Optiske kommunikasjonssystemer: formål, skapelseshistorie, fordeler
Hvordan ble den elektriske tilkoblingen til?
Prototypene til moderne kommunikasjonssystemer dukket opp i forrige århundre, og ved slutten av deres telegrafledninger hadde de viklet inn hele verden. Hundretusenvis av telegrammer ble sendt over dem, og snart sluttet telegrafen å takle belastningen. Utsendelser ble forsinket og det var fortsatt ingen langdistansetelefon- og radiokommunikasjon.
På begynnelsen av 1900-tallet ble elektronrøret oppfunnet. Radioteknologi begynte å utvikle seg raskt, grunnlaget for elektronikk ble lagt. Signalgivere har lært å sende radiobølger ikke bare gjennom rommet (gjennom luften), men også å sende dem over ledninger og gjennom kommunikasjonskabler.
Bruken av radiobølger fungerte som grunnlag for å komprimere den dyreste og ineffektive delen av informasjonsoverføringssystemer - lineære enheter. Ved å komprimere linjen i frekvens, i tid, ved hjelp av spesielle metoder for å "pakke" informasjon, er det i dag mulig å overføre titusenvis av forskjellige meldinger på en enkelt linje per tidsenhet. Slik kommunikasjon kalles multikanal.
Grensene mellom ulike typer kommunikasjon begynte å viskes ut. De komplementerte hverandre harmonisk, telegraf, telefon, radio og senere fjernsyn, radiorelé og senere satellitt, romkommunikasjon ble samlet i et felles elektrisk kommunikasjonssystem.
Moderne kommunikasjonsteknologi
Informasjonstetthet av kommunikasjonskanaler
Bølger med en lengde på 3000 km til 4 mm virker i informasjonsoverføringskanalene. Utstyret er i drift og kan overføre 400 megabit per sekund over en kommunikasjonskanal (400 Mbit/s er 400 millioner bit per sekund). Hvis vi tar en bokstav i denne rekkefølgen for 1 bit, vil 400 Mbit utgjøre et bibliotek på 500 bind, hver med 20 trykte ark).
Er nåværende midler for elektrisk kommunikasjon lik deres prototyper fra forrige århundre? Ganske det samme som et hoppfly. Til tross for all perfeksjon av utstyr i moderne kommunikasjonskanaler, dessverre, er det for overfylt: mye nærmere enn på 90-tallet av forrige århundre.
Telegrafledninger i Cincinnati, USA (begynnelsen av det 20. århundre)
En kvinne lytter til radio med hodetelefoner, 28. mars 1923.
Det er en motsetning mellom det økende behovet for informasjonsoverføring og de grunnleggende egenskapene til de fysiske prosessene som i dag brukes i kommunikasjonskanaler. For å fortynne «informasjonstettheten» er det nødvendig å erobre kortere og kortere bølger, det vil si å mestre høyere og høyere frekvenser. Naturen til elektromagnetiske oscillasjoner er slik at jo høyere frekvens de er, jo mer informasjon per tidsenhet kan overføres over kommunikasjonskanalen.
Men med alle de større vanskelighetene som kommunikatører må møte: med en reduksjon i bølgen, øker de interne (iboende) støyene til mottaksenhetene kraftig, kraften til generatorene reduseres og effektiviteten reduseres betydelig. sendere, og av all elektrisitet som forbrukes, blir bare en liten del omdannet til nyttig radiobølgeenergi.
Utgangstransformatoren til røroverføringskretsen til Nauen-radiostasjonen i Tyskland med en rekkevidde på over 20 000 kilometer (oktober 1930)
Den første UHF-radiokommunikasjonen ble etablert mellom Vatikanet og sommerresidensen til pave Pius XI, 1933.
Ultrakorte bølger (UHF) mister energien katastrofalt raskt underveis. Derfor må meldingssignaler forsterkes og regenereres (gjenopprettes) for ofte.Vi må ty til komplekst og kostbart utstyr. Kommunikasjon i radiobølgenes centimeterrekkevidde, enn si millimeterområdet, møter mange hindringer.
