Optické komunikačné systémy: účel, história vzniku, výhody
Ako prišlo k elektrickému zapojeniu?
Prototypy moderných komunikačných systémov sa objavili v minulom storočí a do konca ich telegrafných drôtov zaplietli celý svet. Prenášali sa cez ne státisíce telegramov a čoskoro telegraf prestal zvládať záťaž. Expedície meškali a stále neexistovala diaľková telefónna a rádiová komunikácia.
Na začiatku 20. storočia bola vynájdená elektrónka. Rádiotechnika sa začala rýchlo rozvíjať, položili sa základy elektroniky. Signalizátori sa naučili vysielať rádiové vlny nielen vesmírom (vzduchom), ale aj posielať cez drôty a cez komunikačné káble.
Použitie rádiových vĺn slúžilo ako základ pre zhutnenie najdrahšej a neefektívnej časti systémov prenosu informácií - lineárnych zariadení. Komprimovaním linky vo frekvencii, v čase, pomocou špeciálnych metód „balenia“ informácií je dnes možné prenášať desaťtisíce rôznych správ na jednej linke za jednotku času. Takáto komunikácia sa nazýva viackanálová.
Hranice medzi rôznymi druhmi komunikácie sa začali stierať. Harmonicky sa dopĺňali, telegrafné, telefónne, rozhlasové, neskôr televízne, rádioreléové a neskôr satelitné, vesmírne spoje boli zjednotené v spoločnom elektrickom komunikačnom systéme.
Moderné komunikačné technológie
Informačná tesnosť komunikačných kanálov
V kanáloch prenosu informácií pracujú vlny s dĺžkou 3000 km až 4 mm. Zariadenie je v prevádzke schopné prenášať 400 megabitov za sekundu cez komunikačný kanál (400 Mbit/s je 400 miliónov bitov za sekundu). Ak vezmeme písmeno v tomto poradí pre 1 bit, potom 400 Mbit vytvorí knižnicu 500 zväzkov, každý s 20 vytlačenými listami).
Sú súčasné prostriedky elektrickej komunikácie podobné ich prototypom z minulého storočia? Takmer rovnaké ako parkúrové lietadlo. Napriek všetkej dokonalosti vybavenia moderných komunikačných kanálov je, žiaľ, príliš preplnený: oveľa bližšie ako v 90. rokoch minulého storočia.
Telegrafné drôty v Cincinnati, USA (začiatok 20. storočia)
Žena počúva rádio cez slúchadlá, 28.3.1923.
Existuje rozpor medzi rastúcou potrebou prenosu informácií a základnými vlastnosťami fyzikálnych procesov, ktoré sa v súčasnosti používajú v komunikačných kanáloch. Na rozriedenie „hustoty informácií“ je potrebné dobývať stále kratšie vlny, teda zvládať stále vyššie a vyššie frekvencie. Charakter elektromagnetických oscilácií je taký, že čím vyššia je ich frekvencia, tým viac informácií za jednotku času možno preniesť cez komunikačný kanál.
Ale so všetkými väčšími ťažkosťami, ktorým musia komunikátori čeliť: s poklesom vlny sa vnútorné (vlastné) zvuky prijímacích zariadení prudko zvyšujú, výkon generátorov klesá a účinnosť výrazne klesá. vysielačov a zo všetkej spotrebovanej elektriny sa len malá časť premení na užitočnú energiu rádiových vĺn.
Výstupný transformátor elektrónkového prenosového okruhu rádiovej stanice Nauen v Nemecku s dosahom viac ako 20 000 kilometrov (október 1930)
Prvé rádiové spojenie UHF bolo nadviazané medzi Vatikánom a letným sídlom pápeža Pia XI., 1933.
Ultra krátke vlny (UHF) cestou katastrofálne rýchlo strácajú svoju energiu. Signály správ sa preto musia príliš často zosilňovať a regenerovať (obnovovať) Musíme sa uchýliť k zložitým a drahým zariadeniam. Komunikácia v centimetrovom rozsahu rádiových vĺn, nehovoriac o milimetrovom rozsahu, čelí početným prekážkam.
Nevýhody elektrických komunikačných kanálov
Takmer všetky moderné elektrické komunikácie sú viackanálové. Ak chcete vysielať na kanáli 400 Mbit / s, musíte pracovať v decimimetrovom rozsahu rádiových vĺn. To je možné len za prítomnosti veľmi zložitého zariadenia a samozrejme špeciálneho vysokofrekvenčného (koaxiálneho) kábla, ktorý pozostáva z jedného alebo viacerých koaxiálnych párov.
V každom páre sú vonkajšie a vnútorné vodiče koaxiálne valce. Dva takéto páry dokážu súčasne preniesť 3 600 telefónnych hovorov alebo niekoľko televíznych programov. V tomto prípade však musia byť signály zosilnené a regenerované každých 1,5 km.
Štýlový signalista v 20. rokoch minulého storočia
Komunikačným kanálom dominujú káblové vedenia. Sú chránené pred vonkajšími vplyvmi, elektrickými a magnetickými poruchami. Káble sú odolné a spoľahlivé v prevádzke, sú vhodné na kladenie v rôznych prostrediach.
Výroba káblov a komunikačných drôtov však zaberá viac ako polovicu svetovej produkcie neželezných kovov, ktorých zásoby sa rýchlo zmenšujú.
Kov je stále drahší. A výroba káblov, najmä koaxiálnych, je zložitý a energeticky mimoriadne náročný biznis. A ich potreba rastie. Preto nie je ťažké si predstaviť, aké sú náklady na výstavbu komunikačných liniek a ich prevádzku.
Inštalácia káblového vedenia v New Yorku, 1888.
Komunikačná sieť je najúžasnejšou a najdrahšou štruktúrou, akú kedy človek na Zemi vytvoril. Ako to ďalej rozvíjať, ak sa už v 50. rokoch 20. storočia ukázalo, že telekomunikácie sa blížia k prahu svojej ekonomickej realizovateľnosti?
Dokončenie transkontinentálnej telefónnej linky, Wendover, Utah, 1914.
Na odstránenie „hustoty informácií v komunikačných kanáloch bolo potrebné naučiť sa používať optické rozsahy elektromagnetických oscilácií. Svetelné vlny majú totiž miliónkrát viac vibrácií ako VHF.
Ak by sa vytvoril optický komunikačný kanál, bolo by možné súčasne prenášať niekoľko tisíc televíznych programov a oveľa viac telefónnych hovorov a rozhlasového vysielania.
Úloha sa zdala náročná. No na ceste k jeho riešeniu sa pred vedcami a signalistami vynoril akýsi labyrint problémov. XX storočia nikto nevedel, ako to prekonať.
"Sovietska televízia a rozhlas" - výstava v parku "Sokolniki", Moskva, 5. augusta 1959.
Lasery
V roku 1960 vznikol úžasný svetelný zdroj – laserový alebo optický kvantový generátor (LQG). Toto zariadenie má jedinečné vlastnosti.
V krátkom článku nie je možné povedať o princípe fungovania a zariadení rôznych laserov. Na našej stránke už bol podrobný článok o laseroch: Zariadenie a princíp činnosti laserov... Tu sa obmedzíme na vymenovanie len tých vlastností lasera, ktoré upútali pozornosť pracovníkov komunikácie.
Ted Mayman, kontrainštruktor prvého pracovného lasera, 1960.
V prvom rade si uveďme koherenciu žiarenia. Laserové svetlo je takmer monochromatické (jednofarebné) a rozchádza sa v priestore krát menej ako svetlo najdokonalejšieho svetlometu. Energia sústredená v ihlovom lúči lasera je veľmi vysoká. Boli to tieto a niektoré ďalšie vlastnosti lasera, ktoré podnietili pracovníkov v oblasti komunikácie, aby použili laser na optickú komunikáciu.
Prvé návrhy boli zhrnuté nasledovne. Ak použijete laser ako generátor a modulujete jeho lúč signálom správy, získate optický vysielač. Smerovaním lúča do prijímača svetla získame optický komunikačný kanál. Žiadne drôty, žiadne káble. Komunikácia bude prebiehať cez vesmír (otvorená laserová komunikácia).
Skúsenosti s lasermi vo vedeckom laboratóriu
Laboratórne experimenty brilantne potvrdili hypotézu komunikačných pracovníkov. A čoskoro sa naskytla príležitosť otestovať tento vzťah v praxi.Žiaľ, nádeje signalistov na otvorenú laserovú komunikáciu na Zemi sa nenaplnili: dážď, sneh, hmla zneistili komunikáciu a často ju úplne prerušili.
Ukázalo sa, že svetelné vlny nesúce informácie musia byť tienené atmosférou. Dá sa to urobiť pomocou vlnovodov - tenkých, rovnomerných a veľmi hladkých kovových rúrok vo vnútri.
Ale inžinieri a ekonómovia okamžite rozpoznali ťažkosti spojené s výrobou absolútne hladkých a rovnomerných vlnovodov. Vlnovody boli drahšie ako zlato. Očividne hra nestála za sviečku.
Museli hľadať zásadne nové spôsoby vytvárania svetových sprievodcov. Bolo treba zabezpečiť, aby svetlovody neboli kovové, ale z nejakej lacnej nedostatkovej suroviny. Trvalo desaťročia, kým sa vyvinuli optické vlákna vhodné na prenos informácií pomocou svetla.
Prvé takéto vlákno je vyrobené z ultračistého skla. Bola vytvorená dvojvrstvová koaxiálna štruktúra jadra a plášťa. Typy skiel boli zvolené tak, aby jadro malo vyšší index lomu ako plášť.
Takmer úplný vnútorný odraz v optickom prostredí
Ako však spojiť rôzne sklá tak, aby na hranici medzi jadrom a plášťom neboli žiadne defekty? Ako dosiahnuť hladkosť, rovnomernosť a zároveň maximálnu pevnosť vlákna?
Vďaka úsiliu vedcov a inžinierov bolo nakoniec vytvorené požadované optické vlákno. Dnes sa cez ňu prenášajú svetelné signály na stovky a tisíce kilometrov. Aké sú však zákony šírenia svetelnej energie na nekovových (dielektrických) vodivých médiách?
Režimy vlákien
Jednovidové a viacvidové vlákna patria k optickým vláknam, cez ktoré prechádza svetlo, pričom dochádza k aktom opakovaného vnútorného odrazu na rozhraní jadro-plášť (odborníci označujú prirodzené oscilácie rezonátorového systému pod pojmom "režim").
Módy vlákna sú jeho vlastné vlny, t.j. tie, ktoré sú zachytené jadrom vlákna a šíria sa pozdĺž vlákna od jeho začiatku až po jeho koniec.
Typ vlákna určuje jeho konštrukcia: komponenty, z ktorých je jadro a plášť vyrobené, ako aj pomer rozmerov vlákna k použitej vlnovej dĺžke (dôležitý je najmä posledný parameter).
V jednovidových vláknach musí byť priemer jadra blízky prirodzenej vlnovej dĺžke. Z mnohých vĺn jadro vlákna zachytáva len jednu vlastnú vlnu. Preto sa vlákno (svetlovod) nazýva single-mode.
Ak priemer jadra presahuje dĺžku určitej vlny, potom je vlákno schopné viesť niekoľko desiatok alebo dokonca stoviek rôznych vĺn naraz. Takto funguje multimódové vlákno.
Prenos informácií svetlom cez optické vlákna
Svetlo sa do optického vlákna vháňa len z vhodného zdroja. Najčastejšie — z lasera. Ale nič nie je od prírody dokonalé. Preto laserový lúč, napriek svojej prirodzenej monochromatičnosti, stále obsahuje určité frekvenčné spektrum, alebo inými slovami, vyžaruje určitý rozsah vlnových dĺžok.
Čo okrem lasera môže slúžiť ako zdroj svetla pre optické vlákna? LED s vysokým jasom. Smerovosť žiarenia v nich je však oveľa menšia ako u laserov.Spálenými diódami je preto do vlákna vnášané desiatky a stokrát menej energie ako laserom.
Keď je laserový lúč nasmerovaný na jadro vlákna, každá vlna naň dopadá pod presne definovaným uhlom. To znamená, že rôzne vlastné vlny (režimy) za rovnaký časový interval prechádzajú cez vlákno (od jeho začiatku až po koniec) rôzne dlhé dráhy. Toto je rozptyl vĺn.
A čo sa stane so signálmi? Prechádzajúc inou dráhou vo vlákne v rovnakom časovom intervale sa môžu dostať na koniec línie v skreslenej forme.Odborne tento jav nazývajú vidová disperzia.
Jadro a plášť vlákna sú podobné. už spomenuté, sú vyrobené zo skla s rôznym indexom lomu. A index lomu akejkoľvek látky závisí od vlnovej dĺžky svetla, ktoré látku ovplyvňuje. Preto existuje disperzia hmoty, alebo inak povedané, disperzia hmoty.
Vlnová dĺžka, mód, disperzia materiálu sú tri faktory, ktoré negatívne ovplyvňujú prenos svetelnej energie cez optické vlákna.
V jednovidových vláknach neexistuje disperzia vidov. Preto môžu takéto vlákna prenášať stokrát viac informácií za jednotku času ako multimódové vlákna. A čo disperzie vĺn a materiálov?
V jednovidových vláknach sa robia pokusy zabezpečiť, aby sa za určitých podmienok vlny a disperzie materiálu navzájom rušili. Následne sa podarilo vytvoriť také vlákno, kde sa výrazne oslabil negatívny vplyv vidového a vlnového rozptylu. Ako ste to zvládli?
Graf závislosti zmeny indexu lomu vláknitého materiálu so zmenou jeho vzdialenosti od osi (po polomere) sme zvolili podľa parabolického zákona. Svetlo sa šíri po takomto vlákne bez toho, aby došlo k viacnásobnému úplnému odrazu na rozhraní jadro-plášť.
Komunikačná rozvodná skriňa. Žlté káble sú jednovidové vlákna, oranžové a modré káble sú multimódové vlákna
Dráhy svetla zachyteného optickým vláknom sú rôzne. Niektoré lúče sa šíria pozdĺž osi jadra, odchyľujú sa od nej v jednom alebo druhom smere v rovnakých vzdialenostiach ("had"), iné ležiace v rovinách pretínajúcich os vlákna tvoria sústavu špirál. Polomer niektorých zostáva konštantný, polomery iných sa periodicky menia. Takéto vlákna sa nazývajú refrakčné alebo gradientné.
Je veľmi dôležité vedieť; pod akým hraničným uhlom musí smerovať svetlo na koniec každého optického vlákna. To určuje, koľko svetla vstúpi do vlákna a bude vedené od začiatku až po koniec optického vedenia. Tento uhol je určený číselnou apertúrou vlákna (alebo jednoducho - clonou).
Optická komunikácia
FOCL
Ako optické komunikačné linky (FOCL) nemožno použiť optické vlákna, samotné tenké a krehké. Vlákna sa používajú ako surovina na výrobu káblov z optických vlákien (FOC). FOC sa vyrábajú v rôznych prevedeniach, tvaroch a účeloch.
Pokiaľ ide o pevnosť a spoľahlivosť, FOC nie sú horšie ako ich prototypy náročné na kov a môžu byť položené v rovnakých prostrediach ako káble s kovovými vodičmi – vo vzduchu, pod zemou, na dne riek a morí. WOK je oveľa jednoduchší.Dôležité je, že FOC sú úplne necitlivé na elektrické rušenie a magnetické vplyvy. Koniec koncov, v kovových kábloch je ťažké vyrovnať sa s takýmto rušením.
Optické káble prvej generácie v 80. a 90. rokoch úspešne nahradili koaxiálne diaľnice medzi automatickými telefónnymi ústredňami. Dĺžka týchto tratí nepresahovala 10-15 km, ale signalisti si vydýchli, keď bolo možné prenášať všetky potrebné informácie bez medziľahlých regenerátorov.
V komunikačných kanáloch sa objavila veľká ponuka „životného priestoru“ a pojem „tesnosť informácií“ stratil svoj význam. Ľahký, tenký a dostatočne flexibilný, FOC bol bez problémov položený do existujúceho podzemného telefónu.
Pri automatickej telefónnej ústredni bolo potrebné doplniť jednoduché zariadenie, ktoré prevádza optické signály na elektrické (na vstupe z predchádzajúcej stanice) a elektrické na optické (na výstupe do ďalšej stanice). Všetky spínacie zariadenia, účastnícke linky a ich telefóny neprešli žiadnymi zmenami. Všetko dopadlo, ako sa hovorí, lacno a veselo.
Inštalácia optického kábla v meste
Inštalácia optického kábla na podperu nadzemného prenosového vedenia
Prostredníctvom moderných optických komunikačných liniek sa informácie neprenášajú v analógovej (kontinuálnej) forme, ale v diskrétnej (digitálnej) forme.
Optické komunikačné linky umožnili za posledných 30-40 rokov uskutočniť revolučné premeny v komunikačných technológiách a pomerne rýchlo na dlhé obdobie ukončiť problém „informačnej tesnosti“ v kanáloch prenosu informácií.Medzi všetkými komunikačnými a prenosovými prostriedkami zaujímajú informácie, optické komunikačné linky vedúce postavenie a budú dominovať počas celého XXI storočia.
Okrem toho: