негізгі бөлім тобж байланысын ұйымдастыру әрекеттері

2.1 ТОБЖ байланысын ұйымдастыру әрекеттері.

Қазіргі кезде дамыған елдерде байланыс тораптарының барлық учаскелерінде талшыөтық-оптикалық беру жүйелері кеңінен қолданылады. Бұған дейін қолданылып келген және қолданылып жүрген мыс сымдардың негізіндегі кабельдерден тұратын байланыс жүйелерімен салыстырғанда ТОБЖ-ның мынандай артықшылықтары: Бір талшықтық-оптикалық тракт бойынша қажетті сандағы каналдар ұйымдастыруға мүмкүндік беретіндей өткізу жолағының кең болуы; абонетке телефон байланысымен қатар, кез келген байланыс қызметін көрсету мүмкүндігінің болуы (телидидар, телефакс, кең жолақты радиохабарды,телематикалық және сұраныс қызметі, жарнама, жергілікті байланыс, т.б. қызметтерді көрсету); электромагниттік тосқауылдардың жоғары дәрежеде қорғалушылығы; километрлік өшудің аздығы және регенерациялық бөлімшелердің ұзындығын ұзақ етіп ұйымдастыруға мүмкін болуы; мыстың айтарлықтай үнемделуі және оптикалық кабель (ОК) құнының потенциалдық төмен болуы, т.б.

А беру станциясындағы (1.1-сурет) электрлік бірінші реттік сигнал беру жүйесінің (БЖ) аппаратураларына беріледі. Оның шығысынан топтық сигналдар түйіндестіру қондырғысына (ТҚ) беріліп , онда электр сигналы талшықтық-оптикалық тракт бойынша беруге ыңғайлы болатын формаға өзгертіледі. Оптикалық беру қондырғысы (ОБер) оптикалық тасымалдаушыны модуляциялау арқылы электрлік сигналды оптикалық сигналға өзгертеді. Оптикалық сигнал оптикалық талшық (ОТ) бойынша таралғанда оның әлсізденуі және бұрмалануы орын алады. Беру қашықтығын арттыру үшінретрансляциялау бөлімшесі деп аталатын қашықтықтарда күтілетін немесе күтілмейтін аралық станциялар орналастырылады. Оларда сигналдың бұрмалануы түзетіледі,өшуі толықтырылады.

Сурет 1.1 – Талшықтық-оптикалық байланысты ұйымдастыру принципі

Аралық станцияларда,ең алдымен,электрлік сигналды техникалық тұрғыдан өңдеген тиімді (күшейту, ТОБЖ аралық станциялары кірісінде оптикалық сигналды электрліғ сигналға және оның шығысында, керісінше, электрлік сигналды оптикалық кванттық күшейткіштер негізінде құрылуы да мүмкүн. Соңғы Б қабылдау станциясында оптикалық сигналды қайтадан электрлік сигналға өзгерту жүзеге асырылады.Оптикалық тасымалдаушы сигналды ақпараттық сигналмен модуляциялау үшін жиіліктік, фазалық, амплитудалық модуляциялар, жарықтың интенсивтілігі бойынша модуляциялау (МИ), поляризациялық модуляциялау (ПМ), т.б. қолданылуы мүмкін. Көбінесе оптикалық сәуле шығаруыдың электрлік өрісінің бекітілген кеңістіктік координаттардағы лездік мағынасын былайша жазуға болады. Мұндағы Em-өріс амплитудасы, және -оптикалық тасымалдаушының жиілігі мен фазассы. Сонда интенсивтіліктің лездік мағынасы былай жазылады. Ал периоды бойынша орта мағынаға келтіру шамасына береді. Бұл шама орташа интенсивтілік немесе орташа қуат делінеді. Интенсивтілік бойынша модуляциялау сигналға сәйкес осы Р шамасы өзгеретін болады, яғни P(t)-C(t). Оптикалық сәуле шығару толқындар түрлерінде жұтылады және сәулеленеді; h-планк тұрақтылығы. Сондықтан оптикалық сәуле шығару қуатын (Р) фотондар ағынының интенсивтілігі түрінде жазуға болады: соған сәйкес J(t)-C(t).

МИ әдісін қолданудың басты себебі - бұл әдісті пересезгілерге қолданылатын жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінде (жарық диодтарында, лазерлік диодтарда) кең диапазонда қарапайым техникалық құралдар көмегімен жүзеге асыруға болады. Жартылай өткізгіштік сәуле шығару көздерінің интенсивтілігін өзгерту үшін модуляциялаушы сигналға сәйкес инжекция тогын өзгерту жеткілікті. Тоқты өзгерту ток күшейткіші сияқты электрондық қоздыру сұлбасы көмегімен жүзеге асырылады. Оптикалық сәуле шығарудың интенсивтілігі бойынша модуляциялау әдісі қолданылғанда оны (оптикалық сигналды) кері электрлік сигналға өзгерту мәселесі де қарапайым әдіс арқылы шешіледі. Шындығында, фотоқабылдағыш құрамына кіретін фотодетектор квадраттық құрал болып табылады, яғни оның шығыс тогы оптикалық өріс амплитудасының квадратына, басқаша айтқанда,фотосезгіш бетке түсетін оптикалық сигнал қуатына тура пропорцианал болады. Оптикалық сигналды қабылдаудың осы қарастырылған принциптері тікелей фотодетекторлау әідісіне қатысты (когеренттік емес,энергетикалық қабылдау). Қабылдаудың басқа әдісі-фотоығысу (фотосмещение) әдісі болып ьабылады (когеренттік, гетеродиндік және гомодиндік қабылдау).

Тікелей детекторлау әдісімен салыстырғанда,гетеродиндік әдіс күрделі болады. Мұнда гетеродиндік сәуле шығару өрісінің толқын шекарасын сигнал өрііснің толқын шекарасымен беттестіруге тура келеді. Барлық өрісті фотодетекторлау қорытындысында аралық жиіліктегі сигнал ажыратылып алынады. Оның жиілігі,амплитудасы және фазасы қабылданатын оптикалық сигналдың көрсетілген параметрлеріне сәйкес келеді.Гомодиндік қабылдаудың гетеродиндік қабылдаудан айырмашылығы-мұнда гетеродин мен беру қондырғысының сәуле шығару жиіліктері бір-біріне дәл келеді. Бұл әдістің қолданылуы сигнал-шуыл қатынасын 3дБ-ге дейін жақсартады. Бірақ лазерлік гетеродиннің жиілігін фазасы бойынша автоматты түрде бабына келтіріп отыру (автоподстройка) қажет болатындықтан, гомодиндік әдісті тәжірибе жүзінде іске асыру өте күрделі. Қазіргі уақытта ТОБЖ-ның соңғы аппаратуралары ретінде берудің цифрлық жүйесі пайдаланылады. Мұның басты себебі–цифрлық беру жүйесінің аналогты жүйемемен салыстырғанда бірқатар артықшылығы:тосқауылға төзімділігінің жоғарылығы; беру сапасының желілік тракт ұзындығына тәуелділігінің аздығы;техникалық-экономикалық көрсеткіштерінің жоғарылығы,т.б. Оптикалық сәуле шығару көздерінің сызықтық еместігі және тосқауылдан сақтануды қамтамасыз етудің техникалық күрделілігі себебінен әзірше талшықтық-оптикалық трактілерде аналогтық беру жүйесі пайдаланылмайды. Бірақ аналогтық ТОБЖ аймағындағы зерттеулер бірқатар салаларда (оптикалық кабельдік телидидарларда,телеметрияда, оперативтік және қызмет тиімді болатындығын көрсетеді.

Қазіргі уақытта ТОБЖ екі талшықты, бір жолақты,бір кабельді түрде құрылады (1.2-сурет). Мұндай құрылымда беру және қабылдау екі талшық бойынша бөлек ұйымдастырылады және толқын ұзындықтары бір ұзындықта болады. Оптикалық талшық екі символдық физикалық тізбектің эквиваленті болып табылады. Оптикалық талшықтардың өзара ықпалы өте аз болатындықтан,әр түрлі жүйенің беру және қабылдау тракттары бір кабель бойынша ұйымдастырылады,яғни ТОБЖ бір кабельді болып табылады.

Сурет 1.2 – Екі талшықты бір жолақты, бір кабельді ТОБЖ құру принципі

Мұндай сұлбаның артықшылығы –беру және қабылдау,аралық және соңғы жыбдықтарының бір типте болуы.Айтарлықтай кемшілігі-оптикалық талшықтың өткізу қаьілетін пайдалану коэфицентінің төмендігінде.

Кабельдік жабдықтарға жұмсалатын шығындар ТОБЖ құнының үлкен бөлігін құрайтындықтан,оптикалық кабельдің бағасы қазіргі кезде айтарлықтай жоғары екендігін ескеріп ,оптикалық талшық арқылы бір мезгілде берілетін ақпараттар көлемін арттыру арқылы оның пайдалану тиімділігін арттыру мәселесі алға қойылады.Оны шешу үшін бір оптикалық талшық арқылы бір-біріне қарсы бағытта (екі бағытта) ақпараттар беруді ұйымдастыруға болады.Мұндай жағдайда соңғы станцияларда оптикалық ажыратушы (развязывающие) құрылғылар (АҚ) және желілерде аралық коррекциялаушы күшейткіштер (АКК) пайдаланылады (1.3-сурет).Мұндай сұлбаның басты ерекщелігі-оптикалық талшықты бір ұзындықтағы толқындар арқылы екі бағытта сигналдар беру үшін пайдалану.

Сурет 1.3 – Бір талшықты екі жолақты, бір кабельді ТОБЖ құру принциптері

Екі жақты (дублекстік) жүйенің принципиалдық ерекшелігі –бір-біріне қарсы ьағытта тосқауылдардың болуы,өтуші тосқауылдар оптикалық талшықта рэлеевтік кері шашыраулар есебінен дәнекерленіп қосылған орындардан,желілер аяғында разъемдік қосылыстардан шағылысудан пайда болады.Олардың фотоқабылдағыш құрылғысының сезімділігіне тигізетін әсері ір түрлі. 1-кестеде өтуші өшудің А0 тұрақты құраушысының есептеу қорытындысы келтірілген.

Кесте 1- Өтуші өшудің АО тұрақты құраушысының есептеу мәні

,мкм

А, /км

Көпмодты Бірмодты

0,85 2,3 29 35

1,3 1,0 33 39

1,55 0,3 31 37

Кестеден А0=39 дБ максимал мағынасы бірмодты талшықта (ОВВ =1.3мкм толқынға сәйкес келетінін көреміз.)

ТОБЖ-да ақпарат сигналдары ОК оптикалық кабель бойынша беріледі.Оптикалық кабельдің негізгі элементі оптикалық талшық ОТ болып табылады.ОТ оптикалық мөлдір диэлектрикті дөңгелек өзекшені құрайды.Оның бойымен жарық толқындары таралады.Оптикалық талшықты басқа механикалық ақаулардан сақтау үшін оның құрылымын бірнеше элементтерден:қорғау қабығынан,күш элементтерінен,бөлгіш қабықтарынан,сыртқы қорғау қабықтарынан,гтдрофобты толықтырғыштардан құрастырады.

Оптикалық талшықтың құрлымы 1.4-суретте келтірілген. Көпмодты талшық (мод-бағытталған толқын )-көптеген толқын түрлерін өткізеді.Оның өзекше диаметрлері 50 немесе 62,5 мкм,шағылысу қабықшасінікі-125 мкм.Ол жергілікті желіде қолданылады және оның беру жүйесіндегі жылдамдығы 400 Мбит/с.Сәуле шығару көзі ретінде суперлюминесцентті диод қолданылады. Ол 850 не 1300 нм толқын ұзындығында сәулеленеді.

Cурет 1.4 – Оптикалық талшық құрылымы:

1-оптикалық сигнал таралатын өзекше(жарық өткізгіш);2-сигналды талшықтан шығармас үшін өзекшені қорғап тұратын шағылысу қабығы.Сондықтан өзекшенің сыну көрсеткіші n1қабақшаның сыну көрсеткішінен n2 үлкен болу керек: n1 >n2;3-диаметрі 250 мкм эпоксирилатты төсеніш немесе диаметрі 900 мкм буферлі полимер төсеніш.Олар өзекше мен қабақшаны сыртқы әсерлерден және ылғалдан қорғайды. Көпмодты талшыққа әр түрлі бұрышпен түскен сәуле әр түрлі жолдармен таралады.Сондықтан оларды сатылы және градиентті деп бөледі.

Сатылы және градиентті көпмодты талшықты сыну көрсеткіштерінің кескіні арқылы ажыратуға болады (1.5-сурет).

Сурет 1.5 – Сатылы және градиентті көпмодты талшық пен бірмодты талшықтың сыну көрсеткіштерінің кескіні

2-кестеде әр түрлі толқын ұзындығында таралатын сатылы және градиентті талшық үшін дисперсия мәндері келтірілген.

Кесте 2 - Оптикалық талшықтағы дисперсия мәндері

-толқынның сәулелену ұзындығы;

d-өзекше диаметрі; n1-өзекшенің сыну көрсеткіші

Мұндағы n2-қабақшаның сыну көрсеткіші.

Сатылы талшықтағы мод саны анықталады.

Ал градиентті параболалық сыну көрсеткішінің кескіні екі есеге аз болады:

Сурет 1.6 – Оптикалық талшықтың бойымен жүретін толқындардың жолдары

Модтар өзекше ішінде сақталады және олардың талшық осі бойынша зигзаг түрінде таралуы келесі шарт бойынша анықталады:

Бірмодты талшық (Single Mode Fiber) 8,5-10 мкм диаметрлі өзекшеден тұрады және ол 1300 және 1550 нм толқын ұзындықтарында лазерлі шығу көзін қолданылатын кабельді теледидар мен телефон жүйесінде қолданылады. Мұндай талшықта тек бір ғана мод (сәуленің бір түрі)таралады. Ол сәуле оптикасы бойынша анықталмайды.

Сурет 1.7 – Бірмодты талшық

Бірмодты талшықта импульстің таралуы материалды дисперсия арқылы орындалады. Модаралық дисперсия нөлге тең. Мөлшерленген жиілік (V-параметрі) бірмодты талшық үшін . Бұл шарт d мәнін таңдау үшін және нақты бір толқын ұзындығына есептелген бірмодты талшықты алу үшін қолданылады. бірмодты талшықпен жұмыс істеуде өзекшенің d максималды диаметрін қолданамыз. Бірмодты талшықтағы мод ағынының (пятна) диаметрі келесі қатынаспен анықталады:

Мұндағы NA-талшықтың сандық апертурасы:

d=8.3мкм

NA=0,13 стандартты бірмодты талшықта толқын ұзындығы =1.55 мкм болатын мод дағы =9,5мкм.

Оптикалық қуаттың негізгі бөлімі өзекшенің сыртында таралуы салдарынан,бірмодты талшықтың қабақшасы өзекше сияқты өте аз жоғалуды көрсетеді. с толқын ұзындығы (отсечки) келесі мәнмен анықталады: > с-талшық кез келген толқын ұзындығында,барлық уақытта бірмодты болады;

> с-талшық көпмодты болады. NA апертурасы деп сәулелер (мод) өзекше ішінде сақталып тұрған кездегі үлкен бұрышындағы синус орындалатын конусты құрайтын жарық өткізгіштің қабықшасына түскен бұрыш пен оптикалық ось аралығын атайды:: n1 және n2 –нің бір-бірінен айырмашылықтары шамалы ғана:

Сонда:

және талшықтың ең негізгі сипаттамалары болып табылады.

Байланыс жүйесінде қолданылатын талшық үшін сандық апертура 0,1-0,2 аралығында болады,яғни бұрышына сәйкес. ТОБЖ-ның спектальдық бөлінетін ТОБЖ-СБ түрі (ВОСП-СР) ерекшелеу болып табылады. Мұндай жүйелер бір талшықты көп жолақты бір кабельді түрде құрылады (1.8-сурет). N беру жүйесінен толқын ұзындықтары болатын электрлік сигналдар оптикалық тасымалдаушылар дайындайтын сәуле шығарғыштарға беріледі.

Сурет 1.8 – ТОБЖ –СБ құрылымдық сұлбасы

Сурет 1.9 - Көп қабатты диэлектрикке негізделген мультиплексор

Сурет 1.10 - Дифракциялық торға негізделген мультиплексор

1.9-суреттегі коөп қабатты құрылымдарда толқынның мөлдірлік зонасын және оның кеңдігін таңдап алуғаболады. Мультиплексор-екі жағынан өзектік линзалармен қысылған көп қабатты диэлектрлік құрлым. Линзалардың шеткі ұштарының (торцевые) беттері сәуле жұтатын диэлектрлік қабаттармен жабылған. Линзаның және талшықтың оптикалық өрістері бір-бірінен ығысқан. Көп жағдайда бұл құрылғы мынандай сипаттамаларға ие болады:толқындар саны 2-ден 6-ға дейін тура шығындары 2÷5 дБ,өту өшуі 20÷40 дБ, толқын ұзындықтары арасындағы интервалдар 30-100 нм. Дифракциялық торға негізделген мультиплексорларда (1.10-сурет) шағылыстырушы типтегі дифракциялық тор арқылы өтетін сәуле дифракциясы бұрышының толқын ұзындығына тәуелділігі пайдаланылады. Осыдан барып, оптикалық талшық ұшын әр түрлі ұзындықтардағы толқындарға сәйкес жарық таңбасы пайда болатын орындарға орналастыру арқылы жарық толқындарын ұзындықтарына қарай ажыратып алуға болады. Конструктивтік тұрғыдан мұндай МП былай орындалады:

Өзектік линзаның бір қырына (торец) шағылыстырушы дифракциялық тор жапсырылады. Сүзгінің ажыратушы қасиеті дифракциялық тордың толқын ұзындығы және кіріс-шығыс оптикалық талшықтардың диаметрлері бойынша таңдап алу қасиетімен анықталады. Өткізу жолағының кеңдігі өзекше диаметріне тура пропорцианал болады. Сондықтан оны кеңейту үшін кіріс және шығыс оптикалық талшықтардың диаметрлерін үлкен етіп алады.Дифракциялық торларға негізделген мультиплексорлардың мынандай сипаттамалары бар:мөлдірлік жолағы – 20 нм.,тура шығындары 4 дБ-ден көп емес ,өту өшуі-40 дБ. Оптикалық талшық ішіндегі оптикалық энергияның жоғары тығыздығы сызықтық емес эффектісінің айтарлықтай дәрежеде байқалуына апарып соғады. ТОБЖ-СБ-де олардың арасынан анығырақ байқалатыны-комбинациялық шашырау салдарынан туындайтын күшейту эффектілігі (УВКР). Ол оптикалық тасымалдаушының талшық заттарының оптикалық фотондары арасындағы резонанстық өзара әрекеттер себебінен пайда болады.

УВКР эффектісінің қорытындысында әр түрлі оптикалық каналдың сигналдары арасында өзара әрекеттер пайда болады. Соның себебінен толқын ұзындықтарындағы кіші оптикалық тасымалдаушылардың қуаты артады. ТОБЖ-Сб дегі УВКР эффектінен пайда болатын айқасушы (перекрестные) тосқауылдар сигнал-шуыл шартты қатынасымен сипатталады.

С/Ш=101gP1/P1•P1

мұндағы Р₁-талшық ішіндегі бір оптикалық тасымалдаушының оптикалық сигналдарының қуаты;

Р₁-УВКР тосқауылы бар кездегі сондай қуат.