Імітаційна модель роботи ВОЛЗ при наявності поляризационної модової дисперсії

Форма минулого через оптичне волокно світлового імпульсу з лінійною частотною модуляцією (чирпом) має вигляд:

.(3.32)

Таким чином, частотно-модульований (чирпированный) гауссів імпульс зберігає свою форму при поширенні.

Тривалість імпульсу на виході волокна пов'язана з тривалістю на вході співвідношенням:

. . (3.33)

З виразу (3.33) випливає, що розширення залежить від знаків параметра і параметра частотної модуляції С. Гауссів імпульс монотонно розширюється зі збільшенням відстані, якщо >0.

3.4 Поляризаційна модовая дисперсія

Стрімкий розвиток техніки оптичної передачі інформації в останнє десятиліття призвело до того, що поляризаційні ефекти в волоконно-оптичних лініях зв'язку, які ще недавно вважалися незначними, стали грати роль основного чинника, що стримує подальше збільшення швидкості і дальності передачі інформації. Це пов'язано з тим, що обмеження, що накладаються загасанням світлових сигналів, і обмеження, що накладаються спотвореннями світлових сигналів з-за хроматичної дисперсії, успішно долаються по мірі впровадження оптичних підсилювачів та поліпшення їх характеристик і в результаті розробки ефективних методів компенсації хроматичної дисперсії. По мірі збільшення швидкості передачі інформації по одному каналу до 10 і 40 Гбіт/с і дальності до декількох тисяч кілометрів навіть слабкі ефекти поляризаційної модової дисперсії PMD (polarization mode dispersion), накопичуючись, дають помітний внесок у роботу системи.

3.4.1 Природа поляризаційних ефектів в одномодовому оптичному волокні

Так як світло являє собою електромагнітну хвилю, а її поширення у будь-якій середовищі описується рівняннями Максвелла, розповсюдження світла може розглядатися шляхом визначення розвитку пов'язаних з ним векторів електричного і магнітного полів в просторі і часі [4]. Тут r позначає просторове положення вектора. Більш зручно оперувати з перетворенням Фур'є цих векторів (див. ф. 3.17). Перетворення Фур'є визначається аналогічним чином.

Оскільки електрони в атомі заряджені негативно, а ядро несе позитивний заряд, то при дії електричного поля на матеріал, подібний кварцу, відбувається поляризація атомів. Індукована поляризація описується вектором, залежних від особливостей середовища і прикладеного електричного поля і пов'язаним з вектором і електричної індукції виразом:

. (3.34)

Зв'язокі в оптичному волокні визначається властивостями середовища і є причиною важливого явища - дисперсії.

Розглянемо поведінку фундаментальної моди, представивши електричне поле світлової хвилі у вигляді:

, (3.35)

де,і - відповідно одиничні вектори, причому z - напрямок поширення світла. Дане рівняння має два лінійно незалежних рішення, які відповідають фундаментальної моди.

Змінюється з часом електричне поле вважається лінійно поляризованим, якщо його напрям залишається постійним (не залежить від часу). Якщо електричне поле, асоційовану з електромагнітної хвилею, не має поздовжньої компоненти, поле вважається поперечним, в іншому випадку - поздовжнім. Враховуючи це, два лінійно незалежних рішення хвильового рівняння представляють лінійно поляризовані вздовж осей x і y електричні поля, які в силу взаємної перпендикулярності називаються ортогонально поляризованими складовими електричного поля або станами поляризації SOP (State of Polarization). Будь-яка лінійна комбінація цих двох лінійно поляризованих складових також є рішенням рівняння і, таким чином, фундаментальною модою. В ізотропному ідеальному оптичному волокні обидва стани поляризації мають одну і ту ж сталу розповсюдження, тобто поширюються з однаковою швидкістю, і в результаті проходження такої середовища тривалість результуючого імпульсу залишається незмінною. Але в реальних оптичних волокнах з-за порушення кругової симетрії виникає невелика анізотропія, тому, враховуючи, що світлова енергія розподілена між SOP, відмінність констант поширення викликає збільшення тривалості імпульсу на виході ОВ.

Анізотропія або двулучепреломление оптичного волокна може бути пов'язано або з порушенням ідеальної кругової форми серцевини, або з наведеним двулучепреломлением речовини, наприклад, з-за несиметричних напружень в матеріалі ІВ як це показано на (рис. 3.3), або із-за неспівпадання геометричних центрів серцевини й оболонки.

Втрата кругової симетрії призводить до появи анізотропії, при цьому, в оптичному волокні поширюються дві ортогонально поляризовані моди з різними фазовими і груповими швидкостями.

Рис. 3.3 - Причини виникнення анізотропії оптичного волокна.

Швидкості поширення поляризаційних компонентів світлового імпульсу різні, що призводить до виникнення тимчасової затримки , яку прийнято називати диференціальної групової затримки DGD (Differential Group Delay), що призводить до розширенню результуючого сигналу. Стану поляризації, які визначають найшвидше і саме повільне поширення сигналу, називаються швидким і повільним головними станами поляризації PSP (Principal State of Polarization). Осі лінійних поляризацій швидкого і повільного PSP називаються «швидкої» і «повільної» осями анізотропної середовища. Відмінність швидкостей призводить до відставання імпульсу, поляризованого вздовж повільної осі PSP (див. рис. 3.4) від імпульсу, поляризованого вздовж швидкої осі PSP на величину відносної затримки .

