Профильная дисперсия

Данный вид дисперсии проявляется в реальных оптических волокнах, которые могут быть регулярными (например, с регулярной, геликоидальной скруткой), нерегулярными (например, нерегулярное изменение границы раздела ППП), неоднородными (например, наличие инородных частиц).

На рис. 11 показаны основные причины возникновения профильной дисперсии. К ним относятся поперечные и продольные малые отклонения (флуктуация) геометрических размеров и формы волокна, например:

- небольшой эллиптичности поперечного сечения волокна; изменения границы профиля показателя преломления (ППП);

- осевые и внеосевые провалы ППП, вызванные особенностями технологии изготовления ОВ.

Продольные флуктуации могут возникать в процессе изготовления ОВ и ОК, строительства и эксплуатации ВОЛС. В ряду случаев профильная дисперсия может оказать существенное влияние на общую дисперсию. Профильная дисперсия может проявляться как в многомодовых, так и в одномодовых ОВ. Физически происходит перекачка энергии между направляемыми, оболочковыми и излучаемыми волнами (рис. 8).

Величина уширения импульсов из-за профильной дисперсии τ_пр, находится из выражения (17). Это выражение справедливо для одномодовых волокон при реальной флуктуации границы раздела ППП (рис. 11). При наличии других внешних влияющих факторов ее величина может значительно увеличиваться.

Для инженерных расчетов можно использовать упрощенную формулу:

τ_пр = ΔλℓП(λ). (41)

где

• П(λ) - удельная профильная дисперсия, значения которой затабулированы (табл. 7);

• Δλ - ширина спектра излучения источника;

• ℓ - длина линии.

Удельная профильная дисперсия, выражается в пикосекундах на километр длины световода и на нанометр ширины спектра.

Таблица 7

Длина волны λ, мкм	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,55	1,6	1,8
П(λ), пс/(км.нм)	0	1,5	5	2,5	4	5	5,5	6,5	7,5

Сравнивая дисперсионные характеристики различных световодов, можно отметить, что лучшими с этой точки зрения являются одномодовые световоды, где присутствует лишь хроматическая дисперсия, величина которой не превышает нескольких пикосекунд в определенном диапазоне длин волн (λ=1,2 ... 1,6 мкм).

Из многомодовых световодов лучшие данные по дисперсии у градиентных световодов с плавным параболическим законом изменения показателя преломления, в которых происходит выравнивание времени распространения различных мод и определяющей является материальная дисперсия. По абсолютной величине дисперсия уменьшается с ростом длины волны и колеблется в пределах 1...2 нс/км.

Наиболее сильно дисперсия проявляется у ступенчатых многомодовых световодов, что приводит к уменьшению их использования на цифровых высокоскоростных линиях связи.

Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой, материальной, волноводной и профильной дисперсий определяется из выражения (18).

Дисперсия в основном определяет ширину полосы передаваемых частот и, соответственно, число каналов передачи информации.

Построение сетей электросвязи

Любая сеть связи содержит: оконечное оборудование (каналообразующую аппаратуру), линии связи, системы коммутации, оконечные устройства (устройства абонентского доступа). Обобщённая схема сети связи приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1 – Обобщённая схема сети связи.

Сеть связи представляется узлами (пункты коммутации) и рёбрами (линиями связи), соединяющими эти узды между собой.

Все сети связи Украины представляют Единую Национальную Сеть Связи (ЕНССУ). Сети связи строятся по иерархическому принципу – от высшей ступени к низшей, т. е. от центра (столицы) к периферии в соответствии с административно – территориальным делением государства. Территория Украины разбита на 25 зон (по числу областей), главным узлом является

г. Киев. Линии связи делятся на магистральные, зоновые, внутризоновые. Магистральные линии соединяют головной узел с областными центрами (центрами зон) и центры зон между собой, они образуют магистральную сеть. Зоновая сеть организуется в пределах одной или двух соседних областей на основе зоновых линий связи. Зоновая сеть образуется внутризоновыми и местными линиями. Местная связь состоит из сельской связи (райцентр – населённые пункты административного района) и городской телефонной сети (ГТС). Зоновая связь организуется зоновыми (внутризоновыми) линиями связи.

В процессе распространения сигналов вдоль ЛС, вследствие потерь энергии, в НС происходит постепенное уменьшение амплитуды сигнала и его искажение вследствие действия помех различного происхождения. В усилительных пунктах сигнал усиливается до необходимого уровня, а в регенерационных регенерируется и усиливается.

ЕНССУ объединяет сети всех уровней иерархии, строится на основе единой системы нумерации и единой системы построения каналообразующей аппаратуры. ЕНССУ делится на первичную сеть и вторичную. Первичная сеть – это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В её состав входят линии связи и каналообразующая аппаратура. Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения, (телефонных, телевидения, передачи данных и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть образуется на базе первичной.

Топология сетей связи представляет структурное построение сети. Существует несколько вариантов топологий:

- полносвязная (каждый с каждым), при которой любой узел сети имеет прямые связи со всеми остальными узлами;

- узловая, при которой несколько пунктов группируются в узлы и последние соединяются между собой;

- радиальная (звёздообразная), при которой имеется один узел, который соединяется радиальными линиями с другими пунктами.

Распространённой является топология сочетающая радиальную и узловую структуры. В этом случае узлы одного уровня иерархии соединяются с нижестоящими узлами между собой.

В информационно – вычислительных сетях используются шинные, древовидные, решётчатые (ячеистые) структуры.

Построение городской телефонной сети(ГТС). Как любая сеть связи, ГТС должна быть высоконадёжной и экономичной. Надёжность сети обеспечивается её разветвлённостью, наличием обходных путей. Экономичность достигается минимизацией расстояний между узлами сети. ГТС организуется на основе полносвязной, радиальной, узловой и гибридной топологий. ГТС представляет совокупность станционных сооружений, линий связи, оконечных абонентских устройств, обеспечивающих возможность передачи различных видов информации.

Станционные сооружения предназначены для коммутации, а при необходимости - для усиления и регенерации сигналов (автоматические телефонные станции). Существует две схемы построения ГТС – районированная и нерайонированная. ГТС крупных городов строится по принципу районирования. В этом случае территория города делится на ряд районов. В каждом районе находится несколько АТС и районная АТС (РАТС). АТС и РАТС соединяются между собой по радиальной схеме. РАТС отдельных районов соединяются между собой по разным схемам: полносвязной, с узлами входящих сообщений, с узлами входящих и исходящих сообщений. Нерайонированная сеть применяется в небольших городах. В этом случае несколько АТС (2-3) соединяются между собой по полносвязной схеме.

Появление высокоскоростных систем передачи, цифровых систем коммутации и оптических кабелей в больших городах (с количеством абонентов более 1 млн.) привело к появлению комбинированных топологий на основе транспортных колец (рис. 2.2).

Рис. 2.2 - Построение городской телефонной сети на основе транспортного кольца

Такая схема организации связи обеспечивает высокую надёжность, живучесть и экономичность сети.

Линии связи ГТС состоят из абонентских и соединительных линий. Абонентские линии – это участок сети от АТС до абонента, соединительные линии (СЛ) соединяют АТС между собой, а также АТС с междугородной телефонной станцией.

Построение сетей абонентских линий осуществляется несколькими способами: по бесшкафной и шкафной системам. Примером бесшкафной системы является система непосредственного включения абонентских линий в соответствующую аппаратуру АТС. Такая система применяется на сетях малой ёмкости.

Схема шкафной системы приведена на рис. 2.3.

Рис. 2.3 – Шкафная система построения абонентских линий

В этом случае линия от АТС до распределительных шкафов (РШ) называется магистральной, от шкафов до распределительных коробок (РК) – распределительным участком, от распределительных коробок до абонентских устройств – абонентской проводкой.

Кроме этих схем при длине АЛ до 0,5 км применяются схема прямого включения (рис. 2.4).

Рис. 2.4 – Построение абонентской линии по принципу прямого включения

В шкафной системе территория обслуживания АТС делится на шкафные районы, подключения абонента осуществляется через РШ и РК. От АТС до РШ прокладываются в разных направлениях кабели большой ёмкости, далее они разветвляются на кабели меньшей ёмкости, которые подключаются к РШ, далее от РШ до РК ёмкость кабелей также уменьшается.

Режимы передачи по направляющим системам

В зависимости от используемых длин волн и среды распространения электромагнитной энергии выделяется пять различных режимов передачи.

Статический режим относится к процессам электростатики и магнитостатики, характеризуется отсутствием временной зависимости поля. Уравнения Максвелла имеют вид:

На основе уравнений электростатики определяется емкость проводников по формуле :

С=Q/U.

Стационарный режим относится к случаю передачи по проводникам постоянного тока І=Е, который создает магнитное поле, электрическое поле при этом не индукцируется и уравнения Максвелла имеют вид:

Магнитное поле имеет вихревой характер, а электрическое – безвихревой (потенциальный). В этом режиме определяется индуктивность цепи L=Ф/І, где Ф - магнитный поток, пронизывающий цепь. Для анализа процессов применяются законы Ома, Кирхгофа.

Квазистационарный режим охватывает диапазон до 10¹⁰ Гц, в этом режиме индуцируется вихревое электрическое поле, вызванное изменением электрического поля. Уравнения Максвелла имеют вид:

В этом режиме >>D, где D – обобщенный поперечный размер НС,  - длина волны, токи смещения еще незначительны. Для анализа процесов используются законы Ома, Кирхгофа, телеграфное уравнение, волновое уравнение.

Электродинамический режим относится к области высоких частот и коротких волн (  D, F  10¹⁰10¹² Гц). При анализе решают волновые уравнения. Уравнения Максвелла имеют вид:

Т.е. в этом режиме токами смещения пренебрегать нельзя.

Волновой и квазиоптический режимы характерны для процессов в диэлектрике, когда доминирующими являются токи смещения, а токи проводимости незначительны. В этом случае , , и Гц. При анализе процессов используются законы оптики (Гюйгенса, Френеля) и решаются волновые уравнения.

Приведенная классификация режимов характеризует универсальность уравнений Максвелла, единство законов электродинамики.

Роль и место направляющих систем в системах связи.

Виды линий связи и их основные свойства

Систему передачи, содержащую направляющую систему (НС), логично представить обобщенной схемой (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Обобщенная схема системы передачи

На НС действуют помехи, в тракте системы передачи могут возникать различного рода искажения. Поэтому

(1.1)

Действующие на НС помехи делятся на внешние и внутренние. Внешние помехи вызваны действием сторонних электромагнитных полей. Внутренние помехи обусловлены действием электромагнитных полей соседних проводников в направляющей системе (или взаимными влияниями). Практически идеальной направляющей системой является волоконный световод, т. к. на него не действуют внешние поля и в световоде отсутствуют взаимные влияния.

Направляющая система - это непрерывная по длине конструкция, направляющая распространение электромагнитной энергии в заданном направлении, т. е., обладающая канализирующими свойствами. Такими свойствами обладает граница раздела сред с разными электрическими параметрами (рис 1.2 ).

Любая материальная среда характеризуется такими параметрами:

– удельным электрическим сопротивлением p, или удельной электрической проводимостью

– абсолютной магнитной проницаемостью

– абсолютной диэлектрической проницаемостью E, Ф/м;

Следует учесть, что ; ; , где , – относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно; Ф/м – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; Гн/м – абсолютная магнитная проницаемость вакуума, n – коэффициент преломления среды.

Рис. 1.2 – Обобщённая направляющая система

К направляющим системам предъявляются следующие требования:

- высокая информационная ёмкость;

- малые потери электромагнитной энергии в процессе её распространения;

- возможность передачи различных видов информации, т.е. сигналов с различными видами модуляции;

- малые взаимные влияния;

- постоянство параметров НС в процессе длительного срока эксплуатации;

- обеспечение необходимого качества и дальности связи.

По направляющим системам передаются различные виды информации (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Виды информации	Полоса частот, кГц	Количество КТЧ
Телефония	4	1
Радиовещание	8 – 12	2 - 3
Телевидение	6000	1500
Телеграфия	4/(18…24)	1/(18…24)
Передача данных	4…240	1…60

Непременным, одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов техники связи являются линии связи (ЛС). Линия связи – комплекс технических сооружений, обеспечивающий передачу как узкополосных, так и широкополосных каналов, используемых для передачи информации от отправителя к получателю на заданное расстояние с заданным качеством. Эффективность работы систем определяется качеством ЛС, их свойствами, параметрами, воздействием на ЛС различных факторов. Линии связи состоят из нескольких подсистем, обеспечивающих их функционирование: оконечных пунктов, обслуживаемых и необслуживаемых усилительных (регенерационных) пунктов.

Классификация линий связи. Линии связи делятся на два типа – беспроводные (радиолинии) и проводные на основе тех или иных направляющих систем. Классификация ЛС приведена на рис 1.3.1

Рис. 1.3 – Классификация линий связи

Отличительной особенностью проводных ЛС является то, что передача информации от одного абонента к другому осуществляется по специально созданным на основе направляющих систем цепям. Характер распространения электромагнитных волн в различных средах и направляющих системах определяется частотными диапазонами, в которых работают эти системы.

Беспроводные и проводные ЛС имеют свои особенности, достоинства и недостатки. К ЛС предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает высокую эффективность при их эксплуатации, необходимое качество связи, дальность связи.

Передача энергии по симметричной цепи с учётом потерь

При передаче энергии по НС потери в проводнике определяются радиальной составляющей вектора Пойтинга, которую формирует составляющие и .Мощность потока энергия для цилиндрического проводника определяется

,

откуда , (5.1)

где L – внутренняя индуктивность проводника, а R - его активное сопротивление.

Анализируем гармонические колебания в квазистационарном режиме, среда не содержит сторонних токов, токи смещения отсутствуют, т.е. .

Для определения составляющих поля необходимо воспользоваться уравнениями Максвелла:

; (5.2)

. (5.3)

Применим операцию к (4.2):

. (5.4)

Для любого вектора выполняется тождество

, (5.5)

где - оператор Лапласа.

Решение уравнений Максвелла для цилиндрического проводника целесообразно проводить в цилиндрической системе координат. Тогда

.

Учитывая отсутствие в системе сторонних токов, а следовательно и свободных зарядов, и .

Тогда (5.4) с учётом (5.3) примет вид:

. (5.6)

Полученное уравнение называется волновым. Обычно волновое уравнение решается для продольных составляющих поля и , которые дают возможность определить все шесть составляющих электромагнитного поля.

Распределение продольных составляющих поля вдоль линии представляется как . Тогда волновое уравнение примет вид

, (5.7)

где - поперечное волновое число, для Т – волн , т.е. , т.к. анализируется процесс распространения в металле, обозначим - волновое число для металла. Уравнение (5.7) – это уравнение частных в производных с разделяющимися переменными, его решение для металла имеет вид:

, (5.8)

Это выражение описывает структуру поля в поперечном сечении системы. Первый сомножитель определяет распределение поля в радиальном направлении, второй в азимутальном.

где A, B, C, D – постоянные интегрирования, - коэффициент вихревых токов для металла, и - модифицированные функции Бесселя n–го порядка второго рода. Постоянные интегрирования определяются из граничных условий на границе раздела сред металл / диэлектрик.

Так как поле внутри проводника возрастает от центра к периферии, а функция с увеличением аргумента уменьшается, необходимо принять . В силу симметричного расположения проводников относительно горизонтальной оси, нечётная функция должна обращаться в нуль, т.е. . Учитывая наличие бесконечного числа составляющих поля, получим для проводников

. (5.9)

Составляющую магнитного поля определим как

. (5.10)

определяются из граничных условий и закона полного тока. Функции Бесселя второго рода это функции комплексной переменной, представляются в виде суммы действительной и мнимой составляющих.

(5.11)

и аргумент этих функции имеет вид

т. к. .

Таким образом, полученные выражения и после подстановки их в (6.1) и разделения этого выражения на действительную и мнимую части позволяют получить аналитические выражения для R и L:

. (5.12)

где I – ток в цепи.

Далее необходимо в (6.12) подставить (6.9) и (6.10) и (6.11), произвести соответствующие преобразования.

Дальнейшие преобразования являются достаточно громадно, окончательные выражения для активного сопротивления и внутренней индуктивности принимают вид

(5.13)

, (5.14)

Внутренняя индуктивность симметричной цепи определяется выражением, Гн/км

где d – диаметр проводника, а – расстояние между ними (рис. 5.1), - сопротивление проводника по постоянному току. Функции I, F, H, G, Q определяются комбинациями функций Бесселя, их значения приведены в таблицах (см. приложение), , r– радиус проводника.

С учётом различных скруток в кабеле выражение для расчёта сопротивления симметричного кабеля имеет вид, Ом/км

. (5.15)

При парной скрутке , при звёздной – , при двойной парной - ; в зависимости от диаметра кабеля. На рис. 5.1 приведено распределение магнитного поля симметричной пары. Поля проводников а и б взаимодействуя между собой увеличивают сопротивление цепи.

Рис. 5.1 – Поле симметричной пары

Первое слагаемое в (5.15) определяет сопротивление цепи по постоянному току, второе – сопротивление вследствие поверхностного эффекта, а третье – сопротивление вследствие эффекта близости.

Внутренняя индуктивность, емкость и сопротивление изоляции симметричной цепи

В двухпроводной цепи распространяется ТЕМ- волна, т.е. структура поля в поперечном сечении эквивалентна структуре поля постоянного тока и постоянных зарядов, поэтому для определения внешней индуктивности и ёмкости можно воспользоваться известными соотношениями для статического режима (определение ёмкости С) и стационарного (определение индуктивности L) режима. Индуктивность определяет способность системы накапливать магнитную энергию.

Внешняя индуктивность определяется на длину линии в 1 км, используя соотношения

, Гн/км , (5.17)

где Ф – магнитный поток, I – ток в системе.

Внешняя индуктивность не зависит от частоты, она определяется геометрией системы.

Общая индуктивность симметричной кабельной цепи,

. (5.18)

Ёмкость С и проводимость изоляции G связаны с процессами в диэлектрике. Под действием переменного электромагнитного поля в диэлектрике происходит переориентация диполей и поляризация диэлектрика. Ёмкость характеризует возможность системы проводников запасать энергию электрического поля, поляризацию диполей, величину токов смещения. Проводимость изоляции определяет величину потерь в диэлектрике на поляризацию диполей и характеризуется тангенсом угла диэлектрических потерь . Ёмкость определяется соотношением

, Ф/км, (4.19)

где Q – заряд в системе, U – разность потенциалов между проводниками. Ёмкость цепи не зависит от частоты.

Для определения проводимости изоляции воспользуемся частью схемы двухпроводной цепи, содержащей поперечные параметры (рис. 4.2).

а) б)

Рис. 5.2 – Схема цепи с поперечными параметрами (а) и векторная диаграмма для этой цепи (б)

; ; ,

откуда получаем

В общем случае, сопротивление изоляции содержит две составляющих

,

где – сопротивление изоляции постоянному току, т.е. . Обычно , поэтому .

Кабели связи, как правило, имеют сложную комбинированную изоляцию, в расчетах принимаются эквивалентные значения и , учитывающие долю диэлектрика в общем объёме изоляции. Следует отметить, что с ростом частоты увеличивается, но в диапазоне частот, в котором используется та или иная цель это величина практически постоянная.