Файл: Курс лекций по специальности 140306 Электроника и автоматика физических установок.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.11.2023
Просмотров: 224
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
122 лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий [13 – 16].
Важнейший из компонентов ВОЛС – оптическое волокно (ОВ). Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и
многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n
1
и n
2
(см. рисунок 10.1).
Рисунок 10.1 Сечение оптического волокна:
1 – сердцевина; 2 — оболочка; 3 — защитное покрытие.
В одномодовом (см. рисунок 10.2а) волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).
В многомодовом (см. рисунок 10.2б) волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод). а) б)
Рисунок 10.2 Типы световодов: а – одномодовые; б – многомодовые.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
123
Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами:
затуханием и дисперсией.
Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне (см. рисунок
10.3). Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.
Рисунок 10.3 Зависимость затухания от длины волны
Другой важнейший параметр оптического волокна – дисперсия.
Дисперсия – это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная:
модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно;
материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны;
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
124
волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
Поскольку светодиод или лазер излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространению по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке пользуются термином «полоса пропускания»
–
это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц
км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
Если при распространении света по многомодовому волокну как правило преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1,3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную способность.
Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различны.
Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч.
Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.
Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах.
Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0,3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм
–
самые доступные и дешевые
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
125 излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц
км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.
10.3.
Волоконно-оптический кабель
Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable
Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de
Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония),
Pirelli(Италия), Samsung (Корея).
10.3.1.
Классификация оптических кабелей связи
Оптический кабель (ОК) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы [13].
Существующие
ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.
1. Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно- пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины / оболочки 8/125 мкм. Длина волны
1,3...1,55 мкм.
2. Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
126
Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.
3. Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна-градиентные
(50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.
4. Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.
5. Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта.
Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
6. Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.
10.3.2.
Конструкции оптических кабелей
Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.
Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы (см. рисунок 10.4):
кабели повивной концентрической скрутки;
кабели с фигурным сердечником;
плоские кабели ленточного типа.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
127
Рисунок 10.4 Типовые конструкции оптических кабелей: а – повивная концентрическая скрутка; б – скрутка вокруг профилированного сердечника; в – плоская конструкция; 1 – волокно; 2 – силовой элемент; 3 – демпфирующая оболочка; 4 – защитная оболочка; 5 – профилированный сердечник; 6 – ленты с волокнами.
Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.
Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и
10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.
Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
128
В оптических кабелях кромеОВ, как правило, имеются следующие элементы [13 – 16]:
силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;
заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;
армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;
наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий.
В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации многоканальной связи применяются в основном четырех- и восьмиволоконные кабели.
10.4.
Оптические соединители
После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой [13 – 16]. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Сегодня мы рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. Внешний вид разъемов показан на рисунке 10.5.
Рисунок 10.5 Коннекторы
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
129
Характеристики коннекторов представлены в таблице 10.1 [13 – 16].
Большинство приборов ВОЛС имеют розетки (адаптеры) под один из перечисленных видов коннекторов.
Таблица 10.1
Тип разъема
ЛВС телекомму- никации кабельное
ТВ измерит. аппаратура
Дуплексные системы связи фиксация
FC/PC
+
+
+ резьба
ST
+
+
BNC
SMA
+
+ резьба
SC
+
+
+
+
Push-Pull
LC
+
+
+
Push-Pull
E-2000
+
+
+
Push-Pull
DIN
+
+
+
Резьба
FDDI(MIC)
+
+
Push-Pull
Фиксация «Push-Pull» обеспечивает подключение коннектора к розетке наиболее простым образом – на защелке. Защелка-фиксатор обеспечивает надежное соединение, при этом не нужно вращать накидную гайку. Важное преимущество разъемов с фиксацией «Push-Pull» – это высокая плотность монтажа оптических соединителей на распределительных и кроссовых панелях и удобство подключения.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
130
1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12
10.5.
Электронные компоненты систем оптической связи
Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0,85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение – одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1,3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков – диодные лазеры, работающие на длине волны 1,55 мкм [13 – 16].
Исследования продолжались и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи – т.е. системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы
NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км [13].
Появление оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, способных усиливать проходящие по световоду сигналы на 30 dB, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров.
Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9,
Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи
Япония–Сингапур–Индия–Саудовская Аравия–Египет–Италия [13].
В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи. Солитон – это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
131 теоретически может распространяться по «идеальному» световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км [13].
Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8. Для этого придется поднять подводный
ВОК, демонтировать все регенераторы и срастить все волокна напрямую. В результате на подводной магистрали не будет ни одного промежуточного регенератора [13].
10.6.
Применение волоконно-оптических линий связи
Большинство фирм разрабатывает и устанавливает локальные и магистральные сети Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, ATM/SDH с применением оптических линий связи по трем причинам. Во-первых, это выгодно. При установке протяженных сегментов сети не требуются повторители. Во- вторых, это надежно. В оптических линиях связи очень низкий уровень шумов, что позволяет передавать информацию с коэффициентом ошибок не более 10
-10
. В третьих, это перспективно. Волоконно-оптические линии связи позволяют наращивать вычислительные возможности сети без замены кабельных коммуникаций. Для этого нужно просто установить более быстродействующие передатчики и приемники. Это важно для тех пользователей, кто ориентируется на развитие своей ЛВС.
Кабель для связи сегментов сети стоит недорого, но работы по его прокладке могут составить самую крупную статью расходов по установке сети. Потребуется труд не только техников-кабельщиков, но и целой команды строителей (штукатуров, маляров, электриков), что обойдется недешево, если учесть возрастающую стоимость ручного труда. Основные топологии ЛВС: «шина», «звезда», «кольцо». В настоящее время оптическое
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
132 волокно сложно использовать при строительстве общей шины, но его удобно использовать для связи «точка-точка», применяемой в топологии «звезда» и
«кольцо».
Схема ВОЛС (см. рисунок 10.6), применяемых, в частности, в ЛВС, устроена следующим образом: электрический сигнал идет от сетевого контроллера, устанавливаемого в рабочую станцию или сервер (например, сетевой контроллер Ethernet), затем поступает на электрический вход трансивера (например, оптический трансивер, например, ISOLAN 3Com), который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический кабель (например, ОКГ-50-2) присоединяется к оптическим разъемам трансивера с помощью оптических соединителей (например, ST).
E
O
O
E
1 1
2 3
4
Электрический сигнал
Оптический сигнал
Электрический сигнал
Рисунок 10.6 Структурная схема оптического канала связи:
1 – трансивер; 2 – оптический соединитель; 3 – оптический кабель; 4 – места сварки.
Рассмотрим несколько вариантов строительства ВОЛС [13 – 16].
1. ВОЛС внутри одного здания. В этом случае для связи применяется двухволоконный ОК (типа «Лапша»), который при необходимости может быть проложен в трубке ПНД-32 под фальш-полом или вдоль стен в декоративных коробах. Все работы могут быть произведены самим
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
133 заказчиком, если поставляемый кабель будет оконцован соответствующими коннекторами.
2. ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.
3. Можно заказать ВОК в специальном исполнении Break-Out. Это более дорогой вариант, зато кабель можно сразу оконцевать оптическими коннекторами, вывести из муфты оконцованные модули (шнуры, подобные монтажным проводам) и подключить их к приемо-передающей аппаратуре.
4. Можно приварить к разделанным в кабельной муфте волокнам оптические шнуры с коннекторами на одном конце (pig tail). Длина pig tail выбирается из соображений удобства для пользователя (например, 3 м).
5. Можно оконцевать волокна коннекторами и воткнуть коннекторы изнутри в оптические розетки (coupling), вмонтированные в стенку кабельной муфты. Снаружи в coupling втыкается коннектор оптического шнура, ведущего к приемо-передающей аппаратуре.
Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки.
Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннекта.
Следует отметить, что за последние годы разработано несколько способов сращивания оптических волокон. Универсальным считается способ сращивания волокон путем сварки на специальном аппарате. Такие аппараты производят фирмы: BICC(Великобритания), Ericsson (Швеция), Fujikura,
Sumitomo(Япония). Высокая стоимость сварочных аппаратов стала причиной создания альтернативных технологий сращивания оптических волокон.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
134
Например, для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические «сплайсы» (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция
«сплайса» надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке 0.1 дБ. Такие
«сплайсы» особенно удобны при быстром восстановлении повреждений
ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).
Фирма SIECOR предлагает другую технологию сращивания волокон, при которой волокна вводятся в прецизионную втулку. В месте стыка волокон внутри втулки помещен гель на основе силикона высокой прозрачности с показателем преломления, близким к показателю преломления оптического волокна. Этот гель обеспечивает оптический контакт между торцами сращиваемых волокон и одновременно герметизирует место стыка.
Монтаж оптических линий связи проводят с помощью сварочного аппарата, например фирмы «Fujikura type 30 S». Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметр работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединений волокон и, если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые волокна с потерями 0.01 дБ, что
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
135 является превосходным результатом. Особо хочется сказать о специально разработанной методике оценки качества сварки. В аппаратах других конструкций, например BICC, волокно изгибается, и в месте изгиба свариваемого волокна водится излучение лазера, которое регистрируется в месте изгиба второго свариваемого волокна фотоприемником. При таком способе измерений волокно подвергается чрезмерной деформации изгиба, что может привести к образованию трещин на этом участке волокна.
«Sumitomo» проводит измерения неразрушающим способом на основе обработки видеоинформации по специально разработанным алгоритмам.
В процессе монтажа ВОЛС осуществляется тестирование линии с помощью оптического рефлектометра. Одним из наиболее приспособленных аппаратов для этих целей является мини-рефлектометр фирмы «Ando
AQ7220». Легкий и компактный (340х235х100 мм,4.6 кг, с встроенной батареей на 3-4 часа работы), он особенно удобен для работы в полевых условиях. Прибор имеет внутреннюю память, 3.5‖ дисковод, жесткий диск
(дополнительно).
Прирост объема продаж приводит к значительному снижению стоимости всех компонентов ВОЛС, а новые технологии строительства оптических сетей позволяют создавать высоконадежные телекоммуникации.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
136
10.7.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Каналы
связи»
Вариант №1 1. Понятие канала связи.
2. В чем заключается частотное разделение каналов связи?
3. Классификация каналов и линий связи.
4. Проводные линии связи и их параметры.
5. Спутниковые каналы связи.
Вариант №2 1. Понятие линии связи.
2. В чем заключается временное разделение каналов связи?
6. Классификация каналов и линий связи.
3. Воздушные и радиорелейные линии связи.
4. Волоконно-оптические каналы связи.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи»
137
ЛЕКЦИЯ 11.
Помехи в каналах связи
ПЛАН ЛЕКЦИИ
11.1. Типы помех
11.2. Классификация аддитивных помех и источников
11.3. Флуктуационные помехи и их характеристики
11.4. Сосредоточенные помехи
11.5. Помехоустойчивость передачи сигналов
11.6. Помехоустойчивость порогового приѐмника
11.7. Помехоустойчивость идеального приѐмника
Котельникова
(потенциальная помехоустойчивость)
11.8. Методы повышения помехоустойчивости дискретных сигналов
11.1.
Типы помех
Помехи – случайные воздействия, искажающие передаваемый сигнал.
Воздействие помехи на сигнал может быть двояким. Если помеха ( )
t
складывается с сигналом ( )
s t и на вход приѐмника действует их сумма
( )
( )
( )
x t
t
s t
, то такую помеху называют аддитивной.
Если результирующий сигнал равен произведению помехи и передаваемого сигнала
( )
( )
( )
x t
t
s t
, то помеху называют
мультипликативной.
Мультипликативная помеха выражается в изменении характеристик линии связи (сопротивление ЛС, частота среза ЛС, нелинейность характеристик ЛС). Стандартных способов компенсации мультипликативной помехи не существует. Величина помехи зависит от качества средств канала связи и качества обслуживания.
Аддитивная помеха не зависит от ЛС и определяется внешними воздействиями на среду передачи сигналов.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
138
Поскольку подавляющее большинство сообщений в промышленной телемеханике передаѐтся по проводным линиям связи, которые являются линейными электрическими цепями, при воздействии помех на эти цепи мультипликативные помехи не возникают. Воздействие помех на передаваемый сигнал имеет аддитивный характер. Поэтому будем рассматривать только аддитивные помехи.
11.2.
Классификация аддитивных помех и источников
Аддитивные помехи
Типы помех
Импульсные
Флуктуационные
Гармонические
Источники помех
Тепловые
Дробовые
Промышленные
Атмосферные
Перекрѐстные
Космические
Фон,
наводки
Рисунок 11.1 Классификация аддитивных помех
По форме аддитивные помехи (см. рисунок 11.1 и 11.2) можно разделить на сосредоточенные во времени
(импульсные), гармонические
(сосредоточенные по частоте).
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
139
U
U
t t
0 0
а) б)
U
t
0
в)
Рисунок 11.2 Типы помех: а – импульсные; б – флуктуационеные; в – гармонические.
Источники помех: Источниками помех являются внешние воздействия и внутренние шумы, возникающие в цепях и аппаратуре.
К внутренним шумам относятся тепловые шумы, возникающие из-за беспорядочного движения свободных электронов в проводах и резисторах и шумы, обусловленные дробовым эффектом в электронных лампах и полупроводниковых приборах. В результате дробового эффекта ток не является постоянным и флуктуирует относительно среднего значения.
Внутренние шумы существуют всегда и являются источниками флуктуационных помех, которые принципиально неустранимы, их необходимо ограничивать.
Наибольшее влияние на канал связи оказывают внешние помехи, главнейшими из которых являются промышленные (искусственные) помехи. Промышленные помехи создаются различными устройствами: электродвигателями, электросваркой и т.д. Основной причиной этих помех
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
140 является искрообразование, связанное с резким прерыванием тока в электрических цепях в процессе их коммутации.
Атмосферные помехи обусловлены перемещением электрических зарядов в атмосфере. Молнии создают токовые разряды в десятки тысяч ампер, и помехи от них носят импульсный характер.
11.3.
Флуктуационные помехи и их характеристики
Флуктуационные помехи являются результатом наложения большого числа импульсных помех, вследствие чего кривая напряжения помех является непрерывной во времени случайной величиной. Поэтому флуктуационные помехи описываются вероятностными характеристиками.
Флуктуационные помехи, имеющие практически неограниченный спектр частот, называются «белым шумом» [1].
Белый шум характеризуется нормальным (гауссовым) распределением мгновенных значений амплитуд напряжения помехи п
U
[17]:
2
п пск
1 2
п пск
1 2
U
U
U
e
U
,
(11.1) где пск
U
– среднеквадратичное напряжение помехи,
– плотность вероятности помех при нормальном распределении.
Флуктуационные помехи характеризуют следующие параметры:
1. Удельное напряжение помехи – эффективное напряжение помехи на единицу частотной полосы приѐмного фильтра: пск
0
U
F
,
(11.2) где
F
– диапазон частот канала связи.
2. Удельная мощность помехи
2 0
3. Отношение сигнал/помеха – отношение амплитуды сигнала
m
U
к амплитуде помехи:
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
141 пск
2
m
U
U
(11.3)
4. Отношение энергии сигнала к удельной мощности помехи:
2 2
0 2
0 0
1
( )
c
U t dt
(11.4)
11.4.
Сосредоточенные помехи
Сосредоточенные помехи подразделяются на следующие [1]:
1. Апериодическая помеха (см. рисунок 11.3).
U
t
0
Рисунок 11.3 Апериодическая помеха
Апериодическую помеху можно описать выражением:
0,
0
,
0
at
t
U
e
t
(11.5)
2. Полупериодическая помеха (см. рисунок 11.4)
U
t
0
Рисунок 11.4 Полупериодическая помеха
Полупериодическую помеху можно описать выражением:
0,
0
sin(
),
0
at
t
U
e
t
t
(11.6)
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
142
1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
131 теоретически может распространяться по «идеальному» световоду бесконечно далеко. Солитоны являются идеальными световыми импульсами для связи. Длительность солитона составляет примерно 10 трилионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км [13].
Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8. Для этого придется поднять подводный
ВОК, демонтировать все регенераторы и срастить все волокна напрямую. В результате на подводной магистрали не будет ни одного промежуточного регенератора [13].
