Оптични комуникационни системи: цел, история на създаване, предимства
Как възникна електрическата връзка?
Прототипите на съвременните комуникационни системи се появяват през миналия век и до края на телеграфните си проводници са заплели целия свят. Стотици хиляди телеграми бяха предадени по тях и скоро телеграфът престана да се справя с товара. Депешите закъсняха и все още нямаше междуградска телефонна и радио комуникация.
В началото на 20 -ти век е изобретена електронната тръба. Радиотехниката започва да се развива бързо, полагат се основите на електрониката. Сигналистите са се научили да предават радиовълни не само през космоса (по въздуха), но и да ги изпращат по проводници и чрез комуникационни кабели.
Използването на радиовълни послужи като основа за уплътняване на най -скъпата и неефективна част от системите за предаване на информация — линейни устройства. Уплътнявайки линията по честота, във времето, използвайки специални методи за „опаковане“ на информация, днес е възможно да се предават десетки хиляди различни съобщения на един ред за единица време. Такава комуникация се нарича многоканална.
Границите между различните видове комуникация започнаха да се размиват. Хармонично се допълваха, телеграф, телефон, радио, а впоследствие телевизия, радиорелейни, а по -късно и сателитни, космически комуникации бяха обединени в обща електрическа комуникационна система.
Съвременни комуникационни технологии
Информационна херметичност на комуникационните канали
В каналите за предаване на информация работят вълни с дължина от 3000 км до 4 мм. Оборудването е в експлоатация, способно да предава 400 мегабита в секунда по комуникационен канал (400 Mbit / s е 400 милиона бита в секунда). Ако вземем буква в този ред за 1 bit, тогава 400 Mbit ще съставят библиотека от 500 тома, всеки с 20 отпечатани листа).
Дали сегашните средства за електрическа комуникация са подобни на техните прототипи от миналия век? Почти същото като самолет за прескачане на шоу. Въпреки цялото съвършенство на оборудването в съвременните комуникационни канали, уви, то е твърде претъпкано: много по -близо, отколкото през 90 -те години на миналия век.
Телеграфни проводници в Синсинати, САЩ (началото на 20 век)
Жена слуша радио през слушалки, 28 март 1923 г.
Съществува противоречие между нарастващата нужда от предаване на информация и основните свойства на физическите процеси, използвани понастоящем в комуникационните канали. За да се размие «информационната плътност», е необходимо да се завладеят все по -къси вълни, тоест да се овладеят все по -високи честоти. Естеството на електромагнитните трептения е такова, че колкото по -висока е тяхната честота, толкова повече информация за единица време може да се предава по комуникационния канал.
Но с всички по -големи трудности, с които комуникаторите трябва да се сблъскат: с намаляване на вълната вътрешните (присъщи) шумове на приемните устройства рязко се увеличават, мощността на генераторите намалява и ефективността намалява значително. предаватели, а от цялата консумирана електроенергия само малка част се превръща в полезна енергия на радиовълните.
Изходният трансформатор на тръбната предавателна верига на радиостанцията Науен в Германия с обхват над 20 000 километра (октомври 1930 г.)
Първите UHF радиокомуникации са установени между Ватикана и лятната резиденция на папа Пий XI, 1933 г.
Ултра късите вълни (УКВ) губят енергията си катастрофално бързо по пътя. Следователно сигналите за съобщения трябва да се усилват и регенерират (възстановяват) твърде често.Трябва да прибегнем до сложно и скъпо оборудване. Комуникацията в сантиметровия диапазон на радиовълните, да не говорим за милиметровия диапазон, се сблъсква с множество препятствия.
Недостатъци на електрическите комуникационни канали
Почти всички съвременни електрически комуникации са многоканални. За да предавате по канал от 400 Mbit / s, трябва да работите в децимилиметровия диапазон на радиовълните. Това е възможно само при наличието на много сложно оборудване и, разбира се, специален високочестотен (коаксиален) кабел, който се състои от една или повече коаксиални двойки.
Във всяка двойка външният и вътрешният проводник са коаксиални цилиндри. Две такива двойки могат едновременно да предават 3600 телефонни разговора или няколко телевизионни програми. В този случай обаче сигналите трябва да се усилват и регенерират на всеки 1,5 км.
Стилен сигналист през 20 -те години на миналия век
Комуникационните канали са доминирани от кабелни линии. Те са защитени от външни влияния, електрически и магнитни смущения. Кабелите са издръжливи и надеждни в експлоатация, удобни са за полагане в различни среди.
Производството на кабели и комуникационни проводници обаче отнема повече от половината от световното производство на цветни метали, чиито запаси бързо намаляват.
Металът става по -скъп. А самото производство на кабели, особено коаксиални, е сложен и изключително енергоемък бизнес. И нуждата от тях нараства. Следователно не е трудно да си представим какви са разходите за изграждането на комуникационни линии и тяхната експлоатация.
Инсталиране на кабелна линия в Ню Йорк, 1888 г.
Комуникационната мрежа е най -грандиозната и скъпа структура, която човек някога е създавал на Земята. Как да го развием допълнително, ако вече през 50 -те години XX век стана ясно, че телекомуникациите наближават прага на своята икономическа осъществимост?
Завършване на трансконтиненталната телефонна линия, Уендовър, Юта, 1914 г.
За да се премахне „информационната плътност в комуникационните канали, беше необходимо да се научим как да използваме оптичните диапазони на електромагнитни трептения. В крайна сметка светлинните вълни имат милиони пъти повече вибрации от УКВ.
Ако беше създаден оптичен комуникационен канал, би било възможно едновременно да се предават няколко хиляди телевизионни програми и много повече телефонни разговори и радиопредавания.
Задачата изглеждаше обезсърчаваща. Но по пътя към решаването му пред учените и сигналистите възникна един вид лабиринт от проблеми. XX векове никой не знаеше как да го преодолее.
«Съветска телевизия и радио» — изложба в парк «Соколники», Москва, 5 август 1959 г.
Лазери
През 1960 г. е създаден невероятен източник на светлина — лазер или оптичен квантов генератор (LQG). Това устройство има уникални свойства.
Невъзможно е да се каже за принципа на работа и устройството на различни лазери в рамките на кратка статия. На нашия уебсайт вече имаше подробна статия за лазерите: Устройството и принципът на действие на лазерите… Тук ние се ограничаваме само до изброяване на тези характеристики на лазера, които са привлекли вниманието на комуникационните работници.
Тед Мейман, противинструктор на първия работещ лазер, 1960 г.
На първо място, нека посочим кохерентността на радиацията. Лазерната светлина е почти монохроматична (едноцветна) и се разминава в пространството в пъти по-малко от светлината на най-съвършения прожектор. Енергията, концентрирана в игления лъч на лазера, е много висока. Именно тези и някои други свойства на лазера подтикнаха комуникационните работници да използват лазера за оптична комуникация.
Първите проекти бяха обобщени по следния начин. Ако използвате лазер като генератор и модулирате лъча му със сигнал за съобщение, получавате оптичен предавател. Насочвайки лъча към светлинния приемник, получаваме оптичен комуникационен канал. Без проводници, без кабели. Комуникацията ще се осъществява чрез космоса (отворена лазерна комуникация).
Опит с лазери в научна лаборатория
Лабораторните експерименти блестящо потвърдиха хипотезата за комуникационните работници. И скоро се появи възможност да се провери тази връзка на практика. За съжаление, надеждите на сигналистите за открита лазерна комуникация на Земята не се сбъднаха: дъжд, сняг, мъгла правят комуникацията несигурна и често напълно я прекъсват.
Стана очевидно, че светлинните вълни, носещи информация, трябва да бъдат защитени от атмосферата. Това може да стане с помощта на вълноводи — тънки, равномерни и много гладки вътре метални тръби.
Но инженерите и икономистите веднага разпознаха трудностите, свързани с направата на абсолютно гладки и дори вълноводи. Вълноводите бяха по -скъпи от златото. Явно играта не си струваше свещта.
Те трябваше да търсят фундаментално нови начини за създаване на световоди. Трябваше да се гарантира, че светлинните водачи не са направени от метал, а от някаква евтина, недефицитна суровина. Отне десетилетия, за да се създадат оптични влакна, подходящи за предаване на информация с помощта на светлина.
Първото такова влакно е направено от ултрачисто стъкло. Създадена е двуслойна коаксиална сърцевина и структура на черупката. Видовете стъкла бяха избрани така, че сърцевината да има по -висок коефициент на пречупване от облицовката.
Почти пълно вътрешно отражение в оптичната среда
Но как да свържете различни очила, така че да няма недостатъци на границата между ядрото и черупката? Как да постигнем гладкост, еднородност и в същото време максимална здравина на влакното?
С усилията на учените и инженерите най -накрая бе създадено желаното оптично влакно. Чрез него светлинните сигнали се предават днес на стотици и хиляди километри. Но какви са законите на разпространение на светлинна енергия върху неметални (диелектрични) водещи среди?
Режими на влакна
Едномодовите и многомодовите влакна принадлежат към оптичните влакна, през които светлината се движи, изпитвайки актове на многократно вътрешно отражение в интерфейса на облицовката на ядрото (експертите имат предвид естествените трептения на резонаторната система под „режим“).
Режимите на влакното са неговите собствени вълни, т.е. тези, които се улавят от ядрото на влакното и се разпространяват по влакното от неговото начало до края.
Видът на влакното се определя от неговия дизайн: компонентите, от които са направени сърцевината и облицовката, както и съотношението на размерите на влакното към използваната дължина на вълната (последният параметър е особено важен).
При едномодовите влакна диаметърът на сърцевината трябва да бъде близък до собствената дължина на вълната. От многото вълни сърцевината на влакното улавя само една своя вълна. Следователно влакното (светопровод) се нарича едномодово.
Ако диаметърът на сърцевината надвишава дължината на определена вълна, тогава влакното е в състояние да провежда няколко десетки или дори стотици различни вълни наведнъж. Ето как работят многомодовите влакна.
Предаване на информация чрез светлина чрез оптични влакна
Светлината се инжектира в оптичното влакно само от подходящ източник. Най -често — от лазер. Но нищо не е перфектно по природа. Следователно лазерният лъч, въпреки присъщата му монохроматичност, все още съдържа определен честотен спектър или, с други думи, излъчва определен диапазон от дължини на вълните.
Какво освен лазер може да служи като източник на светлина за оптични влакна? Светодиоди с висока яркост. Насочеността на лъчението в тях обаче е много по -малка от тази на лазерите. Следователно, десетки и стотици пъти по -малко енергия се въвежда във влакното от изпятите диоди, отколкото от лазера.
Когато лазерен лъч е насочен към ядрото на влакното, всяка вълна го удря под строго определен ъгъл. Това означава, че различни собствени вълни (режими) за един и същ интервал от време преминават във влакното (от неговото начало до края) пътища с различна дължина. Това е вълнова дисперсия.
И какво се случва със сигналите? Преминавайки различен път във влакното за същия интервал от време, те могат да стигнат до края на линията в изкривена форма.Експертите наричат този феномен режим дисперсия.
Ядрото и обвивката на влакното са като. вече споменато, те са изработени от стъкло с различни показатели на пречупване. И коефициентът на пречупване на всяко вещество зависи от дължината на вълната на светлината, която влияе върху веществото. Следователно има дисперсия на материята или по друг начин — материална дисперсия.
Вълна, режим, дисперсия на материала са три фактора, които влияят негативно на предаването на светлинна енергия през оптични влакна.
Няма дисперсия на режим в едномодови влакна. Следователно такива влакна могат да предават стотици пъти повече информация за единица време от многомодовите. Какво ще кажете за дисперсиите на вълни и материали?
В едномодовите влакна се правят опити да се гарантира, че при определени условия дисперсиите на вълната и материала се компенсират взаимно. Впоследствие беше възможно да се създаде такова влакно, където отрицателният ефект на режима и разсейването на вълните беше значително отслабен. Как го управлявахте?
Избрахме графика на зависимостта на промяната в показателя на пречупване на материала на влакното с промяна на разстоянието му от оста (по радиуса) според параболичния закон. Светлината се движи по такова влакно, без да изпитва актове на многократно пълно отражение в интерфейса на облицовката на сърцевината.
Комуникационен разпределителен шкаф. Жълтите кабели са едномодови влакна, оранжевите и сините кабели са многомодови влакна
Пътеките на светлината, улавяна от оптичното влакно, са различни. Някои лъчи се разпространяват по оста на сърцевината, отклонявайки се от нея в една или друга посока на равни разстояния („змия“), други, лежащи в равнините, пресичащи оста на влакното, образуват набор от спирали. Радиусът на някои остава постоянен, радиусите на други се променят периодично. Такива влакна се наричат пречупващи или градиентни.
Много е важно да знаете; под какъв ограничителен ъгъл трябва да бъде насочена светлината към края на всяко оптично влакно. Това определя колко светлина ще влезе във влакното и ще се проведе от началото до края на оптичната линия. Този ъгъл се определя от числения отвор на влакното (или просто — отвора).
Оптична комуникация
FOCL
Като оптични комуникационни линии (FOCL) оптичните влакна, сами по себе си тънки и крехки, не могат да се използват. Влакната се използват като суровина за производството на оптични кабели (FOC). FOCs се произвеждат в различни дизайни, форми и цели.
По отношение на здравина и надеждност, FOC не отстъпват на техните металоемки прототипи и могат да бъдат положени в същите среди като кабелите с метални водещи среди — във въздуха, под земята, по дъното на реките и моретата. WOK е много по -лесно. Важно е, че FOC са напълно нечувствителни към електрически смущения и магнитни влияния. В края на краищата е трудно да се справим с подобни смущения в металните кабели.
Оптични кабели от първо поколение през 80 -те — 90 -те години XX векове успешно заместват коаксиалните магистрали между автоматичните телефонни централи. Дължината на тези линии не надвишава 10-15 км, но сигналистите въздъхнаха с облекчение, когато стана възможно да се предаде цялата необходима информация без междинни регенератори.
В комуникационните канали се появи голямо предлагане на „жизнено пространство“, а концепцията за „информационна стегнатост“ загуби своята актуалност. Лек, тънък и достатъчно гъвкав, FOC бе положен без затруднения в съществуващия подземен телефон.
При автоматичната телефонна централа беше необходимо да се добави просто оборудване, което преобразува оптичните сигнали в електрически (на входа от предишната станция) и електрическо — в оптични (на изхода към следващата станция). Цялото превключващо оборудване, абонатни линии и техните телефони не са претърпели никакви промени. Всичко се оказа, както се казва, евтино и весело.
Монтаж на оптичен кабел в града
Монтаж на оптичен кабел върху опората на въздушната преносна линия
Чрез съвременните оптични комуникационни линии информацията се предава не в аналогова (непрекъсната) форма, а в дискретна (цифрова).
Оптични комуникационни линии, те позволиха през последните 30-40 години да извършат революционни трансформации в комуникационните технологии и сравнително бързо за дълъг период от време да сложат край на проблема с «информационната херметичност» в каналите за предаване на информация. Сред всички средства за комуникация и предаване, информацията, оптичните комуникационни линии заемат водеща позиция и ще доминират през целия XXI век.
Допълнително:
Принципът на преобразуване и предаване на информация по оптични влакна