Optički komunikacijski sustavi: namjena, povijest nastanka, prednosti
Kako je došlo do električnog priključka?
Prototipovi modernih komunikacijskih sustava pojavili su se u prošlom stoljeću i do kraja svojih telegrafskih žica zapleli su cijeli svijet. Preko njih su prenošene stotine tisuća telegrama, a ubrzo se telegraf prestao nositi s opterećenjem. Isporuke su kasnile, a međugradske telefonske i radio veze još uvijek nije bilo.
Početkom 20. stoljeća izumljena je elektronska cijev. Radiotehnika se počela brzo razvijati, postavljeni su temelji elektronike. Signalizatori su naučili prenositi radio valove ne samo kroz svemir (kroz zrak), već i slati ih preko žica i kroz komunikacijske kabele.
Korištenje radiovalova poslužilo je kao osnova za zbijanje najskupljeg i neučinkovitog dijela sustava prijenosa informacija - linearnih uređaja. Sažimanjem linije u frekvenciji, vremenu, posebnim metodama "pakiranja" informacija, danas je moguće prenijeti desetke tisuća različitih poruka na jednoj liniji u jedinici vremena. Takva komunikacija naziva se višekanalna.
Granice između različitih vrsta komunikacije počele su se brisati. Skladno su se nadopunjavale, telegrafske, telefonske, radijske, a kasnije i televizijske, radiorelejne, a kasnije i satelitske, svemirske komunikacije objedinjene su u zajednički električni komunikacijski sustav.
Suvremene komunikacijske tehnologije
Informacijska nepropusnost komunikacijskih kanala
U kanalima za prijenos informacija rade valovi duljine od 3000 km do 4 mm. Oprema je u pogonu sposobna prenositi 400 megabita u sekundi putem komunikacijskog kanala (400 Mbit/s je 400 milijuna bitova u sekundi). Ako uzmemo slovo ovim redoslijedom za 1 bit, tada će 400 Mbita činiti knjižnicu od 500 svezaka, svaki s 20 ispisanih listova).
Jesu li sadašnja sredstva električne komunikacije slična svojim prototipovima iz prošlog stoljeća? Otprilike isto kao i skakački avion. Unatoč svoj savršenosti opreme u modernim komunikacijskim kanalima, nažalost, previše je gužva: mnogo bliže nego 90-ih godina prošlog stoljeća.
Telegrafske žice u Cincinnatiju, SAD (početak 20. stoljeća)
Žena sluša radio preko slušalica, 28. ožujka 1923.
Postoji proturječje između rastuće potrebe za prijenosom informacija i osnovnih svojstava fizičkih procesa koji se trenutno koriste u komunikacijskim kanalima. Da bi se razrijedila “informacijska gustoća” potrebno je osvajati sve kraće valove, odnosno svladavati sve više frekvencije. Priroda elektromagnetskih oscilacija je takva da što je njihova frekvencija veća, to se više informacija u jedinici vremena može prenijeti komunikacijskim kanalom.
Ali uz sve veće poteškoće s kojima se komunikatori moraju suočiti: sa smanjenjem vala, unutarnji (intrinzični) šumovi prijemnih uređaja naglo se povećavaju, snaga generatora se smanjuje, a učinkovitost značajno opada. odašiljača, a od sve potrošene električne energije samo se manji dio pretvara u korisnu energiju radiovalova.
Izlazni transformator cijevnog prijenosnog kruga radio postaje Nauen u Njemačkoj s dometom preko 20 000 kilometara (listopad 1930.)
Prve UHF radio veze uspostavljene su između Vatikana i ljetne rezidencije pape Pija XI., 1933. godine.
Ultra kratki valovi (UHF) gube svoju energiju katastrofalno brzo na putu. Stoga se signali poruka moraju prečesto pojačavati i regenerirati (restaurirati), pri čemu moramo posegnuti za složenom i skupom opremom. Komunikacija u centimetarskom području radiovalova, a kamoli milimetarskom, nailazi na brojne prepreke.
Nedostaci električnih komunikacijskih kanala
Gotovo sve moderne električne komunikacije su višekanalne. Za prijenos na kanalu od 400 Mbit/s morate raditi u decimimetarskom rasponu radio valova. To je moguće samo uz prisutnost vrlo složene opreme i, naravno, posebnog visokofrekventnog (koaksijalnog) kabela, koji se sastoji od jednog ili više koaksijalnih parova.
U svakom paru, vanjski i unutarnji vodiči su koaksijalni cilindri. Dva takva para mogu istovremeno prenositi 3600 telefonskih poziva ili nekoliko TV programa. U tom slučaju, međutim, signali se moraju pojačati i regenerirati svakih 1,5 km.
Otmjeni signalist 1920-ih
U komunikacijskim kanalima dominiraju kabelske linije. Zaštićeni su od vanjskih utjecaja, električnih i magnetskih smetnji. Kabeli su izdržljivi i pouzdani u radu, prikladni su za polaganje u različitim okruženjima.
Međutim, proizvodnja kabela i komunikacijskih žica zauzima više od polovice svjetske proizvodnje obojenih metala, čije se zalihe ubrzano smanjuju.
Metal postaje sve skuplji. A proizvodnja kabela, posebice koaksijalnih, složen je i energetski iznimno zahtjevan posao. A potreba za njima je sve veća. Stoga nije teško zamisliti koliki su troškovi izgradnje komunikacijskih vodova i njihovog rada.
Postavljanje kabelske linije u New Yorku, 1888.
Komunikacijska mreža je najspektakularnija i najskuplja građevina koju je čovjek ikada napravio na Zemlji. Kako ga dalje razvijati, ako je već 50-ih godina XX. stoljeća postalo jasno da se telekomunikacije približavaju pragu svoje ekonomske isplativosti?
Završetak transkontinentalne telefonske linije, Wendover, Utah, 1914.
Da bi se uklonila "gustoća informacija u komunikacijskim kanalima, bilo je potrebno naučiti koristiti optičke raspone elektromagnetskih oscilacija. Uostalom, svjetlosni valovi imaju milijune puta više vibracija od VHF-a.
Kada bi se stvorio optički komunikacijski kanal, bilo bi moguće istovremeno prenositi nekoliko tisuća televizijskih programa i mnogo više telefonskih poziva i radijskih emisija.
Zadatak se činio zastrašujućim. Ali na putu do njezina rješenja pred znanstvenicima i signalistima pojavio se svojevrstan labirint problema. XX. stoljeća nitko nije znao kako to prevladati.
"Sovjetska televizija i radio" — izložba u parku "Sokoljniki", Moskva, 5. kolovoza 1959.
Laseri
Godine 1960. stvoren je nevjerojatan izvor svjetlosti – laserski ili optički kvantni generator (LQG). Ovaj uređaj ima jedinstvena svojstva.
Nemoguće je reći o principu rada i uređaju raznih lasera u kratkom članku. Na našoj web stranici već je bio detaljan članak o laserima: Uređaj i princip rada lasera… Ovdje se ograničavamo na nabrajanje samo onih značajki lasera koje su privukle pozornost komunikacijskih djelatnika.
Ted Mayman, kontra-instruktor prvog lasera koji radi, 1960.
Prije svega navedimo koherentnost zračenja. Lasersko svjetlo je gotovo monokromatsko (jednobojno) i divergira u prostoru puta manje od svjetla najsavršenijeg reflektora. Energija koncentrirana u igličastom snopu lasera vrlo je visoka. Upravo su ta i neka druga svojstva lasera potaknula komunikacijske djelatnike da koriste laser za optičku komunikaciju.
Prvi nacrti su sažeti kako slijedi. Ako koristite laser kao generator i modulirate njegovu zraku signalom poruke, dobit ćete optički odašiljač. Usmjeravajući zraku na prijemnik svjetla, dobivamo optički komunikacijski kanal. Bez žica, bez kablova. Komunikacija će se odvijati kroz svemir (otvorena laserska komunikacija).
Iskustvo s laserima u znanstvenom laboratoriju
Laboratorijski pokusi briljantno su potvrdili hipotezu komunikacijskih radnika. I uskoro je postojala prilika da se ovaj odnos testira u praksi.Nažalost, nade signalista u otvorenu lasersku komunikaciju na Zemlji nisu se ostvarile: kiša, snijeg, magla činili su komunikaciju nesigurnom, a često je i potpuno prekidali.
Postalo je očito da svjetlosni valovi koji nose informacije moraju biti zaštićeni atmosferom. To se može učiniti uz pomoć valovoda - tankih, jednolikih i vrlo glatkih metalnih cijevi iznutra.
Ali inženjeri i ekonomisti odmah su prepoznali poteškoće koje su uključene u izradu apsolutno glatkih i ravnomjernih valovoda. Valovodi su bili skuplji od zlata. Očito igra nije bila vrijedna svijeća.
Morali su tražiti potpuno nove načine stvaranja svjetskih vodiča. Trebalo je paziti da svjetlovodi nisu izrađeni od metala, već od neke jeftine, neoskudne sirovine. Bila su potrebna desetljeća da se razviju optička vlakna prikladna za prijenos informacija pomoću svjetlosti.
Prvo takvo vlakno izrađeno je od ultra čistog stakla. Stvorena je dvoslojna koaksijalna struktura jezgre i ljuske. Vrste stakla odabrane su tako da jezgra ima veći indeks loma od obloge.
Gotovo potpuna unutarnja refleksija u optičkom mediju
Ali kako spojiti različite čaše tako da nema nedostataka na granici između jezgre i ljuske? Kako postići glatkoću, ujednačenost i istovremeno maksimalnu čvrstoću vlakana?
Naporima znanstvenika i inženjera konačno je stvoreno željeno optičko vlakno. Njime se danas svjetlosni signali prenose stotinama i tisućama kilometara. Ali koji su zakoni širenja svjetlosne energije na nemetalnim (dielektričnim) vodljivim medijima?
Načini vlakana
Jednomodna i višemodna vlakna pripadaju optičkim vlaknima kroz koja putuje svjetlost, doživljavajući činove ponovljene unutarnje refleksije na sučelju jezgre i omotača (stručnjaci pod "modom" podrazumijevaju prirodne oscilacije rezonatorskog sustava).
Modovi vlakna su njegovi vlastiti valovi, tj. oni koji su zahvaćeni jezgrom vlakna i šire se duž vlakna od njegovog početka do kraja.
Vrsta vlakna određena je njegovim dizajnom: komponentama od kojih je izrađena jezgra i obloga, kao i omjerom dimenzija vlakna i korištene valne duljine (posljednji parametar je posebno važan).
Kod jednomodnih vlakana, promjer jezgre mora biti blizu prirodne valne duljine. Od mnogih valova, jezgra vlakna hvata samo jedan vlastiti val. Stoga se vlakno (svjetlovod) naziva jednomodnim.
Ako promjer jezgre premašuje duljinu određenog vala, tada vlakno može provoditi nekoliko desetaka ili čak stotina različitih valova odjednom. Ovako radi višemodno vlakno.
Prijenos informacija svjetlošću kroz optička vlakna
Svjetlost se u optičko vlakno ubrizgava samo iz odgovarajućeg izvora. Najčešće — od lasera. Ali ništa nije savršeno po prirodi. Dakle, laserska zraka, unatoč svojstvenoj monokromatičnosti, ipak sadrži određeni frekvencijski spektar, odnosno, drugim riječima, emitira određeni raspon valnih duljina.
Što osim lasera može poslužiti kao izvor svjetlosti za optička vlakna? LED diode visoke svjetline. Međutim, usmjerenost zračenja kod njih je puno manja nego kod lasera.Zbog toga se žarenim diodama unosi desetke i stotine puta manje energije u vlakno nego laserom.
Kada se laserska zraka usmjeri na jezgru vlakna, svaki val ga pogađa pod strogo određenim kutom. To znači da različiti svojstveni valovi (modovi) za isti vremenski interval prolaze kroz vlakno (od njegovog početka do kraja) stazama različitih duljina. Ovo je disperzija vala.
I što se događa sa signalima? Prolazeći različitom putanjom u vlaknu za isti vremenski interval, mogu doći do kraja linije u iskrivljenom obliku.Stručnjaci ovaj fenomen nazivaju disperzijom moda.
Jezgra i omotač vlakna su poput. već spomenuti, izrađeni su od stakla s različitim indeksima loma. A indeks loma bilo koje tvari ovisi o valnoj duljini svjetlosti koja utječe na tvar. Dakle, postoji disperzija materije, odnosno materijalna disperzija.
Valna duljina, način rada, disperzija materijala tri su faktora koji negativno utječu na prijenos svjetlosne energije kroz optička vlakna.
Kod jednomodnih vlakana nema modne disperzije. Stoga takva vlakna mogu prenijeti stotine puta više informacija po jedinici vremena od višemodnih vlakana. Što je s disperzijama valova i materijala?
U jednomodnim vlaknima pokušava se osigurati da se, pod određenim uvjetima, disperzije vala i materijala međusobno poništavaju. Naknadno je bilo moguće stvoriti takvo vlakno, gdje je negativan učinak moda i disperzije valova značajno oslabljen. Kako ste to uspjeli?
Odabrali smo graf ovisnosti promjene indeksa loma materijala vlakna s promjenom njegove udaljenosti od osi (duž polumjera) prema paraboličnom zakonu. Svjetlost putuje duž takvog vlakna bez višestruke potpune refleksije na sučelju jezgre i ovojnice.
Komunikacijski razvodni ormar. Žuti kabeli su jednomodna vlakna, narančasti i plavi kabeli su višemodna vlakna
Putovi svjetlosti koju hvata optičko vlakno su različiti. Neke se zrake šire duž osi jezgre, odstupajući od nje u jednom ili drugom smjeru na jednakim udaljenostima ("zmija"), druge koje leže u ravninama koje prelaze os vlakna, tvore niz spirala. Polumjer nekih ostaje konstantan, polumjeri drugih povremeno se mijenjaju. Takva se vlakna nazivaju lomna ili gradijentna.
Vrlo je važno znati; pod kojim graničnim kutom mora biti usmjerena svjetlost na kraj svakog optičkog vlakna