РЕКОМЕНДАЦИИ
по применению ВОСП в системах
автоматизации технологических
Процессов

 

РМ 4-234-91

 

 

ГПКИ «ПРОЕКТМОНТАЖАВТОМАТИКА»

1991

 

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

Разработан	- Государственным ордена Трудового Красного Знамени проектным и конструкторским институтом «Проектмонтажавтоматика»
Исполнители	- Чудинов М.А., Гуров А.М., Манин В.С.

 

Рекомендации по применению ВОСП в системах автоматизации технологических процессов

РМ 4-234-91 Вводится впервые

Дата введения 02.09.91

Настоящий материал содержит необходимые сведения для расчета волоконно-оптических линий связи, применяемых в системах автоматизации технологических процессов.

В справочной части помещены: марки оптических кабелей, выпускаемых отечественной промышленностью, приемники и передатчики оптического излучения, необходимый инструмент и оборудование для проведения монтажных работ, ранее не включенных в действующие технологические документы.

Указанные сведения даны по состоянию на 01.05.91. При их использовании следует учитывать возможные изменения, вносимые заводами-изготовителями.

Замечания и предложения по материалу проекта направлять по адресу: 123308, Москва, ГПКИ «ПРОЕКТМОНТАЖАВТОМАТИКА».

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Широкое применение микропроцессорной техники в автоматизированных системах управления технологическими процессами создало необходимые предпосылки для объединения всей микропроцессорной техники объекта в локальную информационно-вычислительную сеть (ЛИВС). Для реализации таких сетей необходимы надежные и быстродействующие линии связи между рассредоточенными на объекте устройствами системы автоматизации технологическими процессами.

Теоретические и экспериментальные исследования в области оптики и электроники, создание волоконных световодов с малыми оптическими потерями, полупроводниковых источников светового излучения и фотодетекторов привели к созданию и развитию световодных систем, используемых для сбора и передачи информации в автоматизированных системах.

1.2. Существующие проводные линии связи во многих случаях не обеспечивают выполнения высоких требований к каналам передачи данных. Замена металлических проводников волоконными световодами позволило эффективно использовать оптические частоты, которые на несколько порядков превышают частоты СВЧ-диапазона и построить системы связи, нечувствительные к воздействию электромагнитных помех, способные работать в условиях взрыво- и пожароопасных сред, совмещать в одном волокне сотни и тысячи каналов связи при очень высоких скоростях передачи информации, достигающих единиц и десятков гигабит в секунду. Применение волоконной техники позволяет решить ряд проблем, ограничивающих возможность применения современной электроники, вычислительной техники и др. Так во многих электронных устройствах для улучшения отношения сигнал-шум и уменьшения вероятности возникновения ошибок необходима гальваническая развязка между отдельными элементами схемы. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) обеспечивают идеальную гальваническую развязку. Широкие полосы пропускания световодных линий позволяют уплотнять сигналы, идущие по параллельным шинам, и передавать их по одному волоконному каналу. Недорогие ВОСП на скорости передачи до 1 - 2 МБит/с с дальностью в несколько километров имеют широкие сферы применения. Это - автоматизированные системы управления технологическими процессами на металлургических, машиностроительных, энергетических и химических производствах.

Обеспечение высоких скоростей обмена информации между процессором и устройством памяти в ЭВМ на перестраиваемых структурах возможно только применяя световодные линии связи.

1.3. В данном материале применены термины в соответствии с РМ 4-239-91 и приняты следующие сокращения:

ВОСП - волоконно-оптические системы передачи;

ВОЛС - волоконно-оптические линии связи;

ОВ - оптическое волокно;

ОК - оптический кабель;

АСУТП - автоматизированные системы управления автоматических процессов;

УВК - управлявший вычислительный комплекс;

ЭВМ - электронная вычислительная машина;

СД, СЦД - светоизлучающие диоды;

ФД - фотодиод;

ЛФД - лавинный фотодиод;

ВОД - волоконно-оптический датчик;

КЭМ - квантово-электронный модуль;

РУ - ретрансляционный участок;

Пер. - передатчик;

Пр. - приемник;

Lстр. - строительная длина;

пос. - последовательная;

гибр. - гибридная;

рез. - результирующая.

При проектировании ВОСП следует, как и при проектировании других объектов, учитывать следующие положения.

1.4. Последовательность проектирования - от общего к частному. Вначале решаются вопросы обоснования экономической целесообразности и необходимости сооружения ВОЛС в целом, а затем детализация по отдельным вопросам и устройствам (конструкция кабелей, трасса и прокладки, система передачи, электропитание, размещение регенерационных пунктов и т.д.).

1.5. Вариантность проектирования. Рассматриваются несколько вариантов решений и на основе технико-экономических показателей выбирается оптимальный.

1.6. Использование типовых проектов.

1.7. Экономическое обоснование.

Решение о проектировании ВОЛС принимается, исходя из экономического обоснования, подтверждающего целесообразность и необходимость сооружения ВОСП для данного объекта.

1.8. После определения необходимости применения ВОСП приступают к проектированию, начиная с определения общих требований к системе.

К общим требованиям относят:

заданный объем передаваемой информации;

определяют необходимую полосу пропускания системы, задаются скоростью передачи информации;

тип передаваемой информации: цифровой или аналоговой;

помехозащищенность системы (при особых требованиях определяют вероятность ошибки при передаче цифровой информации и отношение сигнал-шум на входе оптического приемника);

расстояние между оконечными устройствами или терминалами, количество и характеристики терминалов;

условия прокладки линий связи и эксплуатации системы;

требования к массогабаритным и стоимостным характеристикам, надежности системы.

Кроме этих основных требований необходимо учитывать воздействие на систему климатических факторов и агрессивности окружающей среды, наличие электромагнитных и радиационных воздействий и т.п.

1.9. Создание ВОСП определяется конкретными условиями автоматизируемого объекта и, как правило, является оригинальным проектом, хотя в нем могут присутствовать и типовые решения по отдельным вопросам.

1.10. Проектирование ВОСП является частью общего проектирования АСУ ТП. Стадийность разработки, состав и содержание документации должны приниматься по рекомендациям ГОСТ 34.201-89 и ОРММ-3 АСУ ТП. Документация, отнесенная ГОСТ 34.201-89 к проектно-сметной, должна оформляться по стандартам СПДС и пособиям, выпущенным ГПКИ ПМА в их развитие.

1.11. В настоящее время для организации ВОЛС в АСУ ТП промышленностью не выпускаются комплексные технические средства, в состав которых входят оптические кабели и приемо-передающие устройства. В связи с этим при применении ВОЛС, одновременно с проектной документацией по АСУ ТП, разрабатывают конструкторскую документацию на изготовление нестандартизированных технических средств (ТС), обеспечивающих стыковку поставляемых промышленностью (или нестандартизированных) УВК с ВОСП.

1.12. Комплект конструкторской документации рекомендуется выполнять по указаниям РМ 4-103-89. При этом основные элементы приемо-передающих устройств включаются в спецификацию и ведомость покупных изделий. Условные обозначения на схемах и чертежах конструкторской документации должны быть выполнены в соответствии с ГОСТ 2.761-84 «Обозначения условные графические в схемах. Компоненты волоконно-оптических передач». Поставка ТС для ВОСП на объект должна осуществляться в полностью укомплектованном виде и готова к функционированию.

1.13. В качестве нестандартизированных технических средств АСУ ТП, использующих для передачи информации ВОЛС, можно рекомендовать разработанный ГПКИ ПМА комплекс (КТС САДУ).

Нестандартизированные ТС должны применяться в соответствии с рекомендациями РТМ 36.22.13-90.

1.14. Запись ТС в спецификацию оборудования (СО) выполняют по указаниям РМ 4-206-89, а изделий и материалов для монтажа ОК - по РМ 4-206-89 и РМ 4-149-87.

2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1. Проектирование начинают с изучения поставленных задач перед ВОСП и анализа имеющейся элементной базы. Выбирают топологию системы, которая определяется ее назначением, числом терминалов, перспективой дальнейшего развития и модификации.

2.2. Важнейшим этапом проектирования является выбор типа оптического кабеля (ОК) при помощи которого выполняется требование по дальности связи и числу каналов информации.

2.3. Предусматривают резервирование каналов и системы электропитания.

