Современные волоконно-оптические системы передачи информации (ВОСПИ) нельзя себе представить без полупроводниковых источников излучения, в частности, полупроводниковых лазеров (ПЛ). В этих приборах впервые удалось реализовать прямое преобразование электрической энергии в энергию когерентного светового излучения с высоким (до 40%) КПД. В настоящее время, благодаря сочетанию в себе свойств генератора оптической несущей и модулятора, ПЛ нашли массовое применение в волоконно-оптических линиях связи и передачи информации.

Для применения в ВОСПИ полупроводниковые лазеры и передающие модули на их основе должны обеспечивать непрерывный и импульсный режимы работы, иметь низкие пороговые токи, широкую полосу модуляции, линейную зависимость мощности излучения от тока накачки, малую излучающую площадь, низкие шумы, высокую стабильность мощности и большой ресурс работы.

Современный ПЛ представляет собой многослойную полупроводниковую структуру с характерными размерами в несколько сотен микрон, снабженную резонатором Фабри-Перо или системой распределенной обратной связи (РОС), а также системами вывода излучения, подачи питания и управления выходной мощностью (модуляции). Для изготовления лазерных структур применяются методы жидкостной эпитаксии, химического осаждения из газовой фазы, молекулярной эпитаксии.

В ВОСПИ применяются лазеры полосковой геометрии, в которых область протекания тока ограничена по плоскости p-n перехода. Ширина полосковых контактов обычно равна 3-5 мкм. Такое ограничение, во-первых, необходимо для уменьшения площади свечения и рабочего тока. Во-вторых, при ширине полосок менее 5 мкм происходит генерация света в одном канале и в основной поперечной моде, в результате чего повышается коэффициент ввода излучения в волокно и линейность ватт-амперной характеристики лазера.

В широкополосных когерентных линиях связи требуются динамически стабильные одночастотные лазеры с очень узкой спектральной линией в диапазонах длин волн 1,3 мкм и 1,55 мкм. Этим требованиям больше всего отвечают лазеры с распределенными брегговскими зеркалами (РБЗ) обеспечивающими ширину линии генерации менее 1 МГц.

Важной экономической и технической проблемой является введение волоконно-оптических систем связи (кабельное телевидение, сети передачи данных, телефоны и пр.) в каждую квартиру (программа «волокно в дом»). Для этих целей требуются лазеры, обладающие повышенной надежностью и малой себестоимостью. В этой связи представляют интерес лазеры, изготовляемые на основе так называемых квантоворазмерных слоев, работающие в спектральном диапазоне 1000-1100 нм. Минимальное значение порогового тока - 3 мА достигнуто на таких лазерах с длиной волны излучения 980-1020 нм.

По спектральному составу используемые в ВОСПИ лазеры могут иметь как многомодовый, так и одномодовый, в пределе одночастотный, режимы генерации в зависимости от назначения и конструкции.

Особый интерес представляют одночастотные лазеры, согласованные с отрезками волокна, на которых сформированы брэгговские решетки. В этих лазерах достигается ширина линии генерации менее 100 кГц в зависимости от количества штрихов, т.е. длины брэгговской решетки в сердцевине волокна, которая практически формирует спектр излучения лазера. Мощность вводимая в волокно прямо пропорциональна квадрату числовой апертуры, в то время как в передающим оптоэлектронном модуле в корпусе лазерного модуля закреплено также одномодовое оптическое волокно, входящее в состав одноволоконного кабеля, и устройство ввода излучения лазера в это волокно. Входной торец ОВ вместе с устройством юстировки, лазерным кристаллом и фотодиодом расположен на упоминавшейся подложке. Это сделано для того чтобы исключить уменьшение вводимой в ОВ мощности излучения за счет разъюстировки входного торца ОВ относительно входной грани лазерного кристалла при изменение температуры. Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями. Производятся весьма разнообразные ПОМ, отличающиеся по конструкции, а также по типу источника излучения. Одни работают на телефонных скоростях максимальным расстоянием до нескольких метров, другие передают сотни и даже тысячи мегабит в секунду на расстояния в несколько десятков километров.

Главным элементом ПОМ является источник излучения. Перечислим основные требования, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС: излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В традиционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм; Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.

- источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспечения передачи информации на требуемой скорости;

- источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излучения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

- источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но не на столько, чтобы излучение приводило к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приёмник;

- температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излучения;

- стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой.

Два основных типа источника излучения, удовлетворяющие перечисленным требованиям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Главная отличительная черта между светодиодами и лазерными диодами - это ширина спектра излучения. Светоизлучающие диоды имеют широкий спектр излучения (=30 - 50 нм), а в то время как лазерные диоды имеют значительно более узкий спектр (=1 - 3 нм -многомодовый лазер, =0,1 - 0,4 нм -одномодовый лазер). Оба типа устройств весьма компактны и хорошо сопрягаются со стандартными электронными цепями.

Основные типы лазеров и передающих оптических модулей (ПОМ) и их характеристики приведены в таблице 6.1.:

Таблица 6.1. Основные типы лазеров и передающих оптических модулей (ПОМ) и их характеристики

Тип модуля	QLM5S790	ПОМ-18-2	ПОМ-РБЗ-21, 22, 23
Р, мВт	2	1,5	3-5
Длина волны, нм	1500…1580	1550	1060, 1300, 1550
Ширина линии, нм	0,1	3	0,1
Пороговый ток, мА	>40	30	50-70
Рабочий ток, мА	>100	70	150
Рабочее напряжение, В	>2	2	2
Фототок обр. связи, мкА	40	40	40
Напряжение фотодиода, В	5	5	5
Ток термохолодильника, мА	300	-	500
Напряжение термохолодильника, В	3	-	4

Возьму ПОМ QLM5S790 с паразитным уширением спектра = 0,1 нм.

7. Выбор оптического приёмника

Оптический приемник осуществляет обратное преобразование входных оптических импульсов в выходные импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника используются p-i-n и лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность.

Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, например, на несколько сотен километров, то может дополнительно потребоваться одно или несколько промежуточных регенерационных устройств для усиления ослабевающего в процессе распространения оптического сигнала, а также для восстановления фронтов импульсов. В качестве таких устройств используются повторители и оптические усилители.

Для системы передачи выбран фотоприёмник производства фирмы «ПОЛЮС» ФПМ-622ЛМ.

Параметры приёмника приведены в таблице 7.1

Таблица 7.1

Тип модуля	Скорость,Mбит/c	Динамический диапозон, Дб	Чувствительность, дбм	Напряжение питания, В
ФПМ-622ЛМ	622	>30	-44	+5; -5; +45

8. Расчёт энергетического запаса системы

Энергетический запас рассчитывается по формуле:

Э=10lg(Рпер/Рф)=рпер - рф, дБм. (8.1)

где Рпер и рпер - мощность и уровень мощности вводимой в волокно;

Рф и рф - мощность и уровень мощности чувствительности приемника.

Уровень мощности определяется в дБм,

Рпер=10lg(Рпер/Р0)=3дБм ; (8.2)

P0=1мВт; Рпер=2мВт

Уровень мощности для выбранного фотоприёмника составляет -44 дБм.

При этом в зависимости от выбранного кода в линии средний уровень мощности определяют исходя из выражения

рпер=рс-ДР, (8.3)

где рс - уровень средней мощности оптического сигнала;

ДР - снижение средней мощности, зависящее от кода (для NRZ ДР = 3 дБ).

Таким образом, энергетический запас каждого участка составляет с учетом запаса на аппаратуру (включая старение передатчика и приемника) по 2дб на передающем и приемном конце.

