Optiset viestintäjärjestelmät: tarkoitus, luomishistoria, edut
Miten sähköliitäntä syntyi?
Nykyaikaisten viestintäjärjestelmien prototyypit ilmestyivät viime vuosisadalla ja niiden lennätinjohdot olivat sotkeneet koko maailman. Niiden yli lähetettiin satoja tuhansia sähkeitä, ja pian lennätin lakkasi kestämään kuormaa. Lähetykset viivästyivät, eikä vieläkään ollut kaukopuhelin- ja radioliikennettä.
1900-luvun alussa keksittiin elektroniputki. Radiotekniikka alkoi kehittyä nopeasti, elektroniikan perusta luotiin. Signaalit ovat oppineet lähettämään radioaaltoja paitsi avaruuden (ilman kautta), myös lähettämään niitä johtoja ja tietoliikennekaapeleita pitkin.
Radioaaltojen käyttö toimi perustana tiedonsiirtojärjestelmien kalleimman ja tehottomamman osan - lineaaristen laitteiden - tiivistämiselle. Pakkaamalla linja taajuudella, ajassa, käyttämällä erityisiä tiedon "pakkausmenetelmiä", on nykyään mahdollista lähettää kymmeniä tuhansia erilaisia viestejä yhdellä rivillä aikayksikköä kohden. Tällaista viestintää kutsutaan monikanavaiseksi.
Rajat erilaisten viestintämuotojen välillä alkoivat hämärtyä. Ne täydensivät harmonisesti toisiaan, lennätin, puhelin, radio ja myöhemmin televisio-, radiorele- ja myöhemmin satelliitti-, avaruusviestintä yhdistettiin yhteiseksi sähköiseksi viestintäjärjestelmäksi.
Nykyaikaiset viestintätekniikat
Viestintäkanavien tiedontiheys
Tiedonvälityskanavissa toimivat aallot, joiden pituus on 3000 km - 4 mm. Toiminnassa oleva laitteisto pystyy lähettämään 400 megabittiä sekunnissa viestintäkanavalla (400 Mbit/s on 400 miljoonaa bittiä sekunnissa). Jos otamme kirjeen tässä järjestyksessä 1 bitin, 400 Mbit muodostaa 500 osan kirjaston, joista jokaisessa on 20 tulostettua arkkia).
Ovatko nykyiset sähköiset viestintävälineet samanlaisia kuin niiden prototyypit viime vuosisadalta? Melkein sama kuin estehyppykone. Huolimatta kaikesta nykyaikaisten viestintäkanavien laitteiden täydellisyydestä, se on valitettavasti liian täynnä: paljon lähempänä kuin viime vuosisadan 90-luvulla.
Lennätinjohdot Cincinnatissa, Yhdysvalloissa (1900-luvun alku)
Nainen kuuntelee radiota kuulokkeilla, 28.3.1923.
Kasvava tiedonsiirtotarve ja viestintäkanavissa tällä hetkellä käytettävien fyysisten prosessien perusominaisuudet ovat ristiriidassa. "Informaatiotiheyden" laimentamiseksi on tarpeen valloittaa lyhyempiä ja lyhyempiä aaltoja, eli hallita korkeampia ja korkeampia taajuuksia. Sähkömagneettisten värähtelyjen luonne on sellainen, että mitä suurempi niiden taajuus on, sitä enemmän tietoa aikayksikköä kohden voidaan siirtää viestintäkanavan kautta.
Mutta kaikista suuremmista vaikeuksista, joita kommunikaattorit joutuvat kohtaamaan: aallon pienentyessä vastaanottavien laitteiden sisäiset (sisäiset) äänet kasvavat jyrkästi, generaattoreiden teho laskee ja tehokkuus laskee merkittävästi. lähettimet, ja kaikesta kulutetusta sähköstä vain pieni osa muunnetaan hyödylliseksi radioaaltoenergiaksi.
