волс++3. Лекция Классификация и конструкция волоконнооптических кабелей

• Название: Лекция Классификация и конструкция волоконнооптических кабелей
• Дата: 23.01.2023
• Размер: 482.7 Kb.
• Имя файла: волс++3.docx
• Тип: Лекция; #901000
• страница: 4 из 5

Хроматическая (частотная) дисперсия. Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Данная дисперсия вызвана наличием спектра частот у источника излучения, определяется его характером диаграммы направленности и некогерентностью.

Материальная дисперсияобъясняется тем, что коэффициент преломления стекла изменяется с длиной волны n=f(). Практически любой источник генерирует не на одной длине волны, а в определенном спектральном диапазоне ∆. В результате различные спектральные составляющие сигнала имеют различную скорость распространения, что приводит к различной задержке на выходе волокна. У лазерных источников спектр узкий, поэтому данная дисперсия незначительна.

В выражение для материальной дисперсии входит дифференциальная зависимость показателя преломления от длины волны:

 

                                                                                        (7.8)

где Δ – ширина спектральной линии источника излучения;

 – длина передаваемой волны;

с – скорость света;

l – длина линии.

 

Для идеального ступенчатого профиля

 

                                                                                         (7.9)

где ∆ – ширина спектральной линии источника излучения (для лазера 1…3 нм, для светодиода 20…40 нм);

М(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км) – пикосекунд на нанометр ширины спектра и километр длины световода.

 

С увеличением длины волны значение материальной дисперсии уменьшается, затем проходит через ноль и приобретает отрицательное значение.

Волноводная (внутримодовая) дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризует зависимость коэффициента распространения моды от длины волны γ=ψ(λ) и зависит от ширины передаваемого спектра частот.

 

                                                                     (7.10)

где В(λ) – удельная материальная дисперсия, пс/(нм·км).

 

Удельная хроматическая дисперсия является алгебраической суммой удельных материальной и волноводной дисперсий:

 

                                      D(λ)= М(λ)+ В(λ).                                            (7.12)

 

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией соотношением:

 

                                       , с/км                                      (7.13)

где D(λ) – удельная хроматическая дисперсия, с/(нм·км);

Δλ – ширина спектра излучения источника, нм.

 

Профильная дисперсия. Данный вид дисперсии проявляется в реальных ОВ, которые могут быть регулярными (с регулярной, геликоидальной скруткой), нерегулярными (с нерегулярным изменением границы раздела профиля показателя преломления), неоднородными (наличие инородных частиц).

К причинам появления данной дисперсии относятся:

-        поперечные и продольные флуктуации геометрических размеров и формы волокна (эллиптичность поперечного сечения и т.п.);

-        изменения границы профиля показателя преломления;

-        осевые и внеосевые провалы профиля показателя преломления, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ.

 

Величина уширения импульсов из-за профильной дисперсии в ООВ находится из выражения:

 

                                             (7.14)

где n – эффективный показатель преломления;

b – нормированная постоянная распространения;

m₁ – групповой показатель преломления сердцевины;

Г – коэффициент локализации по мощности;

ν – нормированная частота.

 

Упрощенная формула:

 

                                       ,                                                 (7.15)

где П(λ) – удельная профильная дисперсия, пс/(нм·км).

 

Результирующее значение дисперсии:

                                    .                          (7.16)

Поляризационная модовая дисперсия. Поляризационная модовая дисперсия τ_пмд возникает вследствие различной скорости распространения двух мод. Главной причиной возникновения поляризационной модовой дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатации волокна. При изготовлении волокна только строгий контроль позволяет достичь низких значений этого параметра.

Коэффициент удельной дисперсии Т нормируется в расчете на 1 км и имеет размерность (пс/√км), а τ_пмд растет с ростом расстояния по закону  .

Из-за небольшой величины τ_пмд может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем когда используется передача широкополосного сигнала (полоса пропускания 2,4 Гбит/с и выше) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше. В этом случае хроматическая дисперсия становится сравнимой с поляризационной модовой дисперсией.

При передаче цифрового сигнала высокой полосы (>2,4 Гбит/с) из-за наличия τ_пмд может возрастать битовая скорость появления ошибок.

 

Таким образом, результирующее значение дисперсии в одномодовом оптическом волокне определяется выражением

 

                      .                                           (7.17)

 

Явление дисперсии приводит как к ограничению пропускной способности кабелей, так и к снижению дальности передачи по ним, так как чем длиннее линия, тем больше проявляется дисперсия и больше уширение импульса. Таким образом, полоса частот ∆F дальность передачи l взаимосвязаны. Соотношение между ними выражается формулой

 

                                                                                                  (7.18)

где значения с индексом х – искомые, а без индекса х – заданные.

 

Соответственно

                                .                                 (7.19)

 

Пропускная способность и дальность передачи по ОК ограничиваются не только дисперсией, но и затуханием световодов. Вмногомодовых световодах ограничивающим фактором является дисперсия, а в градиентных и одномодовых световодах с хорошими дисперсионными характеристиками, дальность связи может лимитироваться затуханием световодного тракта.

 

Лекция 8. Определение длины регенерационных участков волоконно-оптических систем передачи

 

Цель лекции: изучить причины, влияющие на длину регенерационного участка.

 

Длина регенерационного участка определяется суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического кабеля. Суммарное затухание состоит из потерь мощности непосредственно в оптическом волокне и из потерь в разъемных и неразъемных соединениях.

Суммарные потери регенерационного участка, дБ, можно рассчитать по формуле

 

                                                                      (8.1)

 

где   – количество разъемных соединителей;

 – потери в разъемных соединениях ;

 – количество неразъемных соединений;

 – потери в неразъемных соединениях ;

а_t – допуск на температурные изменения затухания ОВ (1 дБ);

а_в – допуск на изменение характеристик со временем (5 дБ);

α – коэффициент затухания ОВ .



Рисунок 4.9- Скелетная схема волоконно-оптического тракта

 

 

Длину регенерационного участка, км, с учетом потерь мощности можно определить по формуле

 

                                                                 (8.2)

где Э_П=(Р_пер–Р_пр) – энергетический потенциал волоконно-оптической системы передачи;

Р_пер – уровень мощности оптического излучателя, дБм;

Р_{пр мин} – чувствительность приемника, дБм.

 

С учетом энергетического потенциала системы допустимые потери в волоконно-оптическом тракте составят

 

                  а_доп = Э_П – а_Σ .                                                        (8.3)

 

Тогда длина регенерационного участка будет  составлять

 

                                                .                                                      (8.4)

 

На длину регенерационного участка накладывают ограничения дисперсионные характеристики волокна.

С учетом дисперсии оптического волокна длина регенерационного участка составит

 

                                                                                             (8.5)

где В – требуемая скорость передачи информации, бит/с;

τ – значение хроматической дисперсии одномодового оптического волокна, с/км .

 

В результате расчета и уточнения длин регенерационных участков по секциям между обслуживаемыми регенерационными пунктами (ОРП), определяется число необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) на каждой секции и составляется скелетная схема кабельной линии, на которой указываются ОРП и НРП, длины участков и секций, тип кабеля и нумерация НРП. Как правило, нумерация НРП приводится дробью: в числителе указывается порядковый номер НРП, а в знаменателе – номер предыдущего ОРП (см. рисунок 8.2).

 

              

 

Рисунок 8.2 - Структура оптического линейного тракта на проектируемом участке

 

Количество НРП можно определить по формуле

 

                                                    (8.6)

где L_ОРП – расстояние между ОРП, км.

 

Как правило, при применении одномодового оптического волокна на зоновых линиях связи установки регенерационных пунктов не требуется.

 

Лекция 9. Защита сооружений связи ГТС от внешних электромагнитных влияний

 

Цель лекции: изучить источники опасных и мешающих влияний.

 

На соединительные и абонентские линии ГТС могут оказывать влияние следующие посторонние источники: высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП); электрифицированный железнодорожный транспорт (эл. ж. д.); передающие радиостанции; промышленные установки различного назначения.

По интенсивности и характеру воздействия внешних источников на линии связи влияния разделяют на опасные и мешающие.

Опасными влияниями называют такие влияния, при которых напряжения и токи, возникающие в цепях связи, могут создать опасность для здоровья и жизни абонентов и работников эксплуатации, а также вызвать повреждение аппаратуры, приборов, кабеля связи.

Мешающие влияния проявляются в телефонных цепях и каналах связи в виде шумов, тресков, нарушения или ухудшения качества связи.

Наибольшее воздействие на линии ГТС оказывают высоковольтные линии электропередачи и электрифицированные железные дороги, которые вместе принято называть линиями высокого напряжения (ЛВН). Вокруг провода ЛВН создается интенсивное электромагнитное поле, которое вследствие электромагнитной индукции вызывает в линии связи посторонние напряжения и токи.

Электрическому влиянию, обусловленному наличием в ЛВН переменного электрического напряжения, подвержены в основном цепи воздушных линий связи. Подземные и подвесные кабели связи не подвержены электрическому влиянию, так как силовые линии электрического поля экранируются поверхностью земли и металлической оболочкой (экраном) кабеля.

Магнитному влиянию, обусловленному протекающими по проводам ЛВН токами, подвержены как воздушные, так и кабельные линии связи. Высоковольтные линии передачи бывают воздушные и кабельные. Кабельные ЛЭП оказывают меньшее влияние, так как сказывается экранирующее действие кабельных оболочек. В зависимости от режима работы ЛЭП делятся насимметричные и несимметричные. Симметричные ЛЭП характеризуются одинаковыми напряжениями и токами в проводах. Такие линии не имеют остаточных напряжений и токов в земле. К симметричным линиям относятся трехфазные ЛЭП с заземленной (нейтральная точка линейных трансформаторов заземлена) и изолированной нейтралью, а также двухпроводные линии.

В несимметричных линиях передачи в качестве одного из рабочих проводов используется земля. К таким линиям относятся:

- ЛЭП напряжением более 35 кВ, работающие в неполнофазном режиме по схеме «два провода – земля»;

- электрифицированные железные дороги (эл. ж. д.), работающие на переменном токе промышленной частоты 50 Гц;

- контактные сети эл. ж. д. и городского электротранспорта (трамвай, метро), питающиеся от постоянного тока.

На контактных сетях городского электротранспорта питающее, напряжение достигает 600... 800 В, на эл. ж. д. постоянноготока – 3,3...3,7 кВ, на эл.ж.д. переменного тока – 25 кВ.

При рассмотрении влиянияна линии связи различают следующие режимы работы ЛВН: нормальный, вынужденный, аварийный.

Нормальный режим работы характеризуется условиями, при которых ЛВН работает постоянно.

Вынужденный режим – это режим, при котором ЛВН работает ограниченное время (как правило, не более 2 ч) в несимметричном режиме (например, неполнофазный режим трехфазной ЛЭП или одностороннее питание контактной сети эл. ж. д. при временном отключении одной из смежных тяговых подстанций).

Аварийный режим имеет место при обрыве фазового провода трехфазной ЛЭП или контактного провода эл. ж. д. При этом в ЛЭП возникают либо высокое напряжение относительно земли (ЛЭП с изолированной нейтралью), вызывающее большое электрическое влияние, либо токи короткого замыкания (ЛЭП с заземленной нейтралью), вызывающие магнитное влияние.

Наибольшее влияние на линии связи оказывают несимметричные ЛВН, так как напряженность электромагнитного поля около несимметричной линии существенно больше, чем у симметричной. В нормальном режиме работы несимметричные ЛВН могут оказывать как мешающие, так и опасные влияния; при этом опасные напряжения незначительны. В случае вынужденного и особенно аварийного режимов работы влияние на линии связи резко возрастает.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что кабельные линии ГТС могут быть подвержены опасному и мешающему магнитным влияниям, которые и следует учитывать при проведении расчетов.

 Расчет опасных магнитных влиянии

Одним из основных факторов, определяющих степень влияния ЛВН на линии связи, является характер сближения. Под сближением понимается взаимное расположение линии связи и ЛВН, при котором в линии связи могут возникать опасные и. мешающие напряжения и токи.

Сближение может быть параллельным, косым и сложным (см. рисунок 9.1). Участок сближения считается параллельным, если кратчайшее расстояние между линиями (ширина сближения) а изменяется по длине сближения не более чем на 10% от среднего значения. Если это условие не выполняется, то участок сближения называется косым.

 



 

Рисунок 9.1- Схема сближения линии связи с ЛВН

 

При расчете косое сближение заменяется ступенчатым параллельным, выбирая длину параллельных эквивалентных участков так, чтобы отношение максимального значения ширины сближения к минимальному на концах участка было   (см. рисунок 9.1). При этом условии эквивалентная ширина сближения а_экв определяется соотношением  .

Опасное магнитное влияние может возникнуть при обрыве и заземлении фазового провода ЛЭП или контактного провода эл.ж.д. Большая величина тока короткого замыкания создает интенсивное магнитное поле. В результате в жилах кабеля индуцируется ЭДС, которая может превышать допустимые значения. Эта ЭДС называется продольной, так как индуцированное электрическое поле направлено вдоль провода связи.

Продольная ЭДС — это разность потенциалов между началом и концом провода связи на длине гальванически неразделенного участка. Гальванически неразделенным участком считается участок линии связи, не содержащий усилителей, трансформаторов, фильтров. На ГТС низкочастотные абонентские и соединительные линии являются гальванически неразделенными. Для протяженных межстанционных соединительных линий, на которых используются системы передачи, за длину гальванически неразделенного участка принимается длина усилительного (регенерационного) участка.

Абсолютное значение продольной ЭДС (В), наведенной в проводе связи от магнитного влияния ЛВН, на сложном участке сближения (см. рисунок 9.1) рассчитывается, на частоте 50 Гц по формуле

 

                              (9.1)

где п — число участков сближения;

I₁ – влияющий ток, А;

m_12 i–коэффициент взаимной индукции между однопроводными цепями ЛВН и линии связи на i-том участке сближения, Гн/км;

l_i – длина i-того участка сближения, км;

S_i – результирующий коэффициент экранирования между ЛВН и линией связи на i-том участке сближения.

 

За величину влияющего тока I₁ при коротком замыкании фазового провода ЛЭП принимается ток короткого замыкания При работе ЛЭП в неполнофазном режиме влияющий ток равен фазовому току. Аналогично определяется влияющий ток и при влиянии эл. ж. д. переменного тока в аварийном режиме.

При вынужденном режиме работы эл. ж. д., когда питание электровозов осуществляется от одной тяговой подстанции, за величину влияющего тока принимается эквивалентный влияющий ток I_экв. Эквивалентный влияющий ток – это ток частотой   50 Гц, одинаковый по величине на всем участке сближения и оказывающий на цепи связи такое же магнитное влияние, как при реальном распределении тока.

Коэффициент взаимной индукции (Гн/км) можно определить  по приближенной формуле, которая справедлива в диапазоне тональных частот:

 

                                                                                  (9.2)

где а – ширина сближения, м;

f – частота влияющего тока, Гц;

σ_З – проводимость земли, См/м.

 

Результирующий коэффициент экранирования (на низких частотах его называют коэффициентом защитного действия — КЗД) учитывает уменьшение наведенной ЭДС за счет защитного действия металлических экранов, размещенных между ЛВН и линией связи. В общем виде коэффициент защитного действия

 

                                                                                        (9.3)

где S_об, S_TP, S_р, S_м – коэффициенты защитного действия соответственно оболочки кабеля связи, заземленных тросов, подвешенных на опорах ЛЭП, рельсов железнодорожных путей, проложенных рядом с кабелем связи, металлических сооружений (соседних кабелей связи, трубопроводов, газопроводов и т. д.).

Отметим, что при эксплуатации линейных сооружений связи необходимо знать не величину продольной ЭДС, а величину напряжения провода связи относительно земли, зависящего от этой ЭДС, так как обслуживающий персонал, работая на линии связи, может попасть именно под это напряжение. Величина напряжения провода относительно земли зависят от состояния линии. На рисунке 9.2. показан характер продольного изменения напряжения проводов линии связи относительно земли при изолированных и заземленных концах проводов.

 



            а)                                       б)                                      в)

а – изолированный;

б – заземленный  по обоим концам;

в – заземленный с одного конца.

 

Рисунок 9.2-Изменение относительно земли напряжения провода связи:

 

Наибольшее напряжение провода относительно земли возникает на изолированном конце линии связи при заземлении противоположного конца. Поэтому расчет опасного магнитного влияния проводится именно для этого случая, так как при этом действует полная индуцированная ЭДС (при сопротивлении заземления, равном нулю).