Э=3 дБм - 3 дБм - (-44 дБм)-2-2=40 дБ

Потери на поглощении aabs состоят как из собственных потерь в кварцевом стекле (ультрафиолетовое и инфракрасное поглощение), так и из потерь, связанных с поглощением, света на примесях. Примесные центры, в зависимости от типа примеси, поглощают свет в определенных (присущих данной примеси) длинах волн и рассеивают поглощенную световую энергию в виде джоулева тепла. Даже ничтожные концентрации примесей приводят к появлению пиков на кривой потерь, рис.8.1. 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 кварцев» стекло становится непрозрачным из-за роста потерь, связанных с инфракрасным поглощением рис.8.1

Потери на рассеянии asct. 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 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 изготовления волокна.

Потери на рэлеевском рассеянии зависят от длины волны и сильно проявляются области коротких длин волн, рис.8.1

рисунок.8.1

=каб+rad=+rad+сварки+ темп (8.4)

где

- погонное затухание, дБ/км - для выбранного кабеля составляет 0,22 дБ/км;

сварки- затухание неразъемного соединения в среднем на км т .е . затухание на одну сварку(0,02 дБ) деленное на строительную длину=4 км;

rad-потери обусловленные скруткой, деформацией волокон, изгибами, возникающими при наложение покрытий и защитных оболочек, возникающих в процессе производства кабеля а также в процессе инсталяции ВОК . При соблюдение 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 ВОК.

темп-затухание вследствие изменения температуры=0.05дбм

Таким образом,

=0,22+0,2*0,22+(0,02/4)+0,05=0,319 дбм

Длина регенерационного участка равна :

Lру=Э/

Lру=(40/0,319)=125км

Всего 4 усилителя причем один из усилителей должен быть регенератором (повторитель), расположенный посередине магистрали, причем запас по мощности составит=0.319*13км лишних=4дбм

9. Расчёт надёжности ВОСП

Интенсивность отказов ОК за 1 ч на длине трассы ВОЛС L определяется как:

ЛOK=M*L/8760*100

По данным статистики повреждений коаксиальных кабелей на магистральной первичной сети связи среднее число (плотность) отказов ОК из-за внешних повреждений на 100 км кабеля в год М = 0,34.

Коэффициент простоя (неготовности) определяется по известной формуле:

Кпа = Л*V (1 + Л*V) = V/(To+V),

а коэффициент готовности:

Kг=1--Kn=To/(To+V)=0.99975,

где:

То -- среднее время между отказами (или среднее время наработки на отказ),

To=258 ч;

V -- время восстановления, V=5 ч;

Л= 1/То -- интенсивность отказов, Л =0.00381 1/ч.

10. Расчёт затрат на строительство сети

Расчёт затрат на строительство магистрали складывается из :

Стоимость ОК: 1600 $ *612км = 979000$

Стоимость ПОМ и ПрОМ = 2000$

Зарплата персоналу = 3000$

Работа по прокладке (наём транспорта и т.д.)=30000.

Стоимость различного вида оборудования: включая соединительные муфты(1836 штук), коннекторы, сварочный аппарат, кросс - стойки и другое = 60000$

И того, полная суммарная стоимость проекта равна 1.200.000$ (с запасом).