Виникнення DGD викликає ряд спотворень інформаційного сигналу, включаючи збільшення тривалості імпульсу. Але на відміну від хроматичної дисперсії, PMD не є стабільною, а має статистичну природу. Існує кілька факторів зростання анізотропії профілю волокна:

статичні фактори:

Ш власне недосконалість заводського процесу витяжки волокон;

Ш скручування волокон при виготовленні волоконно-оптичного кабелю (ВОК);

Ш вигини ВОК і як наслідок механічні деформації волокон, які виникають у процесі укладання кабелю;

Ш і динамічні фактори:

Ш варіації температури навколишнього середовища - для ВОК, прокладених в грунт;

Ш динамічні деформації волокон (вітрові навантаження, варіації температури навколишнього середовища, деформації внаслідок зледеніння кабелю) - для підвісних ВОК.

Рис. 3.4 - Поява PMD при поширенні світлових імпульсів в оптичному волокні

З-за наявності динамічних факторів навіть у межах окремого сегмента волокна неможливо визначити напрямок поляризації сигналу після проходження цього сегмента. Тим більше, неможливо визначити пропорцію, в якій розподілитися енергія між PSP на наступному ділянці волокна. Отже, диференціальна групова затримка не постійна, а змінюється з часом, причому випадковим чином. Детальний аналіз динамічної поведінки DGD показує, що ця випадкова величина найкращим чином підпадає під розподіл Максвелла, а середньоквадратичне відхилення пов'язано з середнім значенням диференціальної групової затримки співвідношенням :

, (3.36)

де індекс Max - позначає усереднення по функції розподілу Максвелла.

Поляризаційної модової дисперсією PMD називають середньоквадратичне значення диференціальної групової затримки:

. (3.37)

Вона зазвичай вимірюється в пс.

У лінії з великим числом сегментів значення PMD визначається в залежності від сумарної відстані за формулою :

, (3.38)

де L - довжина оптичної лінії зв'язку (км), коефіцієнт PMD оптичного волокна (пс/км1/2).

Значення коефіцієнта для типових ОВ знаходиться в межах від 0,1 до 2 пс/км1/2. В табл. 3.1. для них при різних швидкостях цифрової передачі наведені значення максимальної протяжності лінії зв'язку.

Таблиця 3.1

	DPMD (пс/км1/2)	0,1	0,5	2,0
B=2,5 Гбіт/с	L (км)	160 000	6 400	400
B=10гбіт/с	L (км)	10 000	400	25
B=40Гбит/с	L (км)	625	25	1,56

Затримка світлової хвилі, поляризованої вздовж повільної осі, відносно хвилі, поляризованої вздовж швидкої осі, призводить до появи різниці фаз між двома поляризаційними компонентами, прямо пропорційною DGD і кутової частоти світлової хвилі:

. (3.39)

Лінійна залежність різниці фаз двох поляризаційних компонент призводить до періодичної залежності поляризації вихідного випромінювання від частоти.

3.4.2 Контроль PMD в процесі експлуатації ВОСП.

Після прокладки кабелю багато параметри, в тому числі і PMD, можуть по ряду причин (деформації волокна, температурні зміни, натяг і т. д.) відчувати відхилення від паспортних даних. Це вимагає проведення вимірювань PMD оптичних волокон після інсталяції волоконно-оптичної кабельної системи. Також у процесі експлуатації слід проводити регулярні перевірки параметра PMD. Для складних ліній з великим числом послідовних сегментів волоконно-оптичних кабелів слід проводити тестування PMD і окремих сегментів. Якщо лінія складається з N сегментів ВОК, дисперсія в кожному з яких дорівнює , то результуюча поляризаційна модовая дисперсія визначається з вираження у відповідності з законом суми незалежних випадкових величин:

(3.40)

Розглянемо на простому прикладі. Нехай лінія складається з дев'яти сегментів, вісім з яких має = 0,2 пс/км1/2 і один = 2,0 пс/км1/2. Результуюча такої лінії дорівнює 2,078 пс/км1/2. Якщо ж всі дев'ять сегментів мають = 0,2 пс/км1/2, то результуюча буде дорівнює 0,6 пс/км1/2. Це означає, що всі сегменти повинні тестуватися, щоб виключити можливість різкого впливу низьких характеристик одного сегмента на лінію в цілому.

3.5 Швидкість поширення лазерних випромінювань

Хвильове число k можна розглядати як вектор, напрямок якого збігається з напрямком поширення світла в об'ємних середовищах. Цей вектор називається хвильовим вектором. В середовищі з показником заломлення n 1 величина хвильового вектора дорівнює kn1 . У разі поширення світла всередині хвилеводу напрям поширення світла збігається з напрямком проекції в хвильового вектора k, на вісь хвилеводу

В=n1k*sin i=ni*k* cosи (3.41)

де и - кут, що доповнює кут i до 90° (або кут між променем і віссю, як показано на рис.3.5), в називається константою поширення і грає таку ж роль у хвилеводі як хвильове число k у вільному просторі.

Кут падіння i змінюється між c i і р / 2 . При c i = i , c n k sin i 1 в = або 2 kn . При i =р / 2 , 1 в = kn . Отже, 2 1 kn < в < kn .

Рис.3.5 - Заломлення від довжини хвилі

Таким чином, величина константи поширення всередині хвилеводу завжди лежить між значеннями хвильових чисел плоскої світлової хвилі в матеріалі серцевини й оболонки. Якщо врахувати, що c= щ/k , то можна переписати це співвідношення мовою фазових швидкостей

c / n< V F < c/n2

Фазові швидкості поширення мод V F = щ/ B укладені між фазовими швидкостями хвиль у двох об'ємних матеріалах. За аналогією з показником заломлення об'ємних середовищ можна запровадити ефективний показник заломлення хвилеводу

N=n1*cosи. (3.42)

З наведеного аналізу випливає, що e n залежить від індексу моди m у випадку плоского хвилеводу або від індексів R і A у випадку оптичного волокна. Ззначение n для спрямовується моди укладено між n2 і n1 . Якщо nе менше n1, пучок не утримується хвилеводом.