Ulemper med elektriske kommunikasjonskanaler
Nesten all moderne elektrisk kommunikasjon er flerkanals. For å sende på en 400 Mbit / s kanal, må du jobbe i desimimeterområdet for radiobølger. Dette er bare mulig i nærvær av svært komplekst utstyr og, selvfølgelig, en spesiell høyfrekvent (koaksial) kabel, som består av ett eller flere koaksialpar.
I hvert par er de ytre og indre lederne koaksiale sylindre. To slike par kan overføre 3600 telefonsamtaler eller flere TV-programmer samtidig. I dette tilfellet må signalene imidlertid forsterkes og regenereres hver 1,5 km.
En stilig signalmann på 1920-tallet
Kommunikasjonskanaler domineres av kabellinjer. De er beskyttet mot ytre påvirkninger, elektriske og magnetiske forstyrrelser. Kablene er holdbare og pålitelige i drift, de er praktiske for legging i forskjellige miljøer.
Imidlertid tar produksjonen av kabler og kommunikasjonsledninger mer enn halvparten av verdens produksjon av ikke-jernholdige metaller, hvis reserver minker raskt.
Metallet blir dyrere. Og produksjon av kabler, spesielt koaksiale, er en kompleks og ekstremt energikrevende virksomhet. Og behovet for dem vokser. Derfor er det ikke vanskelig å forestille seg hva kostnadene er for bygging av kommunikasjonslinjer og deres drift.
Installasjon av en kabellinje i New York, 1888.
Kommunikasjonsnettverket er den mest spektakulære og kostbare strukturen mennesket noen gang har skapt på jorden. Hvordan utvikle det videre, hvis det allerede på 50-tallet av XX-tallet ble klart at telekommunikasjon nærmet seg terskelen for dens økonomiske gjennomførbarhet?
Fullføring av den transkontinentale telefonlinjen, Wendover, Utah, 1914.
For å eliminere "informasjonstetthet i kommunikasjonskanaler, var det nødvendig å lære å bruke de optiske områdene av elektromagnetiske oscillasjoner. Tross alt har lysbølger millioner av ganger mer vibrasjoner enn VHF.
Hvis det ble opprettet en optisk kommunikasjonskanal, ville det være mulig å overføre flere tusen fjernsynsprogrammer og mange flere telefonsamtaler og radiosendinger samtidig.
Oppgaven virket skremmende. Men på veien til løsningen oppsto det en slags labyrint av problemer foran forskerne og signalmennene. XX århundrer visste ingen hvordan de skulle overvinne det.
"Sovjetisk fjernsyn og radio" - utstilling i "Sokolniki"-parken, Moskva, 5. august 1959.
Lasere
I 1960 ble en fantastisk lyskilde opprettet - en laser eller optisk kvantegenerator (LQG). Denne enheten har unike egenskaper.
Det er umulig å fortelle om operasjonsprinsippet og enheten til forskjellige lasere i en kort artikkel. Det var allerede en detaljert artikkel om lasere på nettstedet vårt: Enheten og prinsippet for drift av lasere… Her begrenser vi oss til å oppregne bare de egenskapene til laseren som har tiltrukket seg oppmerksomheten til kommunikasjonsarbeidere.
Ted Mayman, motinstruktør for den første fungerende laseren, 1960.
Først av alt, la oss angi sammenhengen til strålingen. Laserlys er nesten monokromatisk (en farge) og divergerer i rom ganger mindre enn lyset til det mest perfekte søkelyset. Energien konsentrert i nålestrålen til laseren er veldig høy. Det var disse og noen andre egenskaper ved laseren som fikk kommunikasjonsarbeidere til å bruke laseren til optisk kommunikasjon.
De første utkastene ble oppsummert som følger. Hvis du bruker en laser som generator og modulerer strålen med et meldingssignal, får du en optisk sender. Ved å rette strålen til lysmottakeren får vi en optisk kommunikasjonskanal. Ingen ledninger, ingen kabler. Kommunikasjon vil skje gjennom rommet (åpen laserkommunikasjon).
Erfaring med lasere i et vitenskapelig laboratorium
Laboratorieeksperimenter bekreftet på en glimrende måte hypotesen om kommunikasjonsarbeidere. Og snart var det en mulighet til å teste dette forholdet i praksis.Dessverre gikk ikke håpene til signalmenn om åpen laserkommunikasjon på jorden i oppfyllelse: regn, snø, tåke gjorde kommunikasjonen usikker og kuttet den ofte fullstendig.