10.6.
Применение волоконно-оптических линий связи
Большинство фирм разрабатывает и устанавливает локальные и магистральные сети Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, ATM/SDH с применением оптических линий связи по трем причинам. Во-первых, это выгодно. При установке протяженных сегментов сети не требуются повторители. Во- вторых, это надежно. В оптических линиях связи очень низкий уровень шумов, что позволяет передавать информацию с коэффициентом ошибок не более 10
-10
. В третьих, это перспективно. Волоконно-оптические линии связи позволяют наращивать вычислительные возможности сети без замены кабельных коммуникаций. Для этого нужно просто установить более быстродействующие передатчики и приемники. Это важно для тех пользователей, кто ориентируется на развитие своей ЛВС.
Кабель для связи сегментов сети стоит недорого, но работы по его прокладке могут составить самую крупную статью расходов по установке сети. Потребуется труд не только техников-кабельщиков, но и целой команды строителей (штукатуров, маляров, электриков), что обойдется недешево, если учесть возрастающую стоимость ручного труда. Основные топологии ЛВС: «шина», «звезда», «кольцо». В настоящее время оптическое
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
132 волокно сложно использовать при строительстве общей шины, но его удобно использовать для связи «точка-точка», применяемой в топологии «звезда» и
«кольцо».
Схема ВОЛС (см. рисунок 10.6), применяемых, в частности, в ЛВС, устроена следующим образом: электрический сигнал идет от сетевого контроллера, устанавливаемого в рабочую станцию или сервер (например, сетевой контроллер Ethernet), затем поступает на электрический вход трансивера (например, оптический трансивер, например, ISOLAN 3Com), который преобразует электрический сигнал в оптический. Оптический кабель (например, ОКГ-50-2) присоединяется к оптическим разъемам трансивера с помощью оптических соединителей (например, ST).
E
O
O
E
1 1
2 3
4
Электрический сигнал
Оптический сигнал
Электрический сигнал
Рисунок 10.6 Структурная схема оптического канала связи:
1 – трансивер; 2 – оптический соединитель; 3 – оптический кабель; 4 – места сварки.
Рассмотрим несколько вариантов строительства ВОЛС [13 – 16].
1. ВОЛС внутри одного здания. В этом случае для связи применяется двухволоконный ОК (типа «Лапша»), который при необходимости может быть проложен в трубке ПНД-32 под фальш-полом или вдоль стен в декоративных коробах. Все работы могут быть произведены самим
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
133 заказчиком, если поставляемый кабель будет оконцован соответствующими коннекторами.
2. ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.
3. Можно заказать ВОК в специальном исполнении Break-Out. Это более дорогой вариант, зато кабель можно сразу оконцевать оптическими коннекторами, вывести из муфты оконцованные модули (шнуры, подобные монтажным проводам) и подключить их к приемо-передающей аппаратуре.
4. Можно приварить к разделанным в кабельной муфте волокнам оптические шнуры с коннекторами на одном конце (pig tail). Длина pig tail выбирается из соображений удобства для пользователя (например, 3 м).
5. Можно оконцевать волокна коннекторами и воткнуть коннекторы изнутри в оптические розетки (coupling), вмонтированные в стенку кабельной муфты. Снаружи в coupling втыкается коннектор оптического шнура, ведущего к приемо-передающей аппаратуре.
Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки.
Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннекта.
Следует отметить, что за последние годы разработано несколько способов сращивания оптических волокон. Универсальным считается способ сращивания волокон путем сварки на специальном аппарате. Такие аппараты производят фирмы: BICC(Великобритания), Ericsson (Швеция), Fujikura,
Sumitomo(Япония). Высокая стоимость сварочных аппаратов стала причиной создания альтернативных технологий сращивания оптических волокон.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
134
Например, для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические «сплайсы» (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция
«сплайса» надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке 0.1 дБ. Такие
«сплайсы» особенно удобны при быстром восстановлении повреждений
ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).
Фирма SIECOR предлагает другую технологию сращивания волокон, при которой волокна вводятся в прецизионную втулку. В месте стыка волокон внутри втулки помещен гель на основе силикона высокой прозрачности с показателем преломления, близким к показателю преломления оптического волокна. Этот гель обеспечивает оптический контакт между торцами сращиваемых волокон и одновременно герметизирует место стыка.
Монтаж оптических линий связи проводят с помощью сварочного аппарата, например фирмы «Fujikura type 30 S». Этот аппарат позволяет сваривать любые типы волокон в ручном и автоматическом режимах, тестирует волокно перед сваркой, устанавливает оптимальные параметр работы, оценивает качество поверхностей волокон перед сваркой, измеряет потери в месте соединений волокон и, если это необходимо, дает команду повторить сварку. Кроме этого аппарат защищает место сварки специальной гильзой и проверяет на прочность сварное соединение. Аппарат позволяет сваривать одномодовые и многомодовые волокна с потерями 0.01 дБ, что
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
135 является превосходным результатом. Особо хочется сказать о специально разработанной методике оценки качества сварки. В аппаратах других конструкций, например BICC, волокно изгибается, и в месте изгиба свариваемого волокна водится излучение лазера, которое регистрируется в месте изгиба второго свариваемого волокна фотоприемником. При таком способе измерений волокно подвергается чрезмерной деформации изгиба, что может привести к образованию трещин на этом участке волокна.
«Sumitomo» проводит измерения неразрушающим способом на основе обработки видеоинформации по специально разработанным алгоритмам.
В процессе монтажа ВОЛС осуществляется тестирование линии с помощью оптического рефлектометра. Одним из наиболее приспособленных аппаратов для этих целей является мини-рефлектометр фирмы «Ando
AQ7220». Легкий и компактный (340х235х100 мм,4.6 кг, с встроенной батареей на 3-4 часа работы), он особенно удобен для работы в полевых условиях. Прибор имеет внутреннюю память, 3.5‖ дисковод, жесткий диск
(дополнительно).
Прирост объема продаж приводит к значительному снижению стоимости всех компонентов ВОЛС, а новые технологии строительства оптических сетей позволяют создавать высоконадежные телекоммуникации.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №10 «Оптические каналы связи»
136
10.7.
Вопросы текущего контроля на лекциях по модулю «Каналы
связи»
Вариант №1 1. Понятие канала связи.
2. В чем заключается частотное разделение каналов связи?
3. Классификация каналов и линий связи.
4. Проводные линии связи и их параметры.
5. Спутниковые каналы связи.
Вариант №2 1. Понятие линии связи.
2. В чем заключается временное разделение каналов связи?
6. Классификация каналов и линий связи.
3. Воздушные и радиорелейные линии связи.
4. Волоконно-оптические каналы связи.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи»
137
ЛЕКЦИЯ 11.
Помехи в каналах связи
ПЛАН ЛЕКЦИИ
11.1. Типы помех
11.2. Классификация аддитивных помех и источников
11.3. Флуктуационные помехи и их характеристики
11.4. Сосредоточенные помехи
11.5. Помехоустойчивость передачи сигналов
11.6. Помехоустойчивость порогового приѐмника
11.7. Помехоустойчивость идеального приѐмника
Котельникова
(потенциальная помехоустойчивость)
11.8. Методы повышения помехоустойчивости дискретных сигналов
11.1.
Типы помех
Помехи – случайные воздействия, искажающие передаваемый сигнал.
Воздействие помехи на сигнал может быть двояким. Если помеха ( )
t
складывается с сигналом ( )
s t и на вход приѐмника действует их сумма
( )
( )
( )
x t
t
s t
, то такую помеху называют аддитивной.
Если результирующий сигнал равен произведению помехи и передаваемого сигнала
( )
( )
( )
x t
t
s t
, то помеху называют
мультипликативной.
Мультипликативная помеха выражается в изменении характеристик линии связи (сопротивление ЛС, частота среза ЛС, нелинейность характеристик ЛС). Стандартных способов компенсации мультипликативной помехи не существует. Величина помехи зависит от качества средств канала связи и качества обслуживания.
Аддитивная помеха не зависит от ЛС и определяется внешними воздействиями на среду передачи сигналов.
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
138
Поскольку подавляющее большинство сообщений в промышленной телемеханике передаѐтся по проводным линиям связи, которые являются линейными электрическими цепями, при воздействии помех на эти цепи мультипликативные помехи не возникают. Воздействие помех на передаваемый сигнал имеет аддитивный характер. Поэтому будем рассматривать только аддитивные помехи.
11.2.
Классификация аддитивных помех и источников
Аддитивные помехи
Типы помех
Импульсные
Флуктуационные
Гармонические
Источники помех
Тепловые
Дробовые
Промышленные
Атмосферные
Перекрѐстные
Космические
Фон,
наводки
Рисунок 11.1 Классификация аддитивных помех
По форме аддитивные помехи (см. рисунок 11.1 и 11.2) можно разделить на сосредоточенные во времени
(импульсные), гармонические
(сосредоточенные по частоте).
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
139
U
U
t t
0 0
а) б)
U
t
0
в)
Рисунок 11.2 Типы помех: а – импульсные; б – флуктуационеные; в – гармонические.
Источники помех: Источниками помех являются внешние воздействия и внутренние шумы, возникающие в цепях и аппаратуре.
К внутренним шумам относятся тепловые шумы, возникающие из-за беспорядочного движения свободных электронов в проводах и резисторах и шумы, обусловленные дробовым эффектом в электронных лампах и полупроводниковых приборах. В результате дробового эффекта ток не является постоянным и флуктуирует относительно среднего значения.
Внутренние шумы существуют всегда и являются источниками флуктуационных помех, которые принципиально неустранимы, их необходимо ограничивать.
Наибольшее влияние на канал связи оказывают внешние помехи, главнейшими из которых являются промышленные (искусственные) помехи. Промышленные помехи создаются различными устройствами: электродвигателями, электросваркой и т.д. Основной причиной этих помех
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
140 является искрообразование, связанное с резким прерыванием тока в электрических цепях в процессе их коммутации.
Атмосферные помехи обусловлены перемещением электрических зарядов в атмосфере. Молнии создают токовые разряды в десятки тысяч ампер, и помехи от них носят импульсный характер.
11.3.
Флуктуационные помехи и их характеристики
Флуктуационные помехи являются результатом наложения большого числа импульсных помех, вследствие чего кривая напряжения помех является непрерывной во времени случайной величиной. Поэтому флуктуационные помехи описываются вероятностными характеристиками.
Флуктуационные помехи, имеющие практически неограниченный спектр частот, называются «белым шумом» [1].
Белый шум характеризуется нормальным (гауссовым) распределением мгновенных значений амплитуд напряжения помехи п
U
[17]:
2
п пск
1 2
п пск
1 2
U
U
U
e
U
,
(11.1) где пск
U
– среднеквадратичное напряжение помехи,
– плотность вероятности помех при нормальном распределении.
Флуктуационные помехи характеризуют следующие параметры:
1. Удельное напряжение помехи – эффективное напряжение помехи на единицу частотной полосы приѐмного фильтра: пск
0
U
F
,
(11.2) где
F
– диапазон частот канала связи.
2. Удельная мощность помехи
2 0
3. Отношение сигнал/помеха – отношение амплитуды сигнала
m
U
к амплитуде помехи:
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
141 пск
2
m
U
U
(11.3)
4. Отношение энергии сигнала к удельной мощности помехи:
2 2
0 2
0 0
1
( )
c
U t dt
(11.4)
11.4.
Сосредоточенные помехи
Сосредоточенные помехи подразделяются на следующие [1]:
1. Апериодическая помеха (см. рисунок 11.3).
U
t
0
Рисунок 11.3 Апериодическая помеха
Апериодическую помеху можно описать выражением:
0,
0
,
0
at
t
U
e
t
(11.5)
2. Полупериодическая помеха (см. рисунок 11.4)
U
t
0
Рисунок 11.4 Полупериодическая помеха
Полупериодическую помеху можно описать выражением:
0,
0
sin(
),
0
at
t
U
e
t
t
(11.6)
Горюнов А.Г., Ливенцов С.Н., Лысенок А.А. «Телеконтроль и телеуправление». Лекция №11 «Помехи в каналах связи
142
1 ... 4 5 6 7 8 9 10 11 12