Конспект лекций по НСС (1). Конспект лекций по учебной дисциплине направляющие системы связи По специальности (направлению подготовки) 11. 03. 02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
0 f свет в волокне 2 х проводная НСЭ Наряду с лучевой теорией распространения света ряд процессов (в частности дифракция, интерференция) могут быть пояснены только с использование волновой теории света. 6.2 Волновая теория света Согласно этой теории систему уравнений Максвелла можно представить в виде волнового уравнения 2-го порядка при рассмотрении процессов в сердцевине и оболочке. Рассмотрим волновое уравнение для составляющей электрического поля, действующего вдоль оси Z в сердцевине световода. 0 1 1 2 1 2 2 2 2 2 Z Z Z Z E g E r r E r r E Аналогично волновое уравнение можно составить для НЭ: 2 1 g – поперечный коэффициент распространения в сердцевине 2 2 1 2 1 k g , где k 1 – волновое число среды, 1 1 2 n k – коэффициент распространения в волоконном световоде. Для оболочки световода уравнение будет аналогичным. В уравнении вместо 2 1 g будет 2 2 g – поперечный коэффициент распространения в оболочке световода. 2 2 2 2 2 k g , где 2 2 2 n k Решением данных волновых уравнений являются функции Ханкеля. Это цилиндрические функции 3-го рода. В общем случае существует бесконечное количество решений данных волновых уравнений, которое может быть представлено в виде суммы, называемой нормированной частотой световода. Нормированная частота световода: r g r g 2 1 где r- радиус сердцевины и оболочки. Нормированную частоту, как сумму решений для сердцевины и оболочки, можно представить как nm P при условии, что весь световой поток распространяется в сердцевине r g P nm 2 405 , 2 0 ; 1 nm nm P P a g 2 N – ступенчатое волокно. 2 2 N – градиентное волокно. 6.3 Затухание в оптических волокнах Затухание при передаче оптических сигналов по ОВ складывается из следующих составляющих: c – собственное затухание ОВ n – затухание поглощения np – затухание примесей p – затухание рассеяния uk – затухание в инфракрасном диапазоне. uk np p n c При изготовлении ОК: k c k – кабельное затухание, которое определяется изгибами ОВ в структуре сердечника кабеля, т.е. k будет определяться рассеянием энергии на изгибах волокна. Рассмотрим механизм возникновения составляющих затухания. Составляющая n связана с тем, что частицы кварца имеют способность поляризоваться и переориентироваться в пространстве, как и частицы любого другого диэлектрика. Таким образом n определяется тепловыми потерями световой энергии в структуре волоконного световода. Также как и у обычного диэлектрика здесь вводится понятие tg. Однако, для чистого кварца величина tg значительно меньше, чем у самого лучшего диэлектрика ЭКС. Для кварца tg10 -10 км дБ n n / 689 , 8 tg Составляющая потерь на примесях np зависит от наличия примесей в структуре кварца – это ионы Fe, Cu и др. Кроме того, в составе световода могут действовать гидроксильные группы ОН– , также приводящие к увеличению затухания. Затухание рассеяния 4 p p k связано с рассеянием световой энергии на различных локальных изменениях показателя преломления сердцевины, т.е. неоднородностей. При этом нарушается условие полного внутреннего отражения и световая энергия покидает сердцевину. Аналогично действуют потери на изгибах волокна, т.е. световой поток на изгибах покидает сердцевину. Составляющая затухания в инфракрасной части спектра uk связана с работой на длинах волн 1,55мкм и более. Вследствие того, что в кварце существует два резонансных явления, связанных с резонансом электронов атомов, резко возрастает затухание распространения волны. Таким образом, для =0,85мкм и менее следует учитывать затухание в ультрафиолетовой части спектра. Суммарная зависимость затухания ОВ имеет вид: 1 окно 2 окно 3 окно 0,8 1 1,2 1,4 1,6 , мкм 2…3 0,4…0,7 0,2…0,6 , дБ/км В чистом кварце, даже при высшей степени очистки, нельзя добить затухания ниже указанных значений. Для дальнейшего уменьшения затухания необходимо убрать линию в ИКЧС. Этого можно добиться путем легирующих добавок. В качестве таких добавок используются эрбий и фторид натрия. В легированных волокнах можно добиться затухания тысячных долей дБ/км. км дБ n n / tg 69 , 8 1 км дБ k p ас / , 4 Релеевский коэффициент p k характеризует степень неоднородностей ОВ. 6.4 Дисперсия оптических волокон Дисперсией ВС называется рассеяние во времени модовых или спектральных составляющих оптического сигнала. Уширение импульсов есть следствие действия дисперсии. Межмодовая (модовая) дисперсия. 2 dc N MM – относительный показатель преломления. ) (N V MM MM Каждая мода обладает своей траекторией распространения, соответственно своей скоростью и своим временем прихода на выход ОВ, таким образом размывается на выходе в колоколообразный импульс. t t Дисперсия за счет спектральных составляющих оптического сигнала называется хроматической дисперсией. мат вв хр хр ) ( вв – зависимость коэффициента распространения по ВС от . ) ( n мат – характеризуется зависимостью показателя преломления от . Общее действие хроматической дисперсии задается параметрами D() ) ( ) ( ) ( мат вв D коэффициент берется на 1 км. В общем случае дисперсия ОВ определяется как среднеквадратическое значение 2 2 хр мм В одномодовых волокнах модовой дисперсии нет. Таким образом в силу своих плохих дисперсионных характеристик многомодовые волокна в настоящее время используются только на локальных сетях. На транзитных сетях и сетях доступа используются одномодовые волокна. Для снижения хроматической дисперсии в одномодовых волокнах используют то, что материальная дисперсия может менять свой знак. Точка в которой она равна нулю называется точкой нулевой материальной дисперсии. Она соответствует длине волны 1,28 мкм для кварца. 1,3 1,5 2 1 3 Точка нулевой дисперсии для ступенчатого одномодового волокна смещается на =1,3мкм. Таким образом, ступенчатые одномодовые волокна можно использовать во втором окне прозрачности. Меняя профиль показателя преломления смещают точку нулевой хроматической дисперсии в область третьго окна прозрачности, такие волокна называются волокнами со смещенной дисперсией. Применяя W-образный показатель преломления, получают волокна со сглаженной хроматической дисперсией в пределах окна прозрачности. 1,3 1,5 2 1 3 Затухание и дисперсия являются двумя основными параметрами, определяющими длину регенерационного участка систем передачи. 6.5 Сравнение различных НСЭ Сравнение НСЭ по качеству: Т ип НСЭ Параметры затухания В нешнее поле Ч астотный диапазон Кол ичество каналов з атухание в металле з атухание в диэлектрике з атухание излучения С К + + – + д о 106 до 1000 В ЛС + + + + д о 105 до 15 К К + + – – д о 109 до 10 4 М еталл. волновод + + – – 1 0101012 до 10 5 В ОЛП – + – – 1 0121015 до 10 6 Как по качеству, так и по стоимости наиболее выгодным является ВОЛП. ВОЛП КК СК ВЛС С, кан/км Лекция №7 Взаимные влияния в НСЭ. 7.1 Общие понятия об электромагнитных влияниях Цепи и тракты НСЭ постоянно находятся под воздействием сторонних ЭМП того, или иного происхождения. Различают две группы сторонних электромагнитных полей: Внешние, энергетически не связанные с НСЭ. Внутренние, это соседние физические или искусственные цепи данной линии создающие взаимные влияния. Внешние источники подразделяются: естественные – это грозовые разряды, солнечная радиация, космическое излучение, магнитные бури. созданные человеком – это высоковольтные ЛП, ЭЖД, городской электротранспорт, а также радиостанции. Источники сторонних электромагнитных полей воздействуют как на сигнал, передаваемый по ЛС, так зачастую и на человека и оборудование, работающее по ЛС. Поэтому все сторонние электромагнитные поля подразделяются на два вида: Опасные, создающие возможность повреждения ЛС, оборудования и обслуживающего персонала. Опасными источниками являются также источники наводящие напряжение выше 36В. Наводящие напряжение ниже 36В называются мешающими. Они могут резко снизить помехозащищенность линии и привести к ухудшению качества передачи. Типичным источником электромагнитных полей являются разряды молний вблизи от ЛС. Типичными мешающими влияниями являются радиостанции работающие в спектре частот передаваемых по ЛС. Отличительными особенностями взаимных и внешних влияний являются: Расстояние от ЛС до внешних источников значительно больше поперечных размеров ЛС. Интенсивность внешних источников намного больше, чем у источников взаимных влияний. Внешние источники действуют на ограниченных участках ЛС и, как правило, непродолжительное время. Взаимные влияния действуют на всем протяжении ЛС в течении всего времени эксплуатации ЛС. Хотя интенсивность взаимных влияний на много меньше, но в ряде случаев они могут полностью нарушить процесс передачи по ЛС. 7.2 Основные определения и методы исследования взаимных влияний В теории взаимных влияний между цепями ЛС приняты следующие определения: 1-я цепь (влияющая цепь) – это цепь, создающая первичное влияющее электромагнитное поле. 2-я цепь (цепь подверженная влиянию) – это цепь на которую воздействует влияние электромагнитного поля и в которой определяются помехи. Различают ближний конец линии кабеля цепи тракта – это конец линии на котором включается генератор влияющих цепей. И дальний конец линии – это конец линии на котором включена нагрузка влияющей цепи. Соответственно определяют действие тока, напряжения и мощности. Р 10 – мощность в начале цепи. Р 1L - мощность в конце влияющей цепи. Р 20 -мощность сигнала в начале 2-й цепи. Р 2L -мощность сигнала в конце второй цепи. Р 20П - помеха на ближнем конце линии. Р 2LП - помеха в конце второй цепи. Рассмотрим действие соответствующих токов, напряжений и мощностей на ст. А и ст. Б для взаимно влияющих цепей. Помеха может иметь очень широкий спектр частот. Однако, количественно удобнее рассматривать действие помехи на определенной частоте, раскладывая помеху на спектральные составляющие: Р 10 (w), Р 1L (w), Р 20 (w), Р 2L (w), Р 20П (w), Р 2LП (w). Различают непосредственные или прямые влияния – это помехи, индуцируемые непосредственно электромагнитным полем влияющей цепи. Кроме непосредственных влияний существенную роль могут оказывать косвенные влияния, которые в свою очередь подразделяются на: косвенные влияния от отражений косвенные влияния через 3-е цепи. В ряде случаев косвенное влияние может превышать непосредственные влияния между цепями. Влияние на дальнем конце линии - это влияние определяющееся суммарной мощностью помех непосредственных и косвенных действий на дальнем конце цепи подверженной влиянию. Взаимные влияния между цепями принято характеризовать не абсолютными, а относительными величинами. Вводят следующие понятия: Переходное затухание на частоте w на ближнем конце линии А 0 ( ). Переходное затухание на частоте w на дальнем конце линии А L ( ). Защищенность на частоте w на дальнем конце линии А З ( ). 10 10 0 20 20 ( ) ( ) 1 10lg ln ( ) 2 ( ) Ï Ï P P A P P 10 10 2 2 ( ) ( ) 1 10lg ln ( ) 2 ( ) l lÏ lÏ P P A P P 2 2 2 2 ( ) ( ) 1 10lg ln ( ) 2 ( ) l l Ç lÏ lÏ P P A P P Графически переход помех можно представить в виде рисунка: ( ) ( ) 1 10lg ln ( ) 2 ( ) Ñ Ñ Ç Ï Ï P P A P P ( ) ( ) ( ) Ç C n A P P ( ) ( ) ( ) e Ç A A e По характеру влияющего поля и конструкции цепи, подверженной влиянию различают систематические и случайные влияния. Систематические вызываются помехами, законы распределения которых вдоль линии заранее известны. Эти влияния обусловлены взаимным расположением цепей и систематическими погрешностями технологии изготовления кабеля. Это погрешности отклонения диаметров проводников и изоляции от номинальных размеров в заданных технологических условиях. Случайные влияния связаны со случайными неоднородностями линии по длине, которые проявляются хаотично и закон изменения которых заранее не известен. Характер изменения таких помех от длины линии при систематических и случайных влияниях имеет вид. ) ( 2 l I ) ( 1 l I l Результирующее электромагнитное влияние между цепями определяется суммой систематической и случайной составляющей. Для уменьшения взаимных влияний проводится комплекс мероприятий в технологическом цикле изготовления кабеля. Ожесточаются допуски на разброс диаметров жил и изоляции, применяются дополнительные меры по экранированию цепей и их оптимальному взаимному расположению. На симметричных цепях в процессе строительно-монтажных работ выполняется скрещивание цепей, используются контура противосвязи. Все эти мероприятия в процессе строительно-монтажных работ имеют общее назначение комплекс симметрирования цепей. Все указанные меры приводят к уменьшению только систематической составляющей влияния. Случайная составляющая не поддается компенсации, и поэтому является той остаточной составляющей влияния, которая должна поддаваться нормированию после выполнения комплекса симметрирования. ВЛС - скрещивание цепей, их оптимальное расположение, уменьшение конструктивных неоднородностей. СК – оптимизация конструкции кабеля, шагов скрутки цепей и повивов, экранирование цепей, симметрирование цепей, скрещивание цепей в муфтах, подборы включения контуров противосвязи. КК – только технологические меры, связанные с экранированием коаксиальных пар. Возможно так же мера по повышению защищенности за счет увеличения нижней рабочей частоты диапазона, задействованного в системе передачи. ВОК – меры по пространственному разделению волокон конструкции оптического кабеля и использованием специальных защитных покрытий. Лекция №8 Взаимные влияния в НСЭ. 8.1 Взаимные влияния в симметричных цепях связи Природа и характер взаимных влияний ВСК и в ВЛС одинаковы, поэтому их рассматривают совместно, выделяя существенные особенности. Как известно в СЦ электромагнитное поле существует на большом расстоянии, оказывая мешающее влияние на соседние цепи. Анализировать воздействие электромагнитного поля удобнее по отдельным составляющим, т.е. по действию магнитного и электрического полей. Рассмотрим действие электромагнитного поля на соседние цепи. Вводят такие понятия: Электрической связью между цепями 12 ( , ) k j l называется отношение величины тока помех к величине напряжения в первой цепи, вызывающее этот ток помех. 2 12 12 1 1 ( ) ( , ) ( ) ( ) Ï I k j l g j k ñì U 12 g – активная составляющая электрической связи, обусловлена асимметрия потерь в изоляции проводников цепей. 1 k – емкостная реактивная составляющая электрической связи, обусловлена асимметрией частичных емкостей проводников симметричных цепей. Данное соотношение электрической связи справедливо для любых симметричных цепей. Однако для неоднородных цепей вводится понятие коэффициента электрической связи 12 12 ( , ) ( ) , / k j l k j Ñì êì l Рассмотрим действие магнитного поля |