Приложение А

Таблица 9.1. Требования к полосе пропускания для различных медиа-приложений

Приложение	Тип передачи	Формат передачи	Структура передачи	Скорость передачи без сжатия	Скорость передачи со сжатием
Речь и музыка ftWHtfXOVi'	Телефония		8 Ко/с х 8 бит/о*	64 кбит/с	8-32 кбит/с
	Телеконференции		16 Ко/сх 8 бит/о*	128 кбит/с	48-64 кбит/с
	CD-аудио		44,1 Ко/сх 16 бит/о*	705,6 кбит/с	128 кбит/с
Изображение	Изображение обычного разрешения	SVGA	640 пикс/лин х 480 лин/с х 8 бит/пике	2,458 Мбит/с	24-245 кбит/с
		JPEG	720 пикс/лин х 576 лин/с х 16 бит/пике	6,636 Мбит/с	104-830 кбит/с
	Изображение высокого разрешения	джем	1280 пикс/лин х 1024 лин/с х 24 бит/пике "'	31,46 Мбит/с	300 кбит/с-3 Мбит/с
Бизнес-видео	Видеофон	QCIF (H.261)	176 пикс/лин х 144 лин/к х 12 бит/пике х 30 к/с**	9,1 15 Мбит/с	р х 64 кбит/с (р=1,2)
		MPEG-4 (H.320)	176 пикс/лин х 144 лин/к х 12 бит/пике х 10 к/с	3,04 Мбит/с	64 кбит/с
	Видеоконференции	GIF (H.261)	352 пикс/лин х 288 лин/к х 1 2 бит/пике х 30 к/с***	36,45 Мбит/с	m х 368 кбит/с (т = 1, 2, 3,4, 5)
		MPEG-1 (PAL)	352 пикс/лин х 288 лин/к х 12 бит/пике х 25 к/с***	30,4 Мбит/с	1,15-ЗМбит/с
		MPEG-1 (NTSC)	352 пикс/лин х 240 лин/к х 12 бит/пике х 30 к/с***	30,4 Мбит/с	1,15-3 Мбит/с
Развлекательное видео	VCR	GIF (MPEG-2)	352 пикс/лин х 240 лин/к х 12 бит/пике х 30 к/с***	30,4 Мбит/с	4 Мбит/с
	Широковещательное телевидение	MPEG-2 (PAL)	720 пикс/лин х 576 лин/к х 12 бит/пике х 25 к/с***	124,4 Мбит/с	15 Мбит/с
		MPEG-2 (NTSC)	720 пикс/лин х 480 лин/к х 12 бит/пике х 30 к/с***	124,3 Мбит/с	15 Мбит/с
	Телевидение высокого разрешения	HDTV	1920 пикс/лин х 1080 лин/к х 16 бит/пике х 30 к/с***	994,3 Мбит/с	135 Мбит/с
		MPEG-3	1920 пикс/лин х 1080 лин/к х 12 бит/пике х 30 к/с***	745,8 Мбит/с	20-40 Мбит/с

* о - образец, ** к - кадрQCIF (quarter common intermediate format) -

*** скорость кадров может быть 30, 15, 10 квартерный обобщенный промежуточный формат

(moving pictures expert group) - набор стандартов, обеспечивающих передачу переменного сжатого видеоизображения

лин - линий

Основными видами телекоммуникационного сервиса, доступного в настоящее время,

являются:

* телефония аналоговая, (менее массовые в России цифровая, ISDN);

телевидение широковещательное (эфирное), кабельное

* непосредственный прием передач от спутника;

* использование существующего телефонного канала для подключения домашнего ПК к сети Internet (электронная почта, низкоскоростной доступ к банкам информации).

Выводы

В данной курсовой работе была сконструирована волоконно-оптическая магистраль Томск-Красноярск. Кабель(SF =1,55мкм), задействованный в работе, выбирался исходя из стоимости, затухания и дисперсии. Длина волны излучения, равная 1,55 мкм, для данной ВОСП является наиболее подходящей, т.к. выше сказанные характеристики укладываются в требования задания.

Эта работа позволила существенно повысить уровень знаний по проектированию волоконно-оптических сетей связи. Кроме того, рассмотрел различные возможности увеличения пропускной способности магистрали.

Список литературы

1.Р.Р. Убайдулаев. Волоконно-оптические сети ЭКО-ТРЕНДЗ. Москва.1998.

2. О.К. Скляров. Современные волоконно-оптические системы передачи

3.Н.И. Гроднев,А.Г. Мурадян и др. Волоконно-оптические системы передачи и кабели.

4. Лекции по ВОЛС Ефанова В.И.

Размещено на Allbest.ru