Рис.3.6 - Залежність показника заломлення від довжини хвилі.

На (рис. 3.6) показані залежності ефективного показника заломлення від довжини хвилі для декількох мод нижчого порядку оптичного волокна. Різниця фазових швидкостей мод призводить до спотворення вхідного пучка світла в міру його розповсюдження у волокні.

Швидкість поширення світлового сигналу або групова швидкість - це швидкість поширення огинаючої світлового імпульсу. В загальному випадку, групова швидкість G V не дорівнює фазовій швидкості. (Саме групової швидкості відповідає середня швидкість поширення променя по криволінійній траєкторії в волокні в трактуванні геометричної оптики.) За аналогією з ефективним фазовим показником заломлення можна запровадити ефективний груповий показник заломлення

(3.43)

Ефективний груповий показник заломлення, а, отже, і групова швидкість, для довжини хвилі л може бути розрахований по ефективному фазового показником заломлення:

(3.44)

На підставі отриманих даних розраховуємо швидкість від довжини хвилі л:

(3.45)

На (рис.3.7) показано залежності ефективного групового показника заломлення G n від довжини хвилі для декількох мод нижчого порядку оптичного волокна.

Рис.3.7 - Залежність заломлення від довжини хвилі

Рис.3.8 - Залежність швидкості світла від довжини хвилі

На (рис.3.8 ) показані залежності групової швидкості світла від довжини хвилі для декількох мод нижчого порядку оптичного волокна.

В волокні з параболічним градієнтним показником заломлення похилі промені розповсюджуються по криволінійній траєкторії, яка, природно довший, ніж шлях поширення аксіального променя. Однак через зменшення швидкість світла при наближенні до оболонки волокна зростає, так що в результаті всього цього час розповсюдження по волокну виявляється приблизно однаковою. Таким чином, дисперсія, або зміна часу поширення різних мод, зводиться до мінімуму, а ширина смуги пропускання волокна збільшується.

Методи розрахунку параметра BER

Так як цифрова система передає і приймає безліч бітів даних за який-небудь проміжок часу, робота системи в цілому може бути описана за допомогою швидкості появи бітових помилок, а саме відносини помилкових бітів Nf до загальної кількості прийнятих бітів N. Це відношення називається частотою бітових помилок (bit error rate -- BER), або коефіцієнт бітових помилок.

BER -- це базовий показник якості комунікаційної системи. При швидкостях передачі даних порядку декількох Гбіт/с величина BER для більшості комунікаційних стандартів, таких як Fibre Channel (FC), Gigabit Ethernet, SONET і PCI Express, повинна бути не більше 10-12. Велика величина BER погіршує ефективність мережі або каналу і збільшує час очікування системи. Величина 10-12 означає, що серед 1012 прийнятих і переданих бітів допускається лише один біт помилки. Ясно, що величина BER залежить від швидкості передачі даних, джиттера і шуму в комунікаційній системі. З визначення BER випливає, що BER -- це статистичний показник, тому для його аналізу можна застосувати статистику Пуассона.

Параметр BER вважається основним параметром тестування будь-яких цифрових каналів і систем, оскільки він визначає функцію розподілу ймовірності виникнення помилки в цифровому каналі. Таким чином, параметр BER є найбільш поширеною статистичною характеристикою якісних параметрів каналу. По відношенню до вимірюваним величинам цей параметр є вторинним і обчислюється на підставі даних про кількість прийнятих помилок у тестовій послідовності в різні періоди часу. Тому необхідно говорити про методи розрахунку параметра BER за даними про кількість помилок.

Як було показано вище, існує декілька алгоритмів аналізу помилок в прийнятому потоці з ПСП. Розглянемо тепер, як за даними про помилки розраховується параметр BER. На Рис. 3.9 представлені три основних алгоритму такого розрахунку.

Відомо, що в процесі вимірювання існує дві точки синхронізації вимірювань: початок вимірювання і час, при якому досягається заданий поріг помилки. Вибір параметра заснований на припущенні нормального розподілу виникнення помилок. Враховуючи, що для більшої частини експлуатаційних вимірювань відносна похибка в 10% є цілком припустимою, як межі інтервалу синхронізації може бути вибрано час BIT ERR = 100.

Рис. 3.9 - Методи вимірювання параметра BER.

У сучасних цифрових каналах передачі є тенденція до групування помилок, тобто моменти виникнення помилок корелюють з деякими зовнішніми факторами і не є незалежними. Цей ефект є вкрай небажаним ще і з тієї причини, що незалежні помилки набагато краще піддаються виправленню з допомогою коригувальних кодів. Для декорреляции помилок в цифровому каналі в сучасних системах зв'язку використовується скремблювання інформації: при мультиплексировании інформаційні біти канальних сигналів перетасовуються у часі. Очевидно, що при цьому після демультиплексування помилкові біти в канальних сигналів виявляються значно менш залежними один від одного.

Таким чином, весь час вимірювань розбивається на два інтервали: від початку вимірювань до точки BIT ERR = 100 і після цієї точки. Відповідно розрізняються три методи підрахунку BER.

Перший метод - розрахунок відношення BER після прийому перших 100 помилок, що автоматично гарантує високу точність вимірювання (краще 10%). Однак від початку вимірювання до отримання результату необхідно певний (іноді досить великий час).

