Тема: Современные направляющие системы передачи информации

К этим системам относятся:

1. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)

2. Металлические и диэлектрические волноводы

3. Сверхпроводящие кабели

4. Линии поверхностной волны

Основные преимущества совр. систем перед воздушными и кабельными линиями:

1. Широкий спектр частот

2. Возможность организации большого числа каналов передачи информации

3. Низкая стоимость каналокилометра передачи

Эти преимущества привели к тому, что в настоящее время они активно внедряются на линейных системах.

ВОЛС

Они обладают всеми достоинствами (1-3), перечисленных выше, но также еще несколькими, которые отличают их от других направляющих систем:

1) Практически не подвержены электромагнитным влияниям, следовательно не требуют применения мероприятий по защите. Могут быть проложены на энергонасыщенных участках – непосредственно на тяговых подстанциях, вблизи мощных энергоустановок, в непосредственной близости от контактных сетей.

2) Они обладают самым широким спектром передаваемых частот – до 10¹⁶ Гц, Такой спектр позволяет организовать по оптической направляющей системе тысячи-десятки тысяч каналов в зависимости от свойств оптического кабеля.

3) Самая низкая стоимость одного каналокилометра. Это обусловлено тем, что направляющая система не содержит металлических элементов. Металлические элементы необходимы только для защиты кабеля от механических воздействий и в отдельных случаях для организации дистанционного питания аппаратуры связи.

Рассмотрим структурную схему организации передачи информации с помощью оптического кабеля.

Аппаратура уплотнения – только цифровая с ИКМ. На 120 каналов ИКМ-120; на 480 каналов ИКМ-480; на 1920 каналов ИКМ-1920; разрабатывается система на 3600 каналов ИКМ-3600.

Стационарная аппаратура уплотнения на выходе имеет кодовую последовательность цифровых импульсов. Поскольку электрические импульсы не могут непосредственно передаваться по оптическому кабелю, используется блок ЭОП-электрооптический преобразователь. В качестве ЭОП используют:

· квантовые генераторы – блок КЭМ квантовый электронный модуль,

· различные виды светодиодов.

Преобразованный оптический сигнал поступает в ОК (оптический кабель), по которому распространяется световой оптический сигнал. Этот сигнал, проходя по кабелю теряет форму и амплитуду – затухает. Для восстановления оптического сигнала используют регенераторы – НРП(необслуживаемые регенерационные пункты), назначение которых состоит в восстановлении импульсной последовательности (её амплитуды и формы) и трансляция его дальше. В приёмнике информации сигнал поступает в модуль ОЭП (опто-электронный преобразователь). В качестве ОЭПП используют:

· фотоэлемент, если в передатчике применялся квантовый оптический генератор;

· светодиод как обратимый элемент, обычно той же серии, если в передатчике использовался светодиод.

После преобразования оптического сигнала в электрический он поступает на аппаратуру группопреобразования в системе ИКМ, которая выделят каналы тональный частоты.

Основной элемент структурной схемы - оптический кабель, поэтому далее мы рассмотрим разновидности оптических кабелей.

В настоящее время кабельными заводами освоены и выпускается ряд оптических кабелей, предназначен для различных целей.

Междугородные магистральные ОК

Пример обозначения: ОМЗКГ-10-1-0,7-4

Оптический магистрально-зоновый кабель без металлического защитного покрытия.

1-я цифра (10) диаметр модового поля–сердечника волокна в микронах;

2-я цифра (1) вид разработки–оговаривает наличие или отсутствие в конструкции кабеля металлических элементов, сейчас разработаны 3 вида (1,2 и 3)-различный защитный покров;

3-я цифра (0.7) затухание волокна в дБ/км

4-я цифра (4) количество волокон.

Требования к кабелям:

1) малое затухание

2) большая информационная способность

3) малая дисперсия

ОК городской связи

Пример обозначения: ОК-50-2-5-8

Оптический кабель.

1-я цифра (50) диаметр модового поля в микронах

2-я цифра (2) разработка

3-я цифра (5) затухание в дБ/км

4-я цифра (8) количество волокон.

Требования к кабелям:

1) Возможность организации большого числа каналов;

2) относительно малая чувствительность к изгибам (поворотам трассы), чтобы их параметры не изменялись.

Объектовые ОК

Пример обозначения: ОН-50-1-5-1

Характерно малое число волокон.

Требования к кабелям:

1) малая чувствительность к изгибам;

2) низкая чувствительность к потерям на стыках;

3) прокладывается в пределах зданий, учреждений.

Другие виды ОК

Подводные ОК – для прокладки по дну морей, рек, озёр.

Монтажные ОК – для передачи сигналов внутри аппаратуры связи.

Конструкция ОК

По виду конструкции ОК делят на следующие виды:

1) кабель повивной скрутки

2) кабель с фигурным сердечником

3) ленточные оптические кабели

Кабель повивной скрутки:

1) Центральный армирующий элемент – для придания сердечнику кабеля прочности на разрыв (растягивание).

2) Боковые армирующие элементы – изготовлены из жёсткого полимерного материала – для придания сердечнику кабеля правильной геометрической формы и противодействия смятию.

3) Волокна - оптические – по ним передают информацию.

4) Ленточная броня – стальная.

5) Броня из круглых проволок.

6) Антикоррозийное покрытие – полимер.

Недостаток - большую площадь занимают армирующие элементы, решение этой проблемы - фигурный сердечник.

Кабель с фигурным сердечником

1) Фигурный сердечник;

2) Оптические волокна;

3) Защитное покрытие - полимер.

Могут также быть бронепокровы

ЛенточныОК

1) Ленты – полимер

2) Волокна

По применению:

· ленточные - объектовые и монтажные;

· повивной скрутки и с фигурным сердечником - магистральные, зоновые и городские телефонные сети

Основной элемент ОК - оптическое волокно.

Оптическое волокно – кварцевое стекло с добавками, которые придают кварцу определенные свойства; характеристика свойств- показатель преломления:

Для создания направляющей системы используют границу раздела сердечника и оболочки волокна: сердечник и оболочка имеют разные показатели преломления (n₁ и n₂). Для оценки свойств оптического волокна строят графики зависимости показателя преломления от радиуса.

Для ступенчатого волокна:

Всегда n₁>n₂, также m₁»m₂ => e₁>e₂

За счёт разности e создаётся направляющая система.Волокна со ступенчатым профилем могут быть изготовлены из:

Название	“кварц-кварц”	“кварц-полимер”
Сердечник	кварц	кварц
Оболочка	кварц	полимер

Градиентный профиль

В качестве зависимости n=f(r) часто используют закон параболы.

Характерные размеры ОК

d₁ обычно 50 или 10 микрон (в зависимости области применения)

d₂ обычно 120 микрон.

Общий размер около 600...800 микрон.Лекция 15

Основные характеристики и параметры оптического волокна

Оптическое волокно изготавливают из:

· сердечник - кварц (только), который легируется с помощью различных добавок для придания кварцевому стеклу определённого показателя преломления;

· оболочки – выполняют из кварца или из полимера. В первом случае волокно называют “кварц-кварц”, во втором- “кварц-полимер”.

Свойства волокна “кварц-кварц” лучше – меньше затухание, большая информационная способность, но такое волокно дороже по технологии изготовления.

Для описания процессов распространения сигналов по оптическому волокну вводят следующую характеристику:

Числовая аппертура – эта характеристика показывает степень рассеяния света при распространении вдоль оптического волокна.

Имеют отрезок оптического волокна. Показатели преломления – n₁, n₂. Информация передаётся по сердечнику за счёт того, что у нас имеется граница раздела двух сред. За счёт границы раздела сред в точке А происходит частичное отражение и преломление света.

Для передачи информации с меньшими потерями необходимо устранить преломленный луч, то есть добиться полного внутреннего отражения. Это обеспечивается подбором коэффициентов преломления, а величина A называется числовой аппертурой:

По величине числовой аппретуры оптические волокна подразделяют на:

· высокоаппертурные волокна;

· низкоаппертурные волокна.

Свойства этих волокон – разные и, следовательно, разные области применения.

Высокоаппертурные волокна имеют большую степень рассеяния света, но они малочувствительны к изгибам, поворотам трассы и не требуют источников когерентных излучателей (лазерных источников). Можно использовать светодиоды. Область применения – (объектовые кабели) прокладка внутри учреждения, объекта, для передачи информации на короткие расстояния.

Низкоаппертурные –

положительные качества:

+ малая степень рассеяния света, следовательно, меньшее затухание;

+ большая информационная способность;

недостатки:

- чувствительность к изгибам, поворотам трассы;

- большие потери энергии при вводе в волокно, следовательно требуют применения когерентных излучателей (квантовых генераторов, лазеров).

Область применения: магистральные кабельные линии, передача информации на дальние расстояния.

Измерение числовой аппертуры

Числовую аппертуру можно измерить по следующей схеме:

Нужно иметь отрезок кабеля, экран с известным расстоянием до него L, источник излучения (желательно лазер), фокусирующую систему.

Длина кабеля не менее 3-х метров, D - диаметр пятна света.

Схема – довольно простая в инженерном смысле.

По величине аппертуры установлена граница раздела на низко- и высокоаппертурные волокна:

A>0,2 – высокоаппертурные

A£0,2 – низкоаппертурные

Оценив по такой схеме A, можно определить область использования оптического кабеля.

Количество направленных мод

Модой называют направленную электромагнитную волну, которая распространяется вдоль оптического волокна.

Так как распространение сигнала происходит по сердечнику оптического волокна, сердечник называют также модовым полем.

По количеству мод оптические волокна подразделяют на следующие виды:

· одномодовые

· двухмодовые

· многомодовые

Свойства этих оптических кабелей различны.

При распространении нескольких электромагнитных волн вдоль оптического волокна происходит наложение одной моды на другую и искажение передаваемой информации. Этот факт проявляется в так называемой модовой дисперсии.

Дисперсия проявляется в виде изменения временных параметров передаваемых импульсов (происходит укорочение импульсов).

На вход оптического волокна поступают прямоугольная импульсная последовательность.

1) Количество передаваемых мод равно единице (N=1). Сигнал на входе не отличается от сигнала на выходе.

2) Распространение нескольких оптических волн: они начинают взаимодействовать друг с другом, изменяя при этом амплитуды и фазовые характеристики. На выходе мы не получим импульсы такие, как при N=1; возникает уширение импульсов на определённое время (t): происходит так называемая временная дисперсия.

В результате этого получается наложение импульсов и при определённой длине кабеля и величине дисперсии сигнал нельзя распознать аппаратурой приёма-передачи информации.

В результате модовой дисперсии сигнал (полезная информация) становится нераспознаваемой и сливается с общим уровнем шумов. Для устранения модовой дисперсии необходимо ставить регенеративные пункты (НРП). При большой величине модовой дисперсии регенеративные пункты необходимо ставить часто. Таким образом модовая дисперсия приводит к сокращению длины между НРП.

Тип волокна	Расстояние между НРП, км
Одномодовые волокна	до 70 км
Многомодовые волокна	15¼20 км

Методика подготовки к экзамену

1. Основы электродинамических направляющих систем передачи информации:

1. Общие понятия и видах направляющих систем и области их применения.

2. Построение сетей автоматики, телемеханики и связи на ж.-д. транспорте (магистральная, дорожная, отделенческая, местная).

3. Передача сигналов по направляющим системам. Физическая основа распространения сигналов по воздушным линиям, симметричным кабелям, коаксиальным кабелям и волноводам. Схема замещения линий передачи информации, параметры этих цепей и линий: первичные (R, L, G, C), волновые параметры (Z_в, g).

2. Конструкция, свойства и характеристики линий автоматики, телемеханики и связи.

1. Марки, типы направляющих систем, симметричных кабелей, коаксиальных кабелей, конструкция воздушных линий, сердечника, металлопокровов кабеля. Необходимо уметь по марке кабеля составить его конструкцию и по конструкции привести марку.

2. Частотные зависимости первичных и волновых параметров линейно-кабельных сооружений. Частотные зависимости можно приводить в виде графиков, уметь анализировать эти графики. Ориентироваться в основных значениях параметрах кабеля (затухание, волновое сопротивление – пределы, единицы).

3. Взаимные электромагнитные влияния в линиях автоматики, телемеханики и связи.

1. Физические схемы замещения процесса электромагнитного влияния между двумя цепями (влияющая и подверженная влиянию).

2. Первичные параметры электромагнитного влияния; коэффициенты электромагнитной связи. Соотношения между коэффициентами электромагнитной связи.

3. Вывод основного уравнения влияния.

4. Переходное затухание, понятие переходного затухания и частотные зависимости для симметричных и коаксиальных цепей. Необходимо знать как меняются переходное затухание в зависимости от длины линии, знать нормы на переходное затухание.

4. Электромагнитное влияние внешних источников

1. Характеристики и параметры источников внешнего электромагнитного влияния.

2. Режимы работы источников электромагнитного влияния (контактных сетей постоянного, переменного тока, ЛЭП, рельсовые цепи).

3. Схемы, расчётные модели влияния внешних источников на цепи автоматики, телемеханики и связи.

4. Методика расчёта внешнего электромагнитного влияния на цепи автоматики, телемеханики и связи (основные формулы, расчёты). Параметры величин, входящих в расчётное уравнение. Коэффициенты магнитной связи, коэффициенты чувствительности.

5. Нормы на наведённые напряжения и ЭДС. Уметь объяснить от чего зависят нормы.

6. Мероприятия, схемы и устройства защиты линейных сооружений от влияний электромагнитных полей; экранирование цепей (коэффициенты); защита от стационарных и импульсных источников грозовых разрядов; уметь составлять схемы защиты, объяснить работу устройств защиты; устройство элементов защиты – разрядников, варисторов, динисторов.

7. Коррозия металлопокровов кабелей: способы определения опасности коррозии по удельному сопротивлению земли, по pH, по потенциалам.

8. Схемы и методы устройств защиты от коррозии.

5. Новые направляющие системы передачи информации

1. Оптический кабель – физический принцип распространения сигнала по оптическому волокну. Конструкции оптических волокон, области применения на основе параметров свойств.

2. Волноводы – принцип распространения сигналов по волноводам, конструкция и параметры волноводов.

6. Проектирование и строительство линейно-кабельных сооружений ж.-д. транспорта.

1. Уметь составить план трассы, схему связи (распределение по четвёркам). Выбор типа кабеля. Уметь разрабатывать схемы и устройства схем защиты. Уметь оценить технико-экономические параметры проектируемой магистрали, дать экономическую характеристику.

2. Привести зависимость стоимости каналокилометра линии от числа каналов.