Optisko sakaru sistēmas: mērķis, radīšanas vēsture, priekšrocības
Kā radās elektrības pieslēgums?
Mūsdienu sakaru sistēmu prototipi parādījās pagājušajā gadsimtā un līdz to telegrāfa vadu beigām bija sapinuši visu pasauli. Pa tiem tika pārraidīti simtiem tūkstošu telegrammu, un drīz vien telegrāfs pārstāja tikt galā ar slodzi. Sūtījumi aizkavējās, un joprojām nebija tālsatiksmes telefona un radio sakaru.
20. gadsimta sākumā tika izgudrota elektronu caurule. Radiotehnoloģijas sāka strauji attīstīties, tika likti pamati elektronikai. Signalizētāji ir iemācījušies pārraidīt radioviļņus ne tikai pa kosmosu (pa gaisu), bet arī sūtīt tos pa vadiem un sakaru kabeļiem.
Radioviļņu izmantošana kalpoja par pamatu informācijas pārraides sistēmu dārgākās un neefektīvākās daļas - lineāro ierīču - sablīvēšanai. Saspiežot līniju frekvencē, laikā, izmantojot īpašas informācijas "iepakošanas" metodes, mūsdienās ir iespējams pārsūtīt desmitiem tūkstošu dažādu ziņojumu vienā rindā laika vienībā. Šādu komunikāciju sauc par daudzkanālu.
Robežas starp dažādiem komunikācijas veidiem sāka izplūst. Tie harmoniski papildināja viens otru, telegrāfa, telefona, radio, vēlāk televīzijas, radioreleja, vēlāk arī satelīta, kosmosa sakari tika apvienoti kopējā elektrisko sakaru sistēmā.
Mūsdienu komunikācijas tehnoloģijas
Komunikācijas kanālu informācijas blīvums
Informācijas pārraides kanālos darbojas viļņi, kuru garums ir no 3000 km līdz 4 mm. Iekārta darbojas, un tā spēj pārraidīt 400 megabitus sekundē pa sakaru kanālu (400 Mbit/s ir 400 miljoni bitu sekundē). Ja mēs ņemam burtu šādā secībā uz 1 bitu, tad 400 Mbit veidos 500 sējumu bibliotēku, katrā no tām ir 20 drukātas lapas).
Vai pašreizējie elektriskie sakaru līdzekļi ir līdzīgi to pagājušā gadsimta prototipiem? Gandrīz tas pats, kas konkūra lidmašīna. Neskatoties uz moderno sakaru kanālu aprīkojuma pilnību, diemžēl tas ir pārāk pārpildīts: daudz tuvāk nekā pagājušā gadsimta 90. gados.
Telegrāfa vadi Sinsinati, ASV (20. gadsimta sākums)
Sieviete klausās radio austiņās, 1923. gada 28. marts.
Pastāv pretruna starp pieaugošo vajadzību pēc informācijas pārraides un šobrīd sakaru kanālos izmantoto fizisko procesu pamatīpašībām. Lai atšķaidītu "informācijas blīvumu", ir jāiekaro arvien īsāki viļņi, tas ir, jāapgūst arvien augstākas frekvences. Elektromagnētisko svārstību būtība ir tāda, ka jo augstāka ir to frekvence, jo vairāk informācijas laika vienībā var pārraidīt pa sakaru kanālu.
Bet ar visām lielākajām grūtībām, ar kurām jāsaskaras komunikatoriem: samazinoties viļņam, strauji palielinās uztverošo ierīču iekšējie (iekšējie) trokšņi, samazinās ģeneratoru jauda un ievērojami samazinās efektivitāte. raidītājus, un no visas patērētās elektroenerģijas tikai neliela daļa tiek pārvērsta noderīgā radioviļņu enerģijā.
Nauen radiostacijas cauruļu pārraides ķēdes izejas transformators Vācijā ar darbības rādiusu vairāk nekā 20 000 kilometru (1930. gada oktobris)
Pirmie UHF radio sakari tika izveidoti starp Vatikānu un pāvesta Pija XI vasaras rezidenci 1933.
Ultra īsie viļņi (UHF) pa ceļam katastrofāli ātri zaudē savu enerģiju. Tāpēc ziņojumu signāli ir pārāk bieži jāpastiprina un jāreģenerē (atjauno), ir jāizmanto sarežģītas un dārgas iekārtas. Saziņa radioviļņu diapazonā centimetru diapazonā, nemaz nerunājot par milimetru diapazonu, saskaras ar daudziem šķēršļiem.
Elektrisko sakaru kanālu trūkumi
Gandrīz visas mūsdienu elektriskās komunikācijas ir daudzkanālu. Lai pārraidītu 400 Mbit / s kanālā, jums jāstrādā radioviļņu decimimetra diapazonā. Tas ir iespējams tikai ļoti sarežģīta aprīkojuma un, protams, īpaša augstfrekvences (koaksiālā) kabeļa klātbūtnē, kas sastāv no viena vai vairākiem koaksiālajiem pāriem.
Katrā pārī ārējie un iekšējie vadītāji ir koaksiālie cilindri. Divi šādi pāri var vienlaikus pārraidīt 3600 tālruņa zvanus vai vairākas TV programmas. Tomēr šajā gadījumā signāli ir jāpastiprina un jāatjauno ik pēc 1,5 km.
Stilīgs signalizētājs 20. gadsimta 20. gados
Sakaru kanālos dominē kabeļu līnijas. Tie ir aizsargāti no ārējām ietekmēm, elektriskiem un magnētiskiem traucējumiem. Kabeļi ir izturīgi un uzticami darbībā, tos ir ērti novietot dažādās vidēs.
Taču kabeļu un sakaru vadu ražošana aizņem vairāk nekā pusi no pasaulē saražotā krāsaino metālu apjoma, kura rezerves strauji sarūk.
Metāls kļūst dārgāks. Un kabeļu, īpaši koaksiālo, ražošana ir sarežģīts un ārkārtīgi energoietilpīgs bizness. Un nepieciešamība pēc tiem pieaug. Tāpēc nav grūti iedomāties, kādas ir sakaru līniju izbūves un to ekspluatācijas izmaksas.
Kabeļu līnijas ierīkošana Ņujorkā, 1888. gads.
Sakaru tīkls ir visievērojamākā un dārgākā struktūra, ko cilvēks jebkad ir radījis uz Zemes. Kā to attīstīt tālāk, ja jau XX gadsimta 50. gados kļuva skaidrs, ka telekomunikācijas tuvojas savas ekonomiskās iespējamības slieksnim?
Transkontinentālās telefona līnijas pabeigšana, Vendovera, Jūta, 1914.
Lai novērstu "informācijas blīvumu sakaru kanālos, bija nepieciešams iemācīties izmantot elektromagnētisko svārstību optiskos diapazonus. Galu galā gaismas viļņiem ir miljoniem reižu vairāk vibrāciju nekā VHF.
Ja tiktu izveidots optiskais sakaru kanāls, vienlaikus būtu iespējams pārraidīt vairākus tūkstošus televīzijas programmu un daudz vairāk telefona zvanu un radio raidījumu.
Uzdevums šķita biedējošs. Taču ceļā uz tās atrisinājumu zinātnieku un signalizētāju priekšā radās sava veida problēmu labirints. XX gadsimtus neviens nezināja, kā to pārvarēt.
"Padomju televīzija un radio" — izstāde "Sokoļņiku" parkā, Maskavā, 1959. gada 5. augustā.
Lāzeri
1960. gadā tika izveidots pārsteidzošs gaismas avots – lāzers jeb optiskais kvantu ģenerators (LQG). Šai ierīcei ir unikālas īpašības.
Īsā raksta ietvaros nav iespējams pastāstīt par dažādu lāzeru darbības principu un iekārtu. Mūsu vietnē jau bija detalizēts raksts par lāzeriem: Lāzeru ierīce un darbības princips… Šeit mēs aprobežojamies ar to lāzera īpašību uzskaitījumu, kuras ir piesaistījušas sakaru darbinieku uzmanību.
Teds Meimens, pirmā darba lāzera instruktors, 1960. gads.
Vispirms noteiksim starojuma koherenci. Lāzera gaisma ir gandrīz monohromatiska (viena krāsa) un atšķiras telpā reizes mazāk nekā vispilnīgākā prožektora gaisma. Lāzera adatas starā koncentrētā enerģija ir ļoti augsta. Tieši šīs un dažas citas lāzera īpašības pamudināja sakaru darbiniekus izmantot lāzeru optiskajai saziņai.
Pirmie melnraksti tika apkopoti šādi. Ja jūs izmantojat lāzeru kā ģeneratoru un modulējat tā staru ar ziņojuma signālu, jūs iegūstat optisko raidītāju. Virzot staru uz gaismas uztvērēju, iegūstam optisko sakaru kanālu. Nav vadu, nav kabeļu. Komunikācija notiks caur telpu (atvērtā lāzera komunikācija).
Pieredze ar lāzeriem zinātnes laboratorijā
Laboratorijas eksperimenti izcili apstiprināja komunikāciju darbinieku hipotēzi. Un drīz vien radās iespēja šīs attiecības pārbaudīt praksē.Diemžēl signālierīču cerības uz atklātu lāzerkomunikāciju uz Zemes nepiepildījās: lietus, sniegs, migla padarīja saziņu neskaidru un bieži vien to pilnībā pārtrauca.
Kļuva skaidrs, ka gaismas viļņi, kas nes informāciju, ir jāaizsargā ar atmosfēru. To var izdarīt ar viļņvadu palīdzību – iekšā plānas, viendabīgas un ļoti gludas metāla caurules.
Bet inženieri un ekonomisti uzreiz atpazina grūtības, kas saistītas ar absolūti gludu un vienmērīgu viļņvadu izveidi. Viļņvadi bija dārgāki par zeltu. Acīmredzot spēle nebija sveces vērta.
Viņiem bija jāmeklē principiāli jauni pasaules ceļvežu veidošanas veidi. Bija jāraugās, lai gaismas vadotnes nebūtu no metāla, bet no kādas lētas, netrūkstoša izejmateriāla. Bija vajadzīgi gadu desmiti, lai izstrādātu optiskās šķiedras, kas piemērotas informācijas pārraidīšanai, izmantojot gaismu.
Pirmā šāda šķiedra ir izgatavota no īpaši tīra stikla. Tika izveidota divslāņu koaksiālā serdeņa un apvalka struktūra. Stikla veidi tika izvēlēti tā, lai serdei būtu augstāks laušanas koeficients nekā apšuvumam.
Gandrīz pilnīga iekšējā atstarošana optiskajā vidē
Bet kā savienot dažādus stiklus, lai uz robežas starp serdi un apvalku nebūtu defektu? Kā panākt gludumu, viendabīgumu un tajā pašā laikā maksimālu šķiedru stiprību?
Ar zinātnieku un inženieru pūlēm beidzot tika izveidota vēlamā optiskā šķiedra. Mūsdienās gaismas signāli caur to tiek pārraidīti simtiem un tūkstošiem kilometru. Bet kādi ir gaismas enerģijas izplatīšanās likumi uz nemetāliskiem (dielektriskiem) vadošiem materiāliem?
Šķiedru režīmi
Viena režīma un daudzmodu šķiedras pieder pie optiskajām šķiedrām, caur kurām pārvietojas gaisma, piedzīvo atkārtotas iekšējās atstarošanas aktus serdeņa apšuvuma saskarnē (eksperti ar "režīmu" saprot rezonatora sistēmas dabiskās svārstības).
Šķiedras režīmi ir savi viļņi, t.i. tās, kuras uztver šķiedras kodols un izplatās pa šķiedru no tās sākuma līdz beigām.
Šķiedras veidu nosaka tās konstrukcija: sastāvdaļas, no kurām izgatavots serdenis un apšuvums, kā arī šķiedras izmēru attiecība pret izmantoto viļņa garumu (īpaši svarīgs ir pēdējais parametrs).
Vienmodas šķiedrās serdes diametram jābūt tuvu dabiskajam viļņa garumam. No daudzajiem viļņiem šķiedras kodols uztver tikai vienu no saviem viļņiem. Tāpēc šķiedru (gaismas vadu) sauc par vienmodu.
Ja serdes diametrs pārsniedz noteikta viļņa garumu, tad šķiedra spēj vadīt vairākus desmitus vai pat simtus dažādu viļņu vienlaikus. Šādi darbojas daudzmodu šķiedra.
Informācijas pārraide ar gaismu caur optiskajām šķiedrām
Gaisma tiek ievadīta optiskajā šķiedrā tikai no atbilstoša avota. Visbiežāk - no lāzera. Bet nekas nav ideāls pēc dabas. Tāpēc lāzera stars, neskatoties uz tā raksturīgo monohromatitāti, joprojām satur noteiktu frekvenču spektru vai, citiem vārdiem sakot, izstaro noteiktu viļņu garumu diapazonu.
Kas bez lāzera var kalpot kā gaismas avots optiskajām šķiedrām? Augstas spilgtuma gaismas diodes. Taču tajos esošā starojuma virzība ir daudz mazāka nekā lāzeriem.Tāpēc ar iedziedātajām diodēm šķiedrā tiek ievadīts desmitiem un simtiem reižu mazāk enerģijas nekā lāzers.
Kad lāzera stars ir vērsts uz šķiedras kodolu, katrs vilnis to ietriecas stingri noteiktā leņķī. Tas nozīmē, ka dažādi īpašviļņi (režīmi) vienā laika intervālā iet cauri dažāda garuma šķiedrai (no tās sākuma līdz beigām). Tā ir viļņu dispersija.
Un kas notiek ar signāliem? Vienā laika intervālā ejot pa citu ceļu šķiedrā, tie var sasniegt līnijas galu izkropļotā veidā.Speciālisti šo parādību sauc par režīma dispersiju.
Šķiedras kodols un apvalks ir līdzīgi. jau minēts, tie ir izgatavoti no stikla ar dažādiem refrakcijas rādītājiem. Un jebkuras vielas refrakcijas indekss ir atkarīgs no gaismas viļņa garuma, kas ietekmē vielu. Tāpēc pastāv matērijas izkliede jeb, citiem vārdiem sakot, materiāla izkliede.
Viļņa garums, režīms, materiāla izkliede ir trīs faktori, kas negatīvi ietekmē gaismas enerģijas pārraidi caur optiskajām šķiedrām.
Vienmodas šķiedrās nav režīma dispersijas. Tāpēc šādas šķiedras laika vienībā var pārraidīt simtiem reižu vairāk informācijas nekā daudzmodu šķiedras. Kā ir ar viļņu un materiālu dispersiju?
Vienmodas šķiedrās tiek mēģināts nodrošināt, ka noteiktos apstākļos viļņu un materiāla izkliedes viena otru dzēš. Pēc tam bija iespējams izveidot šādu šķiedru, kurā tika ievērojami vājināta režīma un viļņu dispersijas negatīvā ietekme. Kā jums tas izdevās?
Mēs izvēlējāmies šķiedru materiāla refrakcijas indeksa izmaiņu atkarības grafiku ar tā attāluma izmaiņām no ass (pa rādiusu) saskaņā ar parabolisko likumu. Gaisma pārvietojas pa šādu šķiedru, nepiedzīvojot vairākas pilnīgas atstarošanas darbības serdes apšuvuma saskarnē.
Sakaru sadales skapis. Dzelteni kabeļi ir vienmoda šķiedras, oranžie un zilie kabeļi ir daudzmodu šķiedras
Optiskās šķiedras uztvertās gaismas ceļi ir atšķirīgi. Daži stari izplatās pa serdes asi, vienā vai otrā virzienā novirzoties no tās vienādos attālumos ("čūska"), citi, kas atrodas plaknēs, kas šķērso šķiedras asi, veido spirāļu kopumu. Dažu rādiuss paliek nemainīgs, citu rādiuss periodiski mainās. Šādas šķiedras sauc par refrakcijas vai gradientu.
Ir ļoti svarīgi zināt; kādā ierobežojošā leņķī gaisma jāvirza uz katras optiskās šķiedras galu. Tas nosaka, cik daudz gaismas iekļūs šķiedrā un tiks vadīts no optiskās līnijas sākuma līdz beigām. Šo leņķi nosaka šķiedras skaitliskā apertūra (vai vienkārši - apertūra).
Optiskā komunikācija
FOCL
Kā optiskās sakaru līnijas (FOCL) optiskās šķiedras, kas pašas ir plānas un trauslas, nevar izmantot. Šķiedras tiek izmantotas kā izejmateriāls optisko šķiedru kabeļu (FOC) ražošanā. FOC tiek ražoti dažādos dizainos, formās un nolūkos.
Izturības un uzticamības ziņā FOC neatpaliek no metālietilpīgajiem prototipiem, un tos var novietot tajās pašās vidēs kā kabeļus ar metāla vadītājiem — gaisā, pazemē, upju un jūras dibenā. WOK ir daudz vieglāk.Svarīgi, ka FOC ir pilnīgi nejutīgi pret elektriskiem traucējumiem un magnētiskām ietekmēm. Galu galā ar šādiem traucējumiem metāla kabeļos ir grūti tikt galā.
Pirmās paaudzes optiskie kabeļi 80. un 90. gados veiksmīgi aizstāja koaksiālās maģistrāles starp automātiskajām telefona centrālēm. Šo līniju garums nepārsniedza 10-15 km, taču signalizētāji atviegloti uzelpoja, kad kļuva iespējams pārraidīt visu nepieciešamo informāciju bez starpreģeneratoriem.
Komunikācijas kanālos parādījās liels "dzīvojamās telpas" piedāvājums, un jēdziens "informācijas blīvums" zaudēja savu aktualitāti. Viegls, plāns un pietiekami elastīgs, FOC bez grūtībām tika ievietots esošajā pazemes telefonā.
Ar automātisko telefona centrāli bija jāpievieno vienkārša iekārta, kas optiskos signālus pārvērš elektriskos (ieejā no iepriekšējās stacijas) un elektriskos optiskos (izejā uz nākamo staciju). Visas komutācijas iekārtas, abonentlīnijas un to telefoni nav piedzīvojuši nekādas izmaiņas. Viss izrādījās, kā saka, lēts un jautrs.
Optisko šķiedru kabeļa uzstādīšana pilsētā
Optiskā kabeļa uzstādīšana uz gaisvadu pārvades līnijas balsta
Izmantojot mūsdienu optiskās sakaru līnijas, informācija tiek pārraidīta nevis analogā (nepārtrauktā), bet gan diskrētā (digitālā) formā.
Optiskās sakaru līnijas, tās ļāva pēdējos 30-40 gados veikt revolucionāras transformācijas komunikāciju tehnoloģijās un salīdzinoši ātri ilgā laika periodā pielikt punktu informācijas pārraides kanālu "informācijas necaurlaidības" problēmai.Starp visiem sakaru un pārraides līdzekļiem informācija, optiskās sakaru līnijas ieņem vadošo pozīciju un dominēs visu XXI gadsimtu.
Papildus:
Informācijas pārveidošanas un pārraides princips par optiskajām šķiedrām