курсовая. вариант 1. Техническое задание Исходные данные по объекту проектирования

• Название: Техническое задание Исходные данные по объекту проектирования
• Анкор: курсовая
• Дата: 05.01.2022
• Размер: 0.79 Mb.
• Имя файла: вариант 1.docx
• Тип: Техническое задание; #324436
• страница: 5 из 5

7. Выбор способа прокладки оптических и электрических кабелей связи

Оптические кабели могут прокладываться теми же механизмами и способами, что и электрические кабели:

- прямо в грунт в полосе отвода или в тело земляного полотна железной дороги;

- в кабельной канализации или полиэтиленовых трубопроводах;

- по техническим эстакадам;

- в кабельных желобах различной конструкции.

Кроме того, оптические кабели могут быть подвешены на опорах контактной сети, опорах высовольтно-сигнальных линий автоблокировки и отдельных столбах.

По всей трассе магистрали будем использовать подземный способ прокладки оптических и электрических кабелей. Для выполнения отводов будем проектировать переходы через железную дорогу. Также есть один переход через реку.

Прокладка кабелей в пластмассовых трубопроводах. Прокладка кабелей в трубопроводах имеет следующие преимущества:

• 
  наибольший срок службы оптических кабелей;
  
• 
  лучшую защиту от механических повреждений, чем бронированные кабели при непосредственной прокладке в грунт;
  
• 
  возможность замены кабеля без выполнения земляных работ, (например, при необходимости увеличения числа волокон или ремонте);
  
• 
  возможность укладки резервного кабеля в обход поврежденного участка (при наличии резервной трубки);
  
• 
  возможность предоставления права прохода для кабельных линий других операторов;
  
• 
  возможность разделения суммарного трафика по отдельным видам с передачей каждого из них по разным оптическим кабелям, например, по одному кабелю передавать международный трафик, по другому - магистральной связи, по третьему - технологической связи и т.д ;
  
• 
  выполнение работ по прокладке кабеля при новом строительстве и реконструкции связи по мере надобности и поступления кабелей.
  

Указанные преимущества прокладки ОКС в предварительно проложенный трубопровод особенно важны для трасс, имеющих многочисленные пересечения подземных коммуникаций, рек и водотоков, проходящих по местности и требующих сезонности работ.

Эксплуатационные расходы на содержание кабеля, подвешенного на опорах контактной сети, выше, чем при прокладке в трубопроводах за счет того, что обслуживание подвесного кабеля выполняется работниками двух служб: связи и электроснабжения, а также тем, что при производстве работ, связанных с заменой опор контактной сети и обслуживанием высоковольтных линий продольного электроснабжения, требуется одновременное присутствие работников обеих служб.

Прокладка кабелей в трубопроводах повышает надежность работы кабельных линий, увеличивает срок службы оптических кабелей. Мировой опыт эксплуатации кабелей показал, что кабели в трубопроводах повреждаются значительно реже, чем подвесные кабели. При укладке трубок в грунт устраняются причины повреждения подвесных кабелей на опорах контактной сети: разрушение опор контактной сети из-за коррозии арматуры или аварий, возникающих при производстве работ по выборочной или сплошной замене опор контактной сети, пожары, прострелы кабеля охотниками, разрывы ОКС машинами и механизмами служб электроснабжения и пути.

Устройство переходов через преграды.

Речной переход. Кабельный переход через реку в зависимости от способа прокладки кабеля подразделяется на два участка — подводный и пойменный. Подводный участок рас­положен ниже горизонта воды, пойменный находится на обоих берегах реки и периодически оказывается ниже горизонта высоких вод. Земляные работы и укладку кабеля на этом участке перехода выполняют механизмами, используемыми на сухопутной трассе.

Длина кабельного перехода через водные препятствия, величи­на и способы заглубления кабеля, марка кабеля подводного пере­хода, берегоукрепительные и прочие виды работ зависят от кон­кретных местных гидрогеологических условий и основываются на тщательных инженерных изысканиях, при которых учитывают глу­бину, скорость течения реки в месте перехода, господствующие ветры, профиль дна и состав его грунта, химический состав воды и характер судоходства.

При пересечении магистральным кабелем реки шириной 240 метров прокладываем два створа кабеля для каждого магистрального кабеля кроме СЦБ. В один створ включают ОВ, обеспечивающие связь в одном направлении, в другой створ – в другом направлении. При этом один створ прокладывают по мосту (кабель СЦБ в любом случае прокладывают по мосту), а другой через реку с отнесением его по течению реки на расстояние 300 м. При прокладке кабелей по двум створам расхождение в длинах трасс обоих створов должно быть как можно меньше.

Количество и ёмкость кабелей, прокладываемых по обоим ство­рам перехода, должны быть одинаковыми и равными количеству и емкостям кабелей магистрали до разветвления, и при этом должны иметь защитные покровы.

