Помехи для оптоволоконный кабель
Без сомнения, оптоволоконная технология станет в будущем главным средством передачи информации. Она является одной из причин массового роста международных телекоммуникаций и эффекта «сжатия планеты». На основе этой технологии Интернет смог стать тем неоценимым информационным средством, каким он сегодня является. Однако вопреки распространенному мнению, это не панацея. У оптоволоконных систем все еще есть множество ограничений и препятствий, которые надо преодолеть. Перед тем как начать обсуждать теорию оптоволоконной передачи, сравним традиционные и оптоволоконные кабели и оценим их достоинства и недостатки.
1.2.1. Полоса пропускания
Сегодня у оптоволоконных кабелей огромная полоса пропускания со скоростями передачи до 40 Гбит/с, действующими уже сегодня, и свыше 100 Гбит/с, ожидающимися в ближайшем будущем. Факторами, ограничивающими рост скоростей передачи, в настоящее время являются: во-первых, большое по сравнению с периодами импульсов время ответа источников и детекторов для высоких скоростей передачи данных; во-вторых, близость длины волны света к периоду импульса, вызывающая проблемы дифференцирования в детекторах. Методы мультиплексирования нескольких длин волн в одном волокне (называемые спектральным уплотнением (WDM, wave division multiplexing) увеличивают общую скорость передачи по одному волокну до нескольких Тбит/с.
Следующее сравнение позволит почувствовать, что это означает в терминах передачи информации: при оптоволоконной связи на скорости примерно 1 Гбит/с можно одновременно передавать свыше 30 ООО сжатых телефонных разговоров. При связи на скорости 30 Гбит/с можно одновременно передавать до 1 миллиона телефонных разговоров по единственному стеклянному волокну!
Коаксиальные кабели диаметром до 8 см могут обеспечить скорости передачи до 1 Гбит/с на расстояниях до 10 км. Ограничивающим фактором является очень высокая стоимость меди.
В настоящее время продолжается важное исследование по увеличению скорости передачи через кабели с витыми парами. Сегодня во многих локальных сетях скорости 100 Мбит/с являются вполне обычными. Доступны также коммерческие системы, действующие на скоростях до 1 Гбит/с. После успешных лабораторных испытаний на скоростях 10 Гбит/с соответствующая продукция готовится к коммерческому выпуску. Причина такой активной деятельности в этой области кроется в избытке инфраструктуры с уже , установленными кабелями с витой парой, что позволяет значительно сэкономить на рытье траншей, прокладке каналов и укладке новых оптоволоконных кабелей. По этой причине технология кабелей с витой парой в настоящее время успешно конкурирует с оптоволоконной технологией, поскольку обе они имеют множество общих приложений.
1.2.2. Помехи
На оптоволоконные кабели совершенно не воздействуют электромагнитные помехи (EMI), радиочастотные помехи (RFI), молнии и скачки высокого напряжения. Они не страдают от проблем емкостных или индуктивных сопряжений. При правильном проектировании на оптоволоконные кабели не должны воздействовать электромагнитные импульсы от ядерных взрывов и фоновой радиации. (Это известие утешит большую часть населения после ядерной войны!)
В дополнение к этому факту оптоволоконные кабели не создают никаких электромагнитных или радиочастотных помех. Это свойство очень ценно для производства вычислений, обработки видео- и аудиоинформации, где все более важным для возросшего качества воспроизведения и записи становится окружение с низким шумом.
На обычные кабели влияют внешние помехи. В зависимости от типов кабелей и степеней их экранирования, они в разной степени подвержены электромагнитным и радиопомехам через индуктивные, емкостные и резистивные связи. Системы связи на основе традиционных кабелей полностью выходят из строя под действием электромагнитных импульсов ядерных взрывов.
Обычные кабели также излучают электромагнитные волны, что может вызвать помехи в других кабельных системах связи. Объем излучения зависит от величины передаваемого сигнала и качества экрана.
1.2.5. Электроизоляция
Оптоволоконные кабели обеспечивают полную гальваническую развязку между обоими концами кабеля. Непроводимость волокон делает кабели нечувствительными к скачкам напряжения. Это устраняет электромагнитные и эфирные помехи, которые могут быть вызваны контурами заземления, синфазными напряжениями, а также смещениями и короткими замыканиями потенциала земли. Оптоволоконный кабель действует как длинный изолятор. Поскольку оптические волокна не излучают волны и не подвержены помехам, еще одним их преимуществом является отсутствие взаимного влияния кабелей (то есть воздействия излучения одного кабеля связи на другой, проложенный рядом с ним).
Традиционные кабели, просто работая по своему предназначению, предоставляют электрическое соединение между своими концами. Следовательно, они восприимчивы к электромагнитным и эфирным помехам от контуров заземления, синфазных напряжений и смещений потенциала земли. Они также подвержены проблемам взаимного влияния.
1.2.4. Расстояния передачи
Для простых дешевых оптоволоконных систем возможны расстояния между повторителями до 5 км. Для высококачественных коммерческих систем теперь без труда доступны расстояния между ‘повторителями до 300 км. Были разработаны системы (без использования повторителей) на расстояния до 400 км. В лабораторных условиях достигнуты расстояния, близкие к 1000 км, но на рынке они пока недоступны. Одна европейская компания заявила, что в настоящее время разрабатывает оптоволоконный кабель, который можно проложить вдоль земного экватора и без всяких повторителей по нему можно будет передавать4сигнал с одного его конца на другой! Как такое возможно? При использовании слегка радиоактивной оболочки входящие фотоны с низкой энергией возбуждают в этой оболочке электроны, которые, в свою очередь, излучают фотоны с большей энергией. Таким образом возникает некоторая форма автоусиления. В следующих главах читателю будут разъяснены использованные термины.
На рынке кабелей с витой парой на скорости передачи 4 Мбит/с доступны расстояния между повторителями до 2,4 км. В случае коаксиальных кабелей на скоростях менее 1 Мбит/с между повторителями возможны расстояния до 25 км.
1.2.5. Размер и вес
По сравнению со всеми другими кабелями для передачи жданных, оптоволоконные кабели очень малы в диаметре и чрезвычайно легки. Четырехжильный оптоволоконный кабель весит примерно 240 кг/км, а 36-основный оптоволоконный кабель весит примерно лишь на 3 кг больше. Из-за своих небольших по сравнению с традиционными кабелями с такой же пропускной способностью размеров их обычно проще устанавливать в существующих условиях, а время установки и стоимость в общем ниже, поскольку они легки и с ними проще работать.
Традиционный кабель может весить от 800 кг/км для кабеля с 36 витыми парами до 5 т/км для высококачественного коаксиального кабеля большого диаметра.
Источник
Помехи для оптоволоконный кабель
Взаимные влияния и помехозащищенность цепей в линиях связи
Взаимные влияния между ОВ (световодами) оптических кабелей связи вызываются следующими причинами:
- воздействием регулярного электромагнитного поля излучения соседних ОВ;
- отражением световых сигналов от неоднородностей в волокне и излучением отраженных волн в окружающее пространство;
- микро- и макроизгибами ОВ, которые также вызывают излучение электромагнитных волн;
- излучением энергии сигналов в местах сращивания оптических волокон, их коммутации, разветвления и фильтрации;
- рэлеевским рассеянием в оптических волокнах.
Электромагнитное поле световодов имеет в основном закрытый характер, т. е. почти вся энергия сигнала распространяется в сердечнике ОВ. Лишь небольшая часть ее проходит по оболочке волокна (рис.27).
Рис. 27. Кривые распределения энергии световых сигналов в поперечном сечении оптического кабеля: 1— сердечник; 2—оболочка
Функция распределения интенсивности поля в оболочке ОВ в зависимости от радиуса оболочки имеет сходный характер с функцией распределения энергии поля во внешнем проводнике коаксиального кабеля при резко выраженном поверхностном эффекте (когда 
>5). Таким образом, по аналогии с коаксиальным кабелем можно говорить о “поверхностном эффекте” в оболочке ОВ.
Вследствие ограниченной когерентности оптических источников — полупроводниковых лазеров (ПЛ) и светодиодов (СД) спектр несущего колебания 
чрезвычайно широк. Так, у полупроводниковых лазеров 
=300. 1200 ГГц, что соответствует отношению 
=0,1. 0,4%, у светодиодов 
=10. 15 ГГц при 
=3. 4%. Если принять, что спектр информационных сигналов 
Таким образом, в отличие от обычных ЛС взаимные влияния между волокнами ОК практически не зависят от спектра информационных сигналов, а определяются конструкцией ОК и ОВ, а также параметрами источников излучения. Наибольшие влияния между ОВ имеют место в объектовых ОК, характеризующихся большим числом ОВ, плотным их расположением и малыми толщинами оболочек и защитных покровов, и в системах передачи, использующих светодиоды, поскольку их полоса излучения (
) в 15. 20 раз шире, чем у полупроводниковых лазеров.
Для создания заметной связи частота мод должна быть близка к критической. Значительная часть их полной мощности распространяется в покрытии ОВ в виде поверхностной волны (при 
) либо вытекающей (при 
), поэтому коэффициент затухания этих мод существенно выше, чем у остальных, и в установившемся модовом режиме они выбывают. В результате регулярная связь между световодами практически отсутствует из-за избирательного поглощения тех групп мод, между которыми она могла бы осуществиться.
Нерегулярные связи между световодами ОК возникают главным образом вследствие рассеяния на молекулярных неодно-родностях (рассеяние Рэлея), нерегулярностях границы между сердечником и оболочкой и на микроизгибах. Эти поля являются основной причиной возникновения взаимных помех.
Рассеянию Рэлея подвержены все распространяющиеся моды примерно в одинаковой степени. Микроизгибы и микронеоднородности приводят преимущественно к излучению мод с высшими граничными частотами и одновременно создают связи между всеми направляющими модами. Интенсивность каждого механизма рассеяния определим величиной, соответствующей составляющей коэффициента затухания 
, а его характер—диаграммой направленности рассеянного излучения по мощности 
(рис.28) на i-й неоднородности.
Рис.28. Схема образования влияний между световодами
Общий коэффициент затухания рассеяния 
.
Рассмотрим связь между световодами за счет i-го рассеяния в первом ОВ и 
-го—во втором (рис.2). Диаграмма направленности рассеяния описывает в соответствии с принципом взаимности одновременно и диаграмму направленности приема. Диаграммы направленности 
излучений из оптических волокон зависят от причины рассеяния.
Рассеяние на микроизгибах и микроскопических нерегулярностях имеет выраженную направленность в сторону распространения волны и аппроксимируется уравнениями
;
. (*)
Уравнение диаграммы направленности молекулярного рассеяния Рэлея:
.
В (*) т—число лепестков диаграммы направленности в первом квадранте; 
—угол между осью оптического волокна и максимумом главного лепестка диаграммы направленности, соответствует
Рис.29. Диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (а), микроскопических неоднородностей (б)
первому экстремуму (*) и 
. Рассеяние Рэлея по диаграммам направленности наиболее опасно, так как при нем рассеянная мощность проходит в покрытии оптических волокон минимальный путь. Существенная доля взаимных помех определяется и рассеянием на макро- и микроизгибах.
На рис.29 для примера показаны суммарные диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (кривая а) и для рассеяния микроскопических неоднородностей при т=6 (кривая б). Кривая а во втором квадранте симметрична показанной в первом квадранте, потому что рассеяния Рэлея в прямом и обратном направлениях одинаковы.
Процесс вычисления переходных затуханий на ближнем и дальнем 
концах ВОЛС весьма сложен и выполняется обычно с помощью ЭВМ. Переходные затухания, дБ, вычисляются по формулам
,
где 
и 
— мощность светового сигнала на ближнем и дальнем концах первой линии; 
и — мощность помехи на ближнем и дальнем концах второй линии.
Влияние на ближнем конце создается обратным рассеянием, интенсивость которого характеризуется так называемым коэффициентом связи обратной волны влияющего световода с сердцевиной световода, подверженного влиянию. На дальнем конце помехи создаются рассеянием, характеризующимся коэффициентом связи с прямой волной влияющего световода и сердцевиной световода, подверженного влиянию.
Экспериментальные исследования показывают, что некачественно выполненные стыки между строительными длинами ОК могут быть причиной создания нежелательных связей между световодами. Часто уровень помех, наводимых в стыках, значительно превышает уровень помех на регулярных участках линии.
Таким образом, взаимные влияния в ОК связи представляют собой случайные величины и при необходимости их значения должны определяться путем проведения измерения переходных затуханий.
Взаимные влияния между световодами ОК вследствие самоэкранирования направляющей системы, образуемой ОВ, весьма незначительны и носят в основном случайный характер. Эти влияния еще более ослабляются вследствие экранирующего действия защитных покрытий из полиамидных смол, фторопласта, селиковых резин, полиэтилена и других синтетических материалов, предназначенных в основном для усиления механической прочности ОВ, их защиты от внешних воздействий, улучшения температурных характеристик параметров передачи ОВ, облегчения технологии изготовления ОК и монтажа ОВ. Одновременно эти защитные оболочки, а также раздельное размещение ОВ в оптическом кабеле повышают защищенность оптических трактов от взаимных помех. Для оценки степени дополнительной защиты световодных трактов от взаимных помех определим прохождение волны через систему “оболочка— покрытие”. Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки зрения взаимных влияний конструкцию ОК, когда ОВ скручены в повивную скрутку так, что расстояние между ними определяется двойной толщиной защитного покрытия (рис.30), а передача сигналов осуществляется во встречных направлениях.
Рис.30. Схема расположения оптических волокон в ОК
Если защитные покрытия ОВ соприкасаются друг с другом (наиболее неблагоприятный случай), то электромагнитная волна при прохождении через защитное покрытие пройдет через две границы отражения: оболочка ОВ I(
)—покрытие (
); покрытие ()—оболочка ОВ II(). Здесь п — показатель преломления среды 
. В защитном покрытии происходит затухание электромагнитных волн вследствие поглощения энергии (
) и возникают дополнительные потери за счет взаимодействия многократно отраженных волн (
).
Таким образом, 
,
где 
и 
— коэффициенты ослабления поля вследствие отражения.
Основное ослабление влияющей волны происходит за счет поглощения энергии в защитном покрытии, величина которого
где 
, дБ/м; 
—угол диэлектрических потерь материала диэлектрического покрытия; 
— толщина защитного покрытия ОВ; 
—волновое число; 
—длина волны, м ; 
—показатель преломления покрытия.
Источник