2.4. Определяют ширину пропускания ОК в совокупности с источником излучения для того, чтобы обеспечить заданную скорость передачи информации (ширину пропускания - широкополосность) на данном расстоянии. Рассчитывают число ретрансляторов в системе, если они необходимы. Выбирают пространственное, временное или спектральное уплотнение сигналов, вид модуляции.

2.5. При выборе элементной базы следует проводить экономическую оценку системы, связанную с определением удельной стоимости каждого элемента в общей сумме затрат на систему. Это позволит определить, что обуславливает основные затраты в системе: ОК, прямопередающие устройства, ретрансляторы и т.д. В большинстве случаев основные затраты падают на приобретение и прокладку ОК. В этом случае целесообразно выбирать ОК с возможно низким затуханием и широкой полосой частот в расчете на возможность развития системы.

2.6. Затем рассматривают и определяют необходимые требования к условиям прокладки, монтажу ОК, соединительных и оконечных устройств, определяют конструктивное размещение приемо-передающих модулей. Устанавливают необходимые требования к производству измерительных и настроечных работ.

2.7. При выборе элементной базы и топологии системы в процессе проектирования необходимо определить наиболее уязвимые (по надежности) звенья ВОСП и предусмотреть их резервирование.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОСП

3.1. На базе волоконно-оптических кабелей и элементов интегральной оптики создаются системы сбора, передачи и распределения информации (черт. 1) такие системы используются для:

магистральной передачи больших массивов информации;

комплексной связи УВК с разнесенными по объекту элементами системы управления, получение и локальное распределение измерительной информации о состоянии объекта.

3.2. Для выполнения волоконно-оптических линий связи внутри объекта (межблочная связь внутри ЭВМ, связи внутри предприятия в пределах здания, зала и т.п.) применяют: полупроводниковые светодиоды (СД), Pin - фотодиоды (ФД) и оптические кабели (ОК) на основе многомодовых стеклянных или полимерных волокон со ступенчатым профилем.

Для выполнения ВОЛС в составе системы диспетчеризации объекта (комплекса), при сопряжении ЭВМ с далеко вынесенными терминалами, для сопряжения нескольких ЭВМ в единый управляющий вычислительный комплекс (УВК) объекта (производства) применяют: СД, полупроводниковые инъекционные лазеры (ПЛ), неразъемные и разъемные соединительные устройства, ФД, ОК на основе многомодовых из кварцевых или многокомпонентных стекол волокон со ступенчатым профилем.

3.3. Если ВОСП (волоконно-оптическая система передачи) выполняет функции не только передачи, но и получения измерительной информации, в ее составе должен быть набор соответствующих ВОД (волоконно-оптических датчиков).

3.4. По виду организации обмена данными ВОС могут быть централизованными, когда имеется центральная станция приема-передачи, осуществляющая управляемый обмен информацией с периферийными устройствами, и децентрализованными, в которых имеется несколько равноценных станций приема-передачи. При этом могут использоваться последовательная, кольцевая многолучевая и комбинированная конфигурации системы.

3.5. Системы могут быть активными и пассивными. Под активными понимаются такие, в которых входная величина способна оказывать энергетическое воздействие на периферийное устройство, создавая в конечном счете оптический сигнал (импульс тока возбуждающий источник излучения), пассивными - системы, в которых входная величина влияет на параметры оптического кабеля.

Черт. 1

3.6. Для уплотнения собираемой и передаваемой информации, которая может быть представлена в аналоговом или цифровом виде, в ВОС при организации связи нескольких ВОД (датчиков или терминалов) со станцией (цент. управ, комплекс-машина) приема-передачи используют различные виды мультиплексирования: временное, частотное, спектральное поляризационное и пространственное.

Информационную емкость ОК можно увеличить, применяя различные методы уплотнения передаваемой информации - мультиплексирование.

3.7. Под мультиплексированием понимают процесс представления одного физического канала для передачи более чем одного информационного потока. Мультиплексирование является эффективным путем к уменьшению массогабаритных показателей ВОС и их удешевлению (черт. 2).

Схема мультиплексирования оптического сигнала

1, 2 - оптические передатчики; 3 - волоконно-оптический разветвитель; 4 - ОК (волоконный световод); 5 - оптический демультиплексор; 6, 7 - оптические приемники.

Черт. 2

При мультиплексировании оптических сигналов две серии электрических импульсов с входов А и В поступают в оптические передатчики (обычно объединенные в один блок), где моделируют оптические несущие с данными волн λ₁ и λ₂. Волоконно-оптический разветвитель объединяет монохроматические световые потоки в групповой поток, который по ОВ проходит (передается) в блок оптического приемника. Блок оптического приемника содержит оптический демультиплексор, который разделяет световой поток на два монохроматических световых потока с данными волн λ₁ и λ₂, а также два оптических приемника, потребляющих световые потоки в две серии электрических сигналов.

4. ВРЕМЕННОЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ

4.1. Временное мультиплексирование можно разбить на две группы:

активное временное уплотнение;

пассивное временное уплотнение.

В первой группе уплотнение входной информации осуществляется с помощью оптоэлектронных преобразователей, формирующих последовательность импульсов тока, протекающего через источник излучения, соединенный с передающим световодом, представляющий собой один материальный канал. Световод позволяет передавать несколько информационных каналов, т.к. для одного информационного сообщения используется часть периода (черт. 3).

Активное временное мультиплексирование

1 - мультиплексор; 2 - излучатель; 3 - оптический световод (волокно); 4 - фотоприемник; 5 - демультиплексор.

Черт. 3

4.2. Системы с пассивным временным мультиплексированием основаны на использовании свойств волоконных световодов задерживать сигнал на время пропорциональное длине канала (примерно 5 нс/м). Если сообщения различных информационных каналов пропустить через световоды (волокно) различной длины, то между ними образуется временный сдвиг.

Пассивное временное мультиплексирование информационных каналов

1 - схема управления (электронный блок); 2 - излучатель; 3, 5 - волоконный световод; 4 - оптический смеситель; 6 - демультиплексор.

Черт. 4

При пассивном временном мультиплексировании информации, получаемой с помощью набора волоконно-оптических датчиков применяется импульсный режим работы источников излучения. Генерируемая оптическая энергия с помощью делителей излучения распределяется между оптическими датчиками. В датчике происходит модуляция части оптического импульса и направляется к фотоприемнику станции приема. Оптические импульсы, приходящие к фотоприемнику от датчиков, разнесены во времени, т.к. оптическая длина пути, проходимая ими, различна. Для разделения импульсов используется электронный демультиплексор, имеющий синхронизацию от импульсного источника излучения (черт. 5).

Пассивное временное мультиплексирование измерительных каналов

1 - излучатель; 2 - волоконный световод; 3 - оптические датчики; 4 - оптический смеситель; 5 - фотоприемник; 6 - демультиплексор.

Черт. 5

5. МОДУЛЯЦИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ

5.1. Построение волоконно-оптических систем связи осуществляется по тем же принципам, что и для электрических систем аналогично назначения; электрический сигнал, сформированный при помощи одного из методов разделения каналов (частотного и временного), моделируем оптическую несущую. Поскольку фототок фотодетектора (ФД, ЛФД) пропорционален мощности (интенсивности) светового потока, как правило, применяется такая модуляция, при которой амплитуда модулируемого электрического сигнала определяет мощность светового потока. Наряду с этим многомодовость излучения полупроводниковых лазеров (ПЛ) при котором ширина спектра генерируемых колебаний достигает сотен мегагерц обуславливает применение модуляции интенсивности. При модуляции интенсивности с усреднением по многим методам эффекты паразитной модуляции отдельных составляющих поля сигнала в суммарном поле нивелируются.

5.2. На внутриобъектовых и внутригородских линиях в качестве источников излучения используются некогерентные источники излучения - светодиоды. Эффект усреднения модуляции интенсивности позволяет создавать оптические передатчики с частотами модуляции до 100 МГц.

5.3. Существуют два основных способа модуляции: внутренний и внешний.

Внутренняя модуляция осуществляется либо путем непосредственного воздействия на источник излучения, либо путем изменений тока накачки (ПЛ, СД).

Внешняя модуляция позволяет при помощи специального устройства - модулятора - изменять параметры излучения немодулируемого источника. При помощи модулятора реализовывают не только модуляцию интенсивности, но и другие виды модуляции, основанные на изменении частоты, фазы и поляризации.

5.4. ВОСП являются, как правило, цифровыми. Для кодирования информации используют различные методы, но наиболее удобна импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) интенсивности, т.к. значительно снижается требование к линейности амплитудных характеристик генератора (черт. 6).

Типовая схема ВОСП

1 - преобразователь кода (кодер); 2 - модулятор; 3 - оптический источник излучения; 4 - передающее согласующее оптическое устройство; 5 - оптический кабель (ИМ, ВС); 6 - линейный регенератор (при больших протяженных линиях); 7 - приемное согласующее оптическое устройство; 8 - фотодетектор; 9 - усилитель; 10 - демодулятор; 11 - преобразователь кода (декодер); КЭМ - квантово-электронный модуль.

Черт. 6

Дуплексная система передачи по одному оптическому волокну

1 - полосовой фильтр (λ₁); 2 - полосовой фильтр (λ₂); 3 - волоконно-оптический разветвитель; 4 - волоконный световод.

Черт. 7

6. КОМПОНЕНТЫ ВОСП

6.1. Для внедрения локальных сетей на базе волоконной оптики необходим широкий набор функциональных элементов (компонентов) (черт. 8) (Приложения 1, 2).

Черт. 8

6.2. Источники излучения

Для преобразования электрических сигналов в оптические на передающем конце ВОСП применяют в основном полупроводниковые инфекционные лазеры (ПЛ) и светоизлучающие диоды (СД, СЦД). Передатчик должен обеспечивать эффективный ввод излучения в световод: иметь узкую спектральную полосу излучения; быстродействие, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения; совместимость с интегральными схемами; устойчивость к механическим, температурным воздействиям; обеспечивать когерентность генерируемого излучения; иметь малые габариты, малую потребляемую мощность, надежность и долговечность. В зависимости от химического состава полупроводникового материала передатчики могут излучать световой поток с различной длиной волны. Основной материал для таких приборов применяют арсенид галлия GaAs, дающий длину волны (λ) ~ 0,9 мкм добавка Al уменьшает длину волны до 0,8 мкм GaAlAs добавка фосфида галлия и индия увеличивает волну (λ) до 1,6 мкм JnGaAsP, поэтому при выборе сети необходимо обращать внимание и на химическую структуру излучателей.

6.3. Инжекционные лазеры

Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый прибор с Р-П-переходом (поэтому часто используется термин лазерный диод), в котором генерация когерентного излучения связана с инжекцией носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход. Инжекционные лазеры обеспечивают скорость передачи сигналов до 5 Гбит/с и имеют ширину спектра излучения не превышающего 2 нм.

Широкое распространение получили гетеролазеры и особенно двойные гетероструктуры (ДГС) в которых наблюдается односторонняя инжекция при которой работает сверхтонкая активная область, позволяющая получать малые пороговые плотности тока и значительные выходные мощности.

6.4. Световоды

Световоды представляют собой полупроводниковый диод с Р-П-переходом, протекание тока через который вызывает интенсивное некогерентное излучение. Светодиоды обеспечивают скорость передачи сигналов до 100 МБит/с и имеют ширину спектра излучения 20 - 40 нм. Наиболее предпочтительно применение суперлюминисцентных светодиодов, которые имеют значительно более высокую яркость при малой излучающей поверхности, что позволяет получать излучение более направленное. Суперлюминисцентные светодиоды обеспечивают передачу сигналов со скоростью до 200 МБит/сек при ширине спектра излучения до 20 нм.

Сравнительные характеристики излучателей

Для источников излучения в основном применяют схемы прямого включения (черт. 9, 10).

Черт. 9

Транзисторная схема, используемая для аналоговой модуляции интенсивности излучения

Схема с полевым транзистором, применяемая для импульсной модуляции

Черт. 10

Управляющий ток подается на базу транзистора.

Резистор R в цепи полевого транзистора используют для установки тока смещения (несколько меньшего порога лазерной генерации лазерного диода). Таким образом, повышается скорость переключения.

6.5. Фотоприемники

Фотоприемник - приемник оптического излучения подразделяются на две группы: тепловые, интегрирующие результаты воздействия излучения за длительное время, и фотоэлектрические, использующие внешний или внутренний фотоэффект.

К фотоприемникам предъявляются следующие основные требования:

1. Высокая чувствительность на заданной фиксированной длине волны, генерируемой основными типами лазеров и светодиодов

0,8 - 0,95 мкм (GaAlAs и GaAl - лазеры)

0,55 - 0,9 мкм (GaAsP, GaAlAs, GaAs - светодиоды)

1,3 - 1,55 мкм (JnGaAsP - лазеры и светодиоды)

2. Высокое быстродействие.

3. Малые уровни шумов.

Лучшими среди дискретных фотоприемников с малой апертурой (малой площадью активной поверхности) с высоким быстродействием являются кремниевые с Р-i-n-структурой и лавинные фотодиоды.

Кремниевые Р-i-n-диоды на длине волны λ = 0,9 имеют чувствительность 0,7 А/Вт и быстродействие 10^-9 - 10^-10 с.

Для приемников оптического излучения Р-i-n и лавинных фотодиодов применяют следующие схемы включения (черт 11, 12).

Усилитель с трансимпедансной связью

Черт. 11

Усилитель напряжения

Для усиления падения напряжения на резисторе R_н применяют операционный усилитель

Черт. 12

6.6. Квантово-электронные модули

Наиболее широкое применение получили квантово-электронные модули (КЭМ). Модули выполнены в виде герметичных микросборок (на основе тонкопленочной гибридной технологии), имеющих оптический разъем для подключения оптического кабеля с диаметром сердечника многомодового волокна 50 м. м. «Центром» передающего модуля является излучатель. В качестве излучателя применяют полупроводниковые инжекционные геторолазеры на основе соединений GaAlAs (для диапазона длин волн 0,8 - 0,9 мкм) и JnGaAsP (1,3 - 1,6 мкм). Приемный КЭМ состоит из фотодетектора (P-i-n диода или лавинного фотодиода) и усилителя с системой АРУ.

Для уменьшения потерь на ввод излучения между излучателем и разъемом применены согласующие устройства. Электронная схема обеспечивает его согласование со стандартами сигналами семейства ТТЛ или СЭЛ интегральных схем.

Характеристики основных КЭМ, применяемых для ВОЛС

7. СТРУКТУРНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ВОСП

7.1. Основными элементами каждой световодной системы связи являются (черт. 13):

блок оптического передатчика, в котором электрические сигналы, поступающие на вход системы, преобразуются в оптические импульсы, передаваемые затем в световодную линию связи;

волоконно-оптическая линия;

блок оптического приемника, принимающего оптические сигналы и преобразующего их в электрические импульсы, поступающие на выход системы связи после декодирования и усиления.

Простейшая структура ВОСП (принципиальная схема)

1 - источник электрических сигналов; 2 - кодирующее устройство и модулятор; 3 - оптический источник (излучатель); 4 - волоконный световод (оптический кабель); 5 - фотодетектор; 6 - предварительный усилитель; 7 - фильтр низких частот; 8 - устройство обработки сигнала (декодер)

Черт. 13

7.2. Волоконно-оптические системы передачи могут быть универсальными или специализированными, выполняющими одну или несколько конкретных функций.

При проектировании ВОСП для каждой световодной системы связи разрабатывается структура, и определяются ее технические характеристики. Под структурой понимается расположение в системе передающих и принимающих оптических устройств, световодных линий и их соединений и разветвлений, интерфейсов, аппаратуры отображения информации и т.п.

7.3. К техническим характеристикам относятся: энергетический бюджет системы; ширина полосы пропускания, показатели информационной емкости, скорости обмена информацией, данные о надежности, сроки службы, допустимые значения температур во время эксплуатации, чувствительность системы к воздействию механических нагрузок, электрических, магнитных и аккустических полей, сведения о ремонтопригодности системы и др.

7.4. Структура и технические характеристики системы взаимосвязаны. С другой стороны функциональное назначение системы в некоторой степени предопределяет ее структуру.

ВОСП структурно подразделяются на две категории: системы без ретрансляторов и системы с ретрансляторами, регенирирующими оптические сигналы.

Ретрансляторов не содержат системы связи и передачи данных: внутриприборные, межприборные, а также внутриобъектовые со сравнительно небольшим числом терминалов. Ретрансляторы необходимы в системах многоканальной связи, а также во внутриобъектовых и зоновых системах со многими терминалами, в которых накапливаются значительные оптические потери в соединителях и разветвителях.

Классификация простейших структур ВОСП (черт. 14).

7.5. Простейшие системы без ретрансляторов именуются последовательными и гибридными структурами.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРУКТУР ВОСП

Черт. 14

Полносвязная (гибридная)	- узлы (терминалы) соединяются линиями связи по принципу «каждый с каждым», поэтому она обладает наибольшей живучестью и надежностью, но при этом она наиболее экономична, так как содержит N(N - 1)/2 линий связи, где N - число узлов.
Узловая радиальная (линия)	- узлы терминалы соединяются между собой минимальным (N - 1) числом линий связи без образования замкнутых петель и при правильном выборе структуры сеть имеет минимальную общую длину линий связи. Надежность невелика.
Звездообразная (звезда)	- проста, обеспечивает быстрое нахождение повреждений, легко перестраивается с изменением нагрузки, но имеет низкую эффективность использования линий связи.
Кольцевая (кольцо)	- обеспечивает высокую степень использования линий, но сложна в разработке и в организации обмена информации.

Выбор структурной схемы сети имеет два аспекта: физический и программно-логический.

Физическая структура сети определяется составом, размещением и схемой соединения ее аппаратных средств.

Программно-логическая структура определяется совокупностью протоколов, регламентирующих работу сети и взаимодействие системных приборов.

7.6. При выборе топологии (структуры) системы необходимо учитывать число оконечных устройств обработки информации (УОИ). Подключение ОУ и УОИ к сети возможно следующими способами:

активным, через оптоэлектронные преобразователи, пассивным комбинированный (черт. 15, 16).

Пример активного подключения ОУ к сети с топологией системы магистраль или кольцо

Пер - передатчик оптического сигнала

Пр - приемник оптического сигнала

ОК - оптический кабель

Черт. 15

На черт. 15 показан способ активного подключения, причем для повышения надежности в этой сети предусмотрено два кольца. Оптический приемник и передатчик выполняют роль регистратора, поэтому при выходе из строя прерывается передача в данной магистрали. Использование резервной магистрали приводит к увеличению стоимости сети. В связи с этим желательно применять комбинированный способ подключения.

Пример комбинированного способа подключения с топологией типа «шина» или «кольцо»

ОР - оптический разветвитель; ОУ - оконечное устройство; ОК - оптический кабель

Черт. 16

8. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА И СУММАРНЫХ ПОТЕРЬ НЕКОТОРЫХ СТРУКТУР ВОЛС

8.1. Последовательная («линия») структура

При таком структурном построении систем связи оптические сигналы, несущие информацию, распространяются по общему световоду и по ответвлениям передаются в отдельные узлы абонентские терминалы (АТ). Источникам сигналов может быть один передающий модуль (блок), присоединенный к общему световоду или несколько передающих модулей, находящихся в некоторых узлах системы. Приемные модули и различные терминальные устройства должны размещаться в узлах системы. Структура системы может предусматривать однонаправленную или дуплексную связь, а также наличие мультиплексоров и демультиплексоров.

Динамический диапазон для такой системы определяется выражением:

                                                (1)

где А_ср = e^{-Lα/(N - 1)} - среднее затухание между терминалами

α - коэффициент затухания световода;

L - длина волоконной линии;

N - количество терминалов.

 - суммарные потери в ответвляющем соединителе

T_t - отношение входящей в ответвитель мощности к входящей

C_t - доля мощности, отводимой из общей оптической магистрали к терминалу;

Среднее значение величины  составляет примерно 1,5 дБ.

Отношение величины оптической мощности (ОМ) в линии передачи на входе одного терминала к величине мощности на входе другого терминала определяется суммарной величиной потерь в системе.

                                     (2)

Суммарные потери в последовательной системе, исключая потери в самом световоде, можно представить следующим выражением

TSL = L_sf + L_tr + L_ct + 2L_cl + (N - 3) ∙ (2L_cl + L_ct + L_it)                             (3)

где L_sf - фактор разветвления в двунаправленном ответвителе (3 дБ);

L_tr - коэффициент ответвления Т-образного ответвления (обычно составляет до 1 дБ);

L_ct - собственные потери Т-образного ответвителя (обычно составляют 1,5 - 2 дБ);

L_cl - потери в кабельном разъеме (0,5 - 1,5 дБ);

L_it - вносимые потери, связанные с мощностью ответвляемой в Т-образном ответвителе и равна 10lg(1 - L_t).

Используя вышеприведенные значения потерь, уравнения для суммарных потерь в распределенных системах можно представить упрощенно в функции числа терминалов:

                                                        (4)

Такие системы связи можно использовать для небольшого числа терминалов (N ≤ 5) при небольшой протяженности волоконно-оптического тракта. Кроме того, терминалы расположенные на различных расстояниях от оптических модулей, работают в таких системах в неодинаковых условиях. На фотодетекторы терминалов, находящихся далеко от передающих модулей, будут поступать относительно слабые оптические сигналы. Это можно устранить, вводя различные коэффициенты ввода у каждого терминала для обеспечения одинаковой величины сигнала в каждом детекторе. В этом случае эффективность соединения при передаче информации от 1-го терминала к N-му такая же, как и при обратной передаче от N-го к 1-му.

Такая схема может стать очень громоздкой, и будет описываться выражением:

                                   (5)

Систему такого типа иногда называют пирамидальной дуплексной. Но и она менее предпочтительна относительно других структур, т.к. гибкость системы при проведении реконструкционных работ по ее расширению ограничена, т.е. она должна рассчитываться для определенного числа терминалов.

Использование в последовательной (линии) структуре ретрансляторов улучшает положение, но из-за того, что ретрансляторы располагаются в «линии» последовательно, система перестанет функционировать, если даже один ретранслятор выйдет из строя. Для повышения эксплуатационной надежности системы необходимо дублирование ретрансляторов.

8.2. Кольцевая структура

В такой структуре информация передается по кольцевому волоконно-оптическому тракту, к которому при помощи Т-образных ответвителей подключены узлы системы (т.е. абонентские терминалы) или непосредственно от 1-го узла системы к 2-му и т.д. до N-го, а от N-го к 1-му узлу. Приемо-передающие модули размещаются в узлах системы. Возможна, как однонаправленная, так и дуплексная передача.

Динамический диапазон (ДД), суммарные потери (ОМ) определяются выражениями, аналогичными выражениям (1) - (4).

Кольцевые структуры обладают всеми недостатками последовательной («линии») структуры и в то же время требуют определенного пространственного размещения узлов системы и дублирования оптических путей с целью повышения надежности. Кольцевые структуры позволяют подключить большее число терминалов, чем в «линии», и значительно снизить объемно-массовые параметры системы, когда позволяют ее технические характеристики, по сравнению с радиальной структурой за счет уменьшения длины волоконно-оптического кабеля и исключения тиражирования приемо-передающих блоков в центральном узле системы.

8.3. Звездообразная структура

В системах связи, имеющих такую структуру, информационные сигналы могут генерироваться одним передающим модулем, находящимся в центре звезды («активная звезда»), или несколькими модулями, расположенными в узлах на концах лучей звезды. В центре звезды может располагаться устройство, коммутирующее передачу сообщений.

Для осуществления двухсторонней связи между узлами звезды в каждом из них может располагаться передающий модуль и одновременно приемный модуль. Однако звезда с дуплексными линиями может быть построена и с централизованным оптическим питанием, при котором в каждый из ее лучей поступает свет от общего источника, помещенного в центре звезды. В этом случае в узлаx, находящихся на концах лучей, должны иметься не передающие модули, а модуляторы. Динамический диапазон (ДД) в звездообразной структуре определяется выражением

                                                          (6)

а величина отношения оптической мощности в линии передачи на входе одного терминала к величине мощности на выходе другого терминала будет

                                                     (7)

где L_is - вносимые потери в соединители типа звезда,

L_s - коэффициент разветвления двунаправленного соединителя (~ 3 дБ)

Суммарные потери равны:

TSL = 4L_cl + L_cs + L_is + L_sf,                                                  (8)

где L_is - вносимые потери при разветвлении сигнала звездообразным соединителем (10lgN);

L_cs - внутренние потери в соединители типа звезда (6 - 8 дБ).

Построим зависимость полных потерь в звездообразной и последовательной структурах от количества используемых терминалов, применяя выражения (9) и (4). (Черт. 17 кривая 1 и кривая 2).

При N ≤ 5 суммарные потери в обеих распределительных системах примерно одинаковы, однако для большего числа терминалов различие между ними быстро увеличивается. Для N = 10 в последовательной структуре TSL ~ 48 дБ, а в звездообразной TSL ~ 23 дБ. «Звезда» имеет преимущества перед «линией» по уровню сигналов при большом числе терминалов (N > 10). Поскольку радиальная система имеет только один смеситель сигналов, то в ней не возникает проблем приема, характерных для последовательных систем и связанных с необходимостью иметь аппаратуру автоматического регулирования усиления с большим динамическим диапазоном для обработки больших сигналов от близко расположенных терминалов и слабых сигналов от удаленных терминалов. Если все расстояния до терминалов одинаковые, то динамический диапазон в «звезде» может приближаться к теоретическому значению равному 1 (0 дБ), при одинаковом затухании в кабеле во всех ветвях. Недостатком радиальной структуры является большая длина линии связи с каждым терминалом, что требует при одинаковом числе терминалов использовать более длинные кабели.

8.4. Габаритные структуры

Для построения больших сетей (большая протяженность, большое количество терминалов и т.д.) обычно применяют системы распределения данных, в которых комбинируются элементы всех типов структур. В некоторых гибридных системах можно приблизиться к величине ДД достигаемой в радиальной, с суммарными потерями лишь несколько большими, чем в радиальной. Применяя гибридные структуры, можно достичь большей гибкости при реконструкции и расширению систем и при этом использовать меньше кабеля, чем в случае чисто радиальной, а в некоторых случаях они могут стать единственными, например, в системах кабельного телевидения.

Зависимость полных потерь в распределительной системе от количества терминалов

Черт. 17

9. ПРИМЕР АНАЛИЗА СТРУКТУР ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛОКАЛЬНОЙ СЕТИ

9.1. Проектирование световодных систем связи определяется следующими основными требованиями: необходимой скоростью передачи информации, вероятностью ошибки при кодировании цифровой информации, расстояниями между оконечными устройствами, количеством присоединяемых абонентских терминалов, протяженностью линии.

Рассмотрим «последовательную» и гибридную виды «звезда - общая шина».

Дано: Локальная сеть:

расстояние между абонентскими терминалами (АТ) - 2 км;

максимальное удаление АТ от центральной станции (ЦС) - 20 км;

минимальное удаление АТ от ЦС - 2 км;

обмен информацией в соответствии с ГОСТ 27285-87;

скорость передачи 1 МБит/с;

Вероятность ошибки 10^-9;

манчестерский сигнал (код 1В2В-В).

Учесть, что Р_из ~ 0 дБ/м P_пр ~ -40 дБ/м.

число АТ (N) = 10 терминалов

Исходя из заданных условий, необходимо провести выбор компонентов ВОСП: оптического кабеля; передающего устройства; фотодиода.

9.2. Выбор типа излучателя (передающего устройства)

Выбор конкретного типа излучателя определяется необходимым уровнем мощности излучения, вводимой в оптический кабель, интервалом рабочих температур, ресурсом, потребляемой мощностью и стоимостью.

По требованию условий нам необходимо иметь излучатель с мощностью Р_изл = 1 мВт. Такую мощность излучения нам обеспечит лазерный диод, генерирующий свет с длиной волны λ = 1,3 мкм. В то же время лазерные диоды легко обеспечивают значительную долю (> 50 %) ввода излучения в световод с сердцевиной 50 мкм и числовой аппаратурой NA = 0,2. Выбираем многомодовый лазерный диод типа ИЛПН-206, работающий на длине волны λ = 1,3 мкм с P_изл ≥ 1 мВт.

9.3. Выбор оптического кабеля

Важнейшими характеристиками оптического кабеля являются: затухание сигнала в оптическом кабеле на определенной длине в зависимости от длины волны передаваемого излучения; веса и размеров (габаритов), простота сращивания и ввода излучения.

Выбираем оптический кабель типа 03кг-1-0,7, имеющий многомодовое волокно с градиентным профилем показателя применение типа «кварц - кварц» 50/125 (диаметр сердцевины ОВ - 50 мкм) рабочую длину волны λ = 1,3 мкм, полосу пропускания 800 МГц/км, оптические потери в световодном волокне α = 0,7 дБ/км и строительную длину 2,2 км.

9.4. Выбор фотоприемника

Фотоприемник должен обладать высокой чувствительностью в рабочем диапазоне длин волн, малой инерционностью, низким уровнем шума, малым габаритным размером. В фотодиодах со структурой типа P-i-n возможно расширение частотного диапазона фотодетектора без снижения его чувствительности. В диапазоне волн λ = 1,3 мкм лучшими характеристиками обладают фотодиоды на основе германия.

Выбираем в качестве фотоприемника германиевый P-i-n и фотодиод типа «Базис-2», работающий в фотодиодном режиме без лавинного умножения на длине волны λ = 1,3 мкм.

9.5. Расчет потерь в оптическом тракте

Исходя из условия Р_из ~ 0 дБ/м P_пр ~ -40 дБ/м

Полный энергетический бюджет системы будет равен 40 дБ. Из условия (Р_из - P_пр) - Q_тр ≥ 10 дБ получаем, что суммарные потери в оптическом тракте не должны быть больше 30 дБ.

Произведем расчет оптических потерь Q_тр для последовательной и гибридной структур.

Общие оптические потери определяются следующим выражением:

                        (10)

где α - затухание ОК = 0,7 дБ;

L - общая длина линии = 20 км;

L_стр. - строительная длина ОК = 2,2 км;

α_соед. - потери в соединении строительных длин = 0,2;

α_раз - потери в разъеме = 1 дБ;

α_отв - потери в ответвителе оптической мощности;

α_рем - потери при ремонте, реконструкции = 2 дБ;

Определим потери в ответвителях с ответвлением мощности (коэф. деления) 2 %, 10 %, 25 %, 50 %.

Потери определяются

Рассчитаем потери ответвителей и запишем в таблице.

В начале линии применяем ответвители с коэффициентом деления 2 %, перед последним терминалом необходимо установить ответвитель с коэффициентом деления равным 50 %.

Соединение строительных длин сваркой.

Последовательная структура

Дано: N_АТ = 10, L - 20 км, L_стр. - 2,2 км, 2 % отв. - 8.

Согласно выражения (10), оптические потери составляют

Такой уровень потерь не обеспечивает подключения 10 терминалов.

Следовательно, необходимо уменьшение их количества, чтобы выполнялось требование

Q_тр должно быть ≤ 30 дБ,

принимаем N = 5, тогда Q_тр = 34,23 дБ опять структура не обеспечивает выполнение задания и только при N = 4 структура обеспечивает их работу, хотя условия задачи не выполнены - подключить 10 абонентских терминалов на длине ОК = 20 км

Гибридная структура «Звезда - общая шина»

Q_тр будет определена для каждого луча с добавлением потерь на «звезду» на основе выражения (10) α_звезды = 3 дБ.

Задается: 1 луч - 5 терминалов L_линии = 11 км;

2 луч - 3 терминала тогда L = 18 км

3 луч - 2 терминала на максимальном удалении 20 км

Q_тр⁽¹⁾ = 28,75 дБ Q_тр⁽²⁾ = 29,13 дБ Q_тр⁽³⁾ = 27,7

Структура «звезда - общая шина» обеспечивает подключение 10 абонентских терминалов, т.к. Q_тр каждого луча менее установленных допустимых потерь равных 30 дБ.

9.6. Выводы. Выбираем структуру ВОСП «Звезда - общая шина»

Обоснование. Структура «последовательная» не обеспечивает подключение заданного количества АТ при установленной мощности излучения и при выбранных компонентах ВОСП. Не сохраняется условие Q_тр ≤ 30 дБ.

Структура «звезда - общая шина» позволяет подключить все количество АТ, установленных заданием (обеспечивается условие Q_тр ≤ 30 дБ) при той же мощности излучения и выбранных компонентах ВОСП. Однако такая структура предопределяет увеличенный расход ОК, что в итоге несущественно влияет на стоимость системы.

9.7. Технико-экономическое обоснование выбора гибридной структуры («звезда - общая шина»)

На основании анализа рассмотренных структур ВОСП можно сделать следующие выводы:

1. Применение «последовательной» структуры ВОСП не обеспечивает подключения заданного количества абонентских терминалов на протяженных линиях (10 АТ, L_лин = 20 км).

2. Для подключения указанного количества абонентских терминалов (10 АТ) «последовательная» структура вынуждает применять дополнительные линии (две линии протяженностью по 10 км с 3-мя АТ и передающим модулем на каждой линии).

3. Гибридная структура «звезда - общая шина» позволяет подключать указанное количество абонентских терминалов (10 АТ), хотя и увеличивает общую длину линий примерно в два раза.

4. «Звезда - общая шина» обеспечивает работу абонентских терминалов на одном передающем модуле.

На основании вышеизложенного рассмотрим экономическую эффективность выбора структуры «звезда - общая шина».

Стоимость системы определяется суммой цен абонентских терминалов, стоимостью оптического кабеля, передающих модулей и ценой монтажных работ.

Примем стоимость монтажных работ одинаковой для обеих структур ВОСП, тогда стоимость системы связи будет:

С = C_АТ ∙ n + C_ок ∙ n + C_пер,

где C_ат - стоимость абонентского терминала - 1 тыс. руб.

C_ок - стоимость оптического кабеля - 2 тыс. руб./км.

C_пер - стоимость передающего модуля - 0,6 тыс. руб.

Последовательная структура.

Стоимость системы с 4-мя АТ на линии в 20 км

С₁ = 1,4 + 20,2 + 0,6 = 44,6 тыс. руб.

Для обеспечения подключения еще 6 АТ необходимо две линии со стоимостью 23,6 тыс. руб. каждая, тогда общая стоимость ВОСП при «последовательной структуре» будет C₁ + C₂ + C₃;

C_общая = 44,6 + (2×23,6) = 95,8 тыс. руб.

Гибридная структура.

Расход оптического кабеля должны увеличить в два раза (задание 20 км - получаем - 40 км) стоимость системы «звезда - общая шина» будет

C_общая = 1,10 + 40,2 + 0,6 = 90,6 тыс. руб.

Экономия от применения структуры «звезда - общая шина» составит

Экономия подтверждает правильность выбора гибридной структуры для ВОСП.

10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВВОДЕ В ВОЛОКНО

10.1. В реальных системах при составлении энергетического баланса необходимо определять и учитывать величину потерь оптического излучения при вводе в волокно (черт. 17).

Черт. 17

10.2. Для передачи энергии по световоду используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред и соблюдается условие n₁ > n₂.

В зависимости от угла θ имеют место волны излучения, преломленные лучи и отраженные. Лучи, вошедшие в волокно под разными углами, могут или покинуть световод или полностью остаться в нем, значит есть какой-то критический угол θ_кр, при котором выполняется явление полного внутреннего отражения будет соответствовать углу отражения φ_n. Величину θ_кр называют апертурным углом.

                                               (11)

где A - числовая апертура.

Режим полного внутреннего отражения зависит от диаграммы направленности (ДН) источника излучения. Значительные потери световой энергии возникают, когда ДН превышает предельный угол захвата торцом волокна и в нашем случае θ_кр.

ДН → B(φ) = B₀(cosφ)^m,

где В₀ - энергетическая яркость вдоль оси светового пучка (φ = 0)

Ширина ДН = 2φ₀, где φ₀ - угол между осью светового потока и направлением в котором энергетическая яркость равна В₀;

показатель m для светодиодов низкой яркости равен 1, для светодиодов высокой яркости принимают от 2 до 5, для полупроводниковых инжекционных лазеров равен 10.

10.3. Если диаграмма направленности обладает осевой симметрией, то потери (ηБ) излучения на вводе в торец волоконного световода определяются

                                            (12)

P_и - мощность источника излучения;

P_пер - мощность излучения вводимая в световод;

S_и - площадь излучающей поверхности источника излучения;

S_с - площадь сердцевины световода;

A_д - действительная числовая апертура.

11. ПОТЕРИ НА ИЗГИБАХ И МИКРОИЗГИБАХ СВЕТОВОДОВ

При изгибах световодов, как правило, теряется мощность передаваемого излучения. Это приводит к дополнительным потерям, которые могут быть малы, если радиус кривизны изгиба достаточно велик.

Для оценки потерь α_и, дБ на изгибе радиуса R в многомодовом светодиоде можно пользоваться приближенной формулой:

                                                          (13)

где q = 1 для градиентных световодов;

q = 2 для ступенчатых световодов.

Пример: 2а = 50 мкм - диаметр сердцевины, Δ = 0,01 и R = 22 см получаем для градиентных световодов α_и = 0,1, для ступенчатых -0,2 дБ. Точную оценку потерь определить сложно, т.к. необходимо вычислить межмодовую дисперсию взаимовлияния мод при их смешении при изгибах, определить какая часть электромагнитной волны излучается в пространство, фазовую скорость моды и изменение ее после изгиба. Поэтому формула достаточна для оценки потерь при выборе световода для ВОСП.

12. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЛИНИИ (УЧАСТКА РЕГЕНЕРАЦИИ)

12.1. Одним из главных расчетов проекта ВОЛС является определение длины регенерационного участка.

Длина участка регенерации ВОЛС, после прохождения которого сигнал требует полного восстановления, определяется энергетическим потенциалом аппаратуры a = al и передаточными параметрами кабеля: коэффициентом затухания α и дисперсией τ. Затухание приводит к ослаблению сигнала и уменьшает дальность передачи. Дисперсия ограничивает пропускную способность световода , которая оказывается тем сильней, чем длинней линия (l_ΔF).

Полоса пропускания частот ΔF и дальность передачи связаны следующим соотношением:

ΔF/ΔF_x = l_x/l,                                                                       (14)

где значения с индексом X - искомые, а без - заданные, тогда

ΔF_x = ΔF и

Общее затухание участка (линии) ВОЛС определяют:

                          (15)

где P_пер., P_пр. - мощность оптического излучения источника или уровень мощности излучения вводимого в светодиод;

P_пр., P_пр. - мощность или уровень мощности принимаемого оптического сигнала;

N_н.с. - число неразъемных соединений оптических волокон;

N_р.с. - число разъемных соединений оптических волокон;

α_н.с., α_р.с. - потери в неразъемном или в разъемном соединении.

12.2. Пример: Определить максимальную длину участка регенерации L_р ВОЛС со скоростью передачи информации B = 8,448 МБит/с. Оптический кабель имеет коэффициент затухания α = 3 дБ/км, многомодовый со ступенчатым профилем показателя преломления. Сердечник-кварц (показатель преломления П₁ = 1,51 Δn = 0,015). Соединение строительной длины в 1 км (l_сд) сваркой, вносимое затухание α_н.с. = 0,2 дБ. Передающий оптический модуль (ПОМ) - инжекционный лазер мощность P_пер. = 2,5 мВт.

Приемный оптический модуль (ПрОМ) - лавинный фотодиод ЛФД с предварительным усилителем на полевом транзисторе.

Динамический диапазон передаваемого сигнала 10 дБ, вносимые потери в месте контакта (ввода) световода с окнами фотодетектора 1 дБ. На участке регенерации два разъема (α_ре = 1 дБ) для подключения ПОМ и ПрОМ к кабелю. Длина установившейся связи L_у = 0,2 км.

Решение. Максимальную длину участка регенерации можно определить, используя выражение (14). Выражение (14) запишем в виде:

                                                     (16)

здесь учтено, что число неразъемных соединений строительных длин ОК на участке .

Уровень мощности, вводимой в световод, определяется по выражению (15)

P_пер. = 10lg2,5 = 3,98 дБм

Минимально допустимый уровень определяем по графикам интенсивности излучения в паспортах фотодетекторов и транзисторов. Зависимость минимально допустимого уровня мощностей от скорости передачи информации при использовании биполярного (а) и полевого (б) транзисторов (черт. 18) 1 - кривая для ФД, 2 - кривая для ЛФД.

Зависимость уровня мощности от скорости передачи

а) биполярный транзистор В, МБит/с б) полевой транзистор МБит/с

Черт. 18

Уровень мощности оптического излучения, вводимого в световод, выражается в дБм и определяют:

P_пер = 10lg(P_пер/P₀)                                                             (17)

где P₀ = 1 мВт.

Уровень мощности принимаемого оптического сигнала (зависит от чувствительности приемного устройства)

P_пр = P_пр.min. + C                                                              (18)

где С - слагаемое, учитывающее необходимое увеличение уровня мощности принимаемого оптического сигнала по сравнению P_пр.min. за счет динамического диапазона и потерь в месте соединения световода с фотодетектором.

Общая величина уширения импульсов на участке длиной L

                                                 (19)

где τ_мм и τ_хр = τ_в + τ_мат - уширение импульса в результате межмодовой (τ_мм) и хроматической (τ_хр) дисперсий.

В линейных кодах длительность импульса принимают или T или Т/2. В цифровых кодах минимальный интервал между импульсами - Т/2.

Уширение импульса на длине участка регенерации τ_р в общем случае определяется согласно выражению (19) при L = L_р, чтобы не было перекрытия между соседними импульсами на входе приемного устройства τ_р не должно превышать Т/2 и может быть

τ ≤ 1/2B                                                                 (19а)

где В = 1/Т - скорость передачи информации.

Используя выражения (14) и (19) возможно определить максимальную длину участка регенерации.

Одним из главных расчетов проекта является определение длины регенерационного участка ВОЛС. Желательно, чтобы l_р была максимальной. Величина l_р в основном определяется двумя факторами: потерями и дисперсией в ОК. Экспериментальными исследованиями была выведена зависимость расстояния от скорости передачи информации ΔF и длины волны λ (черт. 19).

Зависимость расстояния между ретрансляторами от скорости передачи

А - одномодовые волокна; Б - многомодовые волокна.

На участке А в одномодовых волокнах происходит ограничение l_р за счет шумов разделения мод излучателя (лазера).

На участке Б ограничение l_р происходит из-за модовой дисперсии.

Черт. 19

при В = 8,448 МБит/с P_пр.min = -62 дБм, согласно (15), уровень мощности принимаемого сигнала будет равен P_пр. = -62 + 10 + 1 = 51 дБм по выражению (19) находим максимальную длину участка регенерации (обусловленную потерями)

в многомодовом ступенчатом световоде уширение импульсов определяется межмодовой дисперсий в соответствии

                                               (20)

где L_у - установившаяся длина связи между модами

если L < L_у - взаимодействие мод не успевает оказать заметного влияния на распространение импульса и межмодовая дисперсия линейно возрастает с их распространением вдаль волокна.

если L ≥ L_у - взаимодействие мод приводит к Гауссову распределению поля в световоде и дисперсия растет в соответствии  в многомодовых волоконных световодах внутримодой дисперсией можно пренебречь и величину уширения импульсов на участке световода длиной L можно рассчитать по

                                                                  (21)

в многомодовом ступенчатом световоде уширение импульса определяется межмодовой дисперсией в соответствии (20) и (21) при L = L_р получаем:

по (19а) находим максимальную длину участка регенерации

максимальная длина участка регенерации ВОЛС не должна быть больше 7 км.

13. ЗАКОН СУММИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОК

Суммирование параметров ОК необходимо проводить при определении максимальной длины ретрансляционного участка для составления карты соединения ОК, располагая их по возрастающим значениям затухания или дисперсии. Затухание (α_i) и дисперсия (τ_i) при соединении m строительных длин ОВ со ступенчатым профилем без связи мод выражается

                                                     (22)

Дисперсия двух строительных длин ОВ с градиентным профилем без связи мод выражается

                                                (23)

где r₁₂ - коэффициент корреляции, принимающий значение от -1 до +1

при соединении m строительных длин будет

                                                  (24)

при значениях r₁₂ < -1 и 0 значения дисперсии при сращивании отдельных участков ВОЛС уменьшаются.

При сильной модовой связи значения дисперсии суммируются по закону квадратного корня

                                                               (25)

Согласно экспериментальных последований этот закон выражается

                                                              (26)

По паспортным данным, имеющимся в наличии на ОК, вычисляют среднее значение α_стрi или τ_стрi и заносят в таблицы. Затем для самого длинного ретрансляционного участка (РУ) отбирают необходимое количество строительных длин с минимальным средним значением дисперсии. Пользуясь выражениями (22) - (26) определяют ожидаемые значения затухания α_рез и дисперсии τ_стр, которые должны быть меньше допустимых значений α_доп. или τ_доп. для данного РУ.

14. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МОНТАЖУ ВОЛС

14.1. Способ монтажа ВОЛС выбирается в зависимости от условий окружающей среды, назначения помещений, расположения оборудования, удобства эксплуатации и особенностями строительных конструкций и архитектуры зданий с учетом требований изм. № 1 СНиП 3.05.07-85.

14.2. Линии связи, выполненные оптическими кабелями (ОК) могут прокладываться, как правило, следующими способами:

В производственных и иных помещениях, а также в наружных установках - непосредственно по поверхности стен и конструкций;

на лотках (различных модификаций) в пластмассовых и стальных коробах различных модификаций (глухих, с крышками и т.п.);

в пластмассовых и стальных защитных трубах;

в металлорукаве;

на трассе;

в кабельной канализации;

непосредственно в грунт (траншеях).

14.3. Трассы ОК должны прокладываться по кратчайшим расстояниям, с минимальным числом поворотов.

Открытую прокладку незащищенных ОК по стенам следует выполнять на уровне не менее 2 м от уровня пола или рабочей площадки обслуживания. В местах, где возможны механические повреждения, ОК должны быть защищены применением отрезков труб, металлическим уголкам, перфопрофилем или устройством скрытой проводки.

Вертикальные участки ОК должны быть защищены от механических повреждений от уровня пола на высоту не менее 2 м.

14.3. Расстояние между точками крепления открыто проложенных ОК зависит от их конструкции и должно быть не более 0,8 м. Расстояние между точками крепления выбирается так, чтобы стрела провиса на 1 м составляла не более 3 мм.

14.4. Радиус поворота (изгиба) ОК должен быть не менее 20 наружных диаметров прокладываемого кабеля и тяговые усилия при прокладке не должны превышать значений, указанных в ТУ или паспорте на кабель.

14.5. Допустимое тяговое усилие определяется

F = P ∙ l ∙ f,                                                              (27)

где Р - масса кабеля в кг/м;

l - длина трассы канализации (труб, металлорукава, короба и т.п.);

f - коэффициент трения материала оболочки ОК.

Среднее значение коэффициента трения до ОК с полиэтиленовой (поливинилхлоридной) оболочкой составляет:

при прокладке в:

полиэтиленовых трубах - 0,29;

металлических трубах - 0,3;

металлорукавах - 0,31;

асбестоцементных трубах - 0,32;

бетонных трубах - 0,38.

Допустимые длины ОК с учетом приведенных коэффициентов у допустимых тяговых усилий приведены в таблице А.

Таблица А.

Во всех случаях тяжение осуществлять, только используя силовые элементы ОК (трос, проволоку, нити). В целях защиты ОК от случайных механических повреждений во время эксплуатации и монтажа проводок систем автоматизации, как правило, не допускается совместная прокладка. Если невозможно организовать самостоятельную трассу ОК, допускается совместная прокладка ОК с проводками СА в одном лотке или коробе при условии создания перегородок вдоль лотка или короба.

14.6. Бригады, занятые монтажом ВОЛС, должны иметь необходимый набор приборов и инструментов (приложение 3). Во время проведения монтажных работ (выполнение различных измерений на оптических кабелях и их соединении в муфтах и т.п.) оформляются и передаются заказчику протоколы согласно приложения 3.

15. ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ВОСП

15.1. Оптический кабель - кабельное изделие, содержащее один или несколько оптических волокон, модулей или жгутов, заключенных в общую оболочку, поверх которой в зависимости от условий эксплуатации может быть наложен защитный покров.

Волоконно-оптические кабели (ОК) по своему назначению могут быть классифицированы: магистральные, зоновые, городские, объектовые (станционные) и монтажные.

Для локальных сетей систем автоматизации и сетей связи управляющих вычислительных комплексов межмашинной связи в основном применяются зоновые, объектовые и монтажные (Приложение 2).

15.2. При проектировании ВОСП разработчики могут применять световоды и оптические кабели различной длины, изготовленные разными предприятиями. Для надежной работы ВОЛС необходимо иметь световоды или оптические кабели с одинаковыми параметрами или, по крайней мере, с параметрами, удовлетворяющими предельные требования эксплуатации и монтажа (рабочая температура, механическая прочность, срок службы и т.п.), т.к. практика показала, что именно эти параметры существенно отличаются от партии к партии.

Все это обуславливает необходимость контроля параметров перед монтажом и тщательный подбор при проектировании.

15.3. За основу взяты кабели восьмиволоконной конструкции, позволяющие закладывать в конструкцию 4, 6 или 8 волокон. Они имеют ступенчатое и градиентное оптическое волокно (диаметр сердцевины 50 мкм, оболочки 125 мкм).