Det ble åpenbart at lysbølger som bærer informasjon må skjermes av atmosfæren. Dette kan gjøres ved hjelp av bølgeledere - tynne, jevne og veldig glatte metallrør inni.
Men ingeniører og økonomer anerkjente umiddelbart vanskelighetene med å lage helt jevne og jevne bølgeledere. Bølgeledere var dyrere enn gull. Spillet var tydeligvis ikke verdt stearinlyset.
De måtte lete etter fundamentalt nye måter å skape verdensguider på. Det måtte sørges for at lyslederne ikke var laget av metall, men av en eller annen billig, ikke-knappe råvare. Det tok flere tiår å utvikle optiske fibre egnet for overføring av informasjon ved hjelp av lys.
Den første slike fiber er laget av ultrarent glass. En to-lags koaksial kjerne- og skallstruktur ble opprettet. Glasstypene er valgt slik at kjernen har høyere brytningsindeks enn kledningen.
Nesten total intern refleksjon i det optiske mediet
Men hvordan koble forskjellige glass slik at det ikke er noen defekter i grensen mellom kjernen og skallet? Hvordan oppnå jevnhet, jevnhet og samtidig maksimal fiberstyrke?
Gjennom innsatsen fra forskere og ingeniører ble den ønskede optiske fiberen endelig skapt. I dag sendes lyssignaler over hundrevis og tusenvis av kilometer gjennom den. Men hva er lovene for forplantning av lysenergi på ikke-metalliske (dielektriske) ledende medier?
Fibermoduser
Enkeltmodus- og multimodusfibre tilhører optiske fibre som lys beveger seg gjennom og opplever handlinger av gjentatt intern refleksjon ved kjernebekledningsgrensesnittet (eksperter mener de naturlige oscillasjonene til resonatorsystemet med "modus").
Modiene til fiberen er dens egne bølger, dvs. de som fanges opp av fiberkjernen og spres langs fiberen fra begynnelsen til slutten.
Typen fiber bestemmes av dens design: komponentene som kjernen og kledningen er laget av, samt forholdet mellom dimensjonene til fiberen og bølgelengden som brukes (den siste parameteren er spesielt viktig).
I single-mode fibre må kjernediameteren være nær den naturlige bølgelengden. Av de mange bølgene fanger fiberkjernen bare en av sine egne bølger. Derfor kalles fiberen (lyslederen) single-mode.
Hvis diameteren på kjernen overstiger lengden på en viss bølge, er fiberen i stand til å lede flere titalls eller til og med hundrevis av forskjellige bølger på en gang. Slik fungerer multimodusfiber.
Overføring av informasjon med lys gjennom optiske fibre
Lys injiseres kun i den optiske fiberen fra en passende kilde. Oftest - fra en laser. Men ingenting er perfekt av natur. Derfor inneholder laserstrålen, til tross for sin iboende monokromaticitet, fortsatt et visst frekvensspektrum, eller, med andre ord, sender ut et visst område av bølgelengder.
Hva foruten en laser kan tjene som lyskilde for optiske fibre? LED med høy lysstyrke. Imidlertid er retningsvirkningen til strålingen i dem mye mindre enn lasere.Derfor introduseres titalls og hundrevis av ganger mindre energi i fiberen av de singede diodene enn av laseren.
Når en laserstråle er rettet mot kjernen av fiberen, treffer hver bølge den i en strengt definert vinkel. Dette betyr at forskjellige egenbølger (modi) for samme tidsintervall passerer gjennom fiberen (fra dens begynnelse til slutt) stier med forskjellig lengde. Dette er bølgespredning.
Og hva skjer med signalene? Ved å passere en annen bane i fiberen i samme tidsintervall, kan de nå slutten av linjen i en forvrengt form. Eksperter kaller dette fenomenet modusspredning.
Kjernen og kappen til fiberen er som. allerede nevnt, de er laget av glass med forskjellige brytningsindekser. Og brytningsindeksen til ethvert stoff avhenger av bølgelengden til lyset som påvirker stoffet. Derfor er det en spredning av materie, eller med andre ord, en materiell spredning.
Bølgelengde, modus, materialspredning er tre faktorer som negativt påvirker overføringen av lysenergi gjennom optiske fibre.
Det er ingen modusspredning i enkeltmodusfibre. Derfor kan slike fibre overføre hundrevis av ganger mer informasjon per tidsenhet enn multimodusfibre. Hva med spredning av bølger og materialer?
I single-mode fibre forsøker man å sikre at bølge- og materialdispersjonene under visse forhold opphever hverandre. Deretter var det mulig å lage en slik fiber, der den negative effekten av modus og bølgespredning ble betydelig svekket. Hvordan klarte du det?
Vi valgte grafen for avhengigheten av endringen i brytningsindeksen til fibermaterialet med en endring i avstanden fra aksen (langs radien) i henhold til den parabolske loven. Lys beveger seg langs en slik fiber uten å oppleve flere totalrefleksjonshandlinger ved kjernebekledningsgrensesnittet.
Kommunikasjonsfordelingsskap. Gule kabler er enkeltmodusfibre, oransje og blå kabler er multimodusfibre
Banene til lyset som fanges opp av den optiske fiberen er forskjellige. Noen stråler sprer seg langs kjerneaksen og avviker fra den i en eller annen retning med like avstander ("slange"), andre som ligger i planene som krysser fiberaksen, danner et sett med spiraler. Radien til noen forblir konstant, andres radier endres med jevne mellomrom. Slike fibre kalles refraktiv eller gradient.
Det er veldig viktig å vite; i hvilken begrensende vinkel må lyset rettes mot enden av hver optisk fiber. Dette bestemmer hvor mye lys som kommer inn i fiberen og ledes fra begynnelsen til slutten av den optiske linjen. Denne vinkelen bestemmes av den numeriske blenderåpningen til fiberen (eller ganske enkelt - blenderåpningen).
Optisk kommunikasjon
FOCL
Som optiske kommunikasjonslinjer (FOCL) kan ikke optiske fibre, selv tynne og skjøre, brukes. Fibre brukes som råstoff for produksjon av optiske fiberkabler (FOC). FOC-er produseres i en rekke design, former og formål.
Når det gjelder styrke og pålitelighet, er FOC ikke dårligere enn deres metallintensive prototyper og kan legges i de samme miljøene som kabler med metalliske ledere - i luften, under jorden, på bunnen av elver og hav. WOK er mye enklere.Viktigere er at FOC er fullstendig ufølsomme for elektriske forstyrrelser og magnetiske påvirkninger. Tross alt er det vanskelig å håndtere slike forstyrrelser i metallkabler.
Optiske kabler av den første generasjonen på 1980- og 1990-tallet erstattet med suksess koaksiale motorveier mellom automatiske telefonsentraler. Lengden på disse linjene oversteg ikke 10-15 km, men signalmennene pustet lettet ut da det ble mulig å overføre all nødvendig informasjon uten mellomregeneratorer.
Et stort tilbud av «boareal» dukket opp i kommunikasjonskanaler, og begrepet «informasjonstetthet» mistet sin relevans. Lett, tynn og fleksibel nok, FOC ble lagt uten problemer i den eksisterende underjordiske telefonen.
Med den automatiske telefonsentralen var det nødvendig å legge til enkelt utstyr som konverterer optiske signaler til elektriske (ved inngangen fra forrige stasjon) og elektrisk til optisk (ved utgangen til neste stasjon). Alt koblingsutstyr, abonnentlinjer og deres telefoner har ikke gjennomgått noen endringer. Alt viste seg, som de sier, billig og muntert.
Installasjon av fiberoptisk kabel i byen
Installasjon av optisk kabel på støtten til luftoverføringsledningen
Gjennom moderne optiske kommunikasjonslinjer overføres informasjon ikke i analog (kontinuerlig) form, men i diskret (digital) form.
Optiske kommunikasjonslinjer, de tillot i de siste 30-40 årene å gjennomføre revolusjonerende transformasjoner innen kommunikasjonsteknologi og relativt raskt i lang tid for å få slutt på problemet med "informasjonstetthet" i informasjonsoverføringskanaler.Blant alle kommunikasjons- og overføringsmidler inntar informasjon, optiske kommunikasjonslinjer en ledende posisjon og vil dominere gjennom XXI århundre.
I tillegg:
Prinsippet for konvertering og overføring av informasjon på optiske fibre