Optikai kommunikációs rendszerek: cél, keletkezéstörténet, előnyei
Hogyan jött létre az elektromos csatlakozás?
A modern kommunikációs rendszerek prototípusai a múlt században jelentek meg, és távíróvezetékeik végére az egész világot behálózták. Több százezer táviratot továbbítottak rajtuk, és hamarosan a távíró nem bírta a terhelést. A kiküldések késtek, és továbbra sem volt távolsági telefon- és rádiókapcsolat.
A 20. század elején feltalálták az elektroncsövet. A rádiótechnika rohamos fejlődésnek indult, lerakták az elektronika alapjait. A jeladók megtanulták a rádióhullámokat nemcsak az űrben (levegőn keresztül) továbbítani, hanem vezetékeken és kommunikációs kábeleken keresztül is továbbítani.
A rádióhullámok használata szolgált alapul az információátviteli rendszerek legdrágább és legkevésbé hatékony részének - a lineáris eszközök - tömörítéséhez. A vonalat frekvenciában, időben tömörítve, speciális információ "csomagolási" módszerekkel ma már több tízezer különböző üzenet továbbítása lehetséges egyetlen sorban időegységenként. Az ilyen kommunikációt többcsatornásnak nevezzük.
A különböző kommunikációs típusok közötti határok kezdtek elmosódni. Harmonikusan kiegészítették egymást, a távíró, a telefon, a rádió, majd később a televízió, rádiórelé, később a műholdas, űrkommunikáció egy közös elektromos hírközlési rendszerben egyesült.
Modern kommunikációs technológiák
A kommunikációs csatornák információs feszessége
Az információátviteli csatornákban 3000 km-től 4 mm-ig terjedő hullámok dolgoznak. A berendezés 400 megabit/s átvitelére képes egy kommunikációs csatornán keresztül (400 Mbit/s az 400 millió bit/s). Ha ebben a sorrendben veszünk egy betűt 1 bitre, akkor a 400 Mbit egy 500 kötetből álló könyvtárat alkot, amelyek mindegyike 20 nyomtatott lapot tartalmaz).
Az elektromos kommunikáció jelenlegi eszközei hasonlóak a múlt századi prototípusaikhoz? Nagyjából ugyanaz, mint egy díjugrató repülőgép. A modern kommunikációs csatornák felszerelésének tökéletessége ellenére sajnos túl zsúfolt: sokkal közelebb, mint a múlt század 90-es éveiben.
Távíróvezetékek Cincinnatiben, USA-ban (XX. század eleje)
Egy nő fejhallgatón hallgatja a rádiót, 1923. március 28.
Ellentmondás feszül a növekvő információátviteli igény és a kommunikációs csatornákban jelenleg alkalmazott fizikai folyamatok alapvető tulajdonságai között. Az "információs sűrűség" felhígításához egyre rövidebb hullámok meghódítására van szükség, vagyis egyre magasabb frekvenciák elsajátítására. Az elektromágneses rezgések természete olyan, hogy minél nagyobb a frekvenciájuk, annál több információ továbbítható időegységenként a kommunikációs csatornán.
De minden nagyobb nehézséggel, amellyel a kommunikátoroknak szembe kell nézniük: a hullám csökkenésével a vevőkészülékek belső (belső) zajai meredeken nőnek, a generátorok teljesítménye csökken, és a hatékonyság jelentősen csökken. adók, és az összes elfogyasztott áramnak csak egy kis része alakul át hasznos rádióhullámenergiává.
A németországi Nauen rádióállomás csöves átviteli áramkörének kimeneti transzformátora több mint 20 000 kilométeres hatótávolsággal (1930. október)
Az első UHF rádiókommunikációt a Vatikán és XI. Pius pápa nyári rezidenciája között hozták létre 1933-ban.
Az ultrarövid hullámok (UHF) katasztrofálisan gyorsan veszítenek energiájukból az út során. Ezért az üzenetjeleket túl gyakran kell felerősíteni és újragenerálni (visszaállítani), bonyolult és drága berendezésekhez kell folyamodnunk. A rádióhullámok centiméteres tartományán belüli kommunikáció, nem is beszélve a milliméteres tartományról, számos akadályba ütközik.
Az elektromos kommunikációs csatornák hátrányai
Szinte minden modern elektromos kommunikáció többcsatornás. A 400 Mbit / s-os csatornán történő átvitelhez a rádióhullámok decimiméteres tartományában kell dolgoznia. Ez csak nagyon összetett berendezések és természetesen speciális nagyfrekvenciás (koaxiális) kábel jelenlétében lehetséges, amely egy vagy több koaxiális párból áll.
Mindegyik párban a külső és a belső vezetők koaxiális hengerek. Két ilyen pár egyidejűleg 3600 telefonhívást vagy több tévéműsort tud továbbítani. Ebben az esetben azonban 1,5 km-enként fel kell erősíteni és újra kell generálni a jeleket.
Stílusos jeladó az 1920-as években
A kommunikációs csatornákat a kábelvonalak uralják. Védve vannak a külső hatásoktól, elektromos és mágneses zavaroktól. A kábelek tartósak és megbízhatóak a működésben, kényelmesek a különböző környezetekben történő fektetéshez.
A kábelek és kommunikációs vezetékek gyártása azonban a világ színesfém-termelésének több mint felét teszi ki, amelyek készletei gyorsan apadnak.
A fém egyre drágább. A kábelek, különösen a koaxiális gyártás pedig összetett és rendkívül energiaigényes üzlet. És egyre nő az igény rájuk. Ezért nem nehéz elképzelni, hogy milyen költségekkel jár a kommunikációs vezetékek kiépítése és üzemeltetése.
Kábelvezeték telepítése New Yorkban, 1888.
A kommunikációs hálózat a leglátványosabb és legdrágább szerkezet, amit az ember valaha is létrehozott a Földön. Hogyan lehetne továbbfejleszteni, ha már a XX. század ötvenes éveiben világossá vált, hogy a távközlés közeledik gazdasági megvalósíthatóságának küszöbéhez?
A transzkontinentális telefonvonal befejezése, Wendover, Utah, 1914.
A kommunikációs csatornák információsűrűségének kiküszöböléséhez meg kellett tanulni az elektromágneses rezgések optikai tartományának használatát. Végtére is, a fényhullámoknak milliószor nagyobb a rezgésük, mint a VHF-nek.
Ha létrejönne egy optikai kommunikációs csatorna, akkor több ezer televíziós műsor és sokkal több telefonhívás és rádióadás egyidejű továbbítása lenne lehetséges.
A feladat ijesztőnek tűnt. De a megoldás felé vezető úton a problémák egyfajta labirintusa jelent meg a tudósok és a jeladók előtt. XX században senki sem tudta, hogyan győzze le.
„Szovjet Televízió és Rádió” – kiállítás a „Szokolniki” parkban, Moszkvában, 1959. augusztus 5.
Lézerek
1960-ban egy csodálatos fényforrást hoztak létre - egy lézert vagy optikai kvantumgenerátort (LQG). Ez az eszköz egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik.
A különböző lézerek működési elvéről és berendezéséről egy rövid cikkben nem lehet elmondani. Honlapunkon már volt egy részletes cikk a lézerekről: A lézerek berendezése és működési elve… Itt csak a lézer azon tulajdonságainak felsorolására szorítkozunk, amelyek felkeltették a kommunikációs dolgozók figyelmét.
Ted Mayman, az első működő lézer ellenoktatója, 1960.
Mindenekelőtt állapítsuk meg a sugárzás koherenciáját. A lézerfény szinte monokromatikus (egyszínű), és térben kevésbé tér el, mint a legtökéletesebb keresőfény fénye. A lézer tűnyalábjában koncentrált energia nagyon magas. Ezek és a lézer néhány más tulajdonsága késztette a kommunikációs dolgozókat arra, hogy a lézert optikai kommunikációra használják.
Az első tervezeteket a következőkben foglaltuk össze. Ha lézert használ generátorként, és annak fénysugarát üzenetjellel modulálja, akkor optikai adót kap. A sugarat a fényvevő felé irányítva optikai kommunikációs csatornát kapunk. Se vezetékek, se kábelek. A kommunikáció a téren keresztül történik (nyílt lézeres kommunikáció).
Lézerrel szerzett tapasztalat tudományos laborban
A laboratóriumi kísérletek ragyogóan igazolták a kommunikációs dolgozók hipotézisét. És hamarosan lehetőség nyílt ennek a kapcsolatnak a gyakorlati tesztelésére.Sajnos a jeladók reményei a nyílt földi lézeres kommunikációra nem váltak be: eső, hó, köd bizonytalanná tette a kommunikációt, sokszor teljesen meg is szakította azt.
Nyilvánvalóvá vált, hogy az információt hordozó fényhullámokat a légkörnek védenie kell. Ezt hullámvezetők segítségével lehet megtenni - vékony, egyenletes és nagyon sima fémcsövekkel.
A mérnökök és közgazdászok azonban azonnal felismerték, hogy milyen nehézségek merülnek fel az abszolút sima és egyenletes hullámvezetők elkészítésében. A hullámvezetők drágábbak voltak, mint az arany. Úgy tűnik, a játék nem érte meg a gyertyát.
Alapvetően új módokat kellett keresniük a világkalauzok létrehozására. Arra kellett ügyelni, hogy a fényvezetők ne fémből legyenek, hanem valamilyen olcsó, nem szűkös alapanyagból. Évtizedekbe telt olyan optikai szálak kifejlesztése, amelyek alkalmasak a fény segítségével történő információtovábbításra.
Az első ilyen szál ultratiszta üvegből készül. Kétrétegű koaxiális mag és héjszerkezet jött létre. Az üvegtípusokat úgy választottuk meg, hogy a mag törésmutatója magasabb legyen, mint a burkolat.
Majdnem teljes belső visszaverődés az optikai közegben
De hogyan lehet különböző üvegeket összekötni úgy, hogy ne legyenek hibák a mag és a héj határán? Hogyan lehet elérni a simaságot, egyenletességet és egyben a maximális szálszilárdságot?
A tudósok és mérnökök erőfeszítései révén végül létrejött a kívánt optikai szál. Napjainkban több száz és több ezer kilométeren keresztül továbbítják rajta keresztül a fényjeleket. De melyek a fényenergia terjedésének törvényei nem fémes (dielektromos) vezető közegeken?
Fiber módok
Az egymódusú és többmódusú szálak azokhoz az optikai szálakhoz tartoznak, amelyeken a fény áthalad, ismétlődő belső visszaverődést tapasztalva a mag-burkolat határfelületén (a szakértők a rezonátorrendszer természetes oszcillációit értik "módon").
A szál módusai a saját hullámai, azaz. azokat, amelyeket a szál magja megfog, és a szál mentén elterjed az elejétől a végéig.
A szál típusát a kialakítása határozza meg: az alkatrészek, amelyekből a mag és a burkolat készül, valamint a szál méreteinek aránya a használt hullámhosszhoz (az utolsó paraméter különösen fontos).
Az egymódusú szálakban a mag átmérőjének közel kell lennie a természetes hullámhosszhoz. A sok hullám közül a szál magja csak egyet rögzít saját hullámai közül. Ezért a szálat (fényvezetőt) egymódusúnak nevezik.
Ha a mag átmérője meghaladja egy bizonyos hullám hosszát, akkor a szál több tíz vagy akár több száz különböző hullámot is képes vezetni egyszerre. Így működik a multimódusú szál.
Információ továbbítása fény által optikai szálakon keresztül
A fényt csak megfelelő forrásból fecskendezik az optikai szálba. Leggyakrabban - lézerből. De a természettől fogva semmi sem tökéletes. Ezért a lézersugár, a benne rejlő monokromatikusság ellenére, még mindig tartalmaz egy bizonyos frekvenciaspektrumot, vagy más szóval egy bizonyos hullámhossz-tartományt bocsát ki.
A lézeren kívül mi szolgálhat optikai szálak fényforrásaként? Nagy fényerejű LED-ek. A sugárzás irányítottsága bennük azonban jóval kisebb, mint a lézereké.Ezért az énekelt diódák több tízszer és százszor kevesebb energiát visznek be a szálba, mint a lézer.
Amikor a lézersugarat a szál magjára irányítják, minden hullám egy szigorúan meghatározott szögben ütközik be. Ez azt jelenti, hogy ugyanazon időintervallumban különböző sajáthullámok (módusok) haladnak át a szálon (az elejétől a végéig) különböző hosszúságú útvonalakon. Ez a hullámdiszperzió.
És mi történik a jelekkel? A szálban azonos időintervallumban eltérő útvonalat haladva torz formában érhetik el a vonal végét, ezt a jelenséget a szakemberek módus diszperziónak nevezik.
A szál magja és hüvelye olyan. már említettük, különböző törésmutatójú üvegből készülnek. És bármely anyag törésmutatója az anyagra ható fény hullámhosszától függ. Ezért létezik az anyag diszperziója, vagy más szóval anyagi diszperzió.
A hullámhossz, a módusz, az anyagszórás három olyan tényező, amely negatívan befolyásolja a fényenergia átvitelét az optikai szálakon keresztül.
Az egymódusú szálakban nincs módus diszperzió. Ezért az ilyen szálak több százszor több információt tudnak továbbítani egységnyi idő alatt, mint a többmódusú szálak. Mi a helyzet a hullámok és anyagok diszperzióival?
Az egymódusú szálaknál arra törekednek, hogy bizonyos feltételek mellett a hullám- és anyagdiszperzió kioltsa egymást. Ezt követően sikerült olyan szálat létrehozni, ahol a módus és a hullámdiszperzió negatív hatása jelentősen gyengült. Hogyan sikerült?
Kiválasztottuk a szálanyag törésmutatójának változásának a tengelytől mért távolságának változásával (sugár mentén) való függésének grafikonját a parabolatörvény szerint. A fény egy ilyen szál mentén halad anélkül, hogy többszörös teljes visszaverődést tapasztalna a mag-burkolat határfelületén.
Kommunikációs elosztó szekrény. A sárga kábelek egymódusú szálak, a narancssárga és a kék kábelek többmódusú szálak
Az optikai szál által befogott fény útjai eltérőek. Egyes sugarak a mag tengelye mentén terjednek, egy vagy másik irányba egyenlő távolságra eltérve tőle ("kígyó"), mások a szál tengelyét keresztező síkban fekve spirálkészletet alkotnak. Egyesek sugara állandó marad, másoké periodikusan változik. Az ilyen szálakat fénytörésnek vagy gradiensnek nevezik.
Nagyon fontos tudni; milyen határszögben kell a fényt az egyes optikai szálak végére irányítani. Ez határozza meg, hogy mennyi fény jut be a szálba, és mennyi fényt vezet az optikai vonal elejétől a végéig. Ezt a szöget a szál numerikus apertúrája (vagy egyszerűen csak a nyílás) határozza meg.
Optikai kommunikáció
FOCL
Optikai kommunikációs vonalként (FOCL) az optikai szálak, amelyek önmagukban vékonyak és törékenyek, nem használhatók. A szálakat az optikai szálas kábelek (FOC) gyártásához nyersanyagként használják. A FOC-kat különféle kivitelben, formában és céllal gyártják.
Erősségük és megbízhatóságuk tekintetében a FOC-k nem alacsonyabbak fémintenzív prototípusaiknál, és ugyanabban a környezetben fektethetők le, mint a fémvezetős kábelek – levegőben, föld alatt, folyók és tengerek fenekén. A WOK sokkal könnyebb.Fontos, hogy a FOC-k teljesen érzéketlenek az elektromos zavarokra és a mágneses hatásokra. Végül is nehéz kezelni az ilyen interferenciát a fémkábelekben.
Az 1980-as és 1990-es években az első generációs optikai kábelek sikeresen helyettesítették az automatikus telefonközpontok közötti koaxiális autópályákat. E vonalak hossza nem haladta meg a 10-15 km-t, de a jelzõk fellélegeztek, amikor lehetõvé vált az összes szükséges információ továbbítása közbensõ regenerátorok nélkül.
A kommunikációs csatornákban nagy mennyiségű "élettér" jelent meg, és az "információs szűkösség" fogalma elvesztette jelentőségét. Könnyű, vékony és kellően rugalmas, a FOC-t minden nehézség nélkül lefektették a meglévő földalatti telefonba.
Az automata telefonközponthoz olyan egyszerű berendezéseket kellett kiegészíteni, amelyek az optikai jeleket elektromossá (az előző állomás bemenetén) és elektromossá (a következő állomás kimenetén) alakítják át. Valamennyi kapcsolóberendezés, előfizetői vonal és ezek telefonja nem változott. Minden kiderült, mint mondják, olcsó és vidám.
Optikai kábel szerelése a városban
Optikai kábel felszerelése a légvezeték tartójára
A modern optikai kommunikációs vonalakon keresztül az információ nem analóg (folyamatos), hanem diszkrét (digitális) formában történik.
Az optikai kommunikációs vonalak lehetővé tették az elmúlt 30-40 évben a kommunikációs technológiák forradalmi átalakításait, és viszonylag gyorsan, hosszú időn keresztül, hogy véget vessenek az információátviteli csatornák „információfeszesség” problémájának.A kommunikációs és átviteli eszközök közül az információs és az optikai kommunikációs vonalak vezető szerepet töltenek be, és dominálnak a XXI. században.
Továbbá:
Az optikai szálakon való információátalakítás és -továbbítás elve