Saksan Nauen-radioaseman putkisiirtopiirin lähtömuuntaja, jonka kantama yli 20 000 kilometriä (lokakuu 1930)
Ensimmäiset UHF-radioyhteydet perustettiin Vatikaanin ja paavi Pius XI:n kesäasunnon välille vuonna 1933.
Ultralyhyet aallot (UHF) menettävät energiansa katastrofaalisen nopeasti matkan varrella. Siksi viestisignaaleja on vahvistettava ja regeneroitava (palautettava) liian usein, joten joudumme turvautumaan monimutkaisiin ja kalliisiin laitteisiin. Kommunikaatio radioaaltojen senttimetrialueella, puhumattakaan millimetrietäisyydellä, kohtaa lukuisia esteitä.
Sähköisten viestintäkanavien haitat
Lähes kaikki nykyaikainen sähköviestintä on monikanavaista. Lähettääksesi 400 Mbit / s kanavalla, sinun on työskenneltävä radioaaltojen desimetrialueella. Tämä on mahdollista vain erittäin monimutkaisten laitteiden ja tietysti erityisen korkeataajuisen (koaksiaalisen) kaapelin läsnä ollessa, joka koostuu yhdestä tai useammasta koaksiaaliparista.
Jokaisessa parissa ulko- ja sisäjohtimet ovat koaksiaalisia sylintereitä. Kaksi tällaista paria voivat lähettää samanaikaisesti 3 600 puhelua tai useita TV-ohjelmia. Tässä tapauksessa signaalit on kuitenkin vahvistettava ja regeneroitava 1,5 km:n välein.
Tyylikäs signaalimies 1920-luvulla
Viestintäkanavia hallitsevat kaapelilinjat. Ne on suojattu ulkoisilta vaikutuksilta, sähköisiltä ja magneettisilta häiriöiltä. Kaapelit ovat kestäviä ja toimintavarmoja, ne sopivat asennettavaksi erilaisiin ympäristöihin.
Kaapelien ja tietoliikennejohtojen tuotanto vie kuitenkin yli puolet maailman ei-rautametallien tuotannosta, jonka varannot hupenevat nopeasti.
Metalli kallistuu. Ja erityisesti koaksiaalikaapeleiden tuotanto on monimutkaista ja erittäin energiaintensiivistä liiketoimintaa. Ja niiden tarve kasvaa. Siksi ei ole vaikea kuvitella, mitä kustannuksia viestintälinjojen rakentaminen ja niiden käyttö aiheuttavat.
Kaapelilinjan asennus New Yorkiin, 1888.
Viestintäverkko on upein ja kallein rakenne, jonka ihminen on koskaan luonut maan päälle. Kuinka kehittää sitä edelleen, jos jo 1900-luvun 50-luvulla kävi selväksi, että televiestintä lähestyi taloudellisen kannattavuutensa kynnystä?
Transcontinental Phone Line valmistui, Wendover, Utah, 1914.
"Tiedontiheyden poistamiseksi viestintäkanavista oli tarpeen oppia käyttämään sähkömagneettisten värähtelyjen optisia alueita. Loppujen lopuksi valoaalloilla on miljoonia kertoja enemmän värähtelyä kuin VHF.
Jos optinen viestintäkanava luotaisiin, voitaisiin samanaikaisesti välittää useita tuhansia televisio-ohjelmia ja paljon enemmän puheluita ja radiolähetyksiä.
Tehtävä tuntui pelottavalta. Mutta matkalla sen ratkaisuun syntyi eräänlainen ongelmien labyrintti tutkijoiden ja signaalimiesten eteen. XX vuosisataa kukaan ei tiennyt kuinka voittaa se.
"Neuvostoliiton televisio ja radio" - näyttely "Sokolniki"-puistossa, Moskova, 5. elokuuta 1959.
Laserit
Vuonna 1960 luotiin hämmästyttävä valonlähde - laser tai optinen kvanttigeneraattori (LQG). Tällä laitteella on ainutlaatuisia ominaisuuksia.