Так в нашем случае глубина реки 6 метров, то кабель укладывается по дну с заглублением на 1метр. На обоих берегах реки укладывают в грунт запас кабеля в котлован глубиной 1,2 м и диаметром не менее 1,0 м. После укладки запаса кабеля котлован зарывают и на расстоянии 1 м от него устанавливают железобетонный указательный столбик с соответствующими данными.



Рисунок 7.1 Подводная трасса кабельной линии связи

Для защиты кабеля от повреждений и размывания делается укрепление мест выхода кабеля на берег бетонными плитами, их укладывают над кабелем на рас­стоянии 0,4 м. Укладку бетон­ных плит по дну оканчивают в месте, где глубина реки при ее нормальном уровне на 1 м больше осадки самых глубоко­водных судов. В конечных точках кабельного перехода строятся ко­лодцы из бетона или кирпича. Размеры ко­лодцев должны обеспечивать монтаж муфт и размещение запаса кабелей. В полу колодца необходим приямок для сбора грунтовых и ливневых вод. Располагают колодцы так, чтобы их не затопляло при максимально высоком уровне воды. Кабели и соединитель­ные муфты в колодцах укла­дывают на кронштейнах или консолях.

Перед укладкой и после укладки кабеля через реку проверяют герметичность оболочки кабеля и оформляют технический акт.

Прокладку кабеля по мостам производят по рабочим черте­жам проекта моста. Организации, проектирующие мосты, должны предусматри­вать устройства для прокладки кабелей как вдоль пролетных строений, так и по устоям моста. При этом должен обеспечивать­ся плавный переход кабелей с берегового устоя в насыпь желез­нодорожного полотна. Прокладка кабелей в пределах мостового полотна не разрешается. Кабели могут быть проложены: на металлических пролетных строениях — на специальных мостиках снаружи ферм в уро­вне проезда; на железобетонных пролетных строениях — на кронштейнах, прикрепляемых к консолям балластного корыта с расположением желобов для кабелей ниже уровня бортов.

Переход через железную дорогу. На пересечениях с шоссейными и не электрифицированными железными дорогами кабель закладывают в обычные асбестоцементные трубы, с электрифицированными железными дорогами в асбестоцементные трубы, покрытые битумной массой. Трубы выводят по обе стороны от насыпи на расстояние не ме­нее 1 м, а от кюветов — на расстояние не менее 2 м. При количестве труб до 3 прокладывают 1 резервную трубу. Концы резервных труб закрывают деревянной пробкой с уплотнением паклей и заливают битумом.

Переходы через магистральные железные или шоссейные дороги, как правило, выполняются способом горизонтального бурения.



Рисунок 7.2 Устройство перехода через железную дорогу.

8. Составление скелетной схемы кабельных линий связи на перегоне

Основным документом для монтажа магистрального кабеля является скелетная схема кабельной линии связи. Составим скелетную схему кабельных линий связи и схемой организации связи и цепей автоматики на перегоне А-Б.

В месте соединения двух строительных длин оптического кабеля используются пластмассовые или металлические муфты тупикового типа для прямого и разветвительного соединения оптических кабелей.

В местах соединения двух строительных длин электрического кабеля используются прямые, симметрирующие или стыковые муфты. В прямых муфтах соединения жил двух строительных длин осуществляют напрямую (цвет в цвет). В симметрирующих муфтах жилы кабелей соединяют по заранее выбранному оператору скрещивания. В стыковой муфте соединения жил и пар производится по указанию симметрировщика в зависимости от результатов измерений переходного затухания между парами.

При разработке скелетной схемы будем руководствоваться следующими основными положениями:

1. При подвеске оптического кабеля на опорах контактной сети, линиях автоблокировки и связи соединительные и разветвительные муфты размещаются на опорах на расстоянии 6,5 м от земли. Перед муфтой с каждой стороны предусматривается технологический запас кабеля длиной 15-30м.

2. При прокладке оптического кабеля в полиэтиленовом трубопроводе соединительные и разветвительные муфты размещаются в пластиковых камерах, кроме случаев, когда муфты попадают в колодцы телефонной канализации. Для монтажа соединительных и разветвительных муфт в камерах и колодцах предусматривается запас кабеля длиной 10м с каждой стороны.

3. Устройство ответвлений от магистрального кабеля рекомендуется выполнять кабелем типа ТЗПАБпШп. Эти кабели могут использоваться и в качестве кабелей вторичной коммутации. На участках железных дорог, электрифицированных по системе постоянного тока, а также на не электрифицированных участках, в качестве кабелей вторичной коммутации могут применяться кабели типа ТППэп при условии их прокладки в защитных трубах.

4. Необходимо проводить тщательное симметрирование низкочастотных кабельных цепей. Это объясняется спецификой железнодорожных кабельных магистралей, а именно, частыми ответвлениями от магистрального кабеля к служебным зданиям и сигнальным точкам на перегоне, что вызывает увеличение взаимных влияний между цепями, а также повышенную чувствительность к воздействию внешних мешающих магнитных влияний. Это обусловливает применение сложного способа симметрирования железнодорожных цепей тональной частоты, которое обычно выполняется в три этапа (внутри шагов симметрирования; при соединении шагов и на смонтированном усилительном участке). При электрификации по системе постоянного тока и тепловозной тяге симметрирование кабельных цепей тональной частоты в магистральных железнодорожных кабелях можно выполнять по упрощённому методу. При таком способе в каждой соединительной муфте в пределах усилительного участка жилы первой пары в четвёрках скрещивают, а второй – соединяют без скрещивания. Затем в трёх муфтах, равностоящих друг от друга и от концов усилительного участка, подбирают наиболее действенные операторы скрещивания. Операторы выбирают по результатам измерений переходного затухания на ближнем конце, защищённости на дальнем конце и асимметрии каждой цепи по отношению к земле.

5. Для магистральных кабелей с изолирующим шланговым покрытием в местах ответвлений необходимо вместо обычных газонепроницаемых муфт устанавливать газонепроницаемые -изолирующие муфты.

6. Для ответвлений к энергетическим объектам (тяговым подстанциям, постам секционирования, пунктам параллельного соединения) всегда применяется газонепроницаемая- изолирующая муфта.

7. Кабель по территории тяговой подстанции должен прокладываться в асбестоцементных трубах.

8. Отдельные ответвления от магистрального кабеля к каждому из объектов не делаются в тех случаях, когда линейные объекты располагаются друг от друга на расстоянии менее 100 м. В этих случаях устраивается один общий отпай от магистрального кабеля, который закан­чивается на ближайшем (первом) из объектов. Для передачи требуе­мых цепей от первого объекта ко второму прокладывается кабель вто­ричной коммутации.

9. Расчет параметров оптического кабеля

Рассчитаем величины, количественно характеризующие распространение электромагнитных волн вдоль оптического волокна.

Основным элементом оптического кабеля является оптическое волокно, изготовленное на основе особо чистого кварцевого стекла. Оптическое волокно имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и отражающей оболочки с фазовыми показателями преломления (далее показателями) равными соответственно n₁ и n₂.

Оптическое волокно характеризуется следующими параметрами:

• 
  абсолютной разностью показателей преломления сердцевины и отражающей оболочки Δn=n₁-n₂ , (9.1)
  
• 
  относительной разностью показателей преломления: Δ=(n₁²-n₂²)/(2n₁²), (9.2)
  
• 
  числовой апертурой световода со ступенчатым профилем NА = √n₁²-n₂² , (9.3)
  
• 
  нормированной частотой V=2 ∙ π ∙ a ∙ NA / λ , (9.4)
  

где: а – радиус сердечника световода, 25 мкм (определяется по маркировки кабеля)

• 
  критической частотой f_кр , определяемой по формуле: f_кр = P_nm ∙ с∙n₁/ (π ∙ d ∙ NA), Гц (9.5) где: d – диаметр сердцевины оптического волокна; P_nm - значение корней функции Бесселя для различных мод;
  
• 
  критической длиной волны λ_{кр =} π ∙ d ∙ NA / ( P_nm ∙ n₁), мкм (9.6)
  
• 
  коэффициентом затухания, дБ/км.
  

Каждая мода имеет нормированную частоту, которая определяет область её существования. По оптическим волокнам могут распространяться только те световые волны, которые имеют частоту колебаний выше критической или соответственно длину волны меньше критической.

Таблица 7.1 - Значения корней Бесселевых функций для различных мод

n	Pn,mпри m, равном			Тип моды
	1	2	3
0 1 1 2 2	2,405 0,000 3,832 2,405 5,136	5,520 3,832 7,016 5,538 8,417	8,654 7,016 10,173 8,665 11,620	E0,m , H0 ,m HEn, m EHn, m HEn, m EHn, m

Примечание. В индексе: n – число полных изменений векторов поля по периметру сердцевины ОВ; m – число полных изменений векторов поля по диаметру сердцевины ОВ.

Δn = 1,469 – 1,467 = 0,002 мкм









Затухание оптических кабелей (α_к) обусловлено собственными потерями в оптических волокнах (α_с) и дополнительными потерями, обусловленными их деформацией и изгибами при изготовлении, прокладке и эксплуатации оптического кабеля связи:

α_к = α_с+ α_доп . (9.7)

Собственные потери оптических волокон складываются из потерь на поглощение (α_п) и потерь на рассеяния (α_р), т.е.

α_с= α_п+ α_р., (9.8)

, дБ/км (9.9)

где: tgδ- тангенс угла диэлектрических потерь материала сердцевины ОВ;

- длина волны , км.

, дБ/км (9.10)

К_р- коэффициент рассеяния материала сердцевины ОВ, дБмкм⁴/км;

- длина волны , мкм.

Дополнительные потери в оптических кабелях, обусловленные деформацией оптических волокон в процессе изготовления, прокладки и эксплуатации кабеля равны

α_к= α₁+ α₂ , (9.11)

где: α₁ и α₂ - дополнительные потери соответственно вследствие микроизгибов и макроизгибов оптического волокна.

λ = 1,290 мкм

n₁ = 1,469

tgδ = 2·10^-12

К_р =1,10 дБмкм⁴/км





α_с = 0,0622 + 0,3972 = 0,4594 дБ/км
Фазовая скорость распространения светового импульса по оптическим волокнам. Фазовая скорость может изменяется в пределах:

максимальная фазовая скорость = с/n₁ = 3·10⁵/1,469 = 2,049·10⁵, км/с (9.12)

минимальная фазовая скорость =с/n₂ = 3·10⁵/1,467 = 2,045·10⁵, км/с (9.13)
Дисперсия. Под дисперсией понимается увеличение длительности импульса оптического излучения при его распространении по оптическому волокну за счет рассеяния во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия возникает по двум причинам: некогерентность источников излучения и использование многомодового режима работы оптического волокна при передаче сигнала. Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной) τ_хр. Она состоит из двух составляющих - материальной (τ_м) и волноводной (внутримодовой) (τ_в) дисперсий. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления кварца от длины волны:

τ_в = Δλ В(λ) ∙L , пс, (9.15)

где: В(λ) – удельная волноводная дисперсия, пс/(нмкм).

Дисперсия, вызванная передачей двух и более мод по оптическому волокну, называется модовой (межмодовой) (τ_мод). Она обусловлена тем, что каждая мода распространяется со своей скоростью. Результирующее уширение импульсов в результате дисперсионных процессов в однородном оптическом волокне (τ_рез) может быть рассчитано по формуле:

пс/км (9.16)

В одномодовых ОВ модовая дисперсия отсутствует. Результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией.

Рассчитаем уширение импульса на километровой длине одномодового волокна:

λ = 1,29 мкм – длина волны;

Δλ = 0,7 нм – ширина спектральной линии лазерного диода;

В(λ) =8 пс/(нмкм) – удельная дисперсия;

М(λ)= -4 пс/(нмкм) – удельная материальная дисперсия.

= Δλ ∙ В(λ) = 0,7·8 = 5,6 пс/км

= Δλ ∙ М(λ) = 0,7∙(-4) = -2,8 пс/км

= 0

10. Источники и приемники оптических излучений

Дальность непосредственной связи по ВОЛП, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

Источник светового излучения представляет собой прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения.

К источникам излучения предъявляют следующие требования:

• 
  высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию оптического
  

излучения;

• 
  узкая спектральная полоса излучения (ширина спектральной линии);
  
• 
  направленность излучения;
  
• 
  быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения;
  
• 
  совместимость с интегральными микросхемами;
  
• 
  высокая технологичность и низкая стоимость;
  
• 
  высокие эксплуатационные характеристики и в первую очередь устойчивость к жестким
  

механическим, температурным, радиационным воздействиям, а также долговечность;

• 
  когерентность генерируемого излучения.
  

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) с использованием фотоприёмников прямого детектирования требуются лишь косвенные проявления когерентности, такие как узкий спектр и направленность излучения.

Система параметров источников излучения следует из их функционального назначения и из физических принципов работы, а именно:

- интенсивность излучения - характеризует мощность излучения Р_изл, мВт (лазерных диодов и светоизлучающих диодов);

- спектральные характеристики излучения - определяют длину волны, соответствующей максимуму спектра излучения _макс, мкм, (нм); ширину спектральной линии , нм, определяемой по 50%-ному уровню спада интенсивности; модовым составом излучения (у лазеров).

• 
  быстродействие источника излучения - обычно определяется импульсными параметрами: временем нарастания (спада) импульса излучения при скачкообразном включении (выключении) импульса тока накачки t_нр(сп), нс, и временем задержки импульса излучения t_зд, нс. Эти параметры измеряются, как принято в радиотехнике, по уровням 0,1 и 0,9 фронта и среза.
  

Ресурс работы лазеров, используемых в ВОСП, составляет 500000 часов и более. Скорость передачи информации составляет до 10Гбит/с.

Приемник светового излучения представляет собой прибор, в котором под действием оптического излучения происходят изменения, позволяющие обнаружить это излучение и измерить его характеристики.

В качестве приемника оптических излучений используют pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды.

К фотоприёмникам дискретных световых сигналов предъявляются два основных требования:

- высокая чувствительность на заданной длине волны;

- высокое быстродействие. Режим высокоскоростного переключения автоматически ведёт к использованию достаточно низкоомных нагрузочных резисторов ( в противном случае перезарядка паразитных ёмкостей оказывается слишком инерционной), а это не позволяет работать с минимальным отношением сигнал-шум.

Система параметров и характеристик. К основным параметрам фотодиода, описывающим его как приёмник оптических сигналов и как элемент электрической цепи, относятся:

• 
  монохроматическая чувствительность Sф, А/Вт,_, равная отношению фототока (I) к полной мощности излучения с длиной волны , (Р_изл()) падающей на чувствительную площадку фотодиода:
  

Sф = I /Pизл () (10.1)

• 
  темновой ток I_, равный току утечки фотодиода при полном затемнении и при заданном обратном напряжении;
  
• 
  максимально допустимое обратное напряжение Uобр.макс.доп, характеризующее предельные возможности фотодиода при включении в электрическую цепь;
  
• 
  время нарастания (спада) t_нр(сп)фототока, определяемое по фронту (срезу) фотоответа (обычно по уровням 0,1 и 0,9 амплитуды импульса фототока) при воздействии на фотодиод идеально прямоугольного импульса излучения; иногда в качестве характеристического времени используют параметр _рел – постоянную времени релаксации фотоотклика, при экспоненциальном нарастании и спаде фототока справедливо t_ир(сп) = 2,2 _рел.;
  
• 
  граничная частота f_гр, определяемая при изменении частоты модуляции оптического излучения по спаду чувствительности S_фдо значения 0,707 от чувствительности при немодулированном излучении;
  
• 
  ёмкость фотодиода С_фд, равная сумме зарядной ёмкости активной структуры и паразитной ёмкости корпуса; во многих режимах работы именно параметр С_фд, а неt_ир(сп) - определяет инерционность прибора.
  

Рассчитаем ширину спектральной линии лазерного диодав Гц при длине волны излучения l₀ = 1,29мкм и симметричной относительно неё ширины спектральной линии Dl_0,5 = 0,7нм.

Максимальная и минимальная длины волн излучения составят:

l_max = l₀ + 0,5Dl_0,5 = 1,2910^-6 + 0,50,710^-9 = 1,2903510^-6, м;

l_min = l₀ - 0,5Dl_0,5 = 1,2910^-6 - 0,50,710^-9 = 1,2896510^-6, м.

Соответствующие этим длинам волн минимальная f _min и максимальная f _max частоты излучения равны:

f _min = c /l_max = 310⁸ /1,2903510^-6 = 2,325010¹⁴, Гц;

f _max = c/l_min = 310⁸ / 1,2896510^-6 = 2,326210¹⁴, Гц.

Ширина спектральной линии равна:

Df_0,5 = f _max - f _min =2,326210¹⁴ - 2,325010¹⁴ = 0,0012 10¹⁴ Гц = 120 ГГц.
Расчет фотоприемника. Определим уровень оптической мощности в дБм на входе фотоприёмника системы передачи 155 Мбит/с, работающей на длине волны l=1,29 мкм, если для обеспечения коэффициента ошибок р=10^-9 требуется 4400 фотонов на бит передаваемой информации.

Длине волны l=1,29 мкм в оптическом волокне соответствует частота (f), равная

f = v/l = 20000010⁹ /1,29 = 1,55010 ¹⁴ , Гц

и энергия фотона (E) равна

E = hf =6,6210^-34  1,55010¹⁴ = 1,02610^-19, Дж,

где v – скорость распространения света в оптическом волокне (200000км/с);

h – постоянная Планка (6,6210^-34 Джс).

Требуемое число фотонов (n) на входе фотоприёмника для обеспечения р=10^-9 равно

n = 15510⁶  4400= 68210⁹.

Требуемый уровень мощности на входе фотоприёмника в дБм равен

P = 10lg nE10³= 10lg (68210⁹ 1,02610^-19  10³ ) = - 41,55 дБм

11. Расчет максимальной длины регенерационного участка ВОЛС

Информационная пропускная способность канала связи за единицу времени определяется шириной полосы частот канала связи и отношением сигнал-шум в приёмнике. Полоса частот ВОЛС может быть ограничена допустимой скоростью модуляции источника излучения, модулятором, дисперсией оптических волокон, фотодетектором и электронными элементами приёмника оптического излучения.

В оптических системах связи используются понятия оптической и электрической полосы пропускания, обозначаемых соответственно и . Для практических оценок можно принять ≈ 2 .

Отношение сигнал-шум определяется эффективным уровнем шума на входе усилителя приёмника и полезной мощностью оптического сигнала на входе фотодетектора.

Отличительной особенностью оптических систем связи является то, что шум приёмника содержит составляющую, прямо пропорциональную мощности принимаемого оптического сигнала. Поэтому в большинстве обычных оптических систем связи с модуляцией оптического сигнала по мощности уровень шума зависит от уровня сигнала. Мощность поступающего в приёмник сигнала зависит от мощности, излучаемой передатчиком и затухания оптического канала связи.

Структурная схема регенерационного участка без использования оптических усилителей показана на рис.11.1

Длина регенерационного участка без оптических усилителей зависит от характеристик трех элементов волоконно-оптического тракта: передающего оптоэлектронного модуля (источника светового излучения), оптического кабеля и приемного оптоэлектронного модуля (приемника излучения). Для оптимизации волоконно-оптической системы передачи в общем случае необходимо рассмотреть различные варианты ее построения из названных элементов, а именно, различные типы источников излучения (светоизлучающие диоды и полупроводниковые лазеры); оптические кабели с разными значениями передаточных характеристик; различные приемники излучения (pin - фотодиоды и лавинные фотодиоды), а также возможные комбинации из этих трех элементов с различными техническими характеристиками.



Рис. 11.1 Структурная схема регенерационного участка:

1- станционный одноволоконный оптический кабель; 2- оптический кросс; 3- соединительная розетка оптического раъема; 4- коннектор оптического раъема; 5 - строительная длина оптического кабеля; 6 - оптическое волокно; 7- оптическая соединительная муфта; ПОМ -передающий оптоэлектронный модуль; ПРОМ - приемный оптоэлектронный модуль.

Определим максимальную длину регенерационного участка при заданном типе и характеристиках источника и приемника оптического излучения, а также передаточных характеристиках оптического кабеля, ранее рассчитанных в п. 9. Максимальное расстояние между регенераторами, при заданной величине энергетического потенциала аппаратуры, ограничивается передаточными характеристиками оптического кабеля: затуханием и дисперсией. Затухание ограничивает длину регенерационного участка по допустимым потерям в линии передачи; дисперсия приводит к уширению передаваемых импульсов, что ограничивает скорость передачи информации. Максимальная длина регенерационного участка должна удовлетворять как условию потерь в линии передачи, так и дисперсии, и лимитируется наиболее строгим из этих двух условий.

Расчет длины регенерационного участка, исходя из допустимых потерь в линии передачи

В этом случае длина регенерационного участка определяется энергетическим потенциалом системы передачи (W). Энергетический потенциал зависит от характеристик источника и приемника оптического излучения и определяется как разность между уровнем средней мощности оптического сигнала, вводимого в оптическое волокно (P₁), и минимально допустимым уровнем мощности на входе приемника оптического излучения (P₂) при заданном значении коэффициента ошибок

W = P₁ – P₂ , дБ, (11.1)

W = -7 – (-41,55) = 34,55 дБ

Расчет ожидаемых потерь в линии на длине регенерационного участка

Исходные данные для расчета:

а - коэффициент затухания оптических волокон на эксплуатационной длине волны ВОСП, дБ/км;

- строительная длина оптического кабеля ( = 5 км);

n₁- число дополнительных сварных соединений, обусловленных технологией строительно-монтажных работ ВОЛС (сварки в оптическом кроссе и стыковые сварки на переходах) в курсовом проекте считать n₁= 8 ;

n₂ - число дополнительных сварных соединений, появляющихся на длине регенерационного участка в процессе эксплуатации ВОЛС (обычно п₂=6);

а_сп - средние потери на сварку путем плавления, а_сп=0,05 дБ;

а _рз - средние потери на оптическом разъеме, а _рз =0,3 дБ;

Примечание: затухание в оптических разъемах передающего и приемного оптоэлектронного блоков не учитываются, так как они уже учтены в значениях энергетического потенциала системы передачи.

Максимальная длина регенерационного участка (L_p ) определяется по формуле:

(11.2)

где n – общее число дополнительных сварных соединений (n = n₁ + n₂)

- энергетический запас системы передачи, =6 дБм.



Расчет длины регенерационного участка, исходя из ограничений по дисперсии

Волоконно-оптическую систему связи можно рассматривать как линейную систему с ограниченной полосой пропускания. Оптическая полоса пропускания волокна определяется как область частот, в пределах которой значение передаточной функции волоконного световода уменьшается наполовину от ее величины при нулевой частоте модуляции оптической несущей .

Между информационной пропускной способностью оптического волокна (В, бит/с), уширением импульса ( , с) и шириной оптической полосы пропускания [ , Гц] имеется взаимосвязь. Ширина оптической полосы пропускания в герцах должна быть не менее скорости передачи информации в битах. Связь между величиной уширения оптических импульсов и оптической ширины полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка выражается соотношением

, (11.3)

где к – коэффициент, учитывающий форму оптического сигнала.

Для гауссовского спектра источника излучения и скорости передачи менее 565 Мбит/с для практических оценок можно использовать следующие соотношения:

(11.4)

, (11.5)

где - хроматическая дисперсия, пc/нм км (берется из п.9);

- ширина спектральной линии источника излучения, нм;

L_p - максимальная длина регенерационного участка исходя из условия потерь в линии, км.

Исходя из условия потерь на линии, максимальная длина регенерационного участка для системы передачи 155 Мбит/с равна 58 км. Рассчитаем уширение импульса и ширину оптической полосы пропускания при = 58 км и использовании полупроводникового лазера с эксплуатационной длиной волны = 1290 нм, шириной спектральной линии = 0,7 нм и хроматической дисперсией = 2,8 пс/нм ^.км.

Уширение импульса на длине регенерационного участка равно

.

Ширина оптической полосы пропускания оптического волокна на длине регенерационного участка равна

.

Расчетная ширина оптической полосы пропускания световода = 3,88ГГц больше требуемой полосы частот 0,15 ГГц для работы системы передачи 150 Мбит/с. Следовательно, ограничение длины регенерационного участка, исходя из потерь в линии, является более строгим, чем ограничение по дисперсии и максимальная длина регенерационного участка равна =58 км.

12. Расчет разрывного усилия оптических волокон

Прочность и срок службы оптических волокон (период времени до его разрушения)зависит от:

• 
  напряжения растяжения при заводских испытаниях волокна на прочность;
  
• 
  максимальной величины усилия, которое было приложено к оптическому кабелю в процессе его прокладки;
  
• 
  напряжения растяжения, приложенное к волокну в процессе эксплуатации;
  
• 
  коэффициента устойчивости оптических волокон к статической коррозии.
  

Определение срока службы оптических волокон (кабеля) основывается на исследовании структурных изменений в волокнах в процессе эксплуатации оптических кабелей.

Прочность кварцевого стекла определяется величиной и числом связей между атомами, приходящимися на 1 сантиметр стекла. Теоретическая прочность сцепления бездефектного объёма кварцевого стекла (S_T) можно определить из выражения:

S_T² = g_p  E / 4  a, (12.1)

где g_p – поверхностная энергия кварцевого стекла;

E – модуль Юнга (E = 9 10¹⁰ Н/м²);

a- межатомное расстояние или длина связи.

Для кварцевого стекла длина связи примерно равна a = 0,16 нм, а теоретическая прочность S_T = 18000 МПа. Однако, реальная прочность стекол существенно меньше теоретической. Объясняется это наличием поверхностных дефектов, обусловленных воздействием механических напряжений. Они возникают за счёт того, что в любой момент времени определённая часть Si-O связей разорвана вследствие статического разброса энергий колебаний. При этом нормальные связи, находящиеся в непосредственной близости от разрушенной связи, мгновенно испытывают перегрузку, что увеличивает вероятность их разрыва. Если одновременно в состоянии разрыва находится критическое число соседних связей, разрушение приобретает необратимый характер. Аналитическая трактовка рассматривает дефекты как узкие трещины с малыми радиусами кривизны на тонком конце трещины. Гриффит для характеристики концентрации напряжения на конце прямой трещины эллиптического сечения глубиной (С) использует фактор интенсивности напряжения (K)

K = SYC^1/2, (12.2)

где S – напряжение на конце трещины в направлении приложенного напряжения вдоль малой оси эллипса;

Y – постоянная величина, зависящая от профиля трещины и равная Y = p^1/2 для эллиптической трещины.

При воздействии растягивающего напряжения стекло разрушается, если концентрация напряжений в доминирующем поверхностном дефекте достигает критического разрушающего значения. Гриффит получил выражение для расчёта параметра критической интенсивности напряжения (Kкр), при котором имеет место разрыв, в виде

K_кр = (2 E g_p )^1/2 (12.3)

Из выражений (12.2) и (12.3) можно получить выражение для расчёта разрывного усилия (Sразр) при наличии трещины

(2 E g_p )^1/2 = S_разрYC^1/2, (12.4)

S_разр = (2 E g_p/ Y²C)^1/2 (12.5)

Если приложенное напряжение меньше критического, то в присутствии влаги стекло с течением времени также разрушается. Трещины увеличиваются таким образом, что рост концентрации напряжений происходит на их концах. Это ведёт к распространению дефекта с постепенно возрастающей скоростью до тех пор, пока концентрация напряжений не достигнет критического значения. Данный механизм разрушения называют коррозионным. Таким образом, волокно, которое уцелело при изготовлении и прокладке кабеля, через некоторое время может разрушиться даже при небольших остаточных напряжениях из-за наличия поверхностных трещин.

Рассчитаем разрывное усилие в МПа и процент относительного удлинения оптического волокна, имеющего эллиптическую трещину глубиной C = 16 нм. Определим во сколько раз (n) уменьшилось разрывное усилие по сравнению с волокном, не имеющим трещин.

Определим поверхностную энергию кварцевого стекла (g_p) из выражения (12.1)

g_p = 4aS_T²/E = 4 0,1610^-9  (1810⁹)² / 910¹⁰ = 2,3Дж.

Разрывное усилие для оптического волокна, имеющего эллиптическую трещину глубиной C = 16 нм, может быть получено из выражения (12.5)

S_разр = (2 E g_p/ Y²C)^1/2 = (2910¹⁰  2,3 / p 16 10^-9)^1/2 = 2,8710⁹Н/м² = 2,87ГПа.

Относительное удлинение волокна (DL) при разрыве равно:

DL = (S_разр/E)  100 = 3,2%.

Уменьшение разрывного усилия по сравнению с волокном, не имеющим трещин, равно

n = S_T/ S_разр = 1810⁹/3,210⁹ = 5,6 раза.

Эллиптическая трещина глубиной с=16 нм уменьшает разрывное усилие оптического волокна в n=5,6 раза по сравнению с бездефектным ОВ.

13. Расчет усилий тяжения оптического кабеля при его прокладке в полиэтиленовом трубопроводе

Цель расчета состоит в проверке возможности прокладки кабеля при тяжении лебедкой за конец кабеля. Максимальное усилие тяжения, прилагаемое к кабелю, при его прокладке не должно превышать допустимого значения. В тех случаях, когда расчетные значения превышают допустимые или незначительно меньше последних, рассматривают различные варианты по уменьшению требуемых усилий тяжения, например, таких как изменение направления тяжения, использование промежуточных лебедок, укорочение длины участка прокладки за счет деления общей длины на несколько участков, уменьшение коэффициента трения за счет использования: жидких смазок, роликов в местах изменения направления трассы.

Для расчета усилий тяжения кабеля требуются следующие исходные данные:

- трасса кабельной линии с указанием длин участков и изменений направления прокладки в горизонтальной и вертикальной плоскости;

- коэффициент трения между оболочкой кабеля и стенками трубопровода;

- масса на единицу длины кабеля.

Последовательность расчета и расчетные формулы. Результирующее усилие тяжения можно рассчитать суммируя значения приращения усилий тяжений на каждом прямолинейном участке трассы и учета экспоненциального роста величины усилий тяжений на участках изгиба трассы кабеля. Расчет выполняется последовательным суммировпанием тяговых усилий, необходимых для протягивания кабеля на однородных участках трассы и преодоления искривлений на их стыках, начиная от места установки барабана с кабелем в направлении тяжения по следующим формулам :

участок с наклоном (13.1)

прямой горизонтальный участок (=0) (13.2)

вертикальная участок (=90) (13.3)

участок с искривлением , (13.4)

где Т – суммарное тяжение на конце участка, кН;

- тяжение в начале участка, кН;

- коэффициент трения ;

w - масса кабеля, кГ/м;

 - угол наклона (берется со знаком плюс при направлении вверх и минус - вниз) , рад;

 - угол поворота в горизонтальной плоскости , рад;

- длина участка, м;

g = 9,81 м/с². – ускорение свободного падения.

Схема трассы кабельной канализации приведена на рис.2.1, а исходные данные в табл.2.3.

Проведем расчет прироста усилий тяжения на отдельных участках трассы ( ) и суммарной величины тяжения (Т) в конце поворота, на котором происходит изменение направления тяжения (далее для краткости – в точке поворота трассы) в направлении от А к В.

Участок А-С :

В точке «С»:

Участок С-D :

В точке «D»:

Участок D-E :

В точке «E»:

Участок E-F :

В точке «F»:

Участок F-G :

В точке G :

_{Участок} G-B :

_{Результаты расчетов сведем в таблицу 13.1.}
Таблица 13.1

Участок; место поворо-та	Длина,м	Горизон-тальный участок тяжение, кН	Наклоный участок		Поворот			Суммарное тяжение, кН
			Наклон, рад	Тяже-ние, кН		Угол, рад	Тяже-ние, кН
А-C	250	-	-	0,117		-	-		0,117
C		-	-	-		0,1	0,121		0,121
С-D	600	0,177	-	-		-	-		0,298
D		-	-	-		1,57	0,477		0,477
D-E	40	0,014	-	-		-	-		0,491
E		-	-	-		1,57	0,786		0,786
E-F	300	0,071	-	-		-	-		0,857
F		-	-	-		0,2	0,910		0,910
F-G	100	-	0,2	0,058		-	-		0,968
G		-	-	-		0,3	1,059		1,059
G-B	200	-	0,3	0,137		-	-		1,196

Так как расчетное усилие тяжения равное 1,196 кН не превышает допустимое значение (3,0 кН), то прокладка кабеля при тяжении лебедкой за конец кабеля возможна без ограничений.

Список литературы

1. Виноградов В.В., Котов В,К., Нуприк В.Н. Волоконно-оптические линии связи. 2001г.; (Учебное пособие для техникумов, подробно рассмотрены вопросы проектирования и строительства ВОЛС).

2. Виноградов В.В., Кустышев С.Е., Прокофьев В.А. . Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М. : Маршрут, 2002г.