Класифікація кабельних ліній передачі.

Класифікація кабельних ліній передачі.

 

Коаксиа́льный ка́бель вид электрического кабеля. Состоит из двух цилиндрических проводников, соосно вставленых один в другой. Чаще всего используется центральный медный проводник, покрытый пластиковым изолирующим материалом, поверх которого идёт второй проводник — медная оплётка или алюминиевая фольга с оплёткой из медных луженых проволок. Благодаря совпадению центров обоих проводников потери на излучение практически отсутствуют; одновременно обеспечивается хорошая защита от внешних электромагнитных помех. Поэтому такой кабель обеспечивает передачу данных на большие расстояния и использовался при построении компьютерных сетей (пока не был вытеснен витой парой). Используется в сетях кабельного телевидения и во многих других областях. Основной характеристикой кабеля является волновое сопротивление. В зависимости от этой величины и толщины коаксиальный кабель делится на несколько категорий.

Наиболее распространённые категории кабеля:

RG-8 и RG-11 — «Толстый Ethernet» (Thicknet), 50 Ом. Стандарт 10BASE5;

RG-58 — «Тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE2.

RG-58/U — сплошной центральный проводник

RG-58A/U — многожильный центральный проводник

RG-58C/U — военный кабель

RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 50 Ом. Российский аналог РК-50 («радиочастотный кабель»);

RG-59/U — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75; RG-62 — ARCNet, 93 Ом

Симметричная скрутка, звездная четверка, Семичетверочный;

(магистральные, городские, местные)

По скорости, полосе частот, Затухание сигнала в кабеле

По конструктивным матеріалам

Основні вимоги, які висуваються до кабельних ліній передачі.

К кабелям связи предъявляются следующие основные требования:

· Обеспечение надёжной бесперебойной связи.

· Возможность передачи всех видов информации (А, Ц).

· Обеспечение стабильности параметров ЛС во времени и в наибольшей полосе частот

· Защищенность от внешних помех

· Защищенность от коррозии и механических повреждений

· Удобство эксплуатации

· Нормальная работа при разных климатических условиях

Данные требования удовлетворяются при выполнении требований предъявляемых ко всем составным частям кабеля.

Токопроводящие жилы (обычно круглой формы) кабелей связи должны обладать высокой электрической проводимостью, гибкостью и достаточной механической прочностью. Наиболее распространёнными материалами для изготовления кабельных жил являются медь и алюминий.

Материал, применяемый для изоляции кабельных жил, должен обладать высокими и стабильными во времени электрическими характеристиками, быть гибким, механически прочным и не требовать сложной технологической обработки.

Особенности и основные характеристики ТЭМ-волн

Основные х-ки таких волн:

Особенности: распостраняются в сбоводном пространстве и коаксиальных кабелях

 

Типові конструкції однокоаксиальних кабелів.

 

 

 

ТЕМ-хвиля коаксіальної лінії.

Электромагнитная волна, векторы напряженности электромагнитного и магнитного полей которой лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения

Будем считать, что проводники обладают бесконечно большой проводимостью, а про­странство между ними заполнено идеальным диэлектриком. При этих предположениях в коаксиальной линии могут распространяться волны ТЕМ, Е и Н.

Векторы Е и Н TЕМ-волны представим в виде

где векторы Е °(г, ф) и Н °(г. ф) не имеют продольных составляющих

В результате находим

Как и у любой другой ТЕМ-волны, фа­зовая скорость и скорость распространения энергии ТЕМ-волны в ко­аксиальной линии равны скорости света в среде, заполняющей линию.

Так как поле в поперечном сечении линии (векторы Е° и Н°) у ТЕМ-вопиы имеет потенциальный характер, можно говорить о токе и напряжении в коаксиальной линии. Комплексные амплитуды тока и разности потенциалов между центральным и внешним про­водниками равны соответственно:

 

Межмодовая дисперсия.

