70158

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ ТОМСК – КРАСНОЯРСК

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Волоконно-оптические системы передачи благодаря уникальным возможностям по пропускной способности и затуханию волоконных световодов и успехам в технологии элементов волоконно-оптических систем передачи являются наиболее перспективными информационными системами.

Русский

2014-10-16

971 KB

57 чел.

32

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиоэлектроники

(СВЧ и КР)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ ТОМСК – КРАСНОЯРСК

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине

“Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОЛС”

Выполнил студент гр. 158

____________Иванов С. А.

«____»____________2002 г.

Руководитель работы:

доцент каф. СВЧ и КР

____________Ефанов В. И.

«____»____________2002 г.

2002

Реферат

Курсовой проект 35 с., 3 рис., 10 источников, 2 прил.

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ, ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО, ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ, ИЗЛУЧАТЕЛЬ, ФОТОПРИЕМНИК, ДИСПЕРСИЯ, УШИРЕНИЕ ИМПУЛЬСА.

Объектом исследования является волоконно-оптическая цифровая линия связи.

Цель работы – ознакомление с методикой расчета волоконно-оптических линий связи, в виде волоконно-оптической магистрали Томск-Красноярск.

Задание на курсовой проект по дисциплине

“Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОЛС”

Тема курсового проекта:

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ ТОМСК – КРАСНОЯРСК

1. Выбор и обоснование линии связи между пунктами.

2. Выбор оптического кабеля для определенной трассы.

3. Определение необходимого числа каналов между пунктами.

4. Выбор типа кода передачи.

5. Выбор системы передачи и определение требуемых оптических волокон в оптическом кабеле.

6. Определение количества регенерационных участков.

7. Выбор пассивных оптических элементов.

8. Выбор источника излучения, фотоприемника и их параметров.

9. Расчет параметров передачи оптического волокна.

10. Расчет надежности магистрали.

11. Составление сметы на строительство линейной части магистрали по укрупненным показателям и определение стоимости линейных сооружений проектируемой оптической линии.

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………...

5

1 Список условных обозначений и сокращений…………………………………...

7

1.1 Условные  обозначения………………………………………………………….

7

1.2 Пояснение известных и малоизвестных терминов………………………..

7

2 Выбор трассы прокладки линии связи……………………………………………..

9

3 Выбор конструкции оптического кабеля и числа оптических волокон……

10

3.1 Расчет необходимого числа каналов между населенными пунктами..

3.2 Выбор системы и типа кода передачи………………………………………..

3.3 Выбор оптического кабеля для выбранной трассы…………………….…

4 Выбор передающего и приемного модулей………………………………………

17

5 Расчет длины регенерационного участка и их количества…..………………..

18

5.1 Расчет длины регенерационного участка, связанного с уширением

импульса………………………………………………………………………………….

18

5.2 Расчет количества регенерационных участков…………………………….

19

6 Выбор оптических соединителей……………………………………………………

20

7 Расчет энергетического запаса системы………………………………...…………

21

8 Расчет параметров передачи оптического волокна……………………………..

24

9 Расчет надежности линии связи…...………………………………..………………..

28

10 Расчет сметы на строительство оптической линии связи………………..…..

30

Заключение………………………………………………………………………………..…

31

Список использованных источников………………………………………………….

32

Приложение А……………………………………………………...……………………….

33

Приложение Б……………………………………………………………………………....

34

Введение

В настоящее время волоконно-оптический кабель является важнейшим элементом при построении магистральных, внутризоновых и местных первичных сетей Взаимоувязанной сети связи России.      

Волоконно-оптические системы передачи благодаря уникальным возможностям по пропускной способности и затуханию волоконных световодов и успехам в технологии элементов волоконно-оптических систем передачи являются наиболее перспективными информационными системами. В области стационарных систем фиксированной связи передачи данных с большой пропускной способностью и высокой надежностью работы волоконно-оптические системы передачи не имеют конкурентов. У радиосистем, в том числе для подвижной связи, и спутниковых систем связи – свои преимущества, но по комплексу параметров (скорость передачи, помехоустойчивость, защищенность сведений) оптические системы являются наилучшими системами передачи.

Волоконная оптика обладает основными семью основными преимуществами перед электросвязью:

1 Информационная емкость. Полоса пропускания оптоволокна превышает все потребности сегодняшних сетевых применений. Оптоволоконный кабель 62.5/125 мкм, рекомендованный для использования в зданиях, имеет полосу пропускания 160 МГц·км (при длине волны 850 нм) или 500 МГц- км (при 1300 нм). Полоса пропускания зависит от частоты и расстояния, поэтому при длине оптического кабеля 100 м ее ширина превышает 1 ГГц. (Для сравнения: медный кабель категории 5 при той же длине имеет полосу пропускания 100 МГц.). Ширина полосы пропускания у одномодового волокна может быть от 50 до 100 ГГц·км. Существующие кабели имеют полосу пропускания в несколько гигагерц и позволяют передавать на расстояния в десятки километров.

2 Низкие потери. Благодаря низким потерям можно работать на значительных расстояниях. Для оптоволокна максимальное рекомендованное расстояние составляет 2000 м. (Если сравнить с медью, это расстояние равно 100 м.) Принципиальный недостаток медного кабеля - потери растут с увеличением частоты сигнала. Иными словами, с увеличением скорости передачи данных растут потери и уменьшаются расстояния. Оптоволокно не имеет этого недостатка.

3 Устойчивость к электромагнитным воздействиям. По некоторым оценкам, более 60% сбоев в сетях на основе меди связаны с кабельными системами. Перекрестные искажения, рассогласование, электромагнитная восприимчивость являются основными источниками шума и сбоев в медных системах. Более того, эти проблемы усиливаются при неправильной установке кабельной системы, в особенности это касается систем пятой категории. Оптоволокно является диэлектриком и обладает иммунитетом к электромагнитным воздействиям. Здесь невозможны перекрестные искажения. Оптоволокно может быть использовано в условиях сильных электромагнитных полей. На него не влияют такие источники шума, как линии электропитания, люминесцентные лампы.

4 Небольшой вес. Оптоволоконный кабель легче медного. Двухжильный оптический кабель на 20-50% легче 4-парного кабеля категории 5. Меньший вес облегчает процесс установки.

5 Небольшой размер. Оптоволоконный кабель занимает меньшее пространство. Оптическому кабелю в 2 жилы нужно на 15% меньше места, чем кабелю 5-й категории.

6 Безопасность. Оптоволокно не искрит. С точки зрения возгорания и выделения газа, оптоволоконные кабели и кабели витой пары имеют одинаковые параметры.

7 Секретность. К оптическим кабелям крайне сложно подключиться, и незамеченным такое подключение быть не может. А так как оптические кабели не излучают, передачи по ним перехватить невозможно. Эти преимущества известны со времени появления оптоволокна.

Оптическое волокно, также как и любое другое техническое достижение обладает и недостатками, которые со временем сводятся к минимуму:

Хрупкость оптоволокна. Современные оптические кабели имеют прочность на разрыв больше, чем медные такого же диаметра. Они более гибкие, легко изгибаются и противостоят коррозии. Оптоволоконные кабели могут выдерживать "тянущее" усилие в 6 раз большее, чем рекомендовано для кабеля категории 5. В действительности кабели категории 5 более хрупкие, чем оптические: тугие стяжки, развитие пар рядом с коннекторами, острые углы могут снизить характеристики кабеля ниже требований категории 5.

Трудность монтажа. Это утверждение и опасение идет со времени, когда оптические коннекторы состояли из многих частей - некоторые было трудно держать в руках. Их действительно сложно было клеить, сушить, скалывать и полировать. Сейчас коннекторы состоят из меньшего числа частей, и процедура оконцовки хорошо отработана. Для ускорения и упрощения работ у монтажников есть полировочные машины, печи для сушки. Появились бесклеевые коннекторы. Можно пользоваться готовыми окоцованными в заводских условиях кабелями.

Дороговизна. Оптический кабель и оптические компоненты приблизились по цене к соответствующим элементам медной системы категории 5. Однако теперь работы с оптоволоконным кабелем стали дешевле. Стоимость прокладки оптического и медного кабелей одинакова. Время оконцовки также почти одинаковое (система категории 5 требует большей осторожности и времени при установке). Оптоволоконные кабельные системы более просты в эксплуатации и более надежны. Затраты на восстановление системы, связанные со старением у оптических систем ниже, чем у медных.

1 Список условных обозначений и малоизвестных

терминов

1.1 Условные  обозначения

ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи;

ВОСП – волоконно-оптическая система передачи;

КТЧ – канал тональной частоты;

ОВ – оптическое волокно;

ОК – оптический кабель;

ОЛС – оптическая линия связи;

ПОМ – передающий оптический модуль;

ПрОМ – приемный оптический модуль;

ФП – фотоприемник;

ФПУ – фотоприемное устройство;

1.2 Пояснение известных и малоизвестных терминов

Оптическое волокно. Оптоволокно передает информацию при помощи световых волн, а не электронов, как медный кабель. Оптоволокно (или просто волокно) состоит из тонкой сердцевины для передачи светового сигнала, окруженной прозрачной оболочкой для удержания света внутри сердцевины. Обычно сердцевина делается из стекла, однако в случае кабеля небольшой длины она может быть и из пластика. Волокно окружено мягким защитным материалом (буфером), а он в свою очередь помещен в жесткую оболочку. Одна оболочка может содержать пучок из нескольких волокон. Свет генерируется светодиодами или лазерами.

Многомодовое волокно. Многомодовое волокно - оптоволокно, диаметр сердцевины которого составляет от 50 до 125 микрон. Этот наиболее распространенный тип волокна способен передавать несколько мод (независимых световых путей) с различными длинами волн или фазами. Однако большой диаметр сердцевины приводит к тому, что световой пучок отражается от поверхности сердцевины чаще, а это чревато сильной дисперсией. Дисперсия ограничивает пропускную способность и расстояние между повторителями. Пропускная способность многомодового волокна составляет примерно 2,5 Гбит/с.

Одномодовое волокно. Одномодовое волокно - оптоволокно с очень узкой сердцевиной - с диаметром 10 микрон или меньше. Служит оно для высокоскоростной передачи на большие расстояния. Благодаря тому, что диаметр сердцевины невелик, световой луч отражается от поверхности сердцевины гораздо реже, в результате дисперсия меньше. Как следует из названия, тонкое волокно передает только одну моду или световой несущий сигнал. Пропускная способность одномодового волокна составляет приблизительно 5 Гбит/с.

Оптический кабель. Оптический кабель состоит из нескольких волокон и упрочняющего материала типа пластика, стекловолокна или металла. Кабели общего назначения не имеют огнестойких свойств, поэтому они могут быть проложены только в огнестойких кабелепроводах. Шахтные кабели предназначены для прокладки в вертикальных шахтах между этажами.

Оптические соединители. С оптоволокном используются самые разные соединители. FSD - это первый двусторонний соединитель FDDI с боковой защелкой. IBM разработала ESCON, использующий убирающийся кожух.

Другими типами соединителей являются поворотные штыковидные ST-муфты и защелкивающиеся SC-муфты.

Темное волокно. Темное волокно - оптоволокно, не передающее сигнал. Данный термин часто применяется для обозначения проложенного, но не используемого волокна. Темное волокно применяется, в частности, при описании незадействованного потенциала глобальной системы связи.

