Проект межстанционной ВОЛП на участке УВС-77 – АТС-71 г. Новосибирска

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание существующей телефонной сети г. Новосибирска

1.1 Обоснование необходимости строительства данной ВОЛП на участке УВС-77 - АТС-71

1.2 Выбор трассы межстанционной линии связи

2. Сравнительная характеристика различных типов оптических волокон

2.1 Типы оптических волокон

2.2 Ступенчатые оптические волокна

2.3 Градиентные оптические волокна

2.4 Одномодовые оптические волокна

3. Расчет параметров оптического кабеля

3.1 Геометрические параметры оптического волокна

3.2 Расчет затухания оптического кабеля

3.3 Расчет дисперсии оптического кабеля

4. Выбор системы организации межстанционной связи и оптического кабеля

4.1 Системы передачи SDH

4.2 Выбор системы передачи

4.3 Выбор оптического кабеля

4.4 Расчет растягивающих усилий на кабель при прокладке в канализации

5. Технология прокладки ОК в кабельной канализации

5.1 Подготовка кабельной канализации к прокладке ОК

5.2 Приспособления и устройства для прокладки ОК в канализации

5.3 Технология прокладки оптического кабеля

5.4 Выкладка и маркировка кабеля и муфт в колодцах кабельной канализации

6. Монтаж оптического кабеля

6.1 Требования к монтажу ОК

6.2 Неразъемные соединения волокон

6.2.1 Методы склеивания и механического сращивания

6.2.2 Сварка оптического волокна

6.3 Соединительные муфты для оптических кабелей связи

6.4 Разъемные соединители волокон

7. Приемосдаточные измерения проектируемой ВОЛП

7.1 Входной контроль оптических волокон

7.2 Измерения, проводимые в процессе прокладки ОК

7.3 Измерения, выполняемые в процессе монтажа ОК

7.4 Методы измерения затухания

7.4.1 Методы светопропускания

7.4.2 Принцип метода обратного рассеяния

7.5 Методы измерения дисперсии

7.6 Измерения на смонтированном регенерационном участке ВОЛП

7.7 Приемосдаточные измерения

8. Расчет технико-экономических показателей сравнительной эффективности для выбора варианта организации связи

8.1 Расчет капитальных затрат

8.2 Затраты на производство услуг

8.3 Расчет показателей эффективности капитальных вложений

9. Безопасность жизнедеятельности

9.1 Обучение безопасным методам работы

9.2 Охрана труда и техника безопасности при прокладке кабеля

9.3 Техника безопасности при работе с оптическим волокном

9.4 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных ситуациях

Заключение

Список литературы



Введение

Современная эпоха характеризуется процессом информатизации общества. Это сильней всего проявляется в росте пропускной способности и гибкости информационных сетей. Необходимость в увеличении полосы пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается благодаря нескольким факторам. Во-первых, растет популярность приложений World Wide Web и количество электронных банков информации, которые становятся достоянием каждого человека. Падение цен на персональные компьютеры приводит к росту числа домашних ПК, каждый из которых потенциально превращается в устройство, способное подключиться к сети Internet. Во-вторых, новые сетевые приложения становятся все более "прожорливыми" в отношении полосы пропускания - входят в практику разнообразные приложения Internet, ориентированные на мультимедиа и видеоконференцсвязь, когда одновременно открывается очень большое количество сессий передачи данных. Как результат, наблюдается резкий рост в потреблении ресурсов Internet - по оценкам средний объем потока информации в расчете на одного пользователя в мире увеличивается в 8 раз каждый год.

В достаточной мере отвечать растущим объемам передаваемой информации на уровне сетевых магистралей можно, используя оптическое волокно. И поставщики услуг связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния.

Широкомасштабное применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) началось примерно 20 лет назад, когда прогресс в технологии изготовления волокна позволил строить линии большой протяженности. Сейчас объемы инсталляций ВОЛС значительно возросли в синхронной

цифровой иерархии (SDH). Стремительно входят в нашу жизнь волоконно-оптические интерфейсы в локальных и региональных сетях Ethernet, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM. Волоконно-оптический тракт, идущий от центрального офиса к оптическому распределительному узлу, все чаще становится неотъемлемым элементом сетей абонентского доступа.

В настоящее время по всему миру поставщики услуг связи прокладывают за год десятки тысяч километров волоконно-оптических кабелей под землей, по дну океанов, рек, на ЛЭП, в тоннелях и коллекторах. Множество компаний, в том числе крупнейшие: IBM, Lucent Technologies, Nortel, Corning, Fujikura, Samsung, Pirelli ведут интенсивные исследования в области волоконно-оптических технологий.

Применение оптических кабелей целесообразно и экономически эффективно на всех участках взаимоувязанной сети РФ. Это не только значительно повышает технико-экономические показатели систем передачи, но и обеспечивает возможность поэтапного перехода к цифровым сетям интегрального обслуживания (сети ISDN). В нашей стране волоконно-оптические линии передачи широко используются на межстанционных соединительных линиях городских телефонных сетей, магистральных и внутризоновых линиях, на локальных компьютерных сетях и сетях кабельного телевидения.

Задачей данного дипломного проекта является строительство волоконно-оптической линии передачи на участке городской телефонной сети г. Новосибирска УВС-77 - АТС-71. В проекте проведен расчет ряда параметров оптического кабеля связи, таких как: числовая апертура, нормированная частота, дисперсия, затухание. В соответствии с требуемым числом соединительных линий выбрана система передач, марка оптического кабеля.

В проекте рассмотрены следующие вопросы: испытания, производимые в процессе строительства ВОЛП, прокладка и монтаж кабеля, а также мероприятия по охране труда и технике безопасности. В экономической части сделан вывод об эффективности строительства данной межстанционной волоконно-оптической линии передачи.



1. Описание существующей телефонной сети г. Новосибирска

Уровень развития связи в современном обществе - один из важнейших показателей прогресса. Сегодня оператор телефонной связи ОАО «НГТС» - крупнейшее предприятие связи в России, уступающее по основным объемным показателям только столичным Москве и Санкт-Петербургу. Это многоотраслевое предприятие связи, имеющее разветвленную сеть самых различных служб, развитую инфраструктуру, огромное количество узлов коммутации, каналов связи, абонентских линий, которое обслуживает Новосибирск, Кольцово, Краснообск, Пашино и Академгородок.

НГТС является основным поставщиком телекоммуникационных услуг в Новосибирске. Все операторы, которые предоставляют услуги в области телекоммуникаций, передачи данных пользуются услугами сети.

Активизация деловой жизни Новосибирска вызвала лавинообразное увеличение потребности в современных телекоммуникационных услугах и дополнительные потоки нагрузки на сооружения НГТС, потребовала выхода сети на качественно новый уровень развития.

В настоящий момент емкость сети составляет около 540 тысяч номеров. На сети работают более 130 телефонных станций и подстанций. Более пятидесяти процентов станций укомплектовано новейшим цифровым оборудованием, остальные АТС - координатные, которые сегодня являются уже, по сути, квази-координатными, так как основной механизм соединения на них - электронный. На сегодняшний момент в городе осталось только две станции декадно-шаговой системы - АТС-74 и АТС-77, которые будут переключаться на новое электронное оборудование в ближайшее время.

Межстанционные связи осуществляются, в основном, с использованием оптико-волоконного кольца SDH протяженностью 457 км, по которому передается около 70 процентов локального трафика между АТС.

Наличие его позволяет НГТС обеспечить качественную межстанционную связь, а также передавать информацию с высочайшим уровнем защиты и надежности, увеличивать пропускную способность станций, перенаправлять трафик по более экономичному маршруту, избегать прерывания связи при малейшей поломке или обрыве конкретной абонентской линии.

Общая протяженность подземных сооружений НГТС составляет около 6000 канало-километров, кабеля - 7000 км. Кабели абонентских сетей и межстанционных связей проложены в телефонной кабельной канализации, выполненной из асбоцементных труб длиной 4 м, диаметром 100 мм и смотровых устройств из сборного железобетона или кирпича.

В данном дипломном проекте рассматривается участок сети, представленный следующими объектами:

· В здании АТС-77, являющейся узлом входящих сообщений, располагается АТС-77/79 общей номерной емкостью 9100 №№. Оборудование АТС-77/79 - декадно-шаговое, производства чехословацкой фирмы «Тесла». Первые 5000 №№ были введены в эксплуатацию в 1964 году, в последующем в связи с развитием инфраструктуры города потребовалось расширение номерной емкости.

· АТС-71 является цифровой автоматической станцией системы S-12 производства бельгийской фирмы «Алкатель». Задействованная емкость станции в настоящее время составляет 11800 №№, из которых 1800 №№ - емкость демонтированной и переключенной ПСК-760 с сохранением индекса 76.

Межстанционная связь на участке организована с использованием аппаратуры уплотнения ИКМ-30/4, которая будет демонтирована в связи с переключением АТС-77.

1.1 Обоснование необходимости строительства данной ВОЛП на участке УВС-77 - АТС-71

Успешная деятельность современного человеческого общества невозможна без наличия специальных средств связи, обеспечивающих общение и взаимный обмен информацией между людьми независимо от расстояния. С каждым годом в мире возрастает объем информации, подлежащей передаче по каналам связи. Значительно возросли требования к качеству, эффективности и надежности, а также расширению видов услуг связи. Возможность резкого увеличения объема передаваемой информации реализуется в результате совместного применения новейших цифровых систем коммутации и волоконно-оптических кабелей, которые по сравнению с такими широко распространенными средствами как спутниковая связь и радиорелейные линии, имеют более широкую полосу пропускания. Оптические системы и кабели используют не только для организации телефонной городской и междугородной связи, но и для кабельного телевидения, видео-телефонирования, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и так далее.

Внедрение волоконно-оптических линий передачи особенно актуально именно сейчас, когда во всем мире ощущается дефицит цветных металлов, особенно меди. В результате стоимость электрических кабелей резко возрастает, а стоимость оптических кабелей имеет тенденцию к снижению.

Помимо экономии меди достоинствами ОК по сравнению с электрическими являются:

- возможность передачи большого потока информации;

- малое затухание оптического сигнала;

- высокая защищенность от внешних электромагнитных помех;

- малые габариты, размеры и масса;

- надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого

замыкания).

В данном дипломном проекте строительство волоконно-оптической линии передачи на участке УВС-77 - АТС-71 г. Новосибирска обусловлено следующими факторами:

· Пропускная способность существующих соединительных линий связи межстанционной сети не удовлетворяет растущим потребностям в каналах.

· Закрываются и демонтируются АТС-ДШ 77/79, ПС-795, ПСК-777, ПСЭ-187,188. Абоненты закрываемых АТС переключаются на проектируемую ОПТСЭ-77/79 системы S-12 производства бельгийской фирмы «Алькатель». Переключение будет осуществляться с расширением номерной емкости, которая составит 15136 №№ с последующим наращиванием.

Передача больших потоков информации требует значительного развития аппаратуры коммутации, являющейся основой сети, которая позволяет успешно решать поставленную задачу. Цифровые системы очень широко используются во многих странах благодаря значительным преимуществам перед иными типами АТС и возможности создания на их базе перспективных сетей связи (интегрального обслуживания, интеллектуальных, цифровых сотовых сетей и т.д.). Интегральные цифровые сети обеспечивают, в свою очередь, сокращение объемов каналообразующего и коммутационного оборудования, унификацию и стандартизацию используемой аппаратуры, уникальные возможности для абонентов и многое другое.

Цифровая система коммутации S-12 была выбрана руководством НГТС для использования на сети вследствие того, что эта станция обладает характеристиками, дающими ее пользователям целый ряд преимуществ. Основным поставщиком данного типа оборудования на телефонные сети России является фирма ALKATEL BELL TELEPHONE, основавшее в 1990 г. совместное предприятие ЛенБелл в городе Санкт-Петербурге. Оборудование

представляет собой узел коммутации интегрального обслуживания, на основе которого могут строиться станции различного назначения - сельские, городские и междугородные.

Данная цифровая телефонная станция основана на уникальной архитектуре, основой которой является цифровой коммутационный элемент, управляемый через свои коммутационные порты. Управляющие элементы подключены к этим портам, образуя полностью распределенную управляющую структуру. Оба эти обстоятельства исключают необходимость централизованного управления коммутационным полем, в результате чего достигается высокая степень устойчивости против общих отказов системы.

Использование мощных микропроцессоров широкого применения позволяет применять последние достижения микропроцессорной технологии. Одни и те же функциональные блоки применяются для построения станций различного размера и назначения, что приводит к малому количеству печатных плат. Это в свою очередь упрощает обслуживание оборудования и сокращает объемы запасных частей. При необходимости увеличить емкость станции или ее трафик, достаточно добавить ограниченное количество компонентов, при этом нет необходимости изменять дорогостоящее центральное оборудование.

Модульный принцип построения программных и аппаратных средств, распределенное управление на базе микропроцессоров, использование унифицированных интерфейсов в модулях различных уровней позволяют системе соответствовать следующим требованиям:

- обеспечивать взаимодействие со всеми существующими типами АТС;

- осуществлять коммутацию всех видов информации;

- выполнять экономичное построение станции в широком диапазоне номерных емкостей;

- легко адаптироваться к введению новых служб и новых технологий с сохранением структуры станции;

- обеспечить доступность широкому кругу деловых и частных абонентов тех видов электросвязи, которые имели малое распространение вследствие своей дороговизны (доступ персональных ЭВМ отдельных пользователей к большим ЭВМ и банкам программ и данных, видеотелефон, кабельное телевидение и др.)

Оборудование S-12 поставляется заказчику в виде полностью укомплектованной системы, обеспечивающей наибольшую возможную адаптацию к окружению существующей сети.

Станции данного типа могут иметь емкость от 512 до 100000 абонентских линий или до 60000 соединительных линий, а выносной абонентский блок (концентратор) до 976 аналоговых линий.

Номинальная удельная нагрузка на АЛ составляет 0,275-0,125 Эрл. С ее увеличением приблизительно на 40% среднее время ожидания сигнала «Ответ станции» увеличивается от 145 до 192 мс. Величина удельной нагрузки на СЛ достигает 0,8 Эрл.

Любой абонент станции, включая удаленных, может иметь различное количество ДВО в произвольном сочетании. При этом предусмотрена возможность введения новых видов ДВО по мере развития сети.

Общее потребление энергии на станции является довольно экономным и составляет менее 2 Вт на одну линию. Пределы напряжения постоянного тока, измеренные на входе статива распределения питания АТС, имеют следующие значения: 488В; 6010В. Для повышения надежности работы оборудования предусматривается включение двух блоков аварийных батарей либо дизельного генератора, обеспечивающего электроэнергией во время длительной аварии в сети питания.

Цифровая система коммутации S-12 разработана для работы в такой среде, где температура и влажность находятся на уровне, обеспечивающем условия для нормальной работы обслуживающего персонала без дополнительных затрат на принудительное охлаждение и вентиляцию в автозале, то есть при следующих условиях:

- температура может колебаться в пределах от 0⁰С до 40⁰С;

- относительная влажность от 20 до 80%.

В критических ситуациях станция может продолжать бесперебойно функционировать и в более жестких условиях:

- температура от -5⁰С до +45⁰С;

- относительная влажность от 10% до 90%.

Оборудование станции размещается в стандартных стативах, имеющих габаритные размеры 2100*900*450мм. Поскольку оборудование имеет небольшой вес, составляя нагрузку на пол в пределах 300 кг/м², не требуется специального усиления пола, что важно для данного проекта, так как станция устанавливается на втором этаже здания.

Высокая надежность и малый объем профилактического техобслуживания на станции сократили потребность в штатном обслуживающем персонале. Система S-12 способна передавать данные, касающиеся ее состояния и рабочих характеристик, по системе общего канала сигнализации, а это позволяет свести к минимуму физический контакт персонала с оборудованием АТС и организовать централизованный ЦТЭ (центр технической эксплуатации) [2].

Применение на сети новейшего цифрового оборудования телефонных станций требует перехода на качественно новый уровень функционирования линейных сооружений связи. Именно это и является основной причиной активного использования оптико-волоконных кабелей при строительстве объектов связи как наиболее перспективной и качественной среды передачи увеличивающихся потоков информации.

1.2 Выбор трассы межстанционной линии связи

На территории городов оптический кабель прокладывается в каналах существующей кабельной канализации, коллекторах, а при наличии метро -

в его тоннелях. В процессе проектирования трассы прокладки оптического кабеля необходимо обращать особое внимание на сложные участки: речные переходы, пересечения автомобильных, железнодорожных и трамвайных путей, трубопроводов, прокладку кабеля по мостам, тоннелям, в заболоченных местах и т.д. На основании этих данных выбираются наиболее оптимальные планы прокладки ОК на различных участках трассы, детализируется технология строительства ВОЛП, рассчитывается

потребность в машинах и механизмах, определяются пункты возможного размещения кабельных площадок и помещений для проведения входного контроля ОК.

Трубопроводы кабельной канализации города Новосибирска спроектированы из асбоцементных труб длиной 4м с внутренним диаметром 100 мм. Глубина прокладки трубопроводов определяется с учетом вертикальных нагрузок и типов применяемых труб. Минимально допустимое заглубление трубопроводов кабельной канализации в середине пролета должно соответствовать величинам, приведенным в таблице 1.1 [1].

Таблица 1.1

Минимальное заглубление трубопроводов

Материал труб	Под пешеходной частью улиц, м	Под проезжей частью улиц, м	Под электрифицированной ж/д и трамвайными путями, от подошвы рельс, м.
Асбоцемент	0,4	0,6	1,0
Полиэтилен	0,4	0,6	1,0
Сталь	0,2	0,4	___

На участке прокладки проектируемой ВОЛП имеется участок канализации, проложенной в телемоста под пешеходной частью. В этом случае кабели размещаются непосредственно на дне ниши, образованной пустотами тротуарных ячеек, в специальном лотке. Для уменьшения вибрации на дно ниши настелены упругие основания из асбестовых очесов. В пешеходной части моста устроены нетиповые смотровые устройства, крышками которых являются съемные железобетонные плиты тротуара.

Прокладку оптического кабеля в кабельной канализации желательно проектировать в свободном канале, использовать который в дальнейшем для прокладки электрических кабелей запрещается. В одном трубопроводе допускается прокладка нескольких ОК. Общее число кабелей в этом случае не должно превышать трех, площадь их сечения не должна превышать 20…25% площади сечения канала. В условиях загруженности каналов существующими кабелями, выделение канала для прокладки только оптических кабелей не всегда возможно. Поэтому допускается проектирование прокладки ОК в канале, занятом электрическими кабелями, в полиэтиленовой трубке ПНД-32-Т, которую следует затягивать в канал каждого пролета. Количество одновременно закладываемых в канал трубок типа ПНД-32-Т определяется пролетом с учетом перспективы развития ГТС и не превышает 3 трубок [1].

В данном дипломном проекте волоконно-оптическая линия передачи на участке УВС-77 - АТС-71 подлежит прокладке в каналах существующей кабельной канализации, причем трасса прокладки выбирается с учетом наличия свободных каналов, а также каналов, занятых только оптическими кабелями.

Трасса прокладки проектируемой ВОЛП в существующей телефонной канализации представлена на рисунке 1.1. Длина кабельной трассы - 3195м.



2. Сравнительная характеристика различных типов оптических волокон

Функционирование всех компонентов ВОЛП основано на фундаментальных законах распространения света в материальных средах. Поэтому для расчета и проектирования компонентов волоконно-оптических линий связи, необходимо знать основные физические процессы и средства, обеспечивающие передачу информации. Средством для передачи информации с помощью оптических волн (мод) и сигналов является оптическое волокно.

Как новая физическая среда для передачи информации оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ, по сравнению с другими, среди которых:

1. широкая полоса частот (до 10¹⁴ Гц) и низкое затухание света в волокне (0,10,2 дБ/км) обеспечивают передачу массивов информации с высокими скоростями и на большие расстояния (до сотен километров без регенерации сигнала);

2. кварцевое стекло как среда передачи нечувствительно к электромагнитным полям. Поэтому волокно может прокладываться вместе с силовыми кабелями, без опасности возникновения наведенных помех и ошибок при передаче информации;

3. оптическое волокно пожаро-и-взрывобезопасно, в волоконно-оптических сетях обеспечивается гальваническая развязка между передающим и приемным оборудованием;

4. оптическое волокно как канал связи имеет высокую степень защиты от прослушивания и несанкционированного съема информации;

5. волоконно-оптические линии имеют значительно меньшие объем и массу в расчете на единицу передаваемой информации, чем любые другие;

6. исходным сырьем для изготовления волокна является кварц, запасы которого на земле практически неограниченны [3].

2.1 Типы оптических волокон

Оптические волокна производятся разными способами, они обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют разные задачи. Согласно ГОСТ 26793-85 «Компоненты ВОСПИ. Система условных обозначений» все оптические волокна делятся на группы - по типу распространяющегося излучения, на подгруппы - по типу профиля показателя преломления и на виды - по материалу сердцевины и оболочки.

По типу распространяющегося излучения различают следующие виды волноводов:

- многомодовые MMF (multi mode fiber);

- одномодовые SMF (sing mode fiber).

Группа многомодовых волокон в свою очередь подразделяется на две подгруппы:

- ступенчатые (step index multi-mode fiber);

- градиентные (graded index multi-mode fiber).

Одномодовые волокна подразделяются на:

- ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber);

- волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber);

- волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-single mode fiber).

Простейшая модель оптического волокна может быть представлена двухслойным световодом, состоящим из внутренней сердцевины диаметром d = 2а = 550мкм и окружающей оболочки диаметром 2b = 100150мкм с разными показателями преломления. Наибольшее распространение в технике связи получили оптические волокна, изготовленные на базе кварца. Поверх оболочки накладывается защитное покрытие, которое чаще всего изготавливается из эпоксиакрилата.

Сердцевина, по которой происходит распространение светового сигнала, изготавливается из оптически более плотного материала. Оптическим сигналом служит модулированное оптическое излучение лазера или светодиода, переносимое в оптической среде в виде совокупности собственных оптических волн. Помимо отличий в диаметре сердцевины и оболочки, волокна отличаются профилем показателя преломления сердцевины, который может быть ступенчатым либо градиентным.

Наиболее широко в настоящее время при строительстве волоконно-оптических линий связи используются следующие виды оптических волокон (таблица 2.1):

- многомодовое градиентное волокно 50/125;

- многомодовое градиентное волокно 62.5/125;

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

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

- одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Таблица 2.1

Стандарты оптических волокон и области их применения

Многомодовое волокно	Одномодовое волокно
MMF 50/125 градиентное волокно	MMF 62,5/125 градиентное волокно	SF (NDSF) - ступенчатое волокно	DSF - волокно со смещенной дисперсией	NZDSF - волокно с ненулевой смещенной дисперсией
ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI,ATM)	ЛВС (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI ATM)	Протяженные сети (Ethernet, Fast/Gigabit Ethernet, FDDI, ATM)	Сверхпротяженные сети, супермагистрали (SDH, ATM)	Сверхпротя-женные сети, супермагистрали (SDH, ATM), полностью оптические сети

2.2 Ступенчатые оптические волокна

Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке, получили название ступенчатых. В многомодовом ступенчатом волокне могут возбуждаться и распространяться до тысячи мод с различным распределением по сечению и длине волокна. Моды имеют различные оптические пути и, следовательно, различное время распространения по волокну, что приводит к уширению импульса света по мере его прохождения по световоду. Это явление называется межмодовой дисперсией и оно непосредственно влияет на скорость передачи информации по волокну. Область применения многомодовых ступенчатых волокон - короткие (до 1 км) линии связи со скоростями передачи информации до 100 Мбайт/с, рабочая длина волны излучения - 0,85 мкм.

Эти волокна легко изготовить, но применяются они в настоящее время при строительстве линий связи достаточно редко по вышеуказанным причинам [4].

2.3 Градиентные оптические волокна

Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, начали изготавливать световоды с плавным изменением показателя преломления сердцевины, получившие название градиентных. В этом случае моды распространяются по сложным спиралеобразным траекториям относительно оси волокна. Это позволяет в какой-то мере выровнять время хода различных лучей и уменьшить дисперсию световых импульсов. Скорость передачи по световым волокнам такого типа возрастает по сравнению со ступенчатыми в 100 раз, то есть до 2 Гбит/с [4].

Градиентное волокно в соответствии со стандартами имеет диаметр сердцевины 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр оболочки 125 мкм. Оно применяется на линиях длиной до 5 км на длинах волн 0,85 и 1,35 мкм.



2.4 Одномодовые оптические волокна

На сегодняшний момент лучшими, хотя и более дорогими, считаются одномодовые световоды. В этом случае структурные параметры ступенчатого световода подбираются таким образом, что в нем будет направляться только одна мода, а именно фундаментальная мода Н₁₁. Для обеспечения одномодового режима передачи необходимо иметь очень малый диаметр сердцевины световода - порядка 510 мкм. Источником оптического сигнала в этом случае является излучение полупроводникового лазера, так как вводить рассеянный поток света от светодиода в тонкую сердцевину одномодового волокна очень трудно.

Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности

длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. В этом окне потери составляют 0,3-0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Достоинством одномодовых кабелей является возможность передачи большого потока информации на требуемые расстояния и большие длины регенерационных участков - до 150 км.

Принимая во внимание вышеперечисленные достоинства одномодовых кабелей, а также необходимость качественной передачи все увеличивающихся информационных потоков, к применению на участке УВС-77 - АТС-71 предлагается использовать именно одномодовое оптическое волокно как удовлетворяющее современным требованиям к качеству связи.



3. Расчет параметров оптического кабеля

Передача оптических сигналов на значительные расстояния требует применения световодов с возможно низкими потерями и дисперсией, от которых существенно зависит надежность и экономичность ВОЛП. Наиболее полно этим требованиям отвечают одномодовые волоконные световоды, представляющие собой тонкие - 5…10 мкм в диаметре - нити из высокопрозрачных материалов. Достоинствами одномодовых систем являются малая дисперсия, большая информационно-пропусная способность, высокая скорость передачи цифровой информации (до 100Гбит/с) на большие расстояния.

Волоконный световод состоит из внутренней сердцевины и оболочки, которая окружает оптически более плотную сердцевину, являющуюся светонесущей частью волокна. Характеристикой среды, в которой распространяется оптический сигнал, является показатель преломления n, который показывает отношение скорости распространения света в вакууме к скорости в рассматриваемой среде. Показатели преломления сердцевины и оболочки обозначаются соответственно n₁ и n₂, причем n₁ > n₂. В данном дипломном проекте принимаются следующие значения n₁=1,5; n₂=1,497.

3.1 Геометрические параметры оптического волокна

Одним из важных параметров, характеризующих волокно, является относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки ? [5]:

? = (n1² - n2²) / 2 n1² . (3.1.)

Рассчитываем по формуле:



? = (1,5² - 1,497²) / (2·1,5²) = 0,002.

Когда свет падает на границу раздела двух сред, определенная его часть отражается. Количество отраженного света зависит от угла и₁ между падающим лучом и нормалью к поверхности падения. Угол отражения образован нормалью к поверхности падения и отраженным лучом света. Когда луч света входит под углом падения в оптически более плотную среду из оптически менее плотной среды, то его направление распространения по отношению к нормали к поверхности падения изменяется, и он преломляется под углом преломления и₂. Угол падения равен углу отражения. При передаче света по волокну идеальным вариантом является тот, когда свет только отражается от границы и не рассеивается за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момента, когда угол преломления достигает 90⁰: наступает полное отражение. На основе принципа полного отражения, вытекающего из закона преломления света Снеллиуса, можно объяснить распространение света по волокну:

n₁ sin и₁ = n₂ sin и₂ , (3.2)

где n₁ - показатель преломления среды 1,

и₁ - угол падения,

n₂ - показатель преломления среды 2,

и₂ - угол преломления.

Если луч света падает на поверхность раздела между средой с показателем преломления n₁ и средой с показателем преломления n₂<n₁ под постепенно уменьшающимся углом, то есть с постепенно увеличивающимся углом падения и₁, то при определенном угле падения угол преломления становится равным 90⁰. В этом случае луч света распространяется параллельно поверхности раздела двух сред, а угол падения называется критическим. Для критического угла и_кр имеет силу следующее соотношение [5]:

sinи_кр = n₂ / n₁ , (3.3)

отсюда

и_кр = arcsin (n₂ / n₁).

В результате расчета получаем:

и_кр = 1,51⁰=95,97рад.

Для всех лучей, у которых угол падения больше критического угла, не существует соответствующих преломленных лучей в оптически менее плотной среде. Эти лучи отражаются на поверхности раздела обратно в оптически более плотную среду, то есть происходит явление полного внутреннего отражения, следовательно, оптический сигнал будет распространяться. Если же угол падения на границу раздела меньше критического угла падения, то при каждом внутреннем отражении часть энергии рассеивается наружу в виде преломленного луча, что приводит в конечном итоге к затуханию света.

Важнейшей оптико-геометрической характеристикой волокна является числовая апертура NA. Она определяет способность световода «принимать» свет, то есть характеризует условия ввода излучения в волокно и вывода его из волокна. Из требования sinи_кр = n₂/n₁ следует, что все лучи, отклоняющиеся от оси световода на угол не более (90⁰ - и_кр), будут распространяться в сердцевине. Распространение света в волоконном световоде показано на рисунке 3.1.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.1 - Распространение света в волоконном световоде

Для того чтобы ввести свет снаружи в сердцевину, угол ввода между лучом света и осью световода можно определить в соответствии с законом преломления [6]:

sin и / sin (90⁰-и_кр) = n₁ / n₀ , (3.4)

где n₀=1 - показатель преломления воздуха, следовательно,

sin и = n₁ cos и_кр = n₁ · 1- sin² и_кр. (3.5)

С учетом требования относительно критического угла sin и_кр = n₂ / n₁ результат будет следующим [6]:

sin и = n₁² - n₂² . (3.6)

Максимально возможный угол ввода и_max называется входной угловой апертурой световода. Она зависит только от двух показателей преломления: n₁ и n₂.Синус входной угловой апертуры называется числовой апертурой NA световода [6]:

NA = sin и_max = n₁² - n₂² . (3.7)

Рассчитаем числовую апертуру:

NA = 1,5² - 1,497² = 0,095.

Aпертурный угол иА рассчитывается по формуле:

иА = arcsin NA = 5,44⁰ = 0,095рад . (3.8)

Таким образом, угол ввода между лучом света и осью световода не может быть более 5,44⁰, только таким образом луч света будет удерживаться внутри сердцевины благодаря полному внутреннему отражению.

Фирмы-изготовители волокна экспериментально измеряют угол иA и указывают соответствующее значение числовой апертуры для каждого поставляемого типа волокон.

Режим работы световода характеризуется также обобщенным параметром V, включающим радиус сердцевины, длину волны и коэффициенты преломления сердцевины и оболочки. Этот параметр называется нормированной (характеристической) частотой.

В волоконных световодах при очень высоких частотах почти вся энергия поля концентрируется внутри сердцевины световода, с уменьшением

частоты происходит перераспределение поля, и оно переходит в окружающее пространство, то есть происходит затухание оптического сигнала. Таким образом, каждая мода имеет нормированную частоту, которая определяет область ее существования. При определенной частоте V₀, называемой критической, или частотой отсечки, поле перестает распространяться вдоль световода и вся энергия рассеивается в окружающем пространстве. Для волны Н₁₁ величина V₀=0, следовательно, эта волна не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте и диаметре сердцевины. Все остальные волны не распространяются на частотах ниже критической. С увеличением нормированной частоты V>2,405 появляются новые типы волн. Таким образом, в световоде распространяется только один тип волн, когда соблюдается условие 0<V<2,405. Выбирая параметры световода таким образом, чтобы не могли распространяться высшие моды, можно получить одномодовый режим передачи. Такая ситуация реализуется при условии [5]:

V = (2рб / л )n₁²-n₂² < 2,405, (3.9)

где б - радиус сердцевины волокна.

Рассчитаем нормированную частоту волокна:

V = (2р·5·10^-6 ) / (1,3·10^-6 ) · 0,095 = 2,296.

Так как полученная величина V < 2,405, то в волокне будет распространяться только основная мода НЕ11 (единственная допустимая для одномодового волокна). Максимально допустимое значение диаметра сердцевины при этом может быть не более 10,4 мкм [5].

3.2 Расчет затухания оптического кабеля

При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызываемое потерей мощности и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна [6]. Потери определяют дальность передачи по оптическому кабелю и его эффективность.

Ослабление световодных трактов волоконно-оптических кабелей б обусловлено следующими видами потерь:

- собственные потери в волоконных световодах (б_с);

-дополнительные потери, обусловленные деформацией и изгибами световодов при наложении покрытий и защитной оболочки при изготовлении кабеля (б_к).

Собственные потери волоконных световодов состоят в первую очередь из потерь поглощения (б_п) и потерь рассеяния (б_р). Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей (б_пр) могут быть значительными. Описанная выше классификация затуханий в оптическом кабеле представлена на рисунке 3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Основные типы потерь в волокне

Суммарные потери в волоконных световодах определяются выражением [6]:

б = б_пм+ б _пп+ б_р + б_к. (3.10)

Потери на поглощение состоят из собственного поглощения и поглощения из-за наличия в стекле ионов посторонних примесей. Эта составляющая поглощения линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала оптического волокна. Количественно эти потери могут быть оценены по формуле [5]:

б_п = 4,34 · (рn₁tgд)/л, дБ/км, (3.11)

где л = 1,3·10?⁹ - длина волны в км;

tgд - тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ, принимающий значения в диапазоне от 10^-12 до 2·10^-11, принимаем tgд = 10^-12;

n1 = 1,5 - показатель преломления сердцевины.

В результате расчета получаем:

б_п = 4,34 · (р·1,5·10^-12) / (1,3·10^-9) = 0,016 дБ/км.

В связи с совершенствованием технологии изготовления, оптическое волокно становится настолько чистым (99,9999%), что наличие примесей престает быть главенствующим фактором затухания в волокне. Дальнейшему уменьшению затухания препятствует Рэлеевское рассеяние света, которое вызвано наличием неоднородностей микроскопического масштаба в волокне. Свет, попадая на такие неоднородности, рассеивается в разных направлениях, в результате часть его теряется в оболочке. Эти неоднородности неизбежно появляются во время изготовления волокна. Показатель затухания, обусловленного рассеянием, может быть найден по формуле [6]:

б_р = 4,34 · (8р³·(n₁²-1)/(3л⁴)·квТ10³, (3.12)

где к=1,38·10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;

Т=1500 К- температура затвердевания стекла при вытяжке;

в=8,1·10^-11 м²/Н - коэффициент сжимаемости для кварца;

n₁ - показатель преломления сердцевины.

Рэлеевское рассеяние обратно четвертой степени длины волны и характерно для неоднородностей, размеры которых менее длины волны, а расстояние между которыми достаточно велико, чтобы явления взаимодействия были исключены. Суммарные потери на Рэлеевское рассеяние зависят от длины волны по закону л^-4 и количественно могут быть оценены по формуле [6]:

б_р = К_р / л⁴, дБ/км, (3.14)

где К_р - коэффициент рассеяния, для кварца равный 0,8 [(мкм⁴·дБ/км)];

л=1,3 мкм.

В результате расчета получаем

б_р = 0,8 / 1,3⁴ = 0,28 дБ/км.

Дополнительное затухание, обусловленное кабельными потерями (бк), состоит из суммы нескольких видов потерь [6]:

- термомеханические воздействия в процессе изготовления кабеля;

- температурная зависимость коэффициента преломления;

- микроизгибы ОВ;

- нарушение прямолинейности ОВ (скрутка);

- кручение ОВ относительно его оси;

- неравномерность покрытия ОВ;

- потери в защитной оболочке ОВ.

Микроизгибы представляют собой мелкие локальные нарушения прямолинейности волокна. Они обусловлены конструкторско-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении волокна и кабеля. Особенностями микроизгибов является то, что они, как правило, многочисленны, расстояние между соседними микроизгибами существенно больше их размера. Вследствие микроизгиба происходит ограничение апертурного угла излучения, распространяющегося по ОВ, и часть энергии излучается из ОВ.

Макроизгибы обусловлены скруткой оптических волокон по длине кабеля, а также наличием изгибов, при этом радиус изгиба существенно больше диаметра волокна. Потери на макроизгибах как правило составляют не более 0,5 дБ/км [6].

Потери в защитной оболочке характеризуются тем, что при полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее световод и затухает. Эта энергия достигает защитной оболочки и поглощается ей. Потери в защитной оболочке составляют не более 0,1 дБ/км.

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

При соблюдении норм технологического процесса изготовления потери на микроизгибы доминируют среди остальных видов потерь. Значение потерь на одном микроизгибе может изменяться в пределах (0,01ч0,1) дБ. В целом величина дополнительных потерь в кабелях может составлять до 1 дБ/км.

В данном дипломном проекте величину общего затухания в оптическом кабеле рассчитаем по формуле:

б = б_п + б_р = 0,016 + 0,28 = 0,296 дБ/км.

Полученную величину затухания необходимо учитывать при последующем выборе оптического кабеля, руководствуясь тем, что затухание кабеля не может быть меньше рассчитанного.

3.3 Расчет дисперсии оптического кабеля

Наряду с затуханием важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот ?F, пропускаемая световодом. Она определяет объем информации, который можно передавать по ОК.

Ограничение полосы пропускания применительно к цифровым системам передачи обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различия скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Данное явление носит название дисперсии [5].

Таким образом, дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, которое приводит к увеличению длительности импульса оптического излучения при распространении его по волокну [6].

Дисперсия определяется разностью квадратов длительностей импульсов на выходе и входе оптического волокна:

ф = ? t²_uвых - t²_uвх, (3.15)

где значения t_uвых и t_uвх определяются на уровне половины амплитуды импульсов.

Дисперсия не только ограничивает частотный диапазон ОВ, но существенно снижает дальность передачи сигналов, так как чем длиннее линия, тем больше увеличение длительности импульсов.

Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и наличие большого числа мод. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) ф_хр, она состоит из двух составляющих - материальной ф_мат и волноводной (внутримодовой) ф_в дисперсий. Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью групповой скорости моды от длины волны оптического излучения, что приводит к различию скоростей распространения частотных составляющих излучаемого спектра. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) ф_мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью и свойственна только многомодовым волокнам. Модовая дисперсия возрастает с увеличением длины волокна.

Уширение импульсов в результате дисперсии может быть рассчитано по формуле [5]:

ф_рез = ?ф_мод² + ф_хр² = ?ф_мод² + (ф_мат+ф_в)². (3.16)

Различные виды дисперсии проявляются по-разному в различных типах волоконных световодов.

В данном дипломном проекте к использованию предлагается одномодовое волокно. Так как в одномодовых волокнах модовая дисперсия отсутствует, то результирующее значение дисперсии определяется только хроматической дисперсией [5]:

ф_хр = ф_мат + ф_в, (3.17)

где материальную дисперсию можно определить по формуле [6]:

ф_мат = ?л/л · л²/с ·d²n₁/dл² · L (3.18)

либо через удельную дисперсию по выражению [5]:

ф_мат = (?л) М(л), (3.19)

где М(л) = -5 пс/км·нм - удельная материальная дисперсия,

?л = 0,89 нм - ширина спектра излучения источника.

Ширина спектра источника излучения может быть задана следующим способом: согласно рекомендации G.957, среднеквадратической шириной спектральной линии (дл ) на уровне -3 дБ, то есть на уровне 0,5 от Рmax (?л0,5):

дл = 0,425?л0,5 = 0,425 · 2,1 = 0,89 нм; (?л0,5 из [7]).

В результате расчета получаем:

ф_мат = -5 · 0,89 = -4,45 пс/км.

Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, аналогично ф_мат пропорционально ширине спектра излучения источника ?л и определяется формулой [6]:

ф_в = ?л·B(л), (3.20)

где B(л) = 8 пс/км·нм - удельная волноводная дисперсия;

?л = 0,89 нм - ширина спектральной линии источника излучения.

В результате расчета:

ф_в = 0,89 · 8 = 7,12 пс/км.

Таким образом

ф_рез = 7,12 - 4,45 = 2,67 пс/км.

Нет сомнений в том, что явление дисперсии приводит как к ограничению пропускной способности ОК, так и к снижению дальности передачи по ним. Чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и тем больше уширение импульсов, что в конечном итоге приводит к возникновению кодовых ошибок на приеме и снижению качества передаваемой информации. В многомодовых кабелях дисперсия значительно больше, чем в одномодовых, именно поэтому одномодовые кабели все чаще используются при строительстве линий связи.



4. Выбор системы организации межстанционной связи и оптического кабеля

4.1 Системы передачи SDH

Система передачи представляет собой комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых каналов и каналов передачи первичной сети. Волоконно-оптическая система передачи SDH - это совокупность технических средств, образующих синхронный транспортный модуль N-го уровня и служащих для передачи информационных потоков между любыми двумя терминалами сети c использованием оптического волокна. Цифровые потоки «транспортируются» в системах SDH в виде информационных структур, названных виртуальными контейнерами (Virtual Container - VC). В структурах VC по транспортной сети переносится исходная цифровая информация, дополненная определенным количеством служебных информационных каналов, названных трактовыми заголовками. В общем случае дополнительные каналы предназначены для эффективного управления транспортной сетью и выполняют функции передачи оперативной, административной и обслуживающей информации. Это обеспечивает высокие функциональные возможности и высокую надежность сети связи [4].

Группы однотипных или разнотипных виртуальных контейнеров VC передаются между элементами транспортной сети по линиям передачи в виде информационных структур, называемых синхронными транспортными модулями - STM. Транспортирование STM осуществляется с разными скоростями передачи соответствующим различным порядком STM-1, 4, 16, 64. Информационные структуры STM-N передаются между элементами транспортной сети по линейному тракту, организованному по волоконно-оптическим кабелям связи, спутниковым линиям или цифровым

радиорелейным линиям. Линейный тракт призван обеспечить передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью соответствующей данной системе передачи.

Оконечным оборудованием оптического линейного тракта, обеспечивающим объединение нескольких независимых каналов на передаче и разделение их на приеме, является терминальный мультиплексор (ТМ) или мультиплексор ввода/вывода (АDM). Терминальные мультиплексоры представляют собой оконечное устройство сети с определенным числом каналов доступа (электрических и оптических) и одним или двумя оптическими входами/выходами, называемыми агрегатными портами или интерфейсами. Мультиплексор ввода/вывода отличается от терминального наличием 2-х или 4-х оптических агрегатных входов/выходов при том же числе каналов доступа, что и ТМ. При этом у АDM различают западный и восточный агрегатные порты (интерфейсы). Различают мультиплексоры для кольцевых и линейных топологий сети [8].