В оптических кабелях, выполненных на многомодовых волокнах, наибольший вклад в уширение импульсов вносит модовая дисперсия. Она возникает только в многомодовых световодах из-за наличия в них большого числа мод с различным временем распространения за счет разброса углов отражения и соответственно различной длины пути, который отдельные моды проходят в сердцевине волокна. Разные моды имеют различную скорость распространения. В геометрической интерпретации соответствующие модам лучи идут под разными углами, проходят различный путь в сердцевине волокна и, следовательно, поступают на выход с различной задержкой.

Следует раздельно рассмотреть процесс возникновения модовой дисперсии в ступенчатых и градиентных волокнах. В кабелях со ступенчатыми волокнами скорость всех лучей, зависящая от коэффициента преломления сердцевины, одинакова и составляет . Величина модовой дисперсии в таких волокнах определяется из выражений: при – ; при – .

Длина связи мод (5…7 км для ступенчатого волокна) – это длина оптического волокна, после прохождения которого в результате взаимного преобразования мод на нерегулярностях (обмен энергии между модами и их высвечивание) соотношение между мощностями различных мод становится практически постоянным. Модовая дисперсия в этом случае возрастает уже не по линейному, а по кореньквадратичному закону. На рис. 16 представлена зависимость τ_{мод .}

 

 

рис.18

Лучевая модель, иллюстрирующая механизмы возникновения модовой дисперсии в ступенчатых волокнах, показана на рис. 17. В градиентных волокнах различные лучи также проходят различный путь. Однако их скорость v = c / n различна. Околоосевые лучи распространяются по короткой траектории, однако в среде со сравнительно высоким n, т.е. с малой скоростью. Периферийные лучи – по длинной траектории, но в основном в среде с низким n, т.е. с большой скоростью (рис. 18). В целом задержка мод оказывается приблизительно одинаковой, а уширение импульсов по сравнению со ступенчатыми волокнами снижается более чем в 10 раз.

Величина модовой дисперсии в градиентных волокнах определяется из выражений:

при – ; при – .

Значение в градиентных волокнах составляет порядка 10…15 км.

Градиентный световод обладает свойством удержания мод вблизи центра сердцевины. Лучи, которые распространяются дальше от центра, проходят при этом больший путь, однако в материале с меньшей оптической плотностью, то есть с более высокой скоростью. Кроме того, по сравнению с волокном со ступенчатым профилем показателя преломления в нем существует меньшее количество мод. Совместное действие этих трех факторов приводит к тому, что градиентный световод имеет лучшие частотные свойства, и ширина его полосы пропускания более чем на порядок превышает аналогичный показатель ступенчатого волокна. Одновременно градиентные составляющие дисперсии световоды почти не отличаются от ступенчатых по таким эксплуатационным параметрам, как удельные потери, эффективность ввода излучения, сложность сращивания и т.д., и за счет этого практически полностью вытеснили последние из массового использования.

Результирующее значение расширения импульсов за счет межмодовой τмод, материальной τмат и волноводной τвв дисперсии определяется по формуле

τ=(τмод2 + (τмат + τвв)2)1/2

С учетом реального соотношения величин отдельных составляющих дисперсии для многомодовых волокон можно считать τ = τмод, а для одномодовых волокон

τ = τмат +τвв

Для одномодовых световодов параметр дисперсии учитывает ее зависимость от спектральных свойств источника излучения и поэтому имеет размерность пс/нм*км. Современные волокна имеют величину дисперсии в пределах от 3 до 15-18 пс/нм*км. Волноводная τвв и материальная τмат составляющие хроматической дисперсии в районе длин волн 1200-1600 нм имеют, как правило, противоположные знаки. Так как волноводная дисперсия зависит от профиля показателя преломления, то, варьируя этим параметром, для одномодовых световодов можно на заранее заданной длине волны или же в определенной спектральной полосе получить нулевую или близкую к нулевой дисперсию. Поэтому для одномодовых волокон вместо абсолютной величины дисперсии иногда указывают значение волны нулевой дисперсии и крутизну спектральной характеристики дисперсии в окрестностях этой длины волны (для серийных световодов эти параметры обычно составляют 1300-1310 нм и 3,5 пс/нм2*км соответственно).

Частотные характеристики многомодовых волокон из-за преобладающего влияния межмодовой составляющей дисперсии мало зависят от спектральных свойств источника излучения. Поэтому их удобно оценивать эквивалентом дисперсии в частотной области, называемым коэффициентом широкополосности имеющим размерность МГц*км. В зависимости от длины волны типовые значения коэффициента широкополосности для современных световодов составляют 200-=-500 МГц*км.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20…50 нс/км)

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляется волноводная и материальная дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне в силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при = 1,2…1.7 мкм не превышает 1 нс/км.

 

Материальная дисперсия

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления сердцевины и оболочки от длины волны.

Данная дисперсия объясняется тем, что коэффициент преломления стекла изменяется с длиной волны n = φ(λ). А практически любой, даже лазерный источник излучения, генерирует не на одной длине волны (λ), а в определенном спектральном диапазоне (Δλ).

В результате различные спектральные составляющие передаваемого оптического сигнала имеют различную скорость распространения, что приводит к их различной задержке на выходе волокна. Из-за узкой полосы излучаемых длин волн у лазерных источников излучения данный вид дисперсии сказывается незначительно. В некогерентных источниках – излучающих светодиодах – полоса пропускания существенно шире, и эта дисперсия проявляется довольно значительно. Так, основной параметр, который характеризует дисперсию данного вида Δλ/λ, для лазеров составляет 0,001, а для излучающих световодов – 0,1, т.е. на два порядка больше.

Величину уширения импульсов из-за материальной дисперсии τ_мат можно найти из выражения .

Для инженерных расчетов в первом приближении можно использовать упрощенную формулу, не учитывающую форму профиля показателя преломления (для идеального ступенчатого профиля показателя преломления): τ_мат = Δλ М (λ),

где Δλ – ширина спектра излучения источника, обычно соответствует 1…3 нм для лазера и 20…40 нм для светоизлучающих диодов; М (λ) – удельная материальная дисперсия, значения которой табулированы в табл. 6.

В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая больших значений (20…50 нс/км)

В одномодовых ступенчатых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляется волноводная и материальная дисперсия, но они почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне в силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия при = 1,2…1.7 мкм не превышает 1 нс/км.

 

 

Прокладка оптичних кабелів.

При прокладке кабеля в пределах города сооружается кабельная канализация, а в полевых условиях кабель кладется непосредственно в землю на глубину 1,2 м.

Подготовка к строительству: входной контроль кабеля и группирование строительных длин ОК (производится в соединительных муфтах регенерационного участка ВОЛС и заключается в поиске такого варианта соединения волокон в этих муфтах, при котором достигается максимальное ослабление случайных составляющих).

Основные способы прокладки ОК:

Прокладка в грунт:

Бестраншейная прокладка с помощью кабелеукладчика является наиболее распространенным способом и широко применяется на трассах в различных условиях местности. В этом случае ножом кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель и кабель укладывается на ее дно.

Траншейная прокладка: кабель укладывается в заранее отрытую траншею. Ширина траншеи наверху 0,3 м, на дне 0,1 – 0,2 м., глубина 1,2 м. Прокладка кабеля производится с барабанов, установленных на кабельные транспортеры, или автомашины. По мере движения транспорта и вращения барабана кабель разматывается и укладывается непосредственно в траншею или вдоль нее по бровке, а затем в траншею. Засыпка траншеи осуществляется специальными траншее засыпщиками или вручную.

Прокладка кабеля в пластмассовой трубе проводится для чисто диэлектрических ОК без металлических оболочек. Достоинством таких кабелей является стойкость против электромагнитных воздействий, Но они уязвимы против грызунов и менее механически прочны. В этом случае применяются два способа прокладки:

- протяжка ОК через предварительно проложенный в земле пластмассовый трубопровод.

- прокладка ОК, встроенного в пластмассовую трубу в заводских условиях и образующих единое целое.

Прокладка кабеля по проводам высоковольтной линии передачи также проводится для чисто диэлектрических ОК без металлических оболочек. В этом случае ОК навивается на провод высоковольтной линии специальным укладчиком. Этот способ исключает необходимость проведения трудоемких земляных работ. Способ может с успехом использоваться и в городской черте, и за ее пределами, так как оптоволоконный кабель подвешивается на уже существующие опоры линий традиционных коммуникаций. Это могут быть:

- опоры телефонных и телеграфных линий;

- опоры линий электропередач (ЛЭП);

- опоры контактной электросети железных дорог.