В настоящее время принята следующая маркировка оптических кабелей:

первые две буквы указывают назначение кабеля ОК - линейный ГТС; ОЗК - зоновый; ОМЗ - магистральный; ОН - станционный;

группа цифр обозначают:

диаметр сердцевины для кабелей;

номер разработки;

1 - без заполнения сердечника;

2 - с гидрофобным заполнением;

километрическое затухание (ослабление);

число волокон - (числитель в дроби марки кабеля означает число оптических волокон, а знаменатель - число медных жил для дистанционного питания).

Пример: ОК-50-2-5-4 означает линейный кабель для ГТС на основе оптического волокна с диаметром сердцевины 50 мкм, разработка 2 (с гидрофобным заполнением сердечника) с километрическим ослаблением 5 дБ/км и четырьмя оптическими волокнами.

ОЗКГ-1-0,7-4/4 - зоновый кабель на основе градиентных оптических волокон с диаметром сердцевины 50 мкм и оболочки 125 мкм, без заполнения сердечника, километрическое затухание - 0,7 дБ/км, 4 оптических волокна и 4 медных жилы.

15.4. Для изготовления оптических волокон применяют материалы, обладающие минимальными потерями и высокой прозрачностью.

Отечественные стеклянные световоды состоят из пары стекол ТК-16 (сердцевина) и ЛК-6 (оболочка).

Диаметр световодов 30 мкм, при этом толщина оболочки составляет единицы мкм. Апертура равна 0,5, т.е. угол входного пучка лучей, распространяющихся по световоду, не покидая его, составляет 30°.

Полимерные световоды обладают примерно такими же характеристиками, что и стеклянные.

Они удобны в обращении, нет жестких условий при формировании и обработке торцов, что делает их незаменимыми при лабораторных исследованиях и изготовлении приборов и оснастки недлительного пользования. Однако их промышленное применение сдерживается их быстрым старением (под действием различных воздействий - температуры, влажности, механических усилий и т.п., происходит деградация материала и значительное снижение светопропускания).

Кварцевые световоды имеют малое затухание (меньше единицы на 1 км), однако их апертура мала (0,2 - угол составляет 11,5°; 0,1 - угол примерно 6°), что вызывает сложность ввода излучения.

Диаметр кварцевого волокна составляет обычно 50 мкм и оболочка 120 мкм, которая бывает двух типов: кварцевая и полимерная.

15.5. Световоды подразделяются на «ступенчатые» и «градиентные». Названия определяют профиль показателя преломления.

Ступенчатые световоды (сердечник) имеют постоянное по радиусу значение показателя преломления (есть ступенька и на границе «сердечник - оболочка») (Черт. 20).

Черт. 20

Градиентные световоды (сердечник) имеют плавное изменение значения показателя преломления от центра к краю (отсутствуют ступенька значение показателя преломления изменяется по диаметру волокна параболически) (Черт. 21).

Черт. 21

Следствием такого распределения показателя преломления является самофокусировка лучей, лучи почти не приближаются к боковой поверхности сердечника и пропускание увеличивается. Градиентные световоды имеются среди стеклянных, полимерных, но наибольшее распространение они получили в семействе кварцевых.

Кварцевые световоды, обладая высоким светопропусканием, имеют малую апертуру снижающую эффективность источника излучения (при вводе). При длине линии в 30 - 50 м совокупность апертуры и светопропускания стеклянных, полимерных и кварцевых световодов выравнивается. При длинах свыше 50 м предпочтительно применение кварцевых световодов, т.к. с увеличением длины линии светопропускание является основным фактором на затухание сигнала.

15.6. Световоды (оптические волокна) разделяются на одномодовые и многомодовые, это обусловлено числом распространяющихся на рабочей частоте волн (мод) по сечению сердечника. Число мод находится в прямой зависимости от диаметра d сердечника и длины волны λ. С увеличением диаметра сердечника и уменьшением длины волны число мод возрастает.

При d = λ в поперечном сечении световода указывается только одна волна - одномодовая передача сигнала.

При d > λ в поперечном сечении световода укладывается несколько волн - многомодовая передача сигнала.

В настоящее время принято при длинах волн λ = 0,8 - 1,6 мкм применять световоды с диаметром сердечника d = 4 - 8 мкм для одномодовой передачи и при d = 50 мкм - для многомодовой передачи.

Число мод можно определить по формуле

N = (πdn₁/λ)²Δ,                                                        (28)

где Δ = (n₁ - n₂)n₁

n₁ - показатель преломления сердечника;

n₂ - показатель преломления оболочки;

Δ - обычно составляет 0,01 - 0,003.

По числу мод классификация световодов будет иметь

N = 1 при d = λ                - одномодовые

N > 1 при d > λ                - многомодовые

15.7. Основные характеристики световодов

К основным характеристикам световодов относятся светопропускание (потери), спектральный диапазон и апертуру.

Светопропускание (пропускная способность) характеризует долю излучения, прошедшего через световод, и существенно зависит от типа и свойств световодов (одно или многомодовых, градиентных или ступенчатых), а также от типа излучателя (лазер или светоизлучающий диод).

Потери, появляющиеся при передаче по световоду, выражаются в дицебелах на километр (дБ/км).

Для инженерных расчетов можно пользоваться упрощенной формулой (достаточная для практики точность).

τ = τ_погл. ∙ τ_фр. ∙ τ_отр. ∙ τ_кр.,                                                  (29)

где τ_погл. - потери, обусловленные материалам световода (τ_погл. = l^-kl)

τ_фр. - потери, вызванные френелевским отражением от торцов световода τ_фр. = (1 - f_фр.)²

τ_отр. - потери, вызванные отображением на границе «сердцевина - оболочка» τ_отр. = (1 - α)^J

τ_кр. - составляющая обусловленная «краевым эффектом»

Значения τ_фр., τ_отр. и τ_кр. практически не изменяются от световода к световоду и в большинстве случаев определяются экспериментально, тогда выражение (30) можно представить в виде

τ = С ∙ e^-kl,                                                            (30)

где С - постоянный коэффициент равный произведению τ_фр. ∙ τ_отр. ∙ τ_кр., а e^-kl характеризует потери на поглощение излучения в материале световода.

Апертура, или числовая апертура, NA является важной характеристикой световода, представляющая собой синус максимального угла падения лучей на торец световода, при котором в световоде луч на границу «сердцевина - оболочка» падает над критическим углом θ_кр. и выполняется условие полного внутреннего отображения θ_кр. = φ_n;

где φ_n - угол полного внутреннего отображения

NA = n₀sinα_m,

так как n₀sinα_m = n₁ ∙ sinφ = n₁cosθ_кр., учитывая, что n₁sinθ_кр. = n₂,

где n₀, n₁, n₂ - показатели преломления наружной среды сердцевины и оболочки

имеем:

                                                (31)

От значения числовой апертуры зависит эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод.

Чем больше угол φ_n, тем меньше апертурный угол волокна θ_кр.. Луч в торец световода следует вводить под углом, меньшим апертурного угла волокна θ_кр.

Спектральный диапазон - диапазон волн оптического излучения передаваемого световодам, или полоса светопропуcкания. У большинства стекол, полимера и кварца полоса лежит в среднем в пределах 0,45 - 2 мкм с провалом до уровня ≈ 0,7 на длине волны 1,4 мкм.

ПРИЛОжение 1

КОМПОНЕНТЫ ВОСП

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Таблица 6

 

Таблица 7

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ОПТИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ВОСП

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПЕРЕЧЕНЬ
ПРИБОРОВ, ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ МОНТАЖЕ ОК.

Комплексная бригада в составе 5 человек:

Инженер измеритель - 1 (бригадир)

Техник измеритель - 1

Монтажник (оператор-сварщик) - 1

Монтажник КИПиА 6-го разряда - 1

Монтажник 5-го разряда - 1

Протокол входного контроля измерения затухания оптических волокон

Форма 1

Затухание оптических волокон определяют по формуле

где P_вх. и Р_вых. - значение сигналов, соответствующие уровням мощности на входе и выходе ОВ.

Коэффициент затухания ОВ определяют по формуле

где L₁ и L₂ - длина короткого и длинного отрезка волокна.

Среднее значение выходной и входной мощности определяют после проведения трех измерений по формулам

Проверку производил

______________________________

  ^{(Ф. И. О. исполнителя)}

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