Lyhyessä artikkelissa on mahdotonta kertoa eri lasereiden toimintaperiaatteesta ja laitteista. Nettisivuillamme oli jo yksityiskohtainen artikkeli lasereista: Lasereiden laite ja toimintaperiaate… Tässä rajoitamme luettelemaan vain ne laserin ominaisuudet, jotka ovat herättäneet viestintätyöntekijöiden huomion.
Ted Mayman, ensimmäisen toimivan laserin vasta-ohjaaja, 1960.
Ensinnäkin todetaan säteilyn koherenssi. Laservalo on lähes yksivärinen (yksivärinen) ja hajoaa avaruudessa kertaa vähemmän kuin täydellisimmän valonheittimen valo. Laserin neulasäteeseen keskittynyt energia on erittäin korkea. Nämä ja jotkut muut laserin ominaisuudet saivat viestintätyöntekijät käyttämään laseria optiseen viestintään.
Ensimmäiset luonnokset tiivistettiin seuraavasti. Jos käytät laseria generaattorina ja moduloi sen sädettä viestisignaalilla, saat optisen lähettimen. Suuntaamalla säteen valovastaanottimeen saamme optisen viestintäkanavan. Ei johtoja, ei kaapeleita. Viestintä tapahtuu avaruuden kautta (avoin laserviestintä).
Kokemusta lasereista tiedelaboratoriossa
Laboratoriokokeet vahvistivat loistavasti viestintätyöntekijöiden hypoteesin. Ja pian oli mahdollisuus testata tätä suhdetta käytännössä.Valitettavasti signaalimiesten toiveet avoimesta laserviestinnästä Maan päällä eivät toteutuneet: sade, lumi, sumu teki kommunikaatiosta epävarman ja katkaisi sen usein kokonaan.
Kävi ilmi, että tietoa kuljettavat valoaallot on suojattava ilmakehällä. Tämä voidaan tehdä aaltoputkien avulla - ohuita, yhtenäisiä ja erittäin sileitä metalliputkia sisällä.
Mutta insinöörit ja taloustieteilijät huomasivat välittömästi vaikeudet, jotka liittyvät ehdottoman tasaisten ja tasaisten aaltoputkien tekemiseen. Aaltoputket olivat kalliimpia kuin kulta. Ilmeisesti peli ei ollut kynttilän arvoinen.
Heidän oli etsittävä pohjimmiltaan uusia tapoja luoda maailmanoppaita. Oli varmistettava, että valonohjaimet eivät olleet metallista, vaan jostain halvasta, niukasti raaka-aineesta. Kesti vuosikymmeniä kehittää optisia kuituja, jotka soveltuvat tiedon välittämiseen valolla.
Ensimmäinen tällainen kuitu on valmistettu erittäin puhtaasta lasista. Kaksikerroksinen koaksiaalinen ydin- ja kuorirakenne luotiin. Lasityypit valittiin siten, että ytimen taitekerroin on suurempi kuin verhouksen.
Lähes täydellinen sisäinen heijastus optisessa välineessä
Mutta kuinka yhdistää eri lasit niin, että ytimen ja kuoren välisellä rajalla ei ole vikoja? Kuinka saavuttaa sileys, tasaisuus ja samalla maksimaalinen kuidun lujuus?
Tiedemiesten ja insinöörien ponnisteluilla haluttu optinen kuitu lopulta luotiin. Nykyään valosignaalit välittyvät sen läpi satojen ja tuhansien kilometrien päähän. Mutta mitkä ovat valoenergian etenemisen lait ei-metallisilla (dielektrisillä) johtavilla aineilla?
Kuitutilat
Yksimuoto- ja monimuotokuidut kuuluvat optisiin kuituihin, joiden läpi valo kulkee ja kokee toistuvia sisäisiä heijastuksia sydämen päällysteen rajapinnassa (asiantuntijat tarkoittavat "moodilla" resonaattorijärjestelmän luonnollisia värähtelyjä).
Kuidun moodit ovat sen omia aaltoja, ts. ne, jotka vangitaan kuidun ytimeen ja leviävät kuitua pitkin sen alusta sen loppuun.
Kuidun tyyppi määräytyy sen suunnittelun mukaan: komponentit, joista ydin ja verhous on valmistettu, sekä kuidun mittojen suhde käytettyyn aallonpituuteen (viimeinen parametri on erityisen tärkeä).
Yksimuotokuiduissa ytimen halkaisijan tulee olla lähellä luonnollista aallonpituutta. Monista aalloista kuidun ydin vangitsee vain yhden omista aalloistaan. Siksi kuitua (valoohjainta) kutsutaan yksimuotoiseksi.
Jos ytimen halkaisija ylittää tietyn aallon pituuden, niin kuitu pystyy johtamaan useita kymmeniä tai jopa satoja erilaisia aaltoja kerralla. Näin monimuotokuitu toimii.
Tietojen siirto valolla optisten kuitujen kautta
Valoa ruiskutetaan optiseen kuituun vain sopivasta lähteestä. Useimmiten - laserista. Mutta mikään ei ole luonnostaan täydellistä. Siksi lasersäde, huolimatta sen luontaisesta monokromaattisuudesta, sisältää silti tietyn taajuusspektrin, eli toisin sanoen emittoi tietyn aallonpituusalueen.
Mikä laserin lisäksi voi toimia valokuitujen valonlähteenä? Korkean kirkkauden LEDit. Niissä olevan säteilyn suuntaavuus on kuitenkin paljon pienempi kuin lasereiden.Siksi kuituihin syötetään kymmeniä ja satoja kertoja vähemmän energiaa lauletuilla diodeilla kuin laserilla.
Kun lasersäde suunnataan kuidun ytimeen, jokainen aalto osuu siihen tiukasti määritellyssä kulmassa. Tämä tarkoittaa, että eri ominaisaallot (moodit) kulkevat samalla aikavälillä kuidun läpi (sen alusta loppuun) eripituisia polkuja. Tämä on aaltodispersiota.
Ja mitä tapahtuu signaaleille? Kulkiessaan eri polkua kuidussa saman ajanjakson ajan, ne voivat päästä linjan loppuun vääristyneessä muodossa. Asiantuntijat kutsuvat tätä ilmiötä moodidispersioksi.
Kuidun ydin ja vaippa ovat kuin. jo mainittiin, ne on valmistettu lasista, jolla on erilaiset taitekertoimet. Ja minkä tahansa aineen taitekerroin riippuu aineeseen vaikuttavan valon aallonpituudesta. Siksi on olemassa aineen dispersio tai toisin sanoen ainedispersio.
Aallonpituus, moodi, materiaalin dispersio ovat kolme tekijää, jotka vaikuttavat negatiivisesti valoenergian siirtymiseen optisten kuitujen läpi.
Yksimuotokuiduissa ei ole moodidispersiota. Siksi tällaiset kuidut voivat lähettää satoja kertoja enemmän tietoa aikayksikköä kohti kuin monimuotokuidut. Entä aaltojen ja materiaalien dispersiot?
Yksimuotokuiduissa pyritään varmistamaan, että tietyissä olosuhteissa aalto- ja materiaalidispersiot kumoavat toisensa. Myöhemmin oli mahdollista luoda sellainen kuitu, jossa moodin ja aaltodispersion negatiivinen vaikutus heikkeni merkittävästi. Miten onnistuit?
Valitsimme kaavion kuitumateriaalin taitekertoimen muutoksen riippuvuudesta sen etäisyyden muutoksella akselista (sädettä pitkin) parabolisen lain mukaan. Valo kulkee tällaista kuitua pitkin ilman, että ytimen ja päällysteen rajapinnassa tapahtuu useita kokonaisheijastuksia.
Viestinnän jakelukaappi. Keltaiset kaapelit ovat yksimuotokuituja, oranssit ja siniset kaapelit ovat monimuotokuituja
Optisen kuidun vangitseman valon reitit ovat erilaisia. Jotkut säteet leviävät pitkin ytimen akselia, poikkeamalla siitä suuntaan tai toiseen yhtä suurilla etäisyyksillä ("käärme"), toiset kuidun akselin ylittävissä tasoissa muodostavat joukon spiraaleja. Toisten säde pysyy vakiona, toisten säde muuttuu ajoittain. Tällaisia kuituja kutsutaan taitto- tai gradienteiksi.
On erittäin tärkeää tietää; missä rajakulmassa valo tulee suunnata kunkin optisen kuidun päähän. Tämä määrittää, kuinka paljon valoa tulee kuituun ja johdetaan optisen linjan alusta loppuun. Tämä kulma määräytyy kuidun numeerisen aukon (tai yksinkertaisesti - aukon) perusteella.
Optinen viestintä
FOCL
Optisina tietoliikennelinjoina (FOCL) optisia kuituja, jotka ovat itsessään ohuita ja hauraita, ei voida käyttää. Kuituja käytetään raaka-aineena optisten kuitukaapeleiden (FOC) valmistuksessa. FOC:ia valmistetaan erilaisissa malleissa, muodoissa ja tarkoituksiin.
Lujuuden ja luotettavuuden suhteen FOC:t eivät ole huonompia kuin metalliintensiiviset prototyypit, ja ne voidaan asentaa samoihin ympäristöihin kuin metallijohtimilla varustetut kaapelit - ilmassa, maan alla, jokien ja meren pohjassa. WOK on paljon helpompaa.Tärkeää on, että FOC:t ovat täysin epäherkkiä sähköisille häiriöille ja magneettisille vaikutuksille. Loppujen lopuksi on vaikea käsitellä tällaisia häiriöitä metallikaapeleissa.
Ensimmäisen sukupolven optiset kaapelit 1980- ja 1990-luvuilla korvasivat menestyksekkäästi automaattisten puhelinkeskusten väliset koaksiaaliset moottoritiet. Näiden linjojen pituus ei ylittänyt 10-15 km, mutta opastimet huokaisivat helpotuksesta, kun kaikki tarvittava tieto tuli mahdolliseksi välittää ilman väliregeneraattoreita.
Viestintäkanaviin ilmestyi suuri tarjonta "elintilaa", ja "informaation tiiviyden" käsite menetti merkityksensä. Kevyt, ohut ja riittävän joustava, FOC asetettiin vaikeuksitta olemassa olevaan maanalaiseen puhelimeen.
Automaattisen puhelinvaihteen kanssa oli tarpeen lisätä yksinkertaiset laitteet, jotka muuntaa optiset signaalit sähköisiksi (edellisen aseman tulossa) ja sähköisiksi optisiksi (seuraavan aseman lähdössä). Kaikki kytkentälaitteet, tilaajalinjat ja niiden puhelimet eivät ole muuttuneet. Kaikki osoittautui, kuten sanotaan, halpaa ja iloista.
Valokuitukaapelin asennus kaupunkiin
Optisen kaapelin asennus ilmajohdon tuen päälle
Nykyaikaisten optisten viestintälinjojen kautta informaatiota ei siirretä analogisessa (jatkuvassa) muodossa, vaan diskreetissä (digitaalisessa) muodossa.
Optiset viestintälinjat ovat mahdollistaneet viimeisten 30-40 vuoden aikana vallankumouksellisten muutosten tekemisen viestintäteknologioissa ja suhteellisen nopeasti pitkän ajan päästä lopettamaan tiedonsiirtokanavien "tiedontiheyden" ongelman.Kaikista viestintä- ja siirtomenetelmistä tieto, optiset viestintälinjat ovat johtavassa asemassa ja hallitsevat koko XXI-luvun.
Lisäksi: