Технічні науки /6. Електротехніка і радіоелектроніка.

 

Магістрант, Мельничук А.С.

Вінницький національний технічний університет, Україна

 

СПОСІБ ОБРАХУНКУ ДИСПЕРСІЇ У ВОЛОКОННО-ОПТИЧНИХ ЛІНІЯХ З РОЗНЕСЕНИМ ВХОДОМ І ВИХОДОМ

 

 

У роботі запропоновано спосіб обрахунку дисперсії у волоконно-оптичних лініях зв’язку, який оснований на використанні двохтонального амплітудно-модульованого світлового потоку для кабелів з територіально рознесеними входом і виходом.

Ключові слова: волоконно-оптичний кабель, дисперсія, двохтональний амплітудно модульований світловий потік.

 

Master, ANDRII MELNYCHUK 

 

METHOD FOR MEASURING OF DISPERSION IN FIBER-OPTIC LINES WITH DISTANT INLET AND OUTLET

Vinnitsa National Technical University, Ukraine

 

The paper presents the method for measuring of dispersion in fiber-optic communication cables that is based on the use of double-tone amplitude-modulated light flux for cables with geographically spaced input and output.

Key words: fiber-optic cable, dispersion, double-tone amplitude-modulated light flux.

 

 

Вступ

При проектуванні, монтажі та експлуатації систем передачі даних, окремим випадком яких є комп'ютерні мережі, необхідно враховувати багато різних чинників. Основними завданнями, які потребують вирішення, є: необхідний обсяг і швидкість передачі даних (підтримка певних протоколів), довжина ліній (відстань між користувачами), можливі зовнішні впливи, ціна.

При вирішенні цих та інших питань все більшого поширення набувають оптоволоконні технології. Підставою для цього служить безсумнівна перевага по ряду параметрів волоконно-оптичних ліній (ВОЛ) зв'язку над лініями з використанням міді. Важливим є і той факт, що останнім часом вартість волоконно-оптичного устаткування істотно знизилася, а асортимент, пропонований виробниками, дозволяє побудувати систему будь-якої конфігурації [1].

Найбільш важливі характеристики, що обумовлюють вибір саме ВОЛ зв’язку як основу побудови мережі:

- можливість з'єднання комп'ютерів, що знаходяться на значній відстані один від одного, без використання ретрансляторів і повторювачів;

- передача набагато більшого обсягу інформації;

- зняття проблем, пов'язаних з гальванічною розв'язкою;

- несприйнятливість до електромагнітних впливів;

- конфіденційність інформації, що передається.

Ці переваги обумовлені самою технологією передачі даних і обладнанням, яке використовується. Марки оптичного волокна, які випускаються на сьогодні, мають малий коефіцієнт загасання і дисперсію. Можливість вибору джерела, розподільних пристроїв, технології прокладки і обробки кінців кабелів у залежності від необхідних якісних показників, зробили використання ВОЛ зв’язку широко поширеним, а в деяких випадках і єдино прийнятним. Водночас часто використовуються комбіновані схеми, які дозволяють поєднувати в собі переваги як мідної кручений пари, так і оптоволоконних рішень [2]. Наприклад, об'єднання вже існуючих локальних мереж, що знаходяться в різних будівлях або містах, або ж на об'єктах, які займають значні площі. Сприяє розширенню можливостей щодо використання ВОЛ зв’язку і той факт, що зараз на ринку технологій передачі даних провідні фірми-виробники (CISCO, D-LINK, 3COM, ALLIED TELESYN, DELL) намагаються максимально широко представити різноманітні варіанти рішень з використанням оптоволоконних технологій. Це дає можливість вибору обладнання різних цінових категорій.

 

Аналіз волоконно-оптичних лініях зв’язку як об’єкта вимірювань

Волоконно-оптичні лінії (ВОЛ) – це кабелі, які використовуються в лініях зв'язку. Вони, як і елект­ричні кабелі, повинні відповідати встановленим вимогам на згасання, захищеність, імпу­льсну характеристику і дисперсію. Проте специфіка ВОЛ, в яких електромагнітна енергія поширюється по світлопровідним жилам, які є діелектричними хвилеводами ближнього інфрачервоного діапазону, обумовлює своєрідність методів і схем вимірювання відзначе­них характеристик, що властиві тільки таким кабелям.

Серед відзначених характеристик ВОЛ особливе значення має дисперсія, яка призво­дить до спотворення сигналу.

Дисперсія – це розсіювання спектральних або модових складових оптичного сигналу в часі. Дисперсія у ВОЛ призводить до збільшення тривалості імпульсу при проходженні його по волоконно-оптичному кабелю [3].

Визначення дисперсії є важливим елементом оцінки якості та справності волоконно-оптичного кабелю. Оцінку дисперсії здійснюють за груповим часом запізнення сигналу на різних довжинах хвиль, або за розширенням імпульсів [4].

Під час оцінки дисперсії за груповим часом запізнення сигналу використовується модульований сигнал, який від світлодіода надходить через оптичну систему на вхід ВОЛ, вихідний сигнал якого че­рез інтерференційний фільтр надходить на лавинний фотодіод. На виході лавинного фотодіода фільтром нижніх частот здійснюється придушення паразитних гармонік, які гене­руються за рахунок нерівномірності амплітудної характеристики світлодіода і виділяється обвідна з частотою модуляції. Різниця фаз між обвідною і сигналом модулювання вимі­рюється фазометром, шкала якого проградуйована в одиницях часу.

