Тема 1.3 Волоконно-оптические каналы передачи сигналов
Тема 1.3.1 Волоконно-оптические линии передачи. Структура
На железных дорогах различных стран мира средства волоконнооптической связи применяются с 1985 г. В настоящее время можно выделить четыре области, связанные с их использованием на железнодорожном транспорте: волоконно-оптические линии связи (ВОЛС); локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС); системы видеонаблюдения; волоконно-оптические преобразователи (ВОП).
Общим для них является применение электронно-оптических и оптоэлектронных преобразователей и оптических волокон. По сравнению с медными жилами кабелей связи оптические волокна и кабели обладают следующими преимуществами:
- большой пропускной способностью;
- защищенностью от внешних электромагнитных воздействий; отсутствием взаимных влияний между сигналами, передаваемыми по различным оптическим волокнам;
- малыми потерями энергии сигнала при его распространении; электрической безопасностью;
- экономичностью;
- высокой степенью защищенности от несанкционированного доступа;
- небольшой массой и габаритами.
Кроме того, использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) способствует экономии дефицитных цветных металлов, таких, как медь и свинец. Однако у ВОЛС есть и недостатки: например, высокая стоимость оптического интерфейсного оборудования.
Многолетний опыт эксплуатации этой линии, оборудованной ВОСП плезиохронной цифровой иерархии (PDH), и других отечественных и зарубежных ВОЛС позволил оценить трудности и преимущества при-менения новых средств связи, целесообразность и эффективность создания железнодорожных ВОЛС.
Так, несмотря на большую стоимость и сложность в монтаже, перспективными для железнодорожного транспорта являются одно-модовые ВОК, обладающие практически неограниченными возмож-ностями в увеличении пропускной способности ВОЛС, оборудуемых ВОСП синхронной цифровой иерархии (SDH). Использование многомодовых ВОК в основном ограничено местными и внутриобъектовыми сетями.
При строительстве ВОЛС на каждом конкретном направлении, участке железных дорог, осуществляется выбор типа ВОК, его конструктивных и оптических характеристик с учетом способа прокладки (подвески), технологии выполнения аварийно-восстановительных работ, варианта технического обслуживания сети связи, цены простоя линейного тракта, требуемого значения коэффициента готовности ВОЛС, территориального распределения потребителей услуг в районе прохождения трассы ВОЛС и величины передаваемого трафика. На электрифицированных участках железных дорог используются ВОК без металлических элементов в конструкции, не требующие применения специальных мер защиты от опасных электромагнитных влияний со стороны контактной сети переменного тока и грозовых разрядов.
В МПС имеется опыт проектирования и реализации различных способов прокладки-подвески ВОК на различных участках: непосредственно в грунт, в полиэтиленовом трубопроводе, в кабельном желобе, подвеска самонесущего кабеля на опорах контактной сети или высоковольтных линий автоблокировки.
Из перечисленных способов в настоящее время наиболее широко применяется подвеска на опорах контактных сетей электрифицированных железных дорог. Это позволяет сократить сроки строительства по сравнению с традиционными способами прокладки кабеля в грунт.
Вместе с тем считается, что риск механического повреждения для воздушных кабелей выше, чем для кабелей, проложенных под землей. Поэтому там, где позволяет трасса, целесообразно применять подземные варианты прокладки.
Полиэтиленовый трубопровод надежно защищает ВОК от механических повреждений и грызунов. Диаметр трубопровода достаточен для затягивания в него нескольких ВОК. Этот способ прокладки лишен недостатков подвески, допускает применение кабелеукладчиков.
Локальные вычислительные оптические сети (ЛВОС). Локальные сети получили в последние годы широкое распространение во всех службах, подразделениях железнодорожного транспорта в связи с интенсивным внедрением компьютеров, созданием автоматизированных рабочих мест и распределенных информационных систем.
Главная цель создания локальных сетей — повышение производительности труда за счет автоматизации всех форм деятельности работников железнодорожного транспорта.
Локальные сети относятся к классу распределенных систем обработки данных, объединяющих вычислительно-информационные средства отдельных подразделений, предприятий, информационно-вычислительных центров дистанций и др., сосредоточенных на ограниченной территории.
Локальные сети строятся на базе общей передающей среды, через которую происходит обмен информацией между абонентами.
В большинстве существующих на железных дорогах локальных сетей в качестве передающей среды используются симметричные кабели связи (категории 3-5) или коаксиальные кабели, обеспечивающие скорость передачи информации 10... 100 Мбит/с. При скоростях передачи выше 100 Мбит/с становится целесообразным использование ВОК и переход к ЛВОС. Потребность в таких сетях возникает в местах обработки и хранения больших потоков информации, таких как главный вычислительный центр МПС и дорожные информационно-вычислительные центры. С созданием высокоскоростных железнодорожных магистралей ЛВОС целесообразно оборудовать высокоскоростные пассажирские поезда.
Локальные вычислительные оптические сети являются удачным итогом синтеза наиболее передовых информационных технологий, поэтому новые перспективные сети целесообразно разрабатывать с применением волоконной оптики.
С ВОЛС локальные вычислительные оптические сети роднит одинаковая передающая среда, но существенное отличие состоит в масштабах, степени разветвленности и количестве оконечных устройств, что не позволяет механически переносить в ЛВОС применяемые на ВОЛС технические или иные решения.
Системы видеонаблюдения. В последние годы на железных дорогах постоянно ужесточаются требования, предъявляемые к надежности, безопасности и экономичности пассажирских и грузовых перевозок. Видеонаблюдение является одним из важнейших и рациональных способов удовлетворения этих требований.
Система видеонаблюдения включает три основных компонента: передающие видеокамеры, средства передачи видеосигналов и телевизионные мониторы, на которых можно наблюдать контролируемые объекты.
Видеосигналы могут передаваться по отдельным волокнам ВОЛС или в общем цифровом потоке цифровой волоконно-оптической системы передачи. Выбор одного из этих способов передачи информации зависит от удаленности контролируемого объекта.
При построении видеосистем с расстоянием передачи видеосигналов в пределах до 100 км целесообразно использовать отдельные волокна, в которых передачи видеосигналов реализуются технически проще и несколько дешевле, чем при использовании оборудования цифровых сетей связи. Одно оптическое волокно может быть использовано для передачи нескольких видеоканалов или видеоканала и сигналов от различных датчиков, установленных на объекте. При расстояниях больше 100 км целесообразно использовать возможности цифровой волоконно-оптической сети связи.
Для целей видеонаблюдения на железнодорожном транспорте в большинстве случаев требуется передача видеосигналов от объектов на расстояния, не превышающие 100 км. Такими объектами могут быть мосты, тоннели, сортировочные горки, терминалы и др. В этом случае комплекс оборудования системы видеонаблюдения должен отвечать требованиям, предъявляемым к линиям специального назначения. Для передачи видеоинформации по таким линиям не требуется предварительной обработки данных в стандартных форматах, как не требуется и специальных мер по синхронизации приемного и передающего оборудования.
Набор аппаратных компонентов системы видеонаблюдения в общем виде представлен на рисунке 73. Передающие видеокамеры черно белого или цветного изображения передают видеосигнал на передающее оборудование: мультиплексор с функциями выделения каналов (при работе нескольких видеокамер) и электронно-оптический преобразователь, обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический. В зависимости от типа оптического волокна и расстояния до контролируемого объекта в качестве источника оптического излучения может использоваться светоизлучающий диод или лазер.
На посту управления устанавливается приемное оборудование — демультиплексор, видеоматричный переключатель, устройство для ввода текста и мониторы. Видеоматричный переключатель обеспечивает выбор любого из всех доступных видеосигналов, а устройство для ввода текста позволяет накладывать на видеосигнал текстовые пояснения, помогающие правильно оценить изображение.
Волоконно-оптические преобразователи (ВОП).
Волоконно-оптические преобразователи достаточно широко внедряются на зарубежных железных дорогах в последнее десятилетие.
1 — передающий полукомплект видеоматричным переключателем и устройством ввода текста; t*— передающий полукомплект с функцией выделения каналов;
2 — приемный полукомплект
Рисунок 73 - Основные компоненты системы видеонаблюдения
На их основе создаются различные типы датчиков контроля и регистрации физических воздействий (давления, температуры, механических напряжений, электрического и магнитного полей и др.), а также системы датчиков контроля и регистрации многих, одновременно действующих, однородных и неоднородных величин. Такими датчиками оборудуется подвижной состав (электровозы, высокоскоростные поезда), горки, терминальные площадки, тоннели, мосты, приборы неразрушающего контроля и др. Область их применения на транспорте постоянно расширяется. Это связано с рядом преимуществ, присущих ВОП, и общей концепцией интеграции различных средств волоконно-оптической связи на основе ВОЛС и ЛВОС.
Очевидным преимуществом ВОП по сравнению с другими типами преобразователей является отсутствие электрического потенциала, что устраняет проблемы электромагнитной совместимости и безопасности. Оптическое волокно является чувствительным элементом ВОП и представляет собой низкоинерционный датчик, различные физические воздействия на который вызывают изменения параметров оптической волны: интенсивности, фазы, поляризации, длины волны и спектрального уплотнения.
Высокая разрешающая способность ВОП, относительная простота, низкая стоимость и универсальность способствуют их внедрению на железнодорожном транспорте, особенно при создании цифровых волоконно-оптических сетей связи.
С помощью нескольких интерфейсов ВОП могут взаимодействовать с цифровыми системами передачи информации и обеспечивают простоту мультиплексирования, демультиплексирования оптических сигналов. Это позволяет осуществлять централизованный сбор информации о состоянии объектов, создавать интегральные системы видеонаблюдения, контроля и регистрации параметров удаленных объектов, устройств и систем, работающих по волокнам ЛВОС и ВОЛС.
Различают два типа ВОП: с внешней и внутренней модуляцией параметров светового потока.
Принцип действия первых основан на том, что в оптическое волокно введена нерегулярность в виде разрыва, в результате чего световой поток, покидающий ОВ, модулируется в пространстве вне его, а затем собирается и отводится этим же или другим ОВ. Изменения параметров самого ОВ не происходит.
ВОП второго типа основаны на том, что измеряемая величина через физическое воздействие на ОВ приводит к изменению его оптических параметров. Этот тип ВОП наиболее часто используется в зарубежных железнодорожных системах и устройствах. В них применяются как одномодовые (с реализацией задержки фазы излучений и фазовых эффектов), так и многомодовые ОВ с реализацией изменения интенсивности потока излучения. По этому признаку ВОП делятся на преобразователи с модуляцией фазы и с модуляцией интенсивности. Оба типа ВОП обладают высокой чувствительностью и достаточно широким диапазоном измеряемых воздействий.
Среди них выделяются преобразователи на микроизгибах, имеющие простую конструкцию, высокую чувствительность и низкую стоимость. Этот тип преобразователей широко используется на железных дорогах Японии, Германии, Франции. Структурная схема такого преобразователя показана на рисунок 74. Чувствительным оптическим элементом в нем является отрезок ОВ, зажатый между двумя профилированными пластинами. Внешнее физическое воздействие (давление, температура, ускорение, магнитное и электрическое поле) преобразуется в силу, которая прижимает верхнюю пластину к ниж¬ней и деформирует ОВ. В результате входное излучение от лазерного диода (ЛД) частично вытекает через микроизгибы. Для повышения чувствительности в ВОП используются селекторы мод. Применение оптических волокон, кабелей и ВОП в системах и устройствах железнодорожного транспорта будет возрастать в связи с их высокой надежностью, техническими возможностями и постоян¬но снижающейся стоимостью изготовления. В первую очередь это относится к ВОК, стоимость которых сегодня сопоставима, а для отечественных кабелей, ниже стоимости симметричных кабелей связи.
1— оптическое волокно; 2 — селектор мод; ЛД — лазерный диод; ФД — фотодиод
Рисунок74 - Преобразователь на микроизгибах оптического волокна с одной подвижной пластиной
Структурная схема волоконно-оптической линии передачи
Разработка световодных систем и их опытная эксплуатации на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам. Последние представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения (кварцевое или многокомпонентное стекло, полимер, некоторые галоидные соединения). Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла (ОСЧ-кварцевого стекла) называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.
Перспективность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) обусловлена большой пропускной способностью волокна, защищенностью от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог; возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью цифровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10—150 км вместо 2—6 км); небольшими размерами кабеля.
Структурная схема ВОЛП показана на рисунке 75 Для работы одной многоканальной системы связи требуются два оптических волокна (ОВ): по одному передаются сигналы в направлении от А к Б, по другому — в обратном. В оконечных пунктах передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования электрических сигналов в оптические. Приемный оптоэлектронный модуль (ПРОМ) предназначен для преобразования оптических сигналов в электрические.
Рисунок 75 - Структурная схема
Основными элементами приемопередающих модулей являются источник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит оптический кабель (ОК), в который через примерно равные промежутки включены линейные регенераторы, а в случае использования вол-нового уплотнения оптических волокон — оптические усилители.
Дальность непосредственной связи по ВОЛИ, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.
Источник оптического излучения. Основным элементом передающего оптоэлектронного модуля является источник оптического излучения. Работа различных источников оптического излучения основана на инверсной заселенности энергетических уровней. Создание инверсной заселенности уровней называется накачкой.
Переходы с верхнего уровня на нижний могут быть спонтанными (самопроизвольными), что характерно для обычных светоизлучающих диодов (светодиодов), а также спонтанными и вынужденными (суперлюминесцентные светоизлучающие диоды) и только вынужденными (лазеры).
Излучение обычных светодиодов является некогерентным и слабонаправленным, ширина спектра излучения составляет (20—40) нм. Супер люминесцентные светодиоды имеют более высокую яркость и малую излучающую поверхность по сравнению с обычными светодиодами. Длина волны светового излучения зависит от состава полупроводникового материала.
В качестве направленных источников излучения наибольшее применение получили полупроводниковые инжекционные лазеры. Они легко позволяют осуществить внутреннюю модуляцию оптического излучения по интенсивности. Ширина спектра излучения полупроводникового лазера менее 2 нм.
Выбор источника излучения определяется областью применения системы передачи. Светодиоды используют в системах, предназначенных для работы на сравнительно небольшую дальность (примерно 10 км) и скорость передачи до 200 Мбит/ с. Светодиоды обладают лучшей линейностью характеристик, большим сроком службы, более слабой температурной зависимостью излучаемой мощности, чем лазеры. К недостаткам светодиодов следует отнести малую мощность излучения и невысокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.
Лазерные источники излучения применяют преимущественно в системах передачи с большой дальностью и высокой скоростью передачи. Они обеспечивают высокий к.п.д. согласования с оптическим волокном.
Приемник оптических сигналов. Основным элементом приемного оптоэлектронного модуля является приемник оптических сигналов. В качестве приемника используют фотодиоды и лавинные фотодиоды. Известно, что в р-п переходе, на который подано обратное смещение, существует зона, в которой нет свободных носителей заряда (обедненная зона). Поглощение фотона в этой зоне сопровождается возникновением пары носителей зарядов — электрона и дырки, которые под действием постоянного электрического поля, созданного внешним источником напряжения смещения, перемещаются к противоположным зажимам фотоприемника, образуя ток во внешней цепи. Этот ток и является сигналом на выходе фотодиода, его значение пропорционально мощности принимаемого светового излучения.
Когда световая мощность очень мала (нановатты), фототеки также малы (наноамперы), и в этом случае для уменьшения влияния шума (тепловые шумы, квантовые шумы) используют внутренее усиление в фотоприемнике (лавинный фотодиод) за счет эффекта лавинного умножения носителей заряда. Лавинные фотодиоды усиливают первичный фототок прежде, чем на полезный сигнал накладываются шумы. Однако они требуют более высокого напряжения питания и его стабильности.