Проект внутризоновой линии связи на участке Кемерово-Киселевск - п. Ускат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный комитет РФ по связи и информатизации

Сибирский Государственный Университет

телекоммуникаций и информатики

ПРОЕКТ ВНУТРИЗОНОВОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ НА УЧАСТКЕ КЕМЕРОВО-КИСЕЛЕВСК - П. УСКАТ

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

Пояснительная записка

СИБГУТИ ХХХХХХОООПЗ

Руководитель Михайловская Ж.А.

Консультанты:

а) по экономическому обоснованию Ионова Е.А /

б) по охране труда Михайловская Ж.А. /

Рецензент Ионов А.Д /

Дипломник Балышев Н.В./

Факультет МТСгруппа ЗМ-61

2002 г

Содержание

Введение

1. Выбор трассы для проектируемого участка

1.1 Характеристика оконечных пунктов

1.2 Выбор трассы

2. Выбор системы передачи и направляющей среды

2.1 Определение числа каналов

2.2 Выбор способа организации связи

2.3 Выбор системы передачи

2.4 Выбор оптического кабеля

3. Расчет характеристик передачи по оптическим волокнам

3.1 Волоконные световоды и принципы их действия

3.2 Особенности одномодовых волокон

3.3 Расчет параметров оптического волокна

3.3.1 Числовая апертура и количество мод волоконного световода

3.3.2 Расчет затухания оптического волокна

3.3.3 Дисперсия оптического волокна

4. Определение регенерационного участка и размещение регенерационных пунктов

4.1 Определение длинны регенерационного участка

4.2 Размещение регенерационных пунктов и организация электропитания

5. Основные средства и методы измерения ВОЛС

5.1 Измерение затухания

5.1.1 Методы обрыва

5.1.2 Измерение вносимого затухания

5.1.3 Метод обратного рассеяния

5.2 Измерение уровней оптической мощности

5.3 Измерение коэффициента ошибок

5.4 Измерение энергетического потенциала и чувствительности приемного оптического модуля

6. Строительство волоконно-оптической линии связи

6.1 Организация и особенности строительства ВОЛС

6.2 Подготовительные работы по строительству

6.3 Прокладка кабеля в канализацию

6.4 Прокладка оптического кабеля в грунт

6.4.1 Прокладка кабеля в открытую траншею

6.4.2 Прокладка кабеля бестраншейным способом

6.5 Прокладка ОК на переходах через подземные коммуникации

6.6 Прокладка кабеля с применением защитного трубопровода

6.7 Монтаж оптического кабеля

6.7.1 Сварка оптических волокон

6.7.2 Соединение оптических волокон методом склеивания с помощью механических сростков

6.7.3 Измерения, выполняемые в процессе монтажа ОК

6.7.4 Наложение защитного покрытия и герметизация ОВ

6.8 Измерения на смонтированном регенерационном участке ВОЛС

6.9 Приемка в эксплуатацию законченных строительством ВОЛС

7. Охрана труда и техника безопасности при строительстве ВОЛС

7.1 Перечень опасных и вредных производственных факторов

7.2 Требования безопасности, указываемые в технологической документации

7.3 Требования к жилым и подсобным фургонам

7.4 Земляные работы

7.5 Прокладка кабеля

7.5.1 Прокладка кабеля в грунте

7.5.2 Прокладка кабелей в кабельной канализации

7.6 Работа в подземных смотровых устройствах

7.7 Монтажные работы

7.8 Работа с измерительными приборами

7.9 Погрузочно-разгрузочные работы

7.10 Противопожарная безопасность

7.11 Охрана окружающей природой среды

Заключение

Список литературы

Введение

За последние годы достигнут значительный прогресс в создании новых перспективных средств связи, повышающих качество и эффективность передачи информации различного рода, расширяющих услуги связи, снижающих трудоспособность и материалоемкость в отрасли. В числе таких средств - волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). Работы по созданию и использованию ВОСП ведутся во всех экономически развитых странах.

Такое внимание к ВОСП вызвано следующими их основными качествами. широкополосностью и высокой пропускной способностью; малым затуханием в широком диапазоне частот ; высокой защищенностью от внешних электромагнитных помех; малогабаритностью и легкостью (масса оптических кабелей в 10 … 12 раз меньше, чем электрических) ; пригодностью прокладки по реальным трассам.

Первые работы по лазерной связи относятся к началу 60-х годов.

В качестве тракта использовались приземные слои атмосферы. Однако открытые (атмосферные) линии, подверженные влиянию метеорологических условий, не обеспечивали надежной связи.

Создание высоконадежных кабельных систем оптической связи стало возможным после разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Уникальные качества - высокая пропускная способность, малое затухание и невосприимчивость к электромагнитным помехам - стимулировали разработку специализированного оборудования и элементной базы ВОСП. К достоинствам волоконных кабелей относят также экономию меди и свинца (известно, что кабельная промышленность потребляет до 50 % меди и 25 % свинца от общих ресурсов). На изготовление оптических волокон идут кварц, многокомпонентные стекла и полимеры.

Для ближней связи широкое применение получили системы с рабочими длинами волн 0,85 … 0,9 мкм и относительно оптическими кабелями. В качестве источников используют как лазеры, так и светодиод. Как правило, это ВОСП представляют собой цифровые системы передачи с их известными преимуществами. Такие ВОСП действуют в составе телефонных сетей ряда городов страны и сельской местности.

В системах с высокими скоростями передачи и особенно в системах дальней связи целесообразно использование излучения с длинами волн 1,3 и 1,55 мкм. Здесь удается снизить затухание в кабеле до 0,2 …0,5 дБ / км и увеличить длину регенерационного участка. Это позволяет исключить потребность в дистанционном электропитании регенераторов и соответственно упростить конструкцию кабеля (не нужны медные жилы с высоким напряжением).

Нужно сказать, что реализация предельных дальностей и скороcтей передачи требует использования оптических кабелей с одномодовыми волокнами. Вместе с малым затуханием они обладают и весьма малыми дисперсионными искажениями.

Основная задача развития электрической связи заключается в создании комплекса средств связи, обеспечивающего полное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в передачи любых видов информации по всей территории страны. Развитие внутризоновых сетей связи определяется как часть этой задачи. В связи с этим темой настоящего дипломного проекта является «Проект внутризоновой линии связи на участке Кемерово-Киселевск - п. Ускат»

электрическая связь волокно оптический

1. Выбор трассы для проектируемого участка

1.1 Характеристика оконечных пунктов

Кемерово - административный центр Кемеровской области, крупный культурный и индустриальный город Западной Сибири. Население 530 тысяч человек. Предприятия Кемерово образовали многогранный комплекс, сочетающий машиностроение, химическую, а также легкую и пищевую промышленность.

Киселевск - один из районных центров Кемеровской области. Здесь развита угледобывающая промышленность. Население Киселеска составляет 145 тысяч человек.

п. Ускат - Расположено предприятие АООТ “ Знамя ” Промполщадка предприятия расположена на северо - востоке от границы г. Киселевска на расстоянии 18 км. Южнее промплощадки на водораздолье ручья Сал аир Акчурла расположен поселок Ускат. Рельеф территории равнинный с уклоном 3 - 4 % и представляет из себя гребень, имеющий уклон около 0,01 на северо - восток в продольном направлении, а в поперечном - 0,03 по северо - западному склону гребня и более крутой до 0,006 по восточному склону гребня в сторону ручья Салаир. Климат района резко - континентальный со среднегодовой температурой + 0,7 ^оС при абсолютном максимуме + 45 ^оС и абсолютном минимуме - 39,9 ^оС. Направление господствующих ветров - юго - западное.

Население поселка Ускат 1450 человек. Зона санитарной защиты согласно СН 245 - 71 составляет 300 м от основного источника загрязнения - площадка уничтожения отходов. АООТ “ Знамя “ построен и введен в эксплуатацию в 1958г. и предназначен для выпуска промышленных взрывчатых веществ Общая площадь земельного отвода территории завода - 196,86 га.

1.2 Выбор трассы

Трассу для прокладки оптического кабеля выбирают исходя из условий:

- минимальной длинны между оконечными пунктами ;

- выполнения наименьшего объема работ при строительстве ;

- возможности максимального применения наиболее эффективных средств индустриализации и механизации строительных работ ;

- удобства обслуживания.

Чтобы минимизировать капитальные затраты на строительство учитывается протяженность трассы, наличие и сложность пересечения рек, железных и автомобильных дорог, трубопроводов, характера местности, почв, грунтовых вод, возможность механизированного способа прокладки и удобство доставки грузов.

Трассы магистральных и внутризоновых ОК проектируются, как правило, вдоль автомобильных дорог, а при их отсутствии - вдоль железных дорог и продуктопроводов.

Если брать вариант Кемерово - Промышленный - Ленинск-Кузнецк - Белово - Киселевск - п.Ускат то в этом варианте присутствует около 28 маленьких речушек, 7 переходов через железную дорогу и расстояние 306,5 км.2 вариант Кемерово мимо деревни Демьяновка по новой трассе, до своротка на Севск мимо деревни Афонино - Киселевск - п.Ускат более рентабельный ввиду того, что расстояние 178 км. Пересекает 11 маленьких речушек и 2 железные дороги. Все эти речушки и переезды через железные дороги проходят под мостиками, так как по первому варианту приходится делать буровые работы через переезды железных дорог и бросать кабель через речушки.

Исходя из этих требований дешевле и удобнее проложить ОК вдоль новой автомобильной дороги, соединяющей Кемерово и Киселевск. Общая протяженность трассы равна 178 км. Схема трассы прокладки ОК приведена на рисунке 1.1.

2. Выбор системы передачи и направляющей среды

2.1 Определение числа каналов

Число каналов, связывающих оконечные пункты, в основном зависит от численности населения в этих пунктах и от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи. А так же учитывается число каналов для выделения в промежуточных пунктах.

Численность населения определяется на основании статических данных последней переписи населения с учетом прироста. Количество населения в заданном пункте с учетом среднего прироста населения определяется по формуле

(2.1)

где

H ₀ - народонаселение в период проведения переписи, чел ;

P - средний годовой прирост населения в данной местности, % ;

t - период, определяемый как разность между назначенным годом проведения переписи населения.

Период t определяем как

t = 5 + ( t _m - t ₀), (2.2)

где

t _m - год составления проекта ;

t ₀ - год, к которому относятся данные H _0.

По формуле (2.2) определяем

t = 5 + (2001 - 2000) = 6 лет.

Таким образом, численность населения города Кемерово составляет

Численность Киселевска

Численность п. Ускат

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными определяется на основании данных, полученных предприятием связи за прошедшие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи выражаются через коэффициент тяготения f ₁,который, как показывают исследования, колеблется в широких пределах (от 0,1 до 12 %).

Учитывая это, а также то обстоятельства, что телефонные каналы в междугородней связи имеют превалирующее значение, необходимо определить сначала количество телефонных каналов между заданными оконечными и промежуточными пунктами. Для расчета телефонных каналов используется приближенная формула

 (2.3)

где

₁ и ₁ - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доходности и заданным потерям, обычно потери задают в 5 %, тогда ₁ = 1,3, ₁ = 5,6 ;

f₁ = 0,05 (5 %) - коэффициент тяготения ;

y = 0,05 Эрл - удельная нагрузка, то есть средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом ;

m _a и m _b - количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС.

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,3, количество абонентов в зоне АМТС можно определить по формуле

m = 0,3 H _t, (2.4)

где

H _t - из формулы (2.1).

Тогда, для города Кемерово

m = 0,3 596900 = 179100 абонентов,

для города Киселевска

m = 0,3 163300 = 48990 абонентов,

для п.Ускат

m = 0,3 1633 = 490 абонентов,

По формуле (2.3) определяем количество телефонных каналов между заданными пунктами :

Кемерово - Киселевск (К - К)

Кемерово - п.Ускат (К - п.У)

Кроме телефонных каналов между заданными пунктами организуются каналы и других видов связи, а также и транзитные каналы. Общее число каналов N _ab между двумя заданными пунктами определяется суммой

N _ab = N _tp + N _tg + N _pw + N _pd + N _pg + N _tr + N _tv,(2.5)

где

N _tp - число двухсторонних каналов для телефонной связи ;

N _tg - то же для телеграфной связи ;

N _pw - то же для проводного вещания ;

N _pd - то же для передачи данных ;

N _pg - то же для передачи газет ;

N _tr - то же для передачи телевидения ;

N _tv - транзитные каналы.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов (например : 1 канал проводного вещания равен 3 телефонным каналам), целесообразно общее число каналов между заданными пунктами выразить через телефонные каналы

N _tg + N _pw + N _pd + N _pg + N _tr N _tp. (2.6)

Тогда общее число каналов можно рассчитать по упрощенной формуле

N _ab 2N _tp + N _tv. (2.7)

В данном проекте телевизионные каналы не предусматриваются. Определяем общее число каналов между заданными пунктами :

Кемерово - Киселевск

N _{К -К} = 2 131 = 262 канала ;

Кемерово - п.Ускат

N _{К - п.У} = 2 8 = 16 каналов.

Так как выделение числа каналов должно быть кратно 30, то полученные результаты для промежуточного пункта (Киселевск) округляем до 264. Тогда обще число каналов на заданном участке будет равно

N = N _{К -К} + N _{К - п.У} =264 + 16 = 280 канал.

2.2 Выбор способа организации связи

В настоящее время при выборе между аналоговыми и цифровыми

системами предпочтение отдается цифровым системам передачи (ЦСП), так как они имеют ряд существенных преимуществ :

- передача сигналов в цифровом виде определяет высокую помехоустойчивость цифровых систем передачи ;

- возможность передачи различных сигналов в едином цифровом виде предопределяет универсальность цифрового линейного тракта ;

- цифровой линейный тракт хорошо приспособлен для непосредственной высокоскоростной передачи данных ;

- цифровые системы передачи позволяют использовать интегральные микросхемы цифровой логики, что увеличивает их надежность, уменьшает габариты аппаратуры и эксплуатационные расходы ;

- цифровые методы передачи позволяют применять цифровые методы коммутации сообщений, что способствует созданию интегральной цифровой сети связи.

Большой удельный вес цифрового оборудования в аппаратном комплексе ЦСП определяет особенности изготовления, настройки и эксплуатацию таких систем. Высокая стабильность параметров каналов ЦСП устраняет необходимость регулировки узлов аппаратуры. Высокая степень унификации узлов также упрощает эксплуатацию и повышает надежность.

Подведя итог всему вышеизложенному, можно прийти к выводу, что цифровой способ организации связи наиболее приемлем на заданном участке. В связи с широким внедрением в России цифровых сетей различного назначения, многие фирмы приступили к выпуску унифицированного оборудования ВОСП - ПЦИ (оборудование плезиохронной цифровой иерархией), позволяющего постепенно наращивать емкость цифровой сети. Такие ВОСП содержат основные части : мультиплексоры, конвекторы, устройство технического контроля.

В данном дипломном проекте для организации связи выбрано оборудование плезиохронной цифровой иерархии фирмы EZAN - NEC (совместное производство: NEC Corporation TOKYO, JAPAN и экспериментального завода научного приборостроения PAN, Черноголовка, Московской области).

Принцип организации связи по ОК предусматривает передачу информации связи по одному световоду, а прием - по другому.

2.3 Выбор системы передачи

В современных условиях быстрыми темпами наращиваются объемы информации. Поэтому решение задачи большего количества информации с высокой степенью достоверности на большие расстояния и ее обработки становится весьма актуальной.

Ведущая роль в решении этой задачи принадлежит волоконно-оптическим линиям связи, которые по своим характеристикам превосходят все существующие системы передачи информации.

Система передачи выбирается в зависимости от общего потребного числа телефонных каналов. Во всех случаях система передачи и тип оптического кабеля выбирается так, чтобы при соблюдении необходимых качественных показателей проектируемая линия была наиболее экономичной как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным расходам.

В связи с широким внедрением в России цифровых сетей различного назначения, многие фирмы приступили к выпуску унифицированного оборудования ВОСП - ПЦИ (оборудование плезиохронной цифровой иерархией), позволяющего постепенно наращивать емкостно- цифровой сети. Такие ВОСП содержат основные части : мультиплексоры, конвекторы, устройство технического контроля.

В данном дипломном проекте для организации связи выбрано оборудование плезиохронной цифровой иерархии фирмы EZAN - NEC (совместное производство: NEC Corporation TOKYO, JAPAN и экспериментального завода научного приборостроения PAN, Черноголовка, Московской области).

Принцип организации связи по ОК предусматривает передачу информации связи по одному световоду, а прием - по другому.

На основании выше перечисленных требований систему передачи. Это может быть например система передачи оборудование фирмы EZAN - NEC предназначено для работы на цифровых сетях различного назначения. В качестве каналообразующего оборудования (АЦО) применен мультиплексор ENE 6012. С его помощью можно организовать любое количество ОЦК (основных цифровых каналов) или каналов ТЧ (тональной частоты) от1 до 30, а также объединение - разделение их в групповой первичный поток со скоростью передачи 2048 кбит/с.

Для организации третичного цифрового потока в данной работе применен мультиплексор ENE 6055. Мультиплексор предназначен для объединения - разделения в групповой поток со скоростью 34368 кбит/с. (480 цифровых каналов):

- 16-ти цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с. каждый;

- 8-ми цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с и 2-х цифровых потоков со скоростью передачи 8448 кбит/с.

Первый режим работы мультиплексора удобен для организации связи в заданном оконечном пункте. В качестве устройства преобразующего электрический групповой сигнал в линейный оптический, применен оптический линейный терминал - OLT серии FD3250, преобразующий входной кодированный сигнал со скоростью передачи 34368 кбит/с в оптический кодированный сигнал со скоростью передачи 42664 кбит/с.

Для питания и размещения съемных комплексов аппаратуры канало-образования (ENE 6055), аппаратуры временного групообразования (УТУ6012), оптического терминала (FD3250) и другого оборудования, а так же для отображения состояния, включенного в них оборудования, предназначены стойки серии EN6000.

Электропитание аппаратуры осуществляется в соответствии с ГОСТ 5237 от источника постоянного тока с напряжением (минус 2129 В) или (минус 36 72 В) с заземленным плюсом источника питания. В переходных и аварийных режимах в первичном источнике токораспределительной сети и аппаратуре, последняя должна обеспечивать задаваемые для этих условий выходные параметры в соответствии с ГОСТ 5237 - 83. Ввод отрицательного напряжения 24В,48В,60В осуществляется через модуль МТ. В нем предусмотрена первичная защита цепей питания через плавкие предохранители. Дополнительно в каждом источнике питания имеется предохранитель с плавкой вставкой, что гарантирует при неисправности выход из строя только соответствующего блока.

Электрические характеристики :

Мультиплексор серии ENE 6012

Количество передаваемых каналов ТЧ 30

Скорость передачи на выходе, кбит/с 2048

Код выходного сигнала HDB3

Мультиплексор серии ENE 6055

Скорость передачи на выходе, кбит/с 2048 или 8448

Количество входных потоков комбинации:

16х2048 кбит/с или

8х2048 кбит/с

2х8448 кбит/с

Скорость передачи на выходе, кбит/с 34368

Количество каналов в мультиплексированном потоке 480

Код входного сигнала HDB3

Код выходного сигнала HDB3

Терминал оптический лмнейный FD3250

Электрический интерфейс:

Скорость передачи, кбит/с 34368

Код HDB3

Амплитуда импульса, В 1,0

Входное сопротивление, Ом 75

Оптический интерфейс:

Скорость передачи, кбит/с 42664

Код в линии 5B6B

Коэффициент достоверности 10 - ¹¹

Тип кабеля одномодовый

Длинна волны, мкм 1,55

Источник оптической энергии лазерный диод (ЛД) FP - DC - PBH

Приемник оптической энергии лавинный фотодиод типа GE - APD

Допустимые потери, при использовании ЛД

Типа Y1388DC10,дБ 36

Средняя мощность оптического излучения, дБ - 0,5

Чувствительность приемника, дБ от - 14 до - 40,5

Энергетический потенциал, дБ 40

В оборудовании OLT предусмотрена передача каналов сервисных данных (SD) используемых для передачи сигналов служебной связи, сигналов управления и контроля, а также служебных каналов, что способствует повышению качества и функциональной надежности линии передачи и цифрового мультиплексорного оборудования, обеспечивая контроль и управление данной аппаратурой.

2.4 Выбор оптического кабеля

Как уже было сказано, аппаратура EZAN - NEC работает по одномодовому оптическому кабелю на длине волны 1,55 мкм типа ОКБ - НГ - 10 - 0,22 - 8. Кабель с волокнно - оптический с одномодовым волокном с гарантированным затуханием не более 0,22 дБ/км с броней из стальных оцинкованных проволок. Этот кабель можно прокладывать в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в шахтах, через неглубокие болота и несудоходные реки.

Допустимая температура эксплуатации от - 40 - до +60 С

Строительная длина оптического кабеля не менее 4000 м. Диаметр модового поля 8,5 мкм,

Основные технические характеристики кабеля ОКБ - НГ - 0,22 - 8:

Число оптических модулей 6

Число оптических волокон 8

Диаметр сердцевины, мкм 10

Диаметр оболочки, мкм 125

Затухание волокон :

На длине волны 1,55 мкм не более, дБ / км 0,22

Хроматическая дисперсия :

На длине волны 1,55 мкм не более, пс / нс км 5,8

Допустимое растягивающее усилие, кН 7

Конструкция кабеля показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Конструкция кабеля ОКБ - НГ - 10 - 0,22 - 8

1 - оптическое волокно ; 2 - полимерная трубка; 3 - центральный силовой элемент;

4 - гидрофобный заполнитель; 5 - гидрофобный заполнитель; 6 - скрепляющая лента; 7 - полиэтиленовая оболочка ; 8 - стальная проволока; 9 - внешняя оболочка из полиэтилена

Для сравнения рассчитаем максимальную длину регенерационного участка для = 1,3 мкм и = 1,55 мкм по формуле :

(2.8)

где

L _макс - максимальная проектная длина участка регенерации

А _макс, А _мин = 38 дБ - максимальное и минимальное значение

перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10 ^{- 10};

М = 6 дБ - системный запас ВОЛП по кабелю на участке регенерации;

n = 2 0,3 - число разъемных оптических соединителей на участке регенерации;

_pc = 0,1дБ - затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя;

_ок = 0,22дБ - километрическое затухание в оптических волокнах кабеля;

_нс = 0,1дБ - среднее значение затухание мощности оптического излучения на стыке между строительными длинами кабеля на участке регенерации;

L _стр = 4 км - среднее значение строительной длины на участке регенерации.

Подставляя значения в формулу (2.8) определим максимальную длину участка регенерации:

для длины волны равной 1,3 мкм ( = 0,35дБ / км)

для длины волны равной 1,55 мкм ( = 0,22 дБ / км)

Учитывая особенности трассы (наличие участков протяженностью более 75 км), выбираем ВОСП на длину волны 1,55 мкм. Это позволит избежать установки необслуживаемых регенерационных пунктов.

Количество волокон заложено больше чем требуется из расчета того, что в дальнейшем их можно будет использовать для развития, организации транзита и сдачи в аренду.

3. Расчет характеристик передачи по оптическим волокнам

3.1 Волоконные световоды и принципы их действия

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными оптическими характеристиками - (показателями преломления n₁ и n₂). Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки: создание лучших условий отражения на границе сердцевина - оболочка и защита от излучения энергии в окружающее пространство. Снаружи располагается защитное покрытие для предохранения волокна от механических воздействий.

Передача волны по световоду осуществляется за счет многократных отражений ее от границы сердечника и оболочки, имеющих разные показатели преломления (рисунок 3.1).

3.2 Особенности одномодовых волокон

В одномодовых оптических волокнах диаметр сердечника соизмерим с длинной волны (d ), и составляет 8 10 мкм. В них распространяется только одна мода, и уширение импульса обуславливается зависимостью от длины волны показателя преломления материала (материальной дисперсией) и дисперсией оптического волокна как направляющей системы (волноводной дисперсией).

Указанные виды дисперсии зависят как от параметров оптического волокна, так и от характеристик излучателей.

Достоинство одномодовых оптических волокон являются весьма широкий диапазон частот и большая пропускная способность, так как с увеличением числа мод полоса передаваемых частот снижается. Еще одно достоинство - большая длинна регенерационных участков.

3.3 Расчет параметров оптического волокна

3.3.1 Числовая апертура и количество мод волоконного световода

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода, то есть зависит от диаграммы направленности источника излучения. Как видно из рисунка 3.2, световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла (_А), величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения (_В). Этот телесный угол характеризуется апертурой. Рисунок 3.2

Рисунок 3.2 - Апертура волоконного световода.

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отображения. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

 (3.1)

где

n ₁,n ₂ - показатели преломления соответственно сердечника, оболочки.

По исходным данным n ₁ = 1,489, n ₂ = 1,487. Тогда, числовая апертура будет равна :

Как видно из рис. 3.2, между углом полного внутреннего отражения _В и апертурным углом падения луча _А имеется взаимосвязь. Чем больше угол _В, тем меньше апертура волокна _А. Необходимо стремится к тому, чтобы угол ввода луча в торец световода укладывался в апертурный угол ( _А ), а угол на границу сердцевина - оболочка был больше угла полного внутреннего отражения _В и находился в пределах _В …90 .

Общее число передаваемых мод в световоде можно определить по формуле:

, (3.2)

где V - нормативная (характеристика) частота.

Определим нормативную частоту:

(3.3)

где

а = 5 мкм - радиус сердцевины оптического волокна ;

= 1,55 мкм - длинна волны ;

NA - числовая апертура.

Тогда, обще число передаваемых мод в световоде будет равно:

По полученному результату можно сделать вывод, что оптическое волокно является одномодовым.

3.3.2 Расчет затухания оптического волокна

Важнейшим параметром световодов затухание передаваемой энергии.

Для заданных значений скорости передачи информации и вероятности ошибки мощность сигнала на входе фотодетектора должна быть больше некоторой определенной величины. Потери энергии в световодах наряду с дисперсией определяют длину регенерационного участка цифровых ВОЛС. Коэффициент затухания световодных трактов оптических кабелей обусловлен собственными потерями в волокнах световодах _к,называемыми структурами, а также деформацией и изгибами световодов при наложении упрочняющих покрытий оболочек в процессе изготовления оптического кабеля :

= _с + _к (3.4)

Собственные потери волоконных световодов состоят из потерь поглощения энергии в диэлектрике _р. Кроме этого значительный вклад в затухание вносит наличие примесей в сердцевине световода _пр. Таким образом:

_с = _п + _р + _пр (3.5)

Величина потерь на поглощение обусловлена комплексным характером диэлектрической проницаемости, которая связана с tg и линейно растет с частотой

(3.6)

где n ₁ - показатель преломления сердцевины ;

- длинна волны в км ;

tg - тангенс угла диэлектрических потерь в материале световода.

Подставляя в (5.6) соответствующее значение получим :

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых сравнимы с длинной волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления

(3.7)

где

К = 1,38 10 - ²³ Дж / К - постоянная Больцмана;

Т = 1500 К - температура перехода стекла в твердую фазу;

= 8,1 10 - ¹¹ м ² / Н - коэффициент сжимаемости

n ₁ -показатель преломления сердцевины;

По формуле (3.7) определяем потери рассеяния:

Тогда, собственные потери будут равны:

_с = 0,013 + 0,127 = 0,14 дБ / км.

Дополнительные потери в оптических кабелях классифицируются на следующие :

₁ - вследствие микроизгибов ;

₂ - вследствие микроизгибов оптического волокна и других нарушений прямолинейности ;

₃ - за счет потерь в защитной оболочке ;

₄ - вследствие термохимических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля.

Микроизгибы представляют собой мелкие локальные (сравнимые с диаметром волокна) нарушения прямолинейности волокна. Они обусловлены конструкторско-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении волокна и кабеля.

Микроизгибы обусловлены скрытой оболочке характеризуются тем, что полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее световод и затухает по экспонециальному закону. Это энергия достигает защитной оболочки и поглощается последней.

Потери термомеханического характера обусловлены различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материала оболочки, в силу чего появляются внутренние напряжения, сюда же относятся механические воздействия на волокна в процессе изготовления кабеля.

При соблюдении технологического процесса изготовления доминируют потери на микроизгибы. Потери на микроизгибы и в защитных оболочках сравнительно невелики. В целом _к составляет 0,1 дБ / км.

По формуле (3.4) определяем суммарные потери оптического волокна:

= 0,14 + 0,1 = 0,24 дБ / км.

3.3.3 Дисперсия оптического волокна

Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и существование большого числа мод.

Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической _м и волноводной (внутримодовой) _в дисперсией. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) _мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью.

Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым маленьким временем прихода лучей в сечении световода на расстоянии от начала 1 км, может быть рассчитано по формуле:

(3.8)

Различные виды дисперсии проявляются по разному в различных типах волоконных световодов. Так, в одномодовых волокнах модовая дисперсия отсутствует, и результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией

_р = _хр = _в + _м. (3.9)

Материальная дисперсия определяется по формуле :

_м = М (), (3.10)

где - ширина спектральной линии на уровне 0,5 мощности источника излучения ;

М () - удельная дисперсия материала.

Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, аналогично _м пропорционально ширине спектра излучения источника и выражается формулой :

_в = В (), (3.11)

где В () - удельная волноводная дисперсия.

По рисунку 3.3 определяем значения В (), М () для =- 1,55 мкм :

В () = 5 пс / км нм ; М () = - 18 пс / км нм. Подставляя выражения (3.10) и (3.11) в формулу (3.9), рассчитаем величину дисперсии :

_р = _хр = 0,5 (5-18) = 6,5 пс / км нм

Рисунок 3.3 - Зависимость М() и В() для кварцевого стекла.

4. Определение регенерационного участка и размещение регенерационных пунктов

4.1 Определение длинны регенерационного участка

Длинна регенерационного участка определяется энергетическим потенциалом аппаратуры и параметрами кабеля : затуханием и величиной дисперсии. Затухание приводит к ослаблению сигнала и уменьшению дальности передачи. Дисперсия ограничивает пропускную способность, которая сказывается тем сильнее, чем длиннее линия, а также она приводит к искажению импульса. Учитывая эти обстоятельства при проектировании высокоскоростных ВОЛП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию (L) и длина участка регенерации по широкополосности (L_В), так как причины, ограничивающие предельные значения L и L_B независимы.

В общем случае необходимо рассчитывать две величины длины участка регенерации по затуханию:

Для сравнения рассчитаем максимальную длину регенерационного участка для = 1,3 мкм и = 1,55 мкм по формуле :

L _макс - максимальная проектная длина участка регенерации;

L _{В минс} - минимальная проектная длина участка регенерации.

Для оценки величины длин участка регенерации могут быть использованы следующие выражения:

(4.1)

(4.2)

(4.3)

где L _макс - максимальная проектная длина участка регенерации

L _{В мин} - минимальная проектная длина участка регенерации

А _макс, А _мин = 38 дБ - максимальное и минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10 ^{- 10} ;

М = 6 дБ - системный запас ВОЛП по кабелю на участке регенерации;

n = 2 0,3 - число разъемных оптических соединителей на участке регенерации;

_pc = 0,1дБ - затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя;

_ок = 0,22дБ - километрическое затухание в оптических волокнах кабеля ;

_нс = 0,1дБ - среднее значение затухание мощности оптического излучения на стыке между строительными длинами кабеля на участке регенерации;

L _стр = 4 км - среднее значение строительной длины на участке регенерации;

(nc/нм км) = 18 10 - ¹² - суммарная дисперсия одномодового ОВ;

(нм) = 0,3 - ширина спектра оптического излучения;

В (МГц) - широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по оптическому тракту = 42,664 10 ⁶

Подставляя значения в формулу (4.1) определим максимальную длину участка регенерации :

Подставляя значения в формулу (4.2) определим минимальную длину участка регенерации :

Подставляя значения в формулу (4.3) определим длину участка регенерации по широкопососности:

По результатам расчета видно:

L _B L _макс

Это означает что выбранная аппаратура и кабель обеспечивают большой запас по широкополосности на участке регенерации.

Учитывая особенности трассы (наличие участков протяженностью более 74 км), выбираем ВОСП на длину волны 1,55 мкм. Это позволит избежать установки необслуживаемых регенерационных пунктов.

Количество волокон заложено больше чем требуется из расчета того, что в дальнейшем их можно будет использовать для развития, организации транзита и сдачи в аренду.

И так, максимальная длина регенерационного участка будет равна 131 км, минимальная - 74 км.

4.2 Размещение регенерационных пунктов и организация электропитания

Рассчитанная длина регенерационных участков и расстояния между промежуточными пунктами позволяют избежать установки необслуживаемых регенерационных пунктов и организации дистанционного питания.

Все обслуживаемые регенерационные пункты будут размещаться в населенных пунктах и питаться от местных электропитающих установок предприятий связи. В этих же пунктах будет осуществляться организация требуемого количество каналов. Схема размещения регенерационных пунктов и схема организации связи для проектируемого участка приведена на рисунке 4.1.

Аппаратура обслуживаемых регенерационных пунктов EZAN - NEC рассчитана на электропитание от источников постоянного тока напряжением минус ( -21 - 29 ) В или минус ( - 36 - 72 ) В с заземленным изолированным плюсом.



5. Основные средства и методы измерения ВОЛС

В процессе строительства и технической эксплуатации ВОЛС проводится комплекс измерений для определения состояния кабелей, линейных сооружений, качества функционирования аппаратуры линейного тракта, предупреждения повреждений. Параметры и характеристики ОК и аппаратуры ВОСП, измеряемые в условиях их производства, оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормативам ГОСТов и ТУ. Проверка на указанное соответствие выполняется при входном контроле. На этапе строительства ВОЛС в целях контроля качества строительства и связи измеряют следующие параметры: затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ; уровни мощности оптического излучения на выходных передающих оптоэлектронных модулях; коэффициенты ошибок. При необходимости устанавливают места повреждения.

5.1 Измерение затухания

Измерение затухания осуществляется на всех стадиях производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛС. В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 направляющей системы определяются как

= 10 lg(P ₁ / P ₂) = p ₁ -p ₂, (5.1)

где

- затухание, дБм ;

Р ₁ - мощность сигнала в точке 1, Вт ;

Р ₂ - мощность сигнала в точке 2, Вт ;

P ₁,P ₂ - абсолютные уровни сигнала по мощности в точках 1 и 2 соответственно, дБм.

Абсолютный уровень сигнала по мощности в некоторой точке k определяется как

p _k = 10 lg (P _k / P _н), (5.2)

где

p _k - абсолютный уровень сигнала по мощности в точке k ;

Р _k - мощность сигнала в точке k,мВт ;

P _н - мощность нормального генератора, равная 1 мВт.

Таким образом, для оценки затухания ОВ необходимо измерить мощности оптического сигнала на входе и выходе ОВ.

5.1.1 Методы обрыва

Метод обрыва отличается достаточно высокой точностью. Он позволяет выполнить измерения в пределах до 10 дБ с абсолютной погрешностью не более 0,03 дБм. Основной недостаток метода обрыва - при каждом измерении теряется 1…5 м волокна, так как приходится обрезать концы ОВ.

Метод обрыва основан на сравнении мощностей оптического излучения, измеренных при неизменных условиях ввода на выходе измеряемого образца ОВ длиной L (Р _вых) и на входе короткого участка (Р _вх), образованного за счет обрыва кабеля в начале измеряемого образца (L 1м). После регистрации мощностей Р _вх и Р _вых затухание определяется по формуле (5.1). Схема измерения представлена на рисунке 5.1.

В силу своих особенностей данный метод наиболее широко применяется при входном контроле.



Рисунок 5.1 - Измерение затухания ОВ методом обрыва : 1 - источник оптического излучения с фиксированной длинной волны; 2 - сместитель мод (исключает зависимость коэффициента затухания от внешних возбуждений); 3 - юстировочное устройство ; 4 - измеряемое ОВ; 5 - приемник излучения; х - точка обрыва ОВ

5.1.2 Измерение вносимого затухания

В процессе эксплуатации, при приемосдаточных измерениях ВОЛС применяют метод измерения вносимого затухания.

При измерении вносимого затухания определяют разность уровней мощности, воспринимаемой приемником излучения при его непосредственном подключении к источнику излучения, и мощности, поступающей на приемник при его включении на выходе измеряемого волокна, концы которого армированы оптическими соединителями. Схема измерения вносимого затухания представлена на рисунке 5.2.

По схеме на рисунке 5.2, а измеряется уровень мощности оптического излучения на выходе «эквивалентного источника излучения, который представляет собой источник 1 с подключенным к нему армированным по концам коротким отрезком ОВ. Уровень мощности p _вх измеряется на выходе данного отрезка ОВ. Затем по схеме, приведенной на рисунке 5.2, б, измеряется уровень мощности p _вых на выходе измеряемого ОВ. При этом оптическое излучение вводится в измеряемое оптическое волокно с выхода «эквивалентного источника излучения» путем соединения через проходную розетку армированных концов короткого отрезка волокна и измеряемого ОВ. Вносимое затухание определяется как разность уровней по формуле (5.1).



Рисунок 5.2 - Схема измерения уровня мощности оптического излучения на выходах «эквивалентного источника излучения» (а) и измеряемого ОВ (б) : 1 - источник оптического излучения ; 2 - приемник оптического излучения ; 3 - индикатор уровня мощности; 4 - короткий отрезок (1….3 м), армированный по концам; 5 - измеряемое ОВ, армированное по концам; 6 - проходные розетки для разъемного соединения армированных волокон.

5.1.3 Метод обратного рассеяния

В основе метода лежит явление обратного рэлеевского рассеяния. При реализации этого метода измеряемое волокно зондируют оптическими импульсами, вводимыми в оптическое волокно через оптический направленный ответвитель. Из-за флуктуаций показателя преломления сердцевины вдоль волокна, отраженный от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине волокна, возникает обратнорассеянный поток. Мощность этого потока, измеренная в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно с некоторой задержкой t относительно момента посылки зондирующего импульса, пропорциональна мощности, обратнорассеянной в точке кабеля, расположенной на расстоянии L _х = t / 2 от места измерения, где - групповая скорость распространения оптического модуля.

Для реализации данного метода разработаны специальные приборы - оптические рефлектометры. Они обеспечивают одновременное определение целого ряда важнейших параметров: степени регулярности кабеля, мест неоднородностей и повреждений, потерь в местах соединений, затухания.

Упрощенная структурная схема измерения затухания методом обратного рассеяния приведена на рисунке 5.3.

Зондирующие импульсы поступают от источника излучения 2 через направленный ответвитель 3 в оптическое волокно 4. Поток обратного рассеяния регистрируется в чувствительном фотоприемником устройстве 5 и преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки подается на вход устройства отображения 6.

Рисунок 5.3 - Структурная схема измерения затухания ОВ методом обратного рассеяния.

Одной из основных операций при работе с оптическим рефлектометром является операция идентификации характеристики обратного рассеяния ОВ. На рисунке 5,4 представлен типичный вид этой характеристики (рефлектограммы), регистрируемой оптическим рефлектометром.

Рисунок 5.4 - Идентификация характеристики обратного рассеяния ОВ;

а - схема измерения; б - рефлектограмма.

1 - рефлектометр; 2 - отрезки кабеля; 3 - место соединения строительных длин; 4 - точка соединения кабеля с прибором; 5 - точка соединения строительных длин; 6 - место неоднородности; 7 - конец кабеля.

5.2 Измерение уровней оптической мощности

Измерение уровней оптической мощности производится в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС. Для измерения уровня оптической мощности используют ваттметры поглощаемой оптической мощности. В них оптическое излучение с помощью метрологически аттестованного первичного преобразователя в электрический сигнал, по уровню которого и оценивают искомую величину.

При измерениях мощности важно обеспечить попадание всего поперечного сечения измеряемого потока оптического излучения на рабочую площадку фотоприемника.

5.3 Измерение коэффициента ошибок

Коэффициент ошибок - важнейшая характеристика линейного тракта.

Он измеряется как для отдельных участков регенерации, так и для тракта в целом. Для измерения коэффициента ошибок разработаны специальные приборы - коэффициента ошибок (ИКО), включающие генераторы псевдослучайных или регулярных последовательностей символов в коде как линии, так и стыка, а также приемное оборудование, осуществляющее собственно измерение коэффициента ошибок.

Измерение коэффициента ошибок достигается путем посимвольного сравнения принимаемой и исходной последовательностей кодовых комбинаций. Такой способ выделения ошибок используется при организации измерений «по шлейфу». В этом случае коэффициент ошибок тракта измеряют с одной оконечной станции, а на противоположном конце устанавливают шлейф. Измеренное значение коэффициент ошибок оценивает качество при прохождении цифрового сигнала в обоих направлениях.

Другой метод выделения ошибок основан на свойствах, используемых для передачи в линии кодов, которые за счет избыточности позволяют обнаружить ошибку. В этом случае коэффициент ошибок может быть измерен «по направлению», когда выделение и фиксацию числа ошибок производят на приемном конце тракта (участка регенерации). Комплексы ИКО размещают на противоположных концах линейного тракта или регенерационного участка. Оценка коэффициент ошибок производится для каждого направления отдельно.

5.4 Измерение энергетического потенциала и чувствительности приемного оптического модуля

Энергетический потенциал - это разность между уровнем оптического сигнала на выходе передающего оптического модуля (ПОМ) и чувствительности приемного оптического модуля (ПрОМ). Чувствительность приемного оптического модуля - это минимальный уровень оптического сигнала на входе ПрОМ, при котором обеспечивается требуемый коэффициент ошибок.

Для измерения энергетического потенциала необходимо иметь линию с регулируемым затуханием. В качестве такой линии обычно используют оптический аттенюатор. При проведении измерений он контролирует коэффициент ошибок.

Аттенюатор может быть включен между ПОМ и ПрОМ одного пункта, если при этом используется калиброванный аттенюатор, то нет необходимости измерять указанные мощности на выходе передающего и входе приемного модулей, так как энергетический потенциал в данном случае будет равен затуханию, вносимому аттенюатором.

Аттенюатор может быть включен между станционным и линейным кабелем. Энергетический потенциал при этом измеряется по направлению от одного пункта к другому. Аналогично измеряют чувствительность ПрОМ. С помощью оптического аттенюатора на входе ПрОМ устанавливают такой минимальный уровень мощности, при котором коэффициент ошибок равен требуемому. После этого измеряют этот уровень мощности и находят чувствительность ПрОМ.

6. Строительство волоконно-оптической линии связи

6.1 Организация и особенности строительства ВОЛС

Строительство волоконно-оптических линий связи так же, как и электрических кабельных линий связи, осуществляется строительно-монтажными управлениями (СМУ) акционерного общества «Союзтелефонстрой», а также передвижными механизированными колоннами (ПМК) концерна «Связьстрой» в системе которых организуются линейные или прорабские участки. Силами этих участков выполняются такие основные виды работ по строительству, как разбивка трассы линии и определение мест установки НРП на местности в соответствии с проектом на строительство, доставка кабеля, оборудования и других материалов на кабельную трассу, испытание, прокладка и монтаж кабеля и оконечных устройств, проведение приемосдаточных испытаний.

Опыт строительства ВОЛС выявил ряд существенных отличий в организации, технологии проведения линейных и монтажных работ по сравнению с работами на традиционных электрических кабеля связи. Эти отличия обусловлены в первую очередь своеобразием конструкции ОК: критичностью к растягивающим усилиям; малыми поперечными размерами и массой; большими строительными длинами; сравнительно большими величинами затухания сростков ОВ; невозможностью содержания ОК под избыточным воздушным давлением; трудностями в организации служебной связи в процессе строительство ВОЛС с ОК без металлических элементов; недостаточным развитием методов и отсутствием серийно выпускаемых приборов для измерений и отыскания повреждений на ОК.

Эти особенности определяют практически весь ход строительства. До начала поступления кабеля на строительства ВОЛС должны быть выполнены работы по обследованию помещений для проведения входного контроля кабелей, определено будущих трасс прокладки ОК. Должны быть решены вопросы организации служебной связи с помощью ультракоротковолновых радиостанций.

6.2 Подготовительные работы по строительству

Подготовительный этап включает в себя:

- входной контроль ОК;

- группирование строительных длин;

Входной контроль обязателен для барабанов с ОК. Барабаны с ОК, поступившие на кабельную площадку, подвергаются внешнему осмотру на отсутствие механических повреждений. В случаи их выявления должен быть составлен коммерческий акт с участием представителей подрядчика, заказчика и других заинтересованных организаций. После вскрытия обшивки проверяют наличие заводских паспортов. В них должны быть указаны длина кабеля, коэффициенты затухания, номер барабана, изготовитель волокон. Далее подготавливают кабель для измерений. Перед измерениями ОК выдерживают в сухом отапливаемом помещении не менее трех часов.