Прокладка кабеля в телефонной канализации состоит из двух этапов: подготовительного и собственно прокладки.

Подготовительный этап включает в себя входной контроль кабеля, группирование строительных длин и подготовку канализации.

Прокладка ОК в кабельную канализацию может осуществляться непосредственно в канале или в полиэтиленовых трубах, предварительно затянутых в кабельную канализацию.

Прокладка кабеля по морскому дну. Для укладки кабеля в этом случае используются специально оборудованные судна. Кабель прокладывается за один раз: от берега до берега. Если требуемый для этого кабель не помещается на одном судне, то используют целую эскадру кораблей. Особые проблемы связаны с устранением неисправностей кабеля, проложенного по морскому дну. После того как кабель пролежит на дне не один месяц, его зачастую трудно бывает найти. Особенности донного рельефа и подводные течения могут отнести кабель на десятки километров.

50 Загальні характеристики джерел випромінювання.

Перечислим основные требова­ния, которым должен удовлетворять источник излучения, применяемый в ВОЛС:

• излучение должно вестись на длине волны одного из окон прозрачности волокна. В тра­диционных оптических волокнах существует три окна, в которых достигаются меньшие потери света при распространении: 850, 1300, 1550 нм;

• источник излучения должен выдерживать необходимую частоту модуляции для обеспе­чения передачи информации на требуемой скорости;

• источник излучения должен быть эффективным, в том смысле, что большая часть излу­чения источника попадала в волокно с минимальными потерями;

• источник излучения должен иметь достаточно большую мощность, чтобы сигнал можно было передавать на большие расстояния, но и не на столько, чтобы излучение приводи­ло к нелинейным эффектам или могло повредить волокно или оптический приемник;

• температурные вариации не должны сказываться на функционировании источника излу­чения;

• стоимость производства источника излучения должна быть относительно невысокой. Два основных типа источников излучения, удовлетворяющие перечисленным требовани­ям, используются в настоящее время - светодиоды (LED) и полупроводниковые лазерные диоды (LD).

Также важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие ис­точника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, от­ражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции, т.е. при переходе на меньшие масштабы по временной шкале, форма световых фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вво­дят времена нарастания и спада мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сиг­нала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать поро­говые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать до 200 МГц, а у лазерных диодов - значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания W.

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчи­ка его характеристики постепенно ухудшаются - падает мощность излучения, и, в конце кон­цов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивно­стью отказов. Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно мень­шей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря со­вершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить на­дежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5-8 лет).

 

 

51.Світлодіоди.

В основе СИД (светоизлучающие диоды) находится полупроводник р-n типа, излучающий свет в условиях, когда отрицательная клемма электрической батареи подсоединяется к участку полупроводника n-типа (прямое напряжение, положительный наклон энергетических зон). При этом электроны инжектируются в полупроводник п-типа и вытягиваются из полупроводника р-типа. (Вытягивание электронов полностью совпадает с инжекцией дырок в полупроводник р-типа.)

Положительный наклон энергетических зон приводит к движению электронов и дырок навстречу друг другу и миграции их через обедненную но­сителями зону перехода. В результате захвата электронов дырками происходит излучение света. Для постоянного повторения данного процесса и уравно­вешивания процесса рекомбинации требуется подпитка перехода новыми носителями заряда, осуществляемая при пропускании тока. При отключении тока рекомбинация приводит к восстановлению обедненной зоны в области перехода и излучение прекращается.

Описанный выше СИД — устройство с гомогенным переходом, то есть с переходом, образованным единственным полупроводниковым материалом. СИД с гомогенным переходом излучает свет как с боковой границы перехода, так и со всей его плоской поверхности. Излучение при этом имеет широкую диаграмму и малую интенсивность, что не совсем пригодно для использования в оптических волокнах. В этом случае только малая часть из­лученного света может быть направлена в ядро волокна.

Использование гетерогенной структуры перехода позволяет решить данную проблему. Носители заряда оказываются ограниченными активной областью кристалла. Гетерогенный переход является переходом р-n типа, образованным материалами с аналогичной кристаллической структурой, но с отлича­ющимися энергетическими уровнями и показателями преломления. Эти различия обеспечивают пространственную локализацию носителей заряда и более направленное излучение света.

Используемые в СИД вещества определяют длину волны выходного излу­чения. Обычно используются СИД на основе арсенида галлия с добавками алюминия (GaAlAs), имеющего окно прозрачности в диапазоне от 820 до 850 нанометров. Длины волн, соответствующие данному окну, удобны и с точки зрения распространения по оптическому волокну. Одна из причин выбора этого диапазона, изначально используемого в волоконной оптике, в том, что приборы, работающие в этом диапазоне, более надежные и дешевые, легко производятся. Таким образом, технология, основанная на использовании 820-микронного излучения, является родоначальной. В настоящее время все более значимой становится 1300-нм технология. Переход с 1300 на 1550 нм зависит, в частности, от развития технологии изготовления источников

Светодио́д или светоизлучающий диод (СИД) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в СИД полупроводника. Как и в нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки рекомбинируют с излучением фотонов.

Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Обозначение светодиода в электрических схемах

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремниевый Si или германиевый Ge диоды, а также сплавы SiGe, SiC) свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитостью кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светоизлучающих диодов на основе кремния. Последнее время большие надежды связывают с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Светодиоды используются в сигнальных и осветительных приборах, например, в «твердотельных лампах».

Светодиоды (LED) - являются одним из основных типов источников излучения, использующ. в настоящее время.(другой тип- полупроводниковые лазерные диоды (LD))

Благодаря своей простоте и низкой стоимости, светодиоды распространены значитель­но шире, чем лазерные диоды. Принцип работы светодиода основан на излучательной рекомбинации носителей заряда в активной области гетерогенной структуры при пропускании через нее тока. Но­сители заряда - электроны и дырки - проникают в активный слой (гетеропереход) из приле­гающих пассивных слоев (р- и n-слоя) вследствие подачи напряжения на р-n структуру и за­тем испытывают спонтанную рекомбинацию, сопровождающуюся излучением света.

Характеристики светодиода:

- спектральная плотность излучения- зависимость мощности от λ:

Излучение~1-2мВт

Анигиляция имеет случайный характер. Нельзя выделить поляризационные волны, излучаемые светодиодом.

Принято описывать не в амплитудах, а в мощностях.

 

Класифікація кабельних ліній передачі.

 

Коаксиа́льный ка́бель вид электрического кабеля. Состоит из двух цилиндрических проводников, соосно вставленых один в другой. Чаще всего используется центральный медный проводник, покрытый пластиковым изолирующим материалом, поверх которого идёт второй проводник — медная оплётка или алюминиевая фольга с оплёткой из медных луженых проволок. Благодаря совпадению центров обоих проводников потери на излучение практически отсутствуют; одновременно обеспечивается хорошая защита от внешних электромагнитных помех. Поэтому такой кабель обеспечивает передачу данных на большие расстояния и использовался при построении компьютерных сетей (пока не был вытеснен витой парой). Используется в сетях кабельного телевидения и во многих других областях. Основной характеристикой кабеля является волновое сопротивление. В зависимости от этой величины и толщины коаксиальный кабель делится на несколько категорий.

Наиболее распространённые категории кабеля:

RG-8 и RG-11 — «Толстый Ethernet» (Thicknet), 50 Ом. Стандарт 10BASE5;

RG-58 — «Тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE2.

RG-58/U — сплошной центральный проводник

RG-58A/U — многожильный центральный проводник

RG-58C/U — военный кабель

RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 50 Ом. Российский аналог РК-50 («радиочастотный кабель»);

RG-59/U — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75; RG-62 — ARCNet, 93 Ом

Симметричная скрутка, звездная четверка, Семичетверочный;

(магистральные, городские, местные)

По скорости, полосе частот, Затухание сигнала в кабеле

По конструктивным матеріалам