Другий метод - можливість розрахунку відносини безпосередньо після початку вимірювання без прив'язки до кількості прийнятих бітових помилок. В цьому випадку для забезпечення точності вимірювань розрахунок відносини робиться після прийому певної кількості бітів (на малюнку - 106), а точність вимірювання визначається граничним значенням кількості прийнятих бітів. Зазвичай передбачається, що точність на порядок гірше зворотного значення кількості прийнятих бітів. На відміну від першого методу цей метод забезпечує певний час почала відображення результату вимірювань, не пов'язане з кількістю помилок. З точки зору алгоритму проведення експлуатаційних вимірювань по параметру помилки, багато з яких носять іноді оціночний характер, така методика підрахунку є найбільш ефективною та отримала найбільше розповсюдження. Негативною стороною методики є необхідність урахування кількості переданих/прийнятих бітів ПСП при аналізі результату. Це пов'язано з тим, що ставлення розраховується математично без вказівки точності вимірювань в кожен конкретний момент. Наприклад, якщо прилад показує при загальній кількості прийнятих бітів , то необхідно констатувати - вимірювання параметра BER краще , але не краще, оскільки цим значенням обмежена точність вимірювання. У методі 1 такій ситуації не може виникнути, оскільки вимір робиться свідомо з точністю 10% і краще.

Третій метод, який використовується в деяких індикаторах, передбачає обчислення BER точно після прийому 100 помилкових бітів. Цей метод є модифікацією методу 1 з властивими йому негнучкістю у відображенні результатів експлуатаційних вимірювань і необхідністю очікування до індикації результату.

Таким чином, найбільше поширення в сучасній практиці набув метод 2, однак його застосування зазвичай не забезпечує автоматичного обліку точності вимірювань, що необхідно враховувати при проведенні експлуатаційних тестів.

В інформаційних системах на фізичному рівні передачі даних визначається тип оптичного кабелю. Одним з найбільш широко використовуваних є оптоволоконний кабель. Існує два види оптоволокна: одномодовое (з меншою кількістю втрат) і багатомодове. Коли ми передаємо або приймаємо інформаційний сигнал по оптоволокну, в ньому завжди міститься якийсь шум. Відхилення сигналу з шумами від ідеального можна побачити за двома показниками: за часом (джиттер) і по амплітуді (шум). Робота системи в цілому може бути описана за допомогою швидкості появи бітових помилок. Одним з базових показник якості комунікаційної системи є параметр BER .

Поширення оптичних імпульсів по волоконної лінії зв'язку з розподіленою дисперсією описується узагальненим нелінійним рівнянням Шредінгера для комплексної огинаючої A електромагнітного поля :

(3.46)

Тут z -- відстань вздовж лінії; t -- час; |A|2 -- потужність сигналу; в2 -- параметр дисперсії групової швидкості; у -- коефіцієнт керровской нелінійності. Величини г, у і в2 представлені як функції від z, щоб врахувати зміни цих параметрів при переході від одного типу світловода до іншого. Коефіцієнт нелінійності у визначається формулою:

(3.47)

де n2 -- нелінійний показник заломлення; л0 -- несуча довжина хвилі; Aeff -- ефективна площа власної моди світловода. Функція G(z) описує процеси затухання та посилення оптичного сигналу. Конкретний вигляд G(z) задається типом оптичного підсилення. Для чисельного рішення рівняння (1.8) використовувався метод операторної експоненти.

Оцінкою якості комунікаційної системи є величина коефіцієнта помилки (Bit-Error Rate), яка визначає кількість помилкових бітів до загальної кількості переданих бітів. Припустимо, що щільності ймовірностей нулів і одиниць pi (i = 0, 1) розподілені по нормальному закону:

(3.48)

де мi -- середні значення; уi -- дисперсії (среднеквадратичные відхилення).

Тоді можна запровадити стандартну величину -- Q-фактор,

(3.49)

де µ1 і µ 0 -- середні значення сигналу і шуму відповідно, а у1 і у0 - среднеквадратичные відхилення потужності сигналу і шуму відповідно яка пов'язана з BER наступним чином:

( (3.50)

У лініях, де використовуються теоретико-інформаційні методи корекції помилок (Forward Error Correction (FEC)), прийнятними значеннями Q-фактора вважаються 4 і більше.

У розрахунках передатна здатність волоконно-оптичних ліній зв'язку аналізувалася в термінах Q-фактора (Q > 6 для коефіцієнта помилок BER < 10-9), отриманого за допомогою усереднення 25 псевдовипадкових послідовностей з 27 ? 1 біт в кожній.

РОЗДІЛ 4.

РОЗРОБКА ІМІТАЦІЙНОЇ МОДЕЛІ РОБОТИ ВОЛЗ ПРИ НАЯВНОСТІ ПОЛЯРИЗАЦІОННОЇ МОДОВОЇ ДИСПЕРСІЇ

4.1 Середовище розробки

Для реалізації програми, що дозволяє розробити імітаційну модель роботи ВОЛЗ при наявності хроматичної дисперсії, обрана середовище Visual Studio 2010 на мові C#. Вона має весь необхідний інструментарій для створення такого виду програмних продуктів.

В результаті отримали інтерфейс (рис. 4.1).

Рис.4.1 - Інтерфейс програми.

4.2 Проектування

На основі теоритических дані про поширення лазерних променів в оптоволокні і основного підходу до розробки ПЗ, була розроблена архітектура програми. Вона заснована на паттерне MVC.

Рис. 4.2 - MVC

Model-view-controller (MVC, «модель-представлення-поведінка», «модель-представлення-контролер», «модель-вид-контролер») - схема використання шаблонів проектування, з допомогою яких модель даних додатки, інтерфейс взаємодії з користувачем розділені на три окремі компоненти таким чином, щоб модифікація одного з компонентів надавала мінімальний вплив на інші. Дана схема проектування часто використовується для побудови архітектурного каркаса, коли переходять від теорії до реалізації в конкретній предметній області.

4.3 Методика розрахунків

Користувач вводить значення з клавіатури :

1. Показник заломлення серцевини n1;

2. Показник заломлення оболонки n2;

3. Довжину хвилі;

4. L - довжина лінії зв'язку ВОЛЗ(км)

5. Кількість ділянок з PMD;

6. Діапазон довжини ділянок.

Апертура (NA) розраховується

де, (4.1)

(4.2)

Швидкість поширення світлового сигналу або групова швидкість - це швидкість поширення огинаючої світлового імпульсу. В загальному випадку, групова швидкість не дорівнює фазовій швидкості. (Саме групова швидкість відповідає середня швидкість поширення променя по криволінійній траєкторії в волокні в трактуванні геометричної оптики.) за аналогією з ефективним фазовим показником заломлення можна ввести ефективність груповий показник заломлення

. (4.3)

Ефективний груповий показник заломлення, а, отже, і групова швидкість, для довжини хвилі може бути розрахувати по ефективному фазового показником заломлення:

(4.4)

Формально, фазова швидкість може бути визначена як швидкість поширення фази

(4.5)

З формули (4.4) видно, що групова швидкість тим більше відрізняється від фазової швидкості , чим сильнішою є залежність швидкості розповсюдження хвиль від їх довжини).

Групова швидкість менше фазової, якщо (більш довгі хвилі поширення швидше більш коротких). Це випадок називається нормальною дисперсією.

Якщо ж (більш довгі хвилі поширення повільніше більш коротких), то групова швидкість більше фазової. Спостерігається аномальна дисперсія.

Для середовища, яка не має дисперсії, , тобто групову і фазову швидкість збігаються.

Для розрахунку сигналу шуму в одній ділянці із PMD використовується формула

(4.6)

Рис. 4.3 - Сигнал-шум

Таким чином у волоконно-оптичних лініях зв'язку виникають ділянки з наведеної анізотропією де швидкість хвилі звичайної V0і Ve незвичайної не збігаються.
Якщо вважати, що довжина волоконно-оптичної лінії зв'язку з наведеної анізотропією ( lI ) тимчасової неузгодженість імпульсів.

Сумарна довжина хвилі часу становить :

(4.7)

В розробленій моделі варійовані величинами були довжина ділянок з наведеної анізотропією довжиною li ділянок, а також кількість ділянок (n). Оскільки ступінь наведеної анізотропії характеризуються випадковою величиною то і різниця V0 і Ve також є випадковими величинами. Діапазон різниця швидкостей V0 і Ve (0-10). При цьому саме значення числа є випадковим згідно з рівномірним законом розподілу.

Оцінкою якості комунікаційної системи є величина коефіцієнта помилки (Bit-Error Rate), яка визначає кількість помилкових бітів до загальної кількості переданих бітів.

Припустимо, що щільності ймовірностей нулів і одиниць pi (i=0,1) розподілені по нормальному закону

(4.8)

де µ1 і µ 0 -- середні значення сигналу і шуму відповідно;

у1 і у0 -- среднеквадратичные відхилення потужності сигналу і шуму соответственнос урахуванням значення постійного шуму (µ1 = µ - µш).

Тоді можна ввести стандартні величини - Q-фактор,

(4.9)

Та, на основі Q-фактора, що розраховується коефіцієнт помилок для оптоволокна певної довжини:

(4.10)

У лініях, де використовуються теоретико-інформаційні методи помилок, прийнятними значеннями Q - фактора вважаються 4 і більше.

У розрахунках передатна здатність волоконно-оптичної лінії зв'язку аналізувалася в термінах Q - фактора (Q>6 для коефіцієнта помилок BER <10-9 ).

При моделюванні величини значень параметрів обчислення Q. Вибиралося наступним чином

При появі ПМД змінювалася тільки величина . Імпульси звичайної та незвичайної хвилі, що призводить до зменшення корисності середньої потужності сигналу. При цьому всі значення не змінювалися.

Рис. 4.4 - Форма запущеного додатку.

Результати імітаційного моделювання показали, що при використанні різних довжин хвиль призводить до появи поляризаційної модової дисперсії, що призводить до погіршення передачі інформації. При зміні довжини оптоволокна, поляризаційна модовая дисперсія збільшується значення BER з 10-9 до 10-3, що призводить до зниження швидкості передачі даних по лінії зв'язку.

РОЗДІЛ5.

ОХОРОНА ПРАЦІ ПРИ РОЗРОБЦІ КОМП'ЮТЕРНИХ МОДЕЛЕЙ

5.1 Охорона праці на робочому місці програміста

Охорона праці - система законодавчих актів, соціально-економічних, організаційних, технічних, гігієнічних і лікувально-профілактичних заходів і засобів, що забезпечують безпеку, збереження здоров'я і працездатності людини в процесі праці. Науково-технічний прогрес вніс серйозні зміни в умови виробничої діяльності працівників розумової праці. Їх праця стала більш інтенсивним, напруженим, які вимагають значних витрат розумової, емоційної і фізичної енергії. Це зажадало комплексного рішення проблем ергономіки, гігієни і організації праці, регламентації режимів праці і відпочинку.

Охорона здоров'я трудящих, забезпечення безпеки умов праці, ліквідація професійних захворювань і виробничого травматизму складає одну з головних турбот людського суспільства. Звертається увага на необхідність широкого застосування прогресивних форм наукової організації праці, зведення до мінімуму ручної, малокваліфікованої праці, створення обстановки, що виключає професійні захворювання і виробничий травматизм.

5.2 Опис робочого місця

Робоче місце - це частина простору, у якому інженер здійснює трудову діяльність, і проводить велику частину робочого часу. Робоче місце, добре пристосоване до трудової діяльності інженера, правильно і доцільно організоване, у відношенні простори, форми, розміру забезпечує йому зручне положення при роботі і високій продуктивності праці при найменшій фізичній і психічній напрузі.

При правильній організації робочого місця продуктивність праці інженера зростає з 8 до 20 відсотків.

