Взаимные влияния и помехозащищенность цепей в линиях связи
Взаимные влияния между ОВ (световодами) оптических кабелей связи вызываются следующими причинами:
Электромагнитное поле световодов имеет в основном закрытый характер, т. е. почти вся энергия сигнала распространяется в сердечнике ОВ. Лишь небольшая часть ее проходит по оболочке волокна (рис.27).
Рис. 27. Кривые распределения энергии световых сигналов в поперечном сечении оптического кабеля: 1— сердечник; 2—оболочка
Функция
распределения интенсивности поля в
оболочке ОВ в зависимости от
радиуса оболочки имеет сходный
характер с функцией распределения
энергии поля во внешнем проводнике
коаксиального кабеля при резко
выраженном поверхностном эффекте
(когда >5).
Таким образом, по аналогии с
коаксиальным кабелем можно
говорить о “поверхностном
эффекте” в оболочке ОВ.
Вследствие
ограниченной когерентности
оптических источников —
полупроводниковых лазеров (ПЛ) и
светодиодов (СД) спектр несущего
колебания чрезвычайно широк. Так, у
полупроводниковых лазеров
=300...1200
ГГц, что соответствует отношению
=0,1...0,4%, у
светодиодов
=10...15 ГГц при
=3...4%. Если принять, что
спектр информационных сигналов
<3О ГГц,
то и при этом условии спектр
модулируемого излучения будет
намного превышать спектр сигнала,
т.е.
.
Поэтому распределение
интенсивности поля в оболочке
оптического волокна практически
определяется длиной волны несущего
колебания и шириной спектра
излучателя. С увеличением длины
волны или с уменьшением радиуса
сердечника (r) глубина
проникновения света в оболочку
возрастает. В результате, если
,
световод становится открытой
системой, т. е. поле мод,
распространяющихся по ОВI (см. рис. 27),
захватывает сердцевину ОВII и
наоборот.
Таким образом, в
отличие от обычных ЛС взаимные
влияния между волокнами ОК
практически не зависят от спектра
информационных сигналов, а
определяются конструкцией ОК и ОВ,
а также параметрами источников
излучения. Наибольшие влияния
между ОВ имеют место в объектовых
ОК, характеризующихся большим
числом ОВ, плотным их расположением
и малыми толщинами оболочек и
защитных покровов, и в системах
передачи, использующих светодиоды,
поскольку их полоса излучения () в 15...20
раз шире, чем у полупроводниковых
лазеров.
Для создания
заметной связи частота мод должна
быть близка к критической.
Значительная часть их полной
мощности распространяется в
покрытии ОВ в виде поверхностной
волны (при ) либо вытекающей (при
),
поэтому коэффициент затухания этих
мод существенно выше, чем у
остальных, и в установившемся
модовом режиме они выбывают. В
результате регулярная связь между
световодами практически
отсутствует из-за избирательного
поглощения тех групп мод, между
которыми она могла бы
осуществиться.
Нерегулярные связи между световодами ОК возникают главным образом вследствие рассеяния на молекулярных неодно-родностях (рассеяние Рэлея), нерегулярностях границы между сердечником и оболочкой и на микроизгибах. Эти поля являются основной причиной возникновения взаимных помех.
Рассеянию Рэлея
подвержены все распространяющиеся
моды примерно в одинаковой степени.
Микроизгибы и микронеоднородности
приводят преимущественно к
излучению мод с высшими граничными
частотами и одновременно создают
связи между всеми направляющими
модами. Интенсивность каждого
механизма рассеяния определим
величиной, соответствующей
составляющей коэффициента
затухания , а его характер—диаграммой
направленности рассеянного
излучения по мощности
(рис.28)
на i-й неоднородности.
Рис.28. Схема образования влияний между световодами
Общий
коэффициент затухания рассеяния .
Рассмотрим
связь между световодами за счет i-го
рассеяния в первом ОВ и -го—во
втором (рис.2). Диаграмма
направленности рассеяния
описывает в соответствии с
принципом взаимности одновременно
и диаграмму направленности приема.
Диаграммы направленности
излучений из оптических волокон
зависят от причины рассеяния.
Рассеяние на микроизгибах и микроскопических нерегулярностях имеет выраженную направленность в сторону распространения волны и аппроксимируется уравнениями
;
. (*)
Уравнение диаграммы направленности молекулярного рассеяния Рэлея:
.
В (*) т—число
лепестков диаграммы
направленности в первом квадранте; —угол
между осью оптического волокна и
максимумом главного лепестка
диаграммы направленности,
соответствует
Рис.29. Диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (а), микроскопических неоднородностей (б)
первому
экстремуму (*) и . Рассеяние Рэлея по
диаграммам направленности
наиболее опасно, так как при нем
рассеянная мощность проходит в
покрытии оптических волокон
минимальный путь. Существенная
доля взаимных помех определяется и
рассеянием на макро- и
микроизгибах.
На рис.29 для примера показаны суммарные диаграммы направленности для рассеяния Рэлея (кривая а) и для рассеяния микроскопических неоднородностей при т=6 (кривая б). Кривая а во втором квадранте симметрична показанной в первом квадранте, потому что рассеяния Рэлея в прямом и обратном направлениях одинаковы.
Процесс
вычисления переходных затуханий на
ближнем и дальнем концах ВОЛС весьма
сложен и выполняется обычно с
помощью ЭВМ. Переходные затухания,
дБ, вычисляются по формулам
,
где и
—
мощность светового сигнала на
ближнем и дальнем концах первой
линии;
и
—
мощность помехи на ближнем и
дальнем концах второй линии.
Влияние на ближнем конце создается обратным рассеянием, интенсивость которого характеризуется так называемым коэффициентом связи обратной волны влияющего световода с сердцевиной световода, подверженного влиянию. На дальнем конце помехи создаются рассеянием, характеризующимся коэффициентом связи с прямой волной влияющего световода и сердцевиной световода, подверженного влиянию.
Экспериментальные исследования показывают, что некачественно выполненные стыки между строительными длинами ОК могут быть причиной создания нежелательных связей между световодами. Часто уровень помех, наводимых в стыках, значительно превышает уровень помех на регулярных участках линии.
Таким образом, взаимные влияния в ОК связи представляют собой случайные величины и при необходимости их значения должны определяться путем проведения измерения переходных затуханий.
Взаимные влияния между световодами ОК вследствие самоэкранирования направляющей системы, образуемой ОВ, весьма незначительны и носят в основном случайный характер. Эти влияния еще более ослабляются вследствие экранирующего действия защитных покрытий из полиамидных смол, фторопласта, селиковых резин, полиэтилена и других синтетических материалов, предназначенных в основном для усиления механической прочности ОВ, их защиты от внешних воздействий, улучшения температурных характеристик параметров передачи ОВ, облегчения технологии изготовления ОК и монтажа ОВ. Одновременно эти защитные оболочки, а также раздельное размещение ОВ в оптическом кабеле повышают защищенность оптических трактов от взаимных помех. Для оценки степени дополнительной защиты световодных трактов от взаимных помех определим прохождение волны через систему “оболочка— покрытие”. Рассмотрим наиболее неблагоприятную с точки зрения взаимных влияний конструкцию ОК, когда ОВ скручены в повивную скрутку так, что расстояние между ними определяется двойной толщиной защитного покрытия (рис.30), а передача сигналов осуществляется во встречных направлениях.
Рис.30. Схема расположения оптических волокон в ОК
Если защитные
покрытия ОВ соприкасаются друг с
другом (наиболее неблагоприятный
случай), то электромагнитная волна
при прохождении через защитное
покрытие пройдет через две границы
отражения: оболочка ОВ I()—покрытие
(
);
покрытие (
)—оболочка ОВ II(
). Здесь п
— показатель преломления среды
. В
защитном покрытии происходит
затухание электромагнитных волн
вследствие поглощения энергии (
) и
возникают дополнительные потери за
счет взаимодействия многократно
отраженных волн (
).
Таким образом, ,
где и
—
коэффициенты ослабления поля
вследствие отражения.
Основное ослабление влияющей волны происходит за счет поглощения энергии в защитном покрытии, величина которого
где , дБ/м;
—угол
диэлектрических потерь материала
диэлектрического покрытия;
—
толщина защитного покрытия ОВ;
—волновое
число;
—длина
волны, м ;
—показатель преломления
покрытия.