Optinių ryšių sistemos: paskirtis, sukūrimo istorija, privalumai
Kaip atsirado elektros prijungimas?
Šiuolaikinių ryšių sistemų prototipai pasirodė praėjusiame amžiuje ir jų telegrafo laidų pabaigoje apėmė visą pasaulį. Per juos buvo perduota šimtai tūkstančių telegramų, ir netrukus telegrafas nustojo susidoroti su apkrova. Išsiuntimai vėlavo, o tolimojo telefono ir radijo ryšio vis dar nebuvo.
XX amžiaus pradžioje buvo išrastas elektronų vamzdis. Radijo technologijos pradėjo sparčiai vystytis, buvo padėti elektronikos pamatai. Signalininkai išmoko perduoti radijo bangas ne tik erdvėje (oru), bet ir siųsti jas laidais bei ryšio kabeliais.
Radijo bangų naudojimas buvo pagrindas sutankinti brangiausią ir neefektyviausią informacijos perdavimo sistemų dalį – linijinius įrenginius. Suspaudus liniją dažniu, laiku, naudojant specialius informacijos „pakavimo“ būdus, šiandien per laiko vienetą viena linija galima perduoti dešimtis tūkstančių skirtingų pranešimų. Toks bendravimas vadinamas daugiakanaliu.
Pradėjo nykti ribos tarp skirtingų bendravimo tipų. Jie darniai papildė vienas kitą, telegrafo, telefono, radijo, vėliau televizijos, radijo relinės, o vėliau palydovinės, kosminės komunikacijos buvo sujungtos į bendrą elektros ryšių sistemą.
Šiuolaikinės komunikacijos technologijos
Komunikacijos kanalų informacinis sandarumas
Informacijos perdavimo kanaluose veikia bangos, kurių ilgis nuo 3000 km iki 4 mm. Įrenginys veikia, galintis perduoti 400 megabitų per sekundę per ryšio kanalą (400 Mbit/s yra 400 mln. bitų per sekundę). Jei laiške tokia tvarka imsime 1 bitą, tada 400 Mbit sudarys 500 tomų biblioteką, kiekviename iš jų bus 20 atspausdintų lapų).
Ar dabartinės elektros ryšio priemonės panašios į jų praėjusio amžiaus prototipus? Beveik tas pats, kas konkūrų lėktuvas. Nepaisant visų modernių ryšio kanalų įrangos tobulumo, deja, jis yra per daug perkrautas: daug arčiau nei praėjusio amžiaus 90-aisiais.
Telegrafo laidai Sinsinatyje, JAV (XX a. pradžia)
Moteris klausosi radijo per ausines, 1923 m. kovo 28 d.
Egzistuoja prieštaravimas tarp augančio informacijos perdavimo poreikio ir pagrindinių šiuo metu ryšio kanaluose naudojamų fizinių procesų savybių. Norint atskiesti „informacijos tankį“, reikia užkariauti vis trumpesnes bangas, tai yra įvaldyti vis aukštesnius dažnius. Elektromagnetinių virpesių pobūdis yra toks, kad kuo didesnis jų dažnis, tuo daugiau informacijos per laiko vienetą galima perduoti ryšio kanalu.
Tačiau su visais didesniais sunkumais, su kuriais tenka susidurti komunikatoriams: sumažėjus bangai, stipriai išauga vidiniai (vidiniai) priimančių įrenginių triukšmai, mažėja generatorių galia, gerokai sumažėja efektyvumas. siųstuvų, o visos sunaudojamos elektros energijos tik nedidelė dalis paverčiama naudinga radijo bangų energija.
Vokietijos Nauen radijo stoties vamzdinės perdavimo grandinės išvesties transformatorius, kurio nuotolis viršija 20 000 kilometrų (1930 m. spalio mėn.)
Pirmieji UHF radijo ryšiai tarp Vatikano ir popiežiaus Pijaus XI vasaros rezidencijos buvo užmegzti 1933 m.
Ultra trumposios bangos (UHF) katastrofiškai greitai praranda energiją. Todėl pranešimų signalai turi būti per dažnai stiprinami ir regeneruojami (atstatomi), tenka griebtis sudėtingos ir brangios įrangos. Ryšys radijo bangų diapazone centimetrų diapazone, jau nekalbant apie milimetrų diapazoną, susiduria su daugybe kliūčių.
Elektrinių ryšių kanalų trūkumai
Beveik visos šiuolaikinės elektros komunikacijos yra daugiakanalės. Norėdami perduoti 400 Mbit / s kanalu, turite dirbti decimetro radijo bangų diapazone. Tai įmanoma tik esant labai sudėtingai įrangai ir, žinoma, naudojant specialų aukšto dažnio (koaksialinį) kabelį, kurį sudaro viena ar daugiau bendraašių porų.
Kiekvienoje poroje išorinis ir vidinis laidininkai yra bendraašiai cilindrai. Dvi tokios poros vienu metu gali perduoti 3600 telefono skambučių arba kelias TV programas. Tačiau tokiu atveju signalai turi būti stiprinami ir atkuriami kas 1,5 km.
Stilingas signalininkas 1920 m
Ryšio kanaluose vyrauja kabelinės linijos. Jie yra apsaugoti nuo išorinių poveikių, elektrinių ir magnetinių trikdžių. Kabeliai yra patvarūs ir patikimi, juos patogu kloti įvairiose aplinkose.
Tačiau kabelių ir ryšių laidų gamybai tenka daugiau nei pusė pasaulyje pagaminamos spalvotųjų metalų, kurių atsargos sparčiai senka.
Metalas brangsta. O kabelių, ypač bendraašių, gamyba yra sudėtingas ir itin daug energijos reikalaujantis verslas. Ir jų poreikis auga. Todėl nesunku įsivaizduoti, kokios sąnaudos yra ryšių linijų tiesimui ir jų eksploatacijai.
Kabelinės linijos įrengimas Niujorke, 1888 m.
Ryšių tinklas yra pati įspūdingiausia ir brangiausia struktūra, kurią žmogus kada nors sukūrė Žemėje. Kaip ją plėtoti toliau, jei jau XX amžiaus šeštajame dešimtmetyje tapo aišku, kad telekomunikacijos artėja prie savo ekonominio pagrįstumo slenksčio?
Transkontinentinės telefono linijos užbaigimas, Wendover, Juta, 1914 m.
Norint pašalinti „informacijos tankį ryšio kanaluose, reikėjo išmokti naudoti elektromagnetinių virpesių optinius diapazonus. Juk šviesos bangos turi milijonus kartų daugiau virpesių nei VHF.
Jei būtų sukurtas optinio ryšio kanalas, vienu metu būtų galima perduoti kelis tūkstančius televizijos programų ir daug daugiau telefono skambučių bei radijo laidų.
Užduotis atrodė bauginanti. Tačiau pakeliui į jos sprendimą prieš mokslininkus ir signalininkus iškilo savotiškas problemų labirintas. XX amžių niekas nežinojo, kaip to įveikti.
„Tarybų televizija ir radijas“ – paroda „Sokolnikų“ parke, Maskvoje, 1959 m. rugpjūčio 5 d.
Lazeriai
1960 metais buvo sukurtas nuostabus šviesos šaltinis – lazeris arba optinis kvantinis generatorius (LQG). Šis prietaisas turi unikalių savybių.
Trumpame straipsnyje neįmanoma pasakyti apie įvairių lazerių veikimo principą ir įrenginį. Mūsų svetainėje jau buvo išsamus straipsnis apie lazerius: Lazerių prietaisas ir veikimo principas… Čia apsiribojame tik tų lazerio savybių, kurios patraukė komunikacijos darbuotojų dėmesį.
Tedas Maymanas, pirmojo veikiančio lazerio instruktorius, 1960 m.
Pirmiausia nustatykime spinduliuotės darną. Lazerio šviesa yra beveik vienspalvė (vienos spalvos) ir skiriasi erdvėje kartų mažiau nei tobuliausio prožektoriaus šviesa. Lazerio adatos spindulyje sukoncentruota energija yra labai didelė. Būtent šios ir kai kurios kitos lazerio savybės paskatino ryšių darbuotojus naudoti lazerį optiniam ryšiui.
Pirmieji juodraščiai buvo apibendrinti taip. Jei naudojate lazerį kaip generatorių ir moduliuojate jo spindulį pranešimo signalu, gausite optinį siųstuvą. Nukreipdami spindulį į šviesos imtuvą, gauname optinio ryšio kanalą. Jokių laidų, jokių kabelių. Bendravimas vyks per erdvę (atvira lazerinė komunikacija).
Patirtis dirbant su lazeriais mokslo laboratorijoje
Laboratoriniai eksperimentai puikiai patvirtino komunikacijos darbuotojų hipotezę. Ir netrukus atsirado galimybė šiuos santykius išbandyti praktiškai.Deja, signalininkų viltys dėl atviro lazerinio ryšio Žemėje nepasiteisino: lietus, sniegas, rūkas padarė ryšį neapibrėžtą ir dažnai jį visiškai nutraukė.
Tapo akivaizdu, kad informaciją nešančios šviesos bangos turi būti apsaugotos atmosferos. Tai galima padaryti naudojant bangolaidžius – plonus, vienodus ir labai lygius metalinius vamzdelius viduje.
Tačiau inžinieriai ir ekonomistai iš karto suprato, kad sunku sukurti visiškai lygius ir lygius bangolaidžius. Bangolaidžiai buvo brangesni už auksą. Matyt, žaidimas nebuvo vertas žvakės.
Jie turėjo ieškoti iš esmės naujų pasaulio vadovų kūrimo būdų. Reikėjo pasirūpinti, kad šviesos kreiptuvai būtų ne iš metalo, o iš kokios nors pigios, nebrangios žaliavos. Prireikė dešimtmečių sukurti optines skaidulas, tinkamas perduoti informaciją naudojant šviesą.
Pirmasis toks pluoštas pagamintas iš itin gryno stiklo. Sukurta dviejų sluoksnių koaksialinė šerdies ir apvalkalo struktūra. Stiklo tipai buvo parinkti taip, kad šerdies lūžio rodiklis būtų didesnis nei apvalkalas.
Beveik visas vidinis atspindys optinėje terpėje
Bet kaip sujungti skirtingus stiklus, kad riboje tarp šerdies ir apvalkalo nebūtų defektų? Kaip pasiekti glotnumą, vienodumą ir tuo pačiu maksimalų pluošto stiprumą?
Mokslininkų ir inžinierių pastangomis pagaliau buvo sukurtas norimas šviesolaidis. Šiandien per jį šviesos signalai perduodami šimtus ir tūkstančius kilometrų. Bet kokie yra šviesos energijos sklidimo nemetalinėse (dielektrinėse) laidžiose terpėse dėsniai?
Pluošto režimai
Vienmodės ir daugiamodės skaidulos priklauso optinėms skaiduloms, kuriomis sklinda šviesa, patiriant pasikartojančius vidinio atspindžio veiksmus šerdies apvalkalo sąsajoje (rezonato sistemos natūralų svyravimą ekspertai reiškia „režimu“).
Skaidulos modai yra jos pačios bangos, t.y. tie, kuriuos užfiksuoja pluošto šerdis ir pasklinda išilgai pluošto nuo jo pradžios iki galo.
Pluošto tipą lemia jo konstrukcija: komponentai, iš kurių gaminama šerdis ir apvalkalas, taip pat pluošto matmenų ir naudojamo bangos ilgio santykis (paskutinis parametras ypač svarbus).
Vienmodžių skaidulų šerdies skersmuo turi būti artimas natūraliam bangos ilgiui. Iš daugelio bangų pluošto šerdis užfiksuoja tik vieną iš savo bangų. Todėl pluoštas (šviesos kreiptuvas) vadinamas vienmodiu.
Jei šerdies skersmuo viršija tam tikros bangos ilgį, tada pluoštas vienu metu gali pravesti kelias dešimtis ar net šimtus skirtingų bangų. Taip veikia daugiamodis pluoštas.
Informacijos perdavimas šviesa per optines skaidulas
Šviesa įleidžiama į optinį pluoštą tik iš atitinkamo šaltinio. Dažniausiai – iš lazerio. Tačiau iš prigimties nieko nėra tobulo. Todėl lazerio spindulys, nepaisant jam būdingo monochromatiškumo, vis dar turi tam tikrą dažnių spektrą, arba, kitaip tariant, skleidžia tam tikrą bangos ilgių diapazoną.
Kas, be lazerio, gali būti optinių skaidulų šviesos šaltinis? Didelio ryškumo šviesos diodai. Tačiau juose esančios spinduliuotės kryptingumas yra daug mažesnis nei lazerių.Todėl į skaidulą sujungiami diodai įveda dešimtis ir šimtus kartų mažiau energijos nei lazeriu.
Kai lazerio spindulys nukreipiamas į pluošto šerdį, kiekviena banga patenka į jį griežtai apibrėžtu kampu. Tai reiškia, kad skirtingos savosios bangos (režimai) tam pačiam laiko intervalui praeina per pluoštą (nuo jo pradžios iki pabaigos) skirtingo ilgio takais. Tai bangų dispersija.
O kas atsitiks su signalais? Per tą patį laiko intervalą pravažiuodami skirtingą pluošto kelią, jie gali pasiekti linijos galą iškreipta forma.. Ekspertai šį reiškinį vadina režimo dispersija.
Pluošto šerdis ir apvalkalas yra panašūs. jau minėta, jie pagaminti iš stiklo su skirtingais lūžio rodikliais. O bet kurios medžiagos lūžio rodiklis priklauso nuo šviesos bangos ilgio, kuris veikia medžiagą. Todėl egzistuoja materijos dispersija arba, kitaip tariant, materiali dispersija.
Bangos ilgis, režimas, medžiagos sklaida yra trys veiksniai, kurie neigiamai veikia šviesos energijos perdavimą per optines skaidulas.
Vienmodiuose pluoštuose nėra režimo dispersijos. Todėl tokie pluoštai per laiko vienetą gali perduoti šimtus kartų daugiau informacijos nei daugiamodės skaidulos. O kaip su bangų ir medžiagų dispersijomis?
Vienmodio pluošto atveju bandoma užtikrinti, kad tam tikromis sąlygomis bangos ir medžiagos dispersija panaikintų viena kitą. Vėliau buvo galima sukurti tokį pluoštą, kuriame neigiamas režimo ir bangų sklaidos poveikis buvo žymiai susilpnėjęs. Kaip tau tai pavyko?
Pluoštinės medžiagos lūžio rodiklio kitimo priklausomybės grafiką, pasikeitus jo atstumui nuo ašies (išilgai spindulio), pasirinkome pagal parabolinį dėsnį. Šviesa sklinda išilgai tokio pluošto, nepatiriant kelių visiško atspindžio veiksmų šerdies apvalkalo sąsajoje.
Ryšių paskirstymo spinta. Geltoni kabeliai yra vienmodžiai, oranžiniai ir mėlyni – daugiamodiai
Šviesos pluošto užfiksuotos šviesos keliai yra skirtingi. Vieni spinduliai sklinda palei šerdies ašį, nukrypdami nuo jos viena ar kita kryptimi vienodais atstumais („gyvatė“), kiti, gulėdami pluošto ašį kertančiose plokštumose, sudaro spiralių rinkinį. Vienų spindulys išlieka pastovus, kitų spindulys periodiškai keičiasi. Tokie pluoštai vadinami refrakciniais arba gradientiniais.
Labai svarbu žinoti; kokiu ribiniu kampu šviesa turi būti nukreipta į kiekvieno optinio pluošto galą. Tai nustato, kiek šviesos pateks į skaidulą ir bus nuvesta nuo optinės linijos pradžios iki galo. Šis kampas nustatomas pagal pluošto skaitinę apertūrą (arba tiesiog - apertūrą).
Optinis ryšys
FOCL
Kaip optinio ryšio linijos (FOCL), optinės skaidulos, pačios plonos ir trapios, negali būti naudojamos. Skaidulos naudojamos kaip žaliava šviesolaidžių kabelių (FOC) gamyboje. FOC gaminami įvairaus dizaino, formų ir paskirties.
Tvirtumu ir patikimumu FOC nenusileidžia daug metalui naudojančių prototipų ir gali būti klojami toje pačioje aplinkoje kaip ir kabeliai su metaliniais laidininkais – ore, po žeme, upių ir jūrų dugne. WOK yra daug lengviau.Svarbu tai, kad FOC yra visiškai nejautrūs elektriniams trikdžiams ir magnetiniam poveikiui. Juk su tokiais trukdžiais metaliniuose kabeliuose susidoroti sunku.
Pirmosios kartos optiniai kabeliai 1980-aisiais ir 1990-aisiais sėkmingai pakeitė bendraašius greitkelius tarp automatinių telefono stočių. Šių linijų ilgis neviršijo 10-15 km, tačiau signalininkai lengviau atsikvėpė, kai atsirado galimybė perduoti visą reikiamą informaciją be tarpinių regeneratorių.
Ryšio kanaluose atsirado didelė „gyvenamosios erdvės“ pasiūla, o „informacijos sandarumo“ sąvoka prarado savo aktualumą. Lengvas, plonas ir pakankamai lankstus, FOC buvo lengvai padėtas esamame požeminiame telefone.
Su automatine telefono stotele reikėjo pridėti paprastą įrangą, kuri optinius signalus paverčia elektriniais (prie įėjimo iš ankstesnės stoties) ir elektrinius į optinius (išėjime į kitą stotį). Visa komutavimo įranga, abonentinės linijos ir jų telefonai nepasikeitė. Viskas pasirodė, kaip sakoma, pigu ir linksma.
Šviesolaidinio kabelio įrengimas mieste
Optinio kabelio montavimas ant oro perdavimo linijos atramos
Šiuolaikinėmis optinio ryšio linijomis informacija perduodama ne analogine (nepertraukiama), o diskretine (skaitmenine) forma.
Optinio ryšio linijos, jos leido per pastaruosius 30-40 metų atlikti revoliucinius komunikacijos technologijų pokyčius ir gana greitai per ilgą laiką panaikinti informacijos perdavimo kanalų „informacijos sandarumo“ problemą.Tarp visų ryšio ir perdavimo priemonių informacinės, optinės ryšio linijos užima lyderio poziciją ir dominuos visą XXI amžių.
Papildomai:
Informacijos apie optines skaidulas konvertavimo ir perdavimo principas