2 Выбор трассы прокладки линии связи

После определенного анализа маршрутов, связывающих два населенных пункта Томск и Красноярск, было решено прокладывать кабель вдоль железнодорожной магистрали Томск – Красноярск, на опорах контактной сети железных дорог.

Проложить кабель можно было бы и в грунте, но это повлечет за собой крупные денежные затраты, т.к. при этом возникнут трудности при пересечении с десятками автомобильных дорог и крупных и мелких рек.

Прокладка на опорах контактной сети железных дорог решает все вопросы с неоднородностью (непрерывностью) трассы. Все вопросы по прокладке и подключению аппаратуры необходимо будет согласовать с Министерством путей сообщения.

Карта регионов с изображенной на ней волоконно-оптической магистралью вдоль железной дороги Томск – Красноярск приведена в приложении А. Маршрут прокладки указан черной линией. Протяженность его составляет 615 км. Для трассы данной длины (свыше 600 км) потребуется одномодовый кабель.

3 Выбор конструкции оптического кабеля и числа

оптических волокон

Оптоволокно имеет два концентрических слоя: внутренний, называемый сердцевиной (core), и внешний (cladding). Оба слоя состоят из материалов с разными показателями преломления (коэффициент преломления внешнего слоя примерно на 1% меньше коэффициента преломления сердцевины). Свет, направляемый в волокно, распространяется в нем за счет многократного отражения на границе сердцевина-внешний слой.

В большинстве случаев волокно покрыто оболочкой (buffer), состоящей из одного или более слоев полимера и защищающей волокно от механических воздействий. Буфер не имеет никакого влияния на распространение света в волокне.

Волокно, как правило, выпускается в следующих вариантах соотношения размеров сердцевина/внешний слой:

Таблица 3.2 Характеристики волокон

Тип ОВ

ОМ

ММ

ММ

ММ

Сердцевина, мкм

8

50

62,5

100

Внешний слой, мкм

125

125

125

140

ОМ (SM) – одномодовое волокно;

ММ (ММ) – многомодовое волокно.

Краткая классификация оптоволокна:

1 По материалам сердцевины и внешнего слоя: стекло - стекло; стекло - пластик; пластик - пластик.

Наиболее широкое применение получило цельное стеклянное оптоволокно. При его производстве используются особо прозрачный диоксид кремния или расплавленный кварц. Для получения различных показателей преломления вводят добавки: германий или фосфор увеличивают, а бор снижает коэффициент. Второй тип оптоволокна практически не используется. Третий тип имеет характеристики полосы пропускания и потерь значительно хуже первого, но из-за дешевизны находит применение.

2 По профилю изменения показателя преломления слоев в волокне: многомодовое, ступенчатый индекс; многомодовое, градиентный индекс; одномодовое, ступенчатый индекс.

В многомодовом волокне со ступенчатым индексом существует четкая граница между материалами с разными коэффициентами преломления. Поскольку свет в волокне отражается под различными углами, он проходит разный путь: свет, идущий по середине сердцевины, придет первым, остальные с той или иной задержкой (от 15 до 30 нс/км). Если по волокну передавать импульсы, то наблюдается расширение импульсов, или модовая дисперсия. Могут сложиться ситуации, когда невозможно отличить один импульс от другого. Информация потеряется.

Один из способов снижения модовой дисперсии - использование градиентного волокна. Волокно состоит из нескольких концентрических слоев с разными коэффициентами преломления. Чем дальше от центра, тем ниже коэффициент преломления и, соответственно, выше скорость света. В результате траектория света напоминает синусоиду. Лучи, проходящие более длинный путь, имеют большую среднюю скорость, чем лучи, проходящие рядом с центром сердцевины. Таким образом, все лучи достигают конца кабеля почти одновременно. Модальная дисперсия в градиентном волокне 1 нс и менее. Практически все многомодовые кабели, используемые в сетях и для передачи данных, имеют градиентный индекс.

Другой способ борьбы с модовой дисперсией - уменьшить диаметр сердцевины так, чтобы эффективно передавался только свет по оси сердцевины. Такое волокно называется одномодовым. Диаметр сердцевины от 5 до 10 мкм. Потенциально ширина полосы пропускания у одномодового волокна может быть от 50 до 100 ГГц·км. Существующие кабели имеют полосу пропускания в несколько ГГц и позволяют передавать информацию на расстояния в десятки километров без дополнительных технических решений.

3.1 Расчет необходимого числа каналов между населенными пунктами

Число каналов связывающих Томск и Красноярск, в основном зависит от численности населения в этих городах и от степени заинтересованности определенных групп населения во взаимосвязи.

Численность населения в городах может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения. При перспективном проектировании линии связи следует учесть прирост населения. Количество населения в городе с учетом среднего прироста населения определяется следующим образом:

,

- население в городе в период переписи населения, чел.;

 - средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 2-3%);

  - период, определяемый как разность между годом проектирования и годом проведения переписи населения  учетом года перспективного проектирования (принимается на 5-10 лет вперед по сравнению с текущим временем).

Год перспективного проектирования в курсовом проекте следует принять 5 лет вперед. Следовательно, , где  - год составления проекта; - год, к которому относятся данные переписи населения.

485,5 тыс. человек в Томске на 2000 год;

875,5 тыс. человек в Красноярске на 2000 год.

Следовательно

лет.

Найдем теперь количество населения в городах с учетом среднегодового прироста.

Для Томска количество населения будет следующим:

тыс. человек.

Для Красноярска эта цифра составит:

тыс. человек.

Телефонные каналы в междугородной связи имеют превалирующее значение, следовательно, сначала необходимо определить количество телефонных каналов между заданными оконечными пунктами в одном направлении. Для расчета междугородних телефонных каналов используют приближенную формулу:

,

и - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются 5 %, тогда =1,3, =5,6;

- коэффициент тяготения (принять 5 %);

- удельная нагрузка, т.е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом (необходимо принять =0,05 эрл);

и  - количество абонентов обслуживаемых оконечными станциями МТС соответственно в пунктах А и Б.

Найдем количество абонентов , обслуживаемых оконечными станциями МТС, принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,4 в Томске и 0,3 в Красноярске.

Для Томска количество абонентов будет следующим:

тыс. человек.

Для Красноярска эта цифра составит:

тыс. человек.

Таким образом, можно рассчитать число каналов для телефонной связи между выбранными городами:

Примем число телефонных каналов в одну сторону .

По оптическому кабелю организуют также каналы и других видов связи, а также могут проходить и транзитные каналы. Общее число каналов между двумя междугородными станциями заданных пунктов определяется как:

,

- число каналов для телефонной связи;

- число каналов для телеграфной связи;

- число каналов для проводного вещания;

- число каналов для передачи данных;

- число каналов для передачи газет;

- число каналов для транзитных каналов;

- число каналов для передачи телевидения.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, т.е. КТЧ, то для передачи различных видов трафика потребуется следующее количество телефонных каналов:

1 ТВ канал = 1600 КТЧ;

1 ТГ канал = 1/24 КТЧ;

1 ПВ канал = 3 КТЧ;

В курсовом проекте следует предусмотреть два двухсторонних телевизионных канала.

Выразим общее число каналов между заданными пунктами через телефонные каналы. Для курсового проекта можно принять следующее:

Тогда число каналов в один конец рассчитывают по упрощенной формуле:

3.2 Выбор системы и типа кода передачи

Выбор системы передачи

Система передачи SDH (Синхронная Цифровая Иерархия) на сегодняшний день являются наиболее скоростными, в то время как система PDH (Плезиохронная Цифровая Иерархия) не отвечает современным запросам передачи данных и постепенно выводится из обращения. Поэтому в проекте будем опираться на системы SDH, представителями которой являются цифровые системы передачи STM.

Для выбора конкретной системы STM нам потребуется знание числа каналов между выбранными пунктами и знание скорости передачи цифровой информации по одному телефонному каналу, которая составляет 64 Кбит/с.

Скорость передачи информации между Томском и Красноярском будет определяться следующим образом:

Мбит/с,

- общее число телефонных каналов;

- скорость передачи по одному ТФ каналу.

Таблица 3.2 Системы связи

Система

СТМ (STM)

Обозначение

STM-1

STM-4

STM-16

STM-64

STM-256

Fm, МГц.

155

622

2500

10000

40000

Для обеспечения требуемой скорости нам подходит система передачи STM-4 для скоростей до 622 Мбит/с. Таким образом, мы имеем предельную теоретическую скорость передачи 622 Мбит/с, которая на практике ограничивается дисперсией, либо резервное количество телефонных каналов для одного ОВ, определяемое по формуле:

Выбор топология сети

Оптическая линия связи Томск – Красноярск представляет собой магистраль, для которой оптимальной, с точки зрения надежности связи и экономичности, будет топология типа «шина», т.к. в случае повреждения одного из волокон внутри кабеля, можно предусмотреть возможность резервного переключения (дублирования) на дополнительные волокна внутри кабеля. Остальные типы топологий, такие как «звезда», «кольцо» не пригодны в плане их неэкономичности и ненадежности для данной трассы. Наибольшая степень резервирования - в полносвязной топологии, но она очень неэкономична. Компромиссом между стоимостью и надежностью служит топология типа «шина».

Выбор кода передачи

Код должен быть линейным, т.к. система оптическая и передача сигнала разной полярности невозможна и избыточным, чтобы обеспечить помехоустойчивость. Исходя из этого условия можно использовать следующих два кода:

 NRZ (No Return to Zero - без возврата к нулю);

 RZ (Return to Zero - с возвратом к нулю).

Так как энергетический запас канала падает из-за уменьшения средней мощности источника излучения, то с точки зрения помехоустойчивости оптоэлектронной системы передачи информации, наиболее оптимальным является код NRZ, т.к. это падение для него составляет 3 дБ, а для кода RZ - 6 дБ. Исходя из выше изложенного, воспользуемся для передачи информации кодом NRZ.

3.3 Выбор оптического кабеля для выбранной трассы

Исходя из вида выбранной трассы, нам потребуется подвесной, либо самонесущий кабель. Остановим свой выбор на подвесном кабеле, выпускаемым ЗАО “Народная фирма “Электропровод”. Все кабели этой фирмы соответствуют сертификатам соответствия Минсвязи РФ № ОС/1-КБ-93 и ISO 9001.

Маркировка подвесных кабелей выглядит следующим образом:

ОК/TMNП–XXY,YZ

ОК – оптический кабель с полиэтиленовой оболочкой;
Т – тип внешнего силового элемента (Т - трос стальной, П - пруток стеклопластиковый, А - арамидные нити);
M – модульная конструкция;
N – количество модулей в кабеле;
П – тип центрального силового элемента (П – стеклопластиковый пруток);
XX – тип оптического волокна (8-NZDS; 10-SM; 50,62.5MM);
Y,Y – предельное значение затухания на рабочей длине волны света в дБ/км;
Z – общее количество оптических волокон в кабеле.

Виды трасс прокладки кабелей следующие: ОК/А — для подвески на опорах линий связи, контактной сети железных дорог, линий электропередач рассчитанных на напряжение до 110 кВ включительно; ОК/Т на опорах линий связи, контактной сети железных дорог.

Для прокладки линии связи выберем кабель с одномодовым ступенчатым волокном ОК/Т, т.к. он дешевле кабеля ОК/А из-за того, что он не подвешивается на опоры ЛЭП, что нам и ненужно. Полная маркировка выбранного кабеля будет выглядеть следующим образом:

ОК/Т–М6П–10–0,25–12

В ступенчатом одномодовом волокне диаметр светонесущей жилы составляет для данного кабеля 10 мкм, и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в одномодовом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения хроматической дисперсии (межмодовая отсутствует) достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия (материальная плюс волновая) практически обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3-0,5 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,2-0,3 дБ/км достигается в окне 1550 нм.

Найдя компромисс, воспользуемся кабелем с ОВ для длины волны света 1310 нм, т.к. хроматическая дисперсия меньше почти в 5 раз по сравнению с ОВ для длины волны света 1550 нм, а километровое затухание отличается всего лишь на 25% (смотри приложение Б).

4 Выбор передающего и приемного модулей

Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического сигнала в выходной оптический сигнал. Для  применения в оптической связи полупроводниковые лазеры и передающие модули на их основе должны обеспечивать непрерывный и импульсный режимы работы, иметь широкую полосу модуляции, линейную зависимость мощности излучения от тока накачки, малую излучающую площадь, низкие шумы, высокую стабильность мощности и большой ресурс работы. Для заданной магистрали воспользуемся лазерным одномодовым ПОМ-15Б (смотри таблицу 4.1) для минимизации влияния дисперсии на передаваемый сигнал, выпускаемым НИИ «Полюс». Важными характеристиками модуля являются: диапазон рабочих температур, мощность излучения, ширина спектральной полосы, скорость передачи сигнала, время нарастания импульса, срок службы и т.д.

Таблица 4.1 Типы ПОМ

Тип модуля

Длина

волны, нм

Выходная

мощность,

мВт

Ширина спектральной линии, нм

Скорость

передачи,

Мбит/с

ПОМ-13Б

1500-1580

0,50,1

1

3000

ПОМ-14Б

1520-1580

12

18

560

ПОМ-15А

1270-1330

0,50,1

5

5000

ПОМ-15Б

1500-1580

0,50,1

18

2400

В качестве основного элемента оптического приемника используются полупроводниковые p-i-n и лавинные фотодиоды, имеющие очень малую инерционность. Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, например, на несколько сотен километров, то может дополнительно потребоваться одно или несколько промежуточных регенерационных устройств для усиления ослабевающего в процессе распространения оптического сигнала, а также для восстановления фронтов импульсов. В качестве ПрОМ будем использовать ФПМ-622ЛМ (смотри таблицу 4.2), т.к. у него выше чувствительность и динамический диапазон работы. Основными характеристиками приемника являются: скорость приема информации, динамический диапазон, чувствительность и т.д.

Таблица 4.2 Типы ПрОМ  

Тип модуля

Скорость приема,

Мбит/с

Динамический диапазон,

дБ

Чувствительность,

дБм

ФПМ-155М

64 – 155

30

-54

ФПМ-155ЛМ

64 – 155

30

-54

ФПМ-622М

622

>20

-37

ФПМ-622ЛМ

622

>30

-44

4 Расчет длины регенерационного участка

и их количества

Потребность в расчете регенерационных участков вытекает из условия безошибочного приема информации. Если приемная и передающая станции удалены на большое расстояние друг от друга (более 50 км), могут потребоваться дополнительно одно или несколько регенерационных устройств. Современные кабели имеют длину регенерационного участка равную 60100 км. Регенерационные устройства или регенераторы – устройства, предназначенные для усиления оптического сигнала, ослабевающего в процессе его распространения, а также для восстановления фронтов импульсов.

4.1 Расчет длины регенерационного участка, связанного с уширением импульса

Уширение импульса является следствием хроматической дисперсии, которая зависит от ширины спектральной линии и от значения удельной дисперсии, которая указывается в характеристике на оптический кабель.

Для выбранного оптического кабеля удельная хроматическая дисперсия на выбранной длине волны света 1310 нм составляет 3,5 пс/нм·км (смотри приложение Б).

Длина регенерационного участка ОВ с учетом дисперсии будет определяться следующим образом:

,

- коэффициент широкополосности;

- скорость передачи информации для системы STM-4.

Коэффициент широкополосности определяется соотношением:

,

- уширение импульса.

,

- ширина спектральной линии ПОМ;

- удельная хроматическая дисперсия, равная 3,5 пс/нм·км.

С учетом вышеизложенного длина регенерационного участка будет определяться следующим образом:

км.

4.2 Расчет количества регенерационных участков,

связанного с дисперсией

Как мы убедились в предыдущем пункте, передача информации на большие расстояния не возможна без дополнительных преобразований над сигналом (усиление, восстановление исходной формы). Из вычислений мы выяснили, что длина регенерационного участка по дисперсии должна составлять величину не более 404 метров. Требуемая трасса составляет расстояние 615 км, поэтому для обеспечения большей помехоустойчивости системы можно (даже нужно) длину регенерационного участка взять меньше. Ограничимся предварительно длиной регенерационного участка равной 315 км.

Предварительное количество регенерационных участков при передаче информации в одну сторону будет равно двум. Данное количество регенерационных участков не окончательное, т.к. нужно рассчитать их количество, связанное с затуханием и вероятнее всего это количество увеличится.

6 Выбор оптических соединителей

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. В таблице 6 приведены лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. "Наибольшее распространение" подразумевает, что большинство оборудования для оптоволоконных линий имеют розетки под один из перечисленных видов коннекторов. Характеристики коннекторов (области применения) представлены в таблице.

Фиксация "Push-Pull" обеспечивает подключение коннектора к розетке наиболее простым образом - на защелке. Защелка-фиксатор обеспечивает надежное соединение. Важное преимущество разъемов с фиксацией Push-Pull - это высокая плотность монтажа оптических соединителей на распределительных и кроссовых панелях и удобство подключения.

Внешний вид разъемов показан в приложении Б.

Таблица 6 Типы оптических соединителей

Тип

разъема

Сети

Телекоммуникации

Кабельное ТВ

Измерительная аппаратура

фиксация

FC/PC

+

+

+

Резьба

ST

+

+

BNC

SMA

+

+

Резьба

SC

+

+

+

+

Push-Pull

FDDI

+

Push-Pull

В качестве коннектора для нашей оптической связи воспользуемся соединителем SC, т.к. он более прост в обращении и имеет наибольшую совместимость с различной аппаратурой. Потеря мощности на таких соединителях составляет обычно 0,20,4 дБ.

Количество коннекторов определяется количеством приемо-передающей аппаратуры и равно восьми для передачи сигнала в обоих направлениях для заданной магистрали.

7 Расчет энергетического запаса системы

Бюджет запаса мощности предоставляет удобный метод анализа и количественной оценки потерь в волоконно-оптической линии. Бюджет мощности линии представляет собой сумму усилений и потерь на пути передачи сигнала от передатчика (через кабель и разъемы) к оптическому приемнику, включая запас мощности. Результаты данного анализа позволят проверить наличие у волоконно-оптической линии достаточной мощности для преодоления потерь и корректного функционирования. Типичный запас мощности находится в границах от 3 до 5 дБ.

Энергетический запас элементарного тракта передачи (приемник-передатчик) рассчитывается по формуле:

дБ,

 и  - мощность и уровень мощности вводимой в ОВ;

 и  - чувствительность и уровень чувствительности фотоприемника, равный – 44 дБм

Уровень мощности определяемый в дБм:

.

Примем  равной 0,3 мВт и  - 1 мВт, тогда:

дБм.

Таким образом элементарный энергетический запас мощности будет следующим:

дБ.

Этот результат означает, что для преодоления всех потерь в линии передачи данных имеется мощность в 38,77 дБ.

Полный энергетический запас линии связи рассчитывается с учетом всех потерь в ОВ (затухание в волокне, его старение и т.д.). Рассчитанный здесь запас мощности должен находится примерно в пределах от 3 до 5 дБ. Если запас по мощности не соответствует этому пределу, то кабельную систему придется проектировать заново, чтобы она обеспечивала пересылку данных из конца в конец. Решение этой задачи может потребовать уменьшения длины регенерационного участка, увеличения оптической мощности передатчика, повышения оптической чувствительности приемника, уменьшения потерь в волоконно-оптическом кабеле или на разъемах, либо применения всех перечисленных мер вместе.

Полные потери в волоконно-оптической линии рассчитываются следующим образом:

,

- погонное затухание для выбранного кабеля, дБм/км (равно 0,31 дБ/км – смотри приложение Б);

 - длина регенерационного участка канала, км (примем 315 км);

- затухание единичного неразъемного соединения (примем для расчета 0,2 дБ);

 - число неразъемных соединений (примем 2);

-  затухание единичного разъемного соединения (для выбранного коннектора SC примем 0,3 дБ);

 - число разъемных соединений (равно 2);

- снижение мощности, в зависимости от кода (для используемого NRZ кода снижение равно 3 дБ);

- запас на старение кабеля (примем 2 дБ);

- запас на дополнительные виды затухания (примем 2 дБ).

Рассчитаем полные потери на регенерационном участке, т.к. регенератор восстанавливает сигнал:

!!! дБ.

Полный энергетический запас системы будет определяться:

дБ.

Как видно на глаз такой результат никуда не годится.

Для получения нужного результата необходимо уменьшать длину регенерационного участка, т.к. для компенсации рассчитанных потерь трудно найти соответствующий приемник и передатчик, да и цены таких устройств очень велики.

После недолгих расчетов в пакете MathCad 2000 определили приемлемую длину регенерационного участка:

дБ.

Определим полный энергетический запас системы:

дБ.

Как видно из расчета, полный энергетический бюджет мощности удовлетворяет заданным условиям. С учетом потерь длина регенерационного участка составляет 90 км. Количество регенерационных участков равно:

.

Следовательно, для передачи оптического сигнала в одном направлении потребуется 6 регенераторов.

Правильно подобранное ОВ, приемо-передающее оборудование и длина регенерационного участка дает хороший энергетический запас по мощности.

8 Расчет параметров передачи оптического волокна

Произведем теоретический расчет параметров одномодового оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, используемого для передачи информации по магистрали Томск – Красноярск с помощью математического пакета MathCad 2000.

Зададимся исходными параметрами для расчета:

рабочая длина волны лазерного источника -  нм;

ширина спектральной линии передатчика -  нм;

разность между показателями преломления сердцевины и оболочки оптического волокна - ;

диаметр сердцевины -  мкм;

диаметр оболочки -  мкм;

коэффициенты для формулы Селмейера:

=0.6869829

=0.078087582

=0.44479505

=0.1155184

=0.79073512

=10.436628

Расчет показателя преломления оболочки по формуле Селмейера

График зависимости показателя преломления оболочки от распространяемой в ОВ длины волны света:

Расчет показателя преломления сердцевины

,

n – показатель преломления оболочки;

n0 – показатель преломления сердцевины;

- относительная разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

Расчет числовой апертуры

Расчет нормированной частоты

Как видно из расчетов, ОВ будет действительно работать в одномодовом режиме. Появление других типов волн будет обуславливаться значением нормированной частоты 2,407 и выше. Ниже приведен график зависимости нормированной частоты от диаметра сердцевины:

Расчет потерь в оптическом волокне

Исходные данные:

постоянная Больцмана - K=1,3810-23

сжимаемость -  k=8,110-11          

абсолютная температура плавления стекла - T=1500

 дБ/км

График зависимости потерь от длины волны света:

Расчет затуханий, обусловленных микроизгибами

 дБ/м,

N – число микроизгибов;

h – высота микроизгиба.

Расчет затуханий, обусловленных макроизгибами

, дБ/км

График зависимости затуханий на макроизгибах от радиуса макроизгиба:

Дополнительные потери при радиальном смещении

, дБ/км

Дополнительные потери при угловом смещении

, дБ/км

Дополнительные потери при осевом смещении

, дБ/км

Расчет диаметра модового поля

  мкм

9 Расчет надежности линии связи

Проблема обеспечения надежности весьма актуальна для волоконно-оптических систем передачи (ВОСП), предназначенных для больших объемов информации и имеющих большую длину участков регенерации, т. е. более протяженные участки обслуживания. Поэтому очень важно предварительно рассчитать их надежность с тем, чтобы получить требуемые показатели в процессе эксплуатации аппаратуры ВОСП, т.к. отказ в работе аппаратуры несет за собой крупные экономические затраты.

Надежность объекта (ГОСТ 27.002-83) – его свойство сохранять во времени и установленных пределах значения всех параметров, характеризующих качество передачи информации в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Комплексный показатель надежности – коэффициент готовности (КГ), определяющий вероятность работоспособности объекта в произвольный момент времени (кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается).

Безотказность (ГОСТ 27.002-83) – свойство системы непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки. Ее характеризуют два показателя:

То – среднее время между отказами системы (элемента), ч;

Λ – среднее количество отказов за единицу времени, 1/ч.

Для восстанавливаемых объектов одним из важнейших свойств, составляющих надежность, является ремонтопригодность (ГОСТ 27.002-83). Под ремонтопригодностью понимается приспособленность СП к предупреждению неисправности, обнаружению ее характера и устранению последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления V, затрачиваемым на обнаружение, поиск причины и устранение последствий отказа, ч.

Для обеспечения высокого коэффициента готовности при расчете надежности ВОСП удобно в качестве комплексного показателя надежности выбрать коэффициент простоя (КП), определяющий вероятность того, что система окажется в неработоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов.

Коэффициент простоя ВОСП однозначно связан с коэффициентом готовности: КП=1–КГ и характеризует безотказность (через Λ) и ремонтопригодность (через V).

Примечание: для оборудования линейных трактов на МСП, ВЗПС и СМП время восстановления необслуживаемого регенерационного пункта (НРП), обслуживаемого регенерационного пункта и оконечного пункта (ОРП, ОкП) и ОК должны быть соответственно меньше:

VНРП < 2.5 ч (в том числе время подъезда к месту аварии 2 ч);

VОРП < 0,5 ч:

VОК < 10 ч (в том числе время подъезда 3,5ч)

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

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

Λ=M·L/8760·100.

Интенсивность отказов для нашей линии:

Λ= M·L/8760·100=0,34·615/8760·100=2,387·10-4.

При существующей на эксплуатации стратегии восстановления, начинающегося с момента обнаружения отказа (аварии), коэффициент простоя (неготовности) определяется по широко известной формуле:

КП = Λ·V (1 + Λ·V) = V/(T0+V),

T0 – среднее время между отказами (или среднее время наработки на отказ);

V – время восстановления, ч.

Коэффициент простоя для нашей линии связи:

КП = Λ·VОК (1 + Λ·VОК)=2,387·10-4·8·(1+2,387·10-4·8)=1,913·10-3

Коэффициент простоя ВОСП однозначно связан с коэффициентом готовности: КП=1–КГ . Отсюда найдем коэффициент готовности:

КГ =1– КП=T0/(T0+V),

Коэффициент готовности для нашей линии связи:

КГ =1– КП=1–1,913·10-3=0,998

Определим среднее время между отказами:

T0= КГ ·V/1КГ=0,998·8/1–0,998=4,173·103 час.

Как видно из цифр, приведенных выше, данная линия является достаточно надежной, что является мощным преимуществом ВОЛС по сравнению с другими видами связи.

10 Расчет сметы на строительство оптической линии связи

Наименование продукта

Цена за 1 шт (км)., $

Количество штук (км)

Суммарная

Стоимость, $

Оптический кабель ОК/TMNП–XXY,YZ

1833,0

1230

2254590,0

ПОМ

1040,0

2

2040,0

ПрОМ

800,0

2

1600,0

Регенератор

2000,0

12

24000,0

Разъём оптический SC/APC SM

(1 или 3 мм) (угол 8гр.)  

9,77

28

273,56

Набор инструментов для

разделки волоконно-оптического кабеля

1

546,38

546,38

Скалыватель Fujikura СТ-07 для оптических волокон

1

1 453,13

1 453,13

Сварочный аппарат Fujikura FSM-16S

1

10 880,0

10 880,0

Рефлектометр ANDO

1

8 000,0

8 000,0

Измеритель мощности

1,31/1,48/1,55; -53...+23dBm

1

1 014,0

1 014,0

Переговорное устройство,FULL DUPLEX, 1,55 SM, 40dB, пара

1

2 988,0

2 988,0

Прокладка и монтаж ВОК

1500,0

1230

1845000,0

Зарплата рабочим

6000,5

Прочие расходы

3000

Общие затраты на строительство магистрали

4 458 384

Заключение

В данном курсовом проекте была спроектирована цифровая оптоволоконная линия связи Томск - Красноярск. Как видно по рассчитанным характеристикам, таким как длина регенерационного участка, полоса пропускания, энергетический запас, сопоставимы с параметрами реальных оптических линий связи. Был проведен глубокий теоретический расчет волокна. Предусмотрен запас ОВ на будущее развитие, а также рассмотрен вариант резервирования, в случае повреждения волокон кабеля.

Решение данной инженерной задачи, несомненно, пригодится в будущей деятельности современного инженера. Как видно из экономического расчета ВОЛС, построение данной линии требует вложение довольно больших средств, но с современным ростом количества обмена информацией окупаемость линии может происходить в довольно короткие сроки.

Список использованных источников

1.Журнал сетевых решений/LAN, электронная версия http://www.lanmag.ru.

2. Оптические системы передачи / Б.В. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крухмалёв; Под ред. В.И. Иванова. – М.: Радио и Связь, 1994. – 224 с.

3. Конспект лекций по курсу «Оптические Линии Связи и Пассивные Компоненты ВОСП», Ефанов В. И.

4. Прочие интернет-ресурсы:

http://www.energy-telecom.ru

http://www.telas.ru/product.html

http://www.vlux.ru/pubs_ws/a1/occsctp.htm

http://www.tkc.ru/foton/17/lasers.html

http://www.ruscable.ru/

http://www.uic.bashedu.ru/RFS/labvols.htm

http://www.fiberdriver.ru

http://odissey.web.ur.ru/

http://www.css-mps.ru/zdm

http://www.comizdat.com.ua

http://www.aboutphone.info/js/books.html

http://www.infobooks.ru/books/scs-content.html

http://www.powerlight.ru/

http://www.symmetron.ru/

http://www.polyus.msk.ru/

http://www.polyus.msk.ru/

http://www.osp.ru/

http://www.telemultimedia.ru/

http://www.comizdat.com.ua/

 

Приложение А

Приложение Б

Тип оптического

волокна

NZDS (8/125)

SM (10/125)

GI MM (50/125)

SI MM (62,5/125)

Коэффициент затухания, дБ/км.
на
l = 0,85 мкм
на
l = 1,3 мкм
на
l = 1,31 мкм
на
l = 1,55 мкм

--
--
0,4
0,25

--
--
0,35
0,22

2,5
0,7
--
--

3,0
0,7
--
--

Хроматическая дисперсия, пс/км·нм
на
l = 1,31 мкм
на
l = 1,55 мкм
 

--
1,3 - 5,8

3,0
18
 

--
--
 

--
--
 

Полоса пропускания, МГц·км
на
l = 0,85 мкм, не менее
на
l = 1,3 мкм, не менее

 

 

400
600

160
500

Количество модулей

6

Количество волокон в модуле

1 - 6

Диаметр внешнего силового элемента, мм

7

Диаметр кабеля, мм

9,4

Внешний диаметр модуля, мм

2,0

Максимальный внешний диаметр
кабеля
DКАБ, мм

10

Минимальный радиус изгиба
(при
t не ниже -10°С), мм

20 х DКАБ

Температурный диапазон, °С

-60 - +60

Допустимое растягивающее усилие, кН

3,5

Допустимое раздавливающее усилие, Н/см

100

Масса кабеля, кг/км

120

Конструкция кабеля

1 - оптическое волокно

2 - внутримодульный гидрофобный заполнитель

3 - центральный силовой элемент — стеклопластиковый пруток (П)

4 - межмодульный гидрофобный заполнитель

5 - защитная оболочка из полиэтилена

6 - внешний силовой элемент - стальной трос

1 - коннектор SMA

2 - коннектор ST

3 - коннектор FC

4 - коннектор SC 

5 - коннектор FDDI


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57879. Птахи. Звірі. Інтегрований урок з презентацією Я і Україна (природа), англійська мова 3 клас 51 KB
  Мета: Формувати поняття звірі птахи повторити назви птахів та ввести до активного словникового запасу учнів назви тварин англійською мовою закріпити знання про особливості вживання дієслова to hve в теперішньому неозначеному часі; розвивати навики мовлення та вміння порівнювати спостерігати...
57880. Форматування даних, клітинок і діапазонів клітинок 238 KB
  МЕТА навчальна: продовжувати формувати навички форматування даних сформувати вміння у новій ситуації продовжувати формувати вміння та навички роботи з програмою MS Excel; застосовувати програму для опрацювання табличних даних розв’язування прикладних задач...
57881. Робота над проектом «Хай стелиться вам доля рушниками…» 102 KB
  Рушники нашого краю Семантика кольорів мультимедійна презентація до уроку роздатковий матеріал. Сьогодні узагальнюючий урок але він буде незвичайним оскільки мова буде йти про рушники. Чому саме про рушники Рушник є найдавнішим зразком декоративно-ужиткового мистецтва українського народу.
57882. АПАРАТНА БУДОВА ПК. УРОК-ГРА: ПЕРШИЙ МЕГАБАЙТ 102 KB
  Мета: закріпити і перевірити знання учнями обчислювальної системи та її структури, знання і розуміння поняття інформації, засвоєння учнями основних понять операційної системи, її функцій та будови; розвивати активність, комунікабельність та самостійність учнів...
57883. Соединение части вида и части разреза 465.5 KB
  Учитель предлагает учащимся прочитать чертеж детали ответив на вопросы: Какие изображения применяют для полного выявления формы детали Что изображается на видах Какими видами может быть представлена форма детали...
57884. Козацькі розваги бравих молодців 384.5 KB
  Узагальнити та систематизувати вміння й навички учнів розв’язувати вправи і задачі на всі дії з дробами; ліквідувати прогалини у знаннях; розвити логічне мислення память увагу культуру математичних записів; виховати працьовитість наполегливість...
57885. Урок-подорож «По морях, океанах». Координатна площина 124 KB
  На цьому уроці ми вирушаємо у подорож По морях океанах до країни під назвою Координатна площина. Учитель знайомить дітей з метою уроку. Учитель: Починаємо мандрувати. Учитель розташовує у точку 0;0 парусник.
57886. Системи нерівностей з двома змінними 273 KB
  Мета уроку: Закріпити уміння зображати графіки нерівностей з двома змінними; розвивати вміння та навички розв’язувати системи нерівностей з двома змінними графічним способом.
57887. Розв’язування показникових рівнянь. Урок-подорож «Сходинками до вершини гори Знань» 144 KB
  Мета: Систематизувати та узагальнити знання і вміння учнів з теми; вдосконалювати вміння розв’язувати показникові рівняння; розвивати навички колективної та самостійної роботи; формувати активну життєву позицію...