Відповідно до ГОСТ 12.2.032-78 конструкція робочого місця і взаємне розташування всіх його елементів повинно відповідати антропометричним, фізичним і психологічним вимогам. Велике значення має також характер роботи. Зокрема, при організації робочого місця програміста повинні бути дотримані наступні основні умови:

– оптимальне розміщення устаткування, що входить до складу робочого місця;

– - достатній робочий простір, що дозволяє здійснювати всі необхідні рухи і переміщення;

– - необхідно природне і штучне освітлення для виконання поставлених завдань;

– - рівень акустичного шуму не повинний перевищувати допустимого значення.

Головними елементами робочого місця програміста є письмовий стіл і крісло. Основним робочим положенням є положення сидячи. Робоче місце для виконання робіт у положенні сидячи організується відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 12.2.032-78.

Робоча поза сидячи викликає мінімальне стомлення програміста. Раціональне планування робочого місця передбачає чіткий порядок і сталість розміщення предметів, коштів праці та документації. Те, що потрібно для виконання робіт частіше, розташоване в зоні легкої досяжності робочого простору.

Моторне поле - простір робочого місця, у якому можуть здійснюватися рухові дії людини.

Максимальна зона досяжності рук - це частина моторного поля робочого місця, обмеженого дугами, описуваними максимально витягнутими руками при русі їх в плечовому суглобі.

Оптимальна зона - частина моторного поля робочого місця, обмеженого дугами, описуваними передпліччями при русі в ліктьових суглобах з опорою в точці ліктя і з відносно нерухомим плечем.

Малюнок 5.1 Зони досяжності рук у горизонтальній площині

На рисунку 5.1 зображено робочі зони:

а - зона максимальної досяжності;

б - зона досяжності пальців при витягнутій руці;

в - зона легкої досяжності долоні;

р - оптимальний простір для грубої ручної роботи; д - оптимальний простір для тонкої ручної роботи.

Розглянемо оптимальне розміщення предметів праці і документації в зонах досяжності рук:

– дисплей розміщується в зоні а (в центрі);

– клавіатура - в зоні г/д;

– системний блок розміщується в зоні б (зліва);

– принтер знаходиться в зоні а (праворуч);

– документація розташовується в зоні легкої досяжності долоні - в (зліва) - література і документація, необхідна при роботі або у висувних ящиках столу - література, невживана постійно.

При проектуванні письмового столу варто враховувати таке:

– - висота столу повинна бути вибрана з урахуванням можливості сидіти вільно, у зручній позі, при необхідності спираючись на підлокітники;

– - нижня частина столу повинна бути сконструйована так, щоб програміст міг зручно сидіти, не був вимушений підтискати ноги;

– - поверхня столу повинна володіти властивостями, що виключають появу відблисків в полі зору програміста

– - конструкція столу повинна передбачати наявність висувних ящиків (не менше 3 для зберігання документації, лістингів, канцелярських приналежностей, особистих речей).

Параметри робочого місця вибираються відповідно до антропометричних характеристик. При роботі в положенні сидячи рекомендуються такі параметри робочого простору:

- ширина не менше 700 мм;

- глибина не менше 400 мм;

- висота робочої поверхні столу над статтю 700-750 мм

Оптимальними розмірами столу є:

- висота 710 мм;

- довжина столу 1300 мм;

- ширина столу 650 мм

Поверхня для листа повинна мати не менше 40 мм у глибину і не менше 600 мм у ширину.

Під робочою поверхнею повинно бути передбачений простір для ніг:

- висота не менше 600 мм;

- ширина не менше 500 мм;

- глибина не менше 400 мм

Важливим елементом робочого місця програміста є крісло. Воно виконується відповідно до ДЕРЖСТАНДАРТ 21.889-76. При проектуванні крісла виходять із того, що при будь-якому робочому положенні програміста його поза повинна бути фізіологічно правильно обгрунтованої, тобто положення частин тіла повинно бути оптимальним. Для задоволення вимог фізіології, що випливають з аналізу положення тіла людини в положенні сидячи, конструкція робочого сидіння повинна задовольняти наступним основним вимогам:

допускати можливість зміни положення тіла, тобто забезпечувати вільне переміщення корпуса і конечностей тіла друг щодо друга;

припускати регулювання висоти в залежності від росту працюючої людини ( у межах від 400 до 550 мм );

- мати злегка увігнуту поверхню,

- мати невеличкий нахил тому.

Виходячи з вищесказаного, наведемо параметри столу програміста:

– висота столу 710 мм;

– - довжина столу 1300 мм;

– - ширина столу 650 мм;

– - глибина столу 400 мм

Поверхня для листа:

– у глибину 40 мм;

– - завширшки 600 мм

Важливим моментом є також раціональне розміщення на робочому місці документації, канцелярських приналежностей, що повинно забезпечити працюючому зручну робочу позу, найбільш економічні рухи і мінімальні траєкторії переміщення працюючого і предмета праці на даному робочому місці.

Створення сприятливих умов праці і правильне естетичне оформлення робочих місць на виробництві має велике значення як для полегшення праці, так і для підвищення його привабливості, позитивно впливаючою на продуктивність праці. Забарвлення приміщень та меблів має сприяти створенню сприятливих умов для зорового сприйняття, гарного настрою. У службових приміщеннях, у яких виконується одноманітна розумова робота, що вимагає значної нервової напруги і великого зосередження, забарвлення повинна бути спокійних тонів - малонасичені відтінки холодного зеленого або блакитного кольорів.

При розробці оптимальних умов праці програміста необхідно враховувати освітленість, шум і мікроклімат.

Раціональне освітлення робочого місця є одним з найважливіших факторів, що впливають на ефективність трудової діяльності людини, що попереджають травматизм і професійні захворювання. Правильно організоване освітлення створює сприятливі умови праці, підвищує працездатність і продуктивність праці. Освітлення на робочому місці програміста повинно бути таким, щоб працівник міг без напруги зору виконувати свою роботу. Стомлюваність органів зору залежить від ряду причин:

- недостатність освітленості;

- надмірна освітленість;

- неправильне напрям світла.

Недостатність висвітлення призводить до напрузі зору, послаблює увагу, призводить до настання передчасної стомленості.

Надмірно яскраве освітлення викликає засліплення, роздратування і різь в очах. Неправильний напрямок світла на робочому місці може створювати різкі тіні, відблиски, дезорієнтувати працюючого. Всі ці причини можуть привести до нещасного випадку або профзахворювань, тому настільки важливий правильний розрахунок освітленості.

Розрахунок освітленості робочого місця зводиться до вибору системи освітлення, визначенню необхідного числа світильників, їхнього типу і розміщення. Процес роботи програміста в таких умовах, коли природне освітлення недостатньо або відсутня. Виходячи з цього, розрахуємо параметри штучного освітлення.

Штучне освітлення виконується за допомогою електричних джерел світла двох видів: ламп накалювання і люмінесцентних ламп. Будемо використовувати люмінесцентні лампи, які в порівнянні з лампами накалювання мають істотні переваги:

- по спектрального складу світла вони близькі до денного, природного освітлення;

- володіють більш високим ККД (у 1.5-2 рази вище, ніж ККД ламп розжарювання);

- мають підвищену світловіддачею (в 3-4 рази вище, ніж у ламп розжарювання);

- більш тривалий термін служби.

Втома органів зору залежить від ступеня напруженості процесів, що супроводжують зорове сприйняття.

Основна задача освітлення у виробничих приміщеннях полягає в забезпеченні оптимальних умов для бачення. Ця задача вирішується вибором найбільш раціональної системи освітлення та джерел світла.

Радіоелектронні виробництва в дуже широкій мірі в своїх технологіях використовують хімічні, термічні, електрохімічні, механічні та ін. процеси, що супроводжуються виділенням у робочу зону виробництв різних речовин у вигляді вологи, аерозолів і пилу, а також надлишків тепла. Ці фактори можуть чинити шкідливий вплив на здоров'я працюючих, тому завдання забезпечення оптимальних параметрів повітряного середовища в робочій зоні для радіоелектронної промисловості має велике значення.

5.3 Параметри мікроклімату на робочому місці

Параметри мікроклімату можуть мінятися в широких межах, у той час як необхідною умовою життєдіяльності людини є підтримка сталості температури тіла завдяки властивості терморегуляції, тобто здатності організму регулювати віддачу тепла в навколишнє середовище.

Основний принцип нормування мікроклімату - створення оптимальних умов для теплообміну тіла людини з навколишнім середовищем. У санітарних нормах СН-245/71 установлені величини параметрів мікроклімату, що створюють комфортні умови. Ці норми встановлюються в залежності від часу року, характеру трудового процесу і характеру виробничого приміщення (значні чи незначні тепловиділення).

В даний час для забезпечення комфортних умов використовуються як організаційні методи, так і технічні засоби. До числа організаційних ставляться: раціональна організація проведення робіт у залежності від часу року і доби, а також організація правильного чергування праці і відпочинку. У зв'язку з цим рекомендується на території підприємства організовувати зелену зону з ослонами для відпочинку і водоймою (басейни, фонтани). Технічні засоби включають вентиляцію, кондиціювання повітря, опалювальну систему.

Системи опалення і системи кондиціювання варто встановлювати так, щоб ні теплий, ні холодне повітря не спрямовувався на людей. На виробництві рекомендується створювати динамічний клімат із визначеними перепадами показників. Температура повітря в поверхні статі і на рівні голови не повинна відрізнятися більш, ніж на 5 градусів. У виробничих приміщеннях крім природної вентиляції передбачають приточно-витяжну вентиляцію. Основним параметром, що визначає характеристики вентиляційної системи, є кратність обміну, тобто скільки разів за годину зміниться повітря в приміщенні.

Встановлено, що шум погіршує умови праці, роблячи шкідливий вплив на організм людини. При тривалому впливі шуму на людину відбуваються небажані явища: знижується гострота зору, слуху, підвищується кров'яний тиск, знижується увага. Сильний тривалий шум може стати причиною функціональних змін серцево-судинної і нервової систем.

Згідно ГОСТ 12.1.003-88 ("Шум. Загальні вимоги безпеки") характеристикою постійного шуму на робочих місцях є среднеквадратичные рівні тисків в октавних смугах частот із середньогеометричними стандартними частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 і 8000 Гц. У цьому Гості зазначені значення гранично припустимих рівнів шуму на робочих місцях підприємств. Для приміщень конструкторських бюро, розраховувачів і програмістів рівні шуму не повинні перевищувати відповідно: 71, 61, 54, 49, 45, 42, 40, 38 дБ. Ця сукупність восьми нормативних рівнів звукового тиску називається граничним спектром.

Будівельно-акустичні методи захисту від шуму передбачені будівельними нормами і правилами (СНиП-II-12-77):

- звукоізоляція огороджувальних конструкцій, ущільнення по периметрі притворів вікон і дверей;

- звуковбирні конструкції і екрани;

- глушники шуму, звукопоглинаючі облицювання.

На робочому місці програміста джерелами шуму, як правило, є технічні засоби - комп'ютер, принтер, вентиляційне устаткування, а також зовнішній шум. Вони видають досить незначний шум, тому в приміщенні досить використовувати звукопоглинання. Зменшення шуму, що проникає в приміщення ззовні, досягається ущільненням по периметру притворів вікон і дверей. Під звукопоглинанням розуміють властивість акустично оброблених поверхонь зменшувати інтенсивність відбитих ними хвиль за рахунок перетворення звукової енергії в теплову. Звукопоглинання є досить ефективним заходом щодо зменшення шуму. Найбільш вираженими звуковбирними властивостями володіють волокнисто-пористі матеріали: фібролітові плити, скловолокно, мінеральна вата, поліуретановий поропласт, пористий полівінілхлорид і ін До звукопоглинаючих матеріалів відносяться лише ті, коефіцієнт звукопоглинання яких не нижче 0.2.

Звуковбирні облицювання з зазначених матеріалів (наприклад, мати із супертонкого скловолокна з оболонкою зі склотканини потрібно розмістити на стелі і верхніх частинах стін). Максимальне звукопоглинання буде досягнуто при облицюванні не менш 60% загальної площі огороджувальних поверхонь приміщення.

ВИСНОВКИ

Висока техніко-економічна ефективність і фундаментальна практична значимість застосування ВОЛЗ визначаються, перш за все, їх здатністю передавати величезні потоки інформації. Оптоволокно - високонадійна система для передачі голосу і даних на великі відстані. Володіючи низькими втратами, оптоволоконна лінія зв'язку здатна транслювати сигнал на відстані до десятків кілометрів без використання проміжних підсилювачів між різними системами управління і кінцевим обладнанням.

У даній роботі були розглянуті основні характеристики оптоволоконних каналів зв'язку, які впливають на якість передачі інформації. Основну увагу було приділено показником BER та його залежності від поляризацилнной модової диспересии і наявності шуму на виході.

Був виконаний аналіз основних закономірностей розповсюдження лазерних променів в одномодовому оптоволокні при многомодовой роботі лазера. На основі цього аналізу були запрограмовані алгоритми, що моделюють фізичне явище руху світла в середовищі, а також алгоритми розрахунку поляризаційної модової дисперсії і показника якості BER. Був спроектований і розроблений програмний продукт - імітаційна модель розповсюдження лазерних променів в одномодовому волокні. Ця імітаційна модель була успішно протестована і з її допомогою були отримані результати, які дозволили продемонструвати залежність показників якості від довжини светловода і наявності шуму. На підставі отриманих результатів можна сказати, що із збільшенням довжини оптоволокна, знижується якість передачі інформації. На підставі вище викладеного можна зробити висновок, що поставлене завдання було виконано і, відповідно, мета дипломної роботи, яка полягає в розробці комп'ютерної моделі, досягнута.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Пенин П. И. Системы передачи цифровой информации: Учебное посо бие для вузов.-М.: Сов. радио, 1983. - 368с

2. Цаплин А. И. Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность: учебное пособие/ А.И. Цаплин - Пермь: Издательство Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012 - 399 с.

3. Бейли Девид Райт Эдин. Волоконная оптика: теория и практика: пер. с англ. - М.: Кудиц-пресс, 2008-320 с.

4. Волоконно оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников; под. ред.Э.Удда - М. Техносфера,2008.-520с.

5. Гроднев, И.И. Волоконно-оптические линии связи / И.И. Гроднев. - М.: Радио и связь, 1990. - 224 с.

6. Андрушко, Л. М. Волоконно-оптические линии связи / Л.М. Андрушко, И.И. Гроднев, И.П. Панфилов. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 57-61.

7. Бутусов, М. М. Волоконная оптика и приборостроение / М.М. Бутусов, С.Л. Галкин и др. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 251-255.

8. Иванов, А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения / А.Б. Иванов. - М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999. - 658 с.

9. Дианов Е. М.,Прохоров А. М.Лазеры и волоконная оптика //Успехи физических наук., 1986.-- В.2.-- Т.148.-- С.289

10. Скляров О. К.Волоконно-оптические сети и системы связи: Учебное пособие.-- 2-е изд., стер.--СПб.: «Лань», 2010.-- 272с.

11. Гуртов В.А. Оптоэлектроника и волоконная оптика: учеб. пособие. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2007. - 243 с.

12. Каналы утечки информации, передаваемой по оптическим линиям связи. Материал из Википедии - свободной энциклопедии.

13. Манько А., Каток В., Задорожний М.. Защита информации на волоконно-оптических линиях связи от несанкционированного доступа.

14. Derickson D., “Fiber Optic Test and Measurement”, Prentice Hall, 1998, pp. 642.

15. Lightwave Test and Measurements Reference Guide, Каталог компании EXFO, 2001, pp.186-192.

16. Kim J., Buerli R., “An evaluation of polarization-dependent loss-characterization methods”, Lightwave, Vol.17, No.9, August 2000, p.156-162.

17. Заркевич Е.А., Скляров О.К., Устинов С.А., DWDM для высокоскоростных систем связи, “Технологии и средства связи”, N 3, 2000, стр.10-16.

18. Ramaswami R., Sivarajan K., “Optical Networks: A Practical Perspective”, Morgan Kaufmann Publishers, 1998, pp. 632.

19. * Гладышевский М.А., Щербаткин Д.Д. Поляризационная модовая дисперсия в оптическом волокне. “ Lightwave ”, 2005г., №1, с.48-51.

20. * Френсис Оде. ПМД, ее источники и измерение в полевых условиях. “ Lightwave ”, 2004г., №2, с.38-40.

21. * Гладышевский М.А., Щербаткин Д.Д. Чем опасна поляризационная модовая дисперсия? “ Lightwave ”, 2004г., №4, с.33-34.

22. дисперсия в оптическом волокне. “ Lightwave ”, 2005г., №1, с.48-51.

23. * Френсис Оде. ПМД, ее источники и измерение в полевых условиях. “ Lightwave ”, 2004г., №2, с.38-40.

24. * Гладышевский М.А., Щербаткин Д.Д. Чем опасна поляризационная модовая дисперсия? “ Lightwave ”, 2004г., №4, с.33-34.

Размещено на Allbest.ru