Рассмотренные вопросы исследуются в лабораторной работе №4 «Параметры проводных линий связи» [1. c. 34-50]

Основными элементами линейного тракта волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) являются световодный кабель, источники и приемники излучения.

Волоконный световод в простейшем случае представляет собой гибкое волокно с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окруженной оболочкой с показателем преломления, меньшим, чем у сердцевины.

Направленная передача световой энергии в нем происходит вследствие полного внутреннего отражения света на границе между сердцевиной и оболочкой.

Характер прохождения оптического излучения зависит от поперечных размеров световода и распределения величины показателя преломления по его сечению. Так, число типов оптических колебаний (мод), которые могут распространяться в световоде, пропорционально квадрату диаметра его сердцевины и разности между показателями преломления сердцевины и оболочки. Уменьшая произведение этих величин, можно получить световод, в котором возможно распространение только одной моды колебаний, т.н. одномодовый световод. В одномодовых световодах диаметр сердцевины лежит в пределеах от 5 до 10 мкм, в многомодовых – от нескольких десятков до нескольких сотен мкм. Полный диаметр световода – 0,1-1 мм. Разность показателей преломления составляет десятые доли процента для одномодовых и 1-2% для многомодовых световодов.

Распространение света по световоду сопровождается различными оптическими явлениями, к важнейшим из которых с точки зрения передачи информации относятся затухание оптического сигнала и уширение коротких импульсов света. Затухание оптического сигнала связано прежде всего с различными типами поглощения и различными типами рассеяния на флуктуациях плотности и неоднородностях состава сердцевины. Наилучшими характеристиками обладают световоды, выполненные на основе кварцевого стекла, которое для повышения показателей преломления легируется германием и фосфором, а для понижения – бором и фтором. В таких световодах величина оптических потерь составляет 2-3 дБ/км в спектральной области 0,8-0,9 мкм и менее 1 дБ/км – в спектральной области 1,0-1,5 мкм. Достигнутый к настоящему времени минимум оптических потерь 0,154 дБ/км в спектральной области 1,55 мкм близок к теоретическому пределу.

Уширение оптических импульсов обусловлено различными видами дисперсий: материальной, междумодовой, волноводной и ограничивает полосу пропускания световодов. Тем не менее, в одномодовых световодах, где действует в основном только материальная дисперсия, полоса пропускания достигает 100 ГГц.

Один или несколько (до 200) световодов с упрочняющими и армирующими элементами и защитной оболочкой образуют волоконно-оптический кабель.

В качестве источников света используются лазеры и светоизлучающие диоды. Лазеры являются источниками когерентного излучения, светоизлучающие диоды – некогерентного. Преимущество светоизлучающих диодов с точки зрения их использования в системах передачи данных состоит в том, что они не требуют специальных модуляторов для управления излучением. Модулирующее напряжение прикладывается непосредственно к p-n переходу, меняя интенсивность излучения, которое вводится непосредственно в световод.

В качестве приемников излучения для преобразования световых волн в электрический сигнал используются светодиоды или т.н. p-i-n -диоды.

Важным параметром систем передачи данных на основе световодов является длина регенерационного участка, зависящая от скорости передачи и величины затухания световода. Она может достигать 100 км. В регенерационном усилителе осуществляется преобразование светового сигнала в электрический, его коррекция и обратное преобразование в световой сигнал.

Основными преимуществами СПД на световодах или ВОЛС являются: малые физические размеры всех элементов системы; абсолютная защищенность от электрических наводок; отсутствие излучения в окружающую среду; малое число регенерационных усилителей; высокая плотность информации на единицу поперечного сечения, значительно превосходящая плотность информации во всех других передающих средах.

Основными линиями радиосвязи являются радиорелейные линии (РРЛ), работающие в диапазоне сантиметровых волн (3-30 ГГц). Они подразделяются на РРЛ прямой видимости, тропосферные РРЛ и спутниковые РРЛ.

РРЛ прямой видимости представляет собой цепочку приемопередающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн (50-70 км). Каждая такая станция принимает сигнал от соседней станции, усиливает его и передает дальше на следующую станцию.

РРЛ прямой видимости используют для многоканальной передачи телеграфных, телефонных и телевизионных сигналов на дециметровых (0,3-3 ГГц) и сантиметровых (3-30 ГГц) волнах. Эти диапазоны выбраны потому, что в них возможна организация нескольких каналов с шириной до нескольких десятков МГц, в них низок уровень атмосферных и промышленных помех, возможно применение остронаправленных антенн. Большинство существующих РРЛ прямой видимости большой и средней емкости (по числу каналов) используют частотное разделение каналов.

В тропосферных РРЛ используется отражение и рассеяние радиоволн дециметрового диапазона в тропосфере, вызываемое неоднородностью ее строения. Использование отраженных и рассеянных в тропосфере волн дает возможность размещать радиорелейные станции на больших расстояниях друг от друга (400-600 км). Большое ослабление сигнала при передаче по тропосферной РРЛ требует применения большой мощности и весьма чувствительных приемников с антеннами больших размеров. Для развязки приемников и передатчиков, работающих на одну антенну, необходимо иметь большой разнос частот передачи и приема в каждом стволе, а это приводит к снижению числа каналов по сравнению с РРЛ прямой видимости. Практическое значение тропосферных РРЛ состоит в возможности обеспечения средствами связи отдаленных и труднодоступных районов.

Линия связи через искусственный спутник Земли (ИСЗ) состоит из двух оконечных наземных станций и ретранслятора, помещаемого на борту ИСЗ. Наземные станции оборудуются большими параболическими антеннами с устройствами непрерывного наведения на антенну ИСЗ. Сигналы, посылаемые с наземной станции, принимаются и усиливаются ретранслятором ИСЗ, преобразуются по частоте и излучаются антенной ИСЗ в сторону другой наземной станции. Наибольший интерес представляют геостационарные ИСЗ, обращающиеся по круговой орбите с периодом, равным периоду обращения Земли вокруг своей оси, в результате чего ИСЗ для наблюдателя с поверхности Земли кажется неподвижным. В этом случае каждая наземная станция работает с одним и тем же спутником, что позволяет существенно упростить всю систему. Спутниковый ретранслятор отличается от ретрансляторов, применяемых на обычных РРЛ прямой видимости, тем, что многие наземные станции, далеко отстоящие друг от друга, имеют непосредственный доступ к спутнику в одно и то же время. В связи с этим спутник содержит несколько параллельных ретрансляторов с несколькими узконаправленными антеннами для облегчения многостанционного доступа. Входящая и выходящая полосы частот ретранслятора разносятся достаточно далеко друг от друга, чтобы предотвратить возможность самовозбуждения ретранслятора. Спутниковая связь также осуществляется в сантиметровом диапазоне с возможностью обеспечения сотен высокоскоростных каналов передачи данных.

В заключение характеристики открытых сред передачи следует сказать, что теория радиосвязи является весьма обширной самостоятельной областью, изучающей множество вопросов (от расчета антенн до расчета орбит спутников). Для целей настоящего курса важно отметить, что линии радиосвязи, эффективные для передачи данных на средние и дальние расстояния, являются важной составной частью некоторых систем передачи данных.