Лекция 12. Волоконно-оптические линии связи

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
РТФ
Радиотехнический институт УГТУ – УПИ
Инновационная образовательная
программа
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры
ТСС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
2008
2
Основы построения
телекоммуникационных
систем и сетей:
краткий курс лекций
лекция 12
Волоконно-оптические линии
связи
Цели лекции:




Знакомство с основными типами волоконнооптических линий связи;
Знакомство с основными видами волоконнооптических кабелей;
Изучение основных типов волоконно-оптических
линий связи и технологий их монтажа;
Знакомство с основными понятиями и терминами.
4
Основные термины




Линия связи – инженерное сооружение, включающее в себя систему
передачи, содержащую среду распространения сигналов (направляющую
систему) и комплекс электронного оборудования, обеспечивающий
прохождение сигналов с заданной достоверностью (отношением
сигнал/шум).
Многоканальные системы связи – системы связи, в которых по одной
линии связи осуществляется одновременная и независимая передача
различных сообщений между несколькими парами корреспондентов.
Цифровые системы передачи (ЦСП) – многоканальные системы
передачи с временным или кодовым разделением каналов для передачи
цифровых потоков информации.
Проводные линии связи – линии связи в которых сигналы
распространяются вдоль специальной, искусственно созданной и
непрерывной направляющей системы.
5
Основные термины





Аналоговые системы передачи (АСП) – многоканальные системы
передачи с ЧРК (частотным разделением каналов) для передачи
непрерывных (аналоговых) сигналов.
Видеосигнал – сигнал, передаваемый в виде мгновенных значений
постоянного тока или напряжения.
Емкость системы передачи – число каналов ТЧ, образуемых
многоканальной системой передачи.
Мода светового колебания – такой волновой пучок, который сохраняет в
процессе распространения форму распределения амплитуды и фазы
световых колебаний в поперечном сечении
Канал
электросвязи
совокупность
технических
устройств
(преобразователей), обеспечивающих передачу первичных электрических
сигналов на расстояние.
6
Основные термины





Скорость передачи информации – количество информации,
выдаваемое источником или принимаемое приемником за
единицу времени [бит/с].
Скорость телеграфирования (скорость манипуляции или
модуляции) – число единичных элементов сигнала,
передаваемое в единицу времени [Бод].
Пропускная способность линии связи – максимальное
количество информации, передаваемое по линии связи за
единицу времени.
Погонное (километрическое) затухание – затухание сигнала
при прохождении одного километра линии связи [дБ/км].
Остаточное затухание – разность между уровнями на входе
и выходе линии связи.
7
Волоконно-оптические
линии связи


Линия связи это система передачи сообщений, содержащая среду
распространения сигналов и комплекс электронного оборудования,
обеспечивающий прохождение сигналов с заданной достоверностью
(отношением сигнал/шум).
Линии связи, использующие в качестве среды распространения
диэлектрические материалы (в частности стеклянные волокна),
называются волоконно – оптическими (оптоволоконными) линиями
связи (ВОЛС).
8
Волоконно-оптические
линии связи


В настоящее время идет повсеместная замена электрических кабелей
связи на волоконно-оптические кабели на всех участках сетей связи, в том
числе и на абонентских линиях города и села. Длительный срок службы
(25 лет), высокая помехозащищенность и малая зависимость от
метеорологических условий также являются преимуществами ВОЛС. В
Глобальной мировой сети связи уже 60% всех линий составляют
наземные и подводные ВОЛС.
При числе каналов системы передачи более 10 тысяч, применение ВОЛС
экономичнее радиорелейных линий и спутниковых систем связи. На долю
ВОЛС в области дальней связи приходится 60...70% каналов, а на долю
спутниковых и радиорелейных линий - 30...40%. В России на сетях
Министерства связи с 1993 г. строительство новых магистральных, а с
1996 г. и внутризоновых линий связи ведется только с использованием
оптических кабелей связи.
9
Городские волоконнооптические линии связи



Конструкция оптических кабелей зависит от назначения кабеля. Чаще
всего это сложные конструкции, содержащие множество оптических волокон, помещенных в специальные модули, дополненные еще различными несущими, защитными, питающими и другими элементами. Как и у
электрических кабелей, назначение линии связи определяет конструкцию
кабеля и элементов, соединяющих их строительные длины.
В городах волоконно-оптические кабели, точно также как и электрические, прокладывают в специальной кабельной канализации, которая состоит из трубопроводов и смотровых (кабельных) колодцев. Поэтому используются конструкции кабелей без металлических защитных оболочек.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд преимуществ
перед «медными» ЛС: большую пропускную способность, малое затухание, высокую помехозащищенность, долговечность и меньшую стоимость из-за отсутствия в конструкции дорогих цветных металлов, но их
сооружение требует прецизионного, а, поэтому, дорогого оборудования.
10
Преимущества волоконнооптических линий связи









Наряду с экономией цветных металлов, и в первую очередь меди,
оптические кабели обладают следующими достоинствами:
широкополосность, возможность передачи большого потока информации
(несколько тысяч каналов);
малые потери и соответственно большие длины трансляционных участков
(30...70 и 100 км);
малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических
кабелей);
высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;
отсутствие искрения и возможности короткого замыкания.
К недостаткам оптических кабелей можно отнести:
низкую стойкость волоконных световодов к радиации, за счет которой
появляются пятна затемнений и возрастает затухание;
присутствие в них водородной коррозии стекла, приводящей к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.
11
Кабели для волоконнооптических линий связи


Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе
оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в
общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать
силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы.
Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы
на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы
выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.
12
Классификация оптических
кабелей и линий связи



Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на
большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать
малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной
способностью. Используется одномодовое волокно с разме-рами
сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.
Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между
областным центром и районами с дальностью связи до 250 км.
Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина
волны 1,3 мкм.
Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до 10
км) и большое число каналов. Волокна – градиентные (50/125 мкм).
Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без
промежуточных линейных регенераторов.
13
Классификация
оптических кабелей



Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через
большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической
прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для
подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины
регенерационных участков.
Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда
относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть
кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы
подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа
аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
14
Оптические кабели
российского производства








Первое поколение ОК, созданных в 1986—1988 гг., включает кабели
городской (ОК-50), зоновой (ОЗКГ) и магистральной (ОМЗКГ) связи.
Современные требования к связи потребовали создания новых усовершенствованных типов ОК (второе поколение). Такими кабелями,
разработанными в период 1990—1992 гг., являются: ОКК—для городской
связи (прокладка в канализации), ОКЗ—для зоновой и ОКЛ—для
линейной магистральной связи.
Отличительные особенности ОК второго поколения:
переход на волны 1,3 и 1,55 мкм;
применение одномодовых волокон;
модульные конструкции кабелей (каждый модуль на 1, 2, 4 волокна);
наличие медных жил для дистанционного электропитания;
разнообразие типов наружных оболочек (стальные ленты, проволоки,
стеклопластик, полиэтилен, оплетка);
широкополосность и большие длины регенерационных участков.
15
Оптические кабели
российского производства


Кабель городской связи типа ОКК, прокладываемый в канализации,
содержит 4, 8 или 16 волокон. Кабель имеет градиентные волокна с диаметром сердцевины 50 мкм (ОКК-50-01) или одномодовые волокна с
диаметром сердцевины 10 мкм (ОКК-10-02). Силовой центральный
элемент выполнен из стеклопластиковых стержней или стального троса,
изолированного полиэтиленом. Поверх наложена скрутка из восьми оптических модулей или корделей. В каждом модуле может содержаться 1, 2
или 4 ОВ. Затем наложены фторопластная лента и полиэтиленовый
шланг.
Зоновый кабель ОКЗ имеет различные типы оболочек, позволяющих
использовать его в различных условиях эксплуатации (земля, вода, подвеска) и содержит четыре или восемь многомодовых ОВ, расположенных
в четырех модулях сердечника кабеля, покрытых снаружи полиэтиленовой оболочкой. Кабель предназначен для прокладки в грунт, поэтому
имеет защитный броневой покров.
16
Оптические кабели
российского производства


Зоновый кабель ОКЗ имеет различные варианты брони: стальные круглые проволоки (ОКЗК), бронеленты (ОКЗБ), стеклопластиковые стержни
(ОКЗС), стальная оплетка (ОКЗО). Изготовляются также подводные
кабели с алюминиевой оболочкой и круглой стальной броней (ОКЗАК).
Станционные кабели маркируются ОКС. Дистанционное электропитание
регенераторов осуществляется по четырем медным изолированным
проводникам диаметром 1,2 мм, расположенным в сердечнике кабеля.
Кабель магистральной связи ОМЗКГ содержит одномодовые волокна,
обеспечивающие многоканальную связь на большие расстояния. Кабель
содержит четыре или восемь волокон, расположенных в пазах
профилированного пластмассового сердечника. Защитный покров
изготавливается в двух модификациях: из стеклопластиковых стержней
или стальных проволок. Снаружи имеется пластмассовая оболочка.
Кабель предназначен для прокладки в грунт. Кабель междугородной связи
ОКЛ по сравнению с предшествующим (ОМЗКГ) обладает большей
длиной трансляционного участка и позволяет применять наиболее
мощную систему передачи на 7680 каналов (“Сопка-5”).
17
Оптические кабели
российского производства


Магистральный кабель ОКЛ изготавливается из одномодовых волокон
с сердцевиной диаметром 10 мкм, имеет две модификации: с медными
проводниками диаметром 1,2 мм для дистанционного питания регенераторов и без медных проводников с питанием от местной сети или
автономных источников теплоэлектрогенераторов (ТЭГ). Центральный
силовой элемент выполнен из стеклопластиковых стержней. Наружный
покров кабеля имеет несколько разновидностей: для прокладки в канализации — это полиэтиленовый шланг (марка ОКЛ), для подземной
прокладки — броневой покров из стеклопластиковых стержней (ОКЛС),
стальных лент (марка ОКЛБ), круглой проволоки (ОКЛК). Для
подводных речных переходов создан кабель с алюминиевой оболочкой и
круглопроволочной броней (ОКЛАК).
Для станционных вводов и монтажа используется кабель ОКС.
18
Пропускная способность
оптических кабелей



Пропускная способность ОК существенно зависит от типа световода
(одномодовые, многомодовые, градиентные), а также от типа излучателя
(лазер, светодиод). Причинами возникновения дисперсии являются :
некогерентность источников излучения;
существование большого количества мод световых колебаний.
В первом случае дисперсия называется хроматической (частотной). Она
делится на материальную и волноводную (внутримодовую дисперсию).
Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины
волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя
преломления от длины волны.
Во втором случае дисперсия называется модовой и обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно. В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными
углами, проходят различный путь и, следовательно, поступают на вход приемника с
различной задержкой, что приводит к межсимвольной интерференции.
19
Монтаж оптических
линий связи

Соединители для оптических линий изготавливают с большой точностью, а заделку в них
оптоволокна выполняют под микроскопом.
Часто оптоволокна сваривают друг с другом, что
позволяет получить непрерывный световод с
малыми отражениями на стыках длин строительных отрезков оптоволоконного кабеля.
Сварка производится специальными машинами.
Потери светового потока в соединителе
составляют 10-20%, сварка волокон приводит к
потерям менее 1-2%. Существует также
технология сращивания волокон с помощью
специального клея, которая характеризуется
потерями около 10% (splice).
20
Монтаж оптических
линий связи

Световоды плохо переносят внешние воздействия –
изгибы, растяжения, влагу. Пристальное внимание
обращают на радиус изгиба оптического кабеля. При малом
радиусе изгиба увеличивается затухание тракта.
21
Монтаж оптических
линий связи

Крайне важна заделка оптоволокна в
разъемное или неразъемное соединение – от этого зависит эффективность перехода световых лучей в
местах соединений. Заделанный в
разъеме
конец
оптоволокна
герметизируют клеем, эпоксидной
смолой или другим заполнителем.
22
Монтаж оптических
линий связи








В отличие от обычных ЛС взаимные влияния между волокнами ОК практически
не зависят от спектра информационных сигналов, а определяются конструкцией
ОК и ОВ, а также параметрами источников излучения.
Наибольшие влияния между ОВ имеют место в объектовых ОК, характеризующихся большим числом ОВ, плотным их расположением и малыми толщинами
оболочек и защитных покровов, и в системах передачи, использующих светодиоды, поскольку их полоса излучения в 15...20 раз шире, чем у полупроводниковых лазеров.
Взаимные влияния между ОВ (световодами) оптических кабелей связи
вызываются следующими причинами:
воздействием регулярного электромагнитного поля излучения соседних ОВ;
отражением световых сигналов от неоднородностей в волокне и излучением
отраженных волн в окружающее пространство;
микро- и макроизгибами ОВ, которые также вызывают излучение
электромагнитных волн;
излучением энергии сигналов в местах сращивания оптических волокон, их
коммутации, разветвления и фильтрации;
рэлеевским рассеянием в оптических волокнах.
23
ВОЛС со спектральным
уплотнением

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось
достичь за счет появления в середине 90–х годов многоканальных ВОЛС
с частотным (спектральным) разделением каналов. За счет этого удалось
в 16 – 160 раз увеличить число каналов из расчета на одно волокно. На
входе ВОЛС оптические сигналы (лучи) с помощью призм или специальной оптической системы, состоящей из зеркал и микрообъективов,
объединяются в один общий луч, который вводится в волокно. На выходе
с помощью аналогичной призмы или оптической системы эти сигналы
разделяются. Число каналов может достигать 32 и более.
24
Монтаж оптических
линий связи


Также широко применяются и системы передачи с аналоговыми ВОЛС
(ВОАСП) или гибридными ВОЛС (аналого-цифровыми гибридными
системами передачи). Преимущество ВОАСП по сравнению с
цифровыми ВОСП – прозрачность канала передачи, т.е. независимость от
форматов сообщений, вида модуляции, числа передаваемых каналов, а
также в простоте схемотехники линейного тракта, особенно при передаче
телевизионных сигналов. Недостаток – повышенный уровень шумов при
использовании многомодовых волокон или возникновении отражений в
кабеле ВОЛС и высокие требования к линейности модуляционных
характеристик оптического передатчика и приемника. Кроме того, при
передаче на большие расстояния, как и в любой аналоговой системе, в
ВОАСП происходит ухудшение отношения сигнал/шум.
Принцип действия многоканальных ВОАСП основывается на частотном
разделении каналов передачи и использовании для передачи информации
несущих частот, различных для каждого из передаваемых каналов.
25
Волоконно-оптические
аналоговые системы передачи

Несущие частоты в "электрическом" виде модулируются по частоте или
амплитуде, затем, в случае АМ электрическими фильтрами у них
подавляется одна боковая полоса, получившиеся АМ-ОБП электрические
колебания складываются и суммарный групповой сигнал поступает на
оптический модулятор. Передача амплитудно-модулированного группового сигнала предъявляет гораздо более высокие требования по сравнению с цифровыми ВОСП к линейности передаточной характеристики и шумам лазерных диодов-излучателей. Поэтому в ВОАСП применяют высоколинейные лазеры с распределенной обратной связью
(ЛРОС). Кроме того, при попадании в резонансную систему лазера даже
очень малого уровня отражений от неоднородностей оптического тракта,
например, от оптических разъемов, сварных соединений, собственных
неоднородностей волоконного световода и т. п., резко возрастают
собственные шумы лазерного излучателя. Это требует более высокого
качества оптического тракта ВОАСП.
26
Контрольные вопросы






Что такое «мода светового колебания»?
Что такое «дисперсия светового импульса» и как она влияет
на полосу пропускания оптического кабеля?
Как полоса пропускания оптического кабеля зависит от длины
волны излучения и длины кабеля?
Что такое «числовая апертура» световода и как она
определяется?
Как осуществляется соединение строительных длин
оптических кабелей?
Как экспериментально определить взаимное влияние и
переходные затухания на ближнем и дальнем концах ВОЛС?
27
Информационное обеспечение
лекции
Список литературы






Портнов Э. Л. Оптические кабели связи: Конструкции и характеристики. –
М.: Горячая линия-Телеком, 2002. – 232 с.: ил.
Воронцов А.С., Гурин О.И., Мифтяхетдинов С.Х. Оптические кабели связи
российского производства. Справочник. – М.: Эко-Трендз, 2003. – 288с.: ил.
Линии связи / И. И. Гроднев, С. М. Верник, Л. Н. Кочановский. - М.: Радио
и связь, 1995;
Оптические кабели / И. И. Гроднев , Ю. Т. Ларин , И. И. Теумен. - М.:
Энергоиздат, 1991;
Оптические кабели многоканальных линий связи / А. Г. Мурадян, И. С.
Гольдфарб , В. Н. Иноземцев. - М.: Радио и связь, 1987;
Волоконно-оптические линии связи / И. И. Гроднев. - М.: Радио и связь,
1990
28
Конец фильма
Спасибо за внимание!