Вимірювання дисперсії ВОЛ за імпульсним методом полягає в тому, що на вході і ви­ході кабеля розміщуються частково прозорі дзеркала. Світлові імпульси з імпульсного напівпровідникового лазера надходять через вхідне дзеркало на вхід ВОЛ і циркулюють між його кінцями, а дисперсія визначається порівнянням на екрані осцилографа ширини імпульсів, які повертаються з послідовних циркуляцій з шириною вхідного імпульсу. Су­міщення імпульсів досягається цифровою лінією затримки. Цей метод дає можливість за допомогою порівняно короткого відрізка ВОЛ імітувати проходження сигналу в кабелі великої довжини.

Розглянуті вище методи забезпечують вимірювання дисперсії ВОЛ, вхід і вихід яких знаходяться в одному пункті. Задачею даної статті є створення методу вимірювання дисперсії у волоконно-оптичних лініях зв’язку з рознесеним входом і виходом. У разі вимірювання дисперсії ВОЛ, вхід і вихід яких тери­торіально рознесений, основною задачею є створення опорного сигналу [5].

 

Використання двохтонального амплітудно модульованого світлового потоку для вимірювання дисперсії у ВОЛ

Для розв'язання поставленої задачі розглянемо метод вимірювання, який базується на одночасному використанні двох частот модуляції, практична реалізація якого пояснюєть­ся структурною схемою засобу вимірювання, що показана на рис. 1.

 

 

Рис. 1.  Структурна схема пристрою для вимірювання дисперсії у волоконно-оптичних лініях зв’язку

з рознесеним входом і виходом

 

У цій схемі модуляція випромінювання світлодіода VD1 здійснюється сумою двох частот модуляції, які надходять на його вхід з виходу блоку частот модуляції А1 через суматор А2. При цьому двохтональний амплітудно-модульований потік (АМП) оптичного випромінювання на виході світлодіода VD1 буде описуватись виразом

      (1)

де  і  – коефіцієнти глибини модуляції;

 і  – початкові фази сигналів частот модуляції.

Двохтональний АМП оптичного випромінювання з виходу світловода VD1 через пристрій вве­дення випромінювання A3 надходять на вхід ВОЛ, тобто у волоконно-оптичний кабель А4. В процесі проходження випромі­нювання, яке описується виразом (1), через ВОЛ його спектральні складові зазнають фазових спотворень, з урахуванням яких двохтональний AMП на виході волоконно-оптичного кабелю буде описуватись виразом

        (2)

де – фазові зсуви спектральних складових випромінювання на частотах відповідно .

Після відповідного перетворення вираз (2) набуває вигляду

           (3)

Введемо позначення:

     

           

           

З урахуванням введених позначень вираз (3) набуде вигляду

       (4)

Потік, який описується виразом (4), через пристрій виведення випромінювання А5 над­ходять на вхід фотодіода VD2, на виході якого матимемо сигнал, який описується виразом

          (5)

Сигнал, який описується виразом (5) з виходу фотодіода VD2 підсилюється підсилюва­чем А6 і надходить на входи вузькосмугових фільтрів Z1 і Z2. При цьому вихідний сигнал фільтра Z1 опи­суються виразом

          (6)

а сигнал на виході фільтра Z2 – виразом

        (7)

У виразах (6) і (7)  і  – фазові зсуви, що вносяться вузькосмуговими фільтрами Z1 і Z2.

Сигнали, які описуються виразами (6) і (7), надходять на входи перетворювача частоти А7. У випадку, якщо  і , то вихідний сигнал перетворювача частоти А7 буде описуватись виразом

    (8)

Із сигналу (8) фільтром нижніх частот Z3 виділяється низькочастотна складова, яка описується виразом

          (9)

де  – фазовий зсув, що вноситься перетворювачем частоти А7 і фільтром нижніх частот Z3.

Сигнали, які описуються виразами (6) і (9), надходять на входи фазометра А8, шкала якого проградуйована в одиницях часу. Виміряна фазометром А8 різниця фаз цих сигна­лів без урахування додаткових фазових зсувів, буде відповідати груповому часу запізнення [6], який визначається за виразом

    .         (10)

Ця величина і є оцінкою дисперсії у волоконно-оптичних кабелях.

 

Висновок

На основі проведеного аналізу можна зробити висновок, що використання двохтонального амплітудно модульованого світлового потоку порівняно з однотональним є ефективнішим, оскільки при цьому забезпечується створення опорного сигналу і вимірювання дисперсії ВОЛ, вхід і вихід яких територіально рознесені.

 

Література

1. Рыбаков Н. А. Моделирование процесса распространения электромагнитных волн по оптическому волокну / Н. А. Рыбаков, А. П. Рыбаков. – Пермь : Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. – 68 с. – ISBN 978-5-398-00606-3.

2. Мальке Г. Волоконно-оптические кабели : пер. с нем. / Гюнтер Мальке, Петер Гёссинг. –  2-е изд., перераб. и доп. – Новосибирск : Лингва-9, 2001. – 346 с. – ISBN 5-901583-01-9.

3. Волоконно-оптические системы передачи и кабели : справочник / И. И. Гроднев, А. Г. Му радян, Р. М. Шарафутдинов и др. – М. : Радио и связь, 1993. – 264 с. – ISBN 5-256-00932-Х. 

4. Андрушко Л. М. Волоконно-оптические линии связи / Л. М. Андрушко, И. И. Гроднев, И. П. Панфилов. – М. : Радио и связь, 1985. – 136 с.

5. Гуцало О. Г. Вимірювання дисперсії волоконно-оптичних кабелів / О. Г. Гуцало // Вісник ВПІ. – 2003. – № 5. – С. 78–80. – ISSN 1997-9266.

6. Бейли Д. Волоконная оптика. Теория и практика : пер. с англ. / Девид Бейли, Эдвин Райт. – М. : КУДИЦ-Пресс, 2008. – 320 с. – ISBN 978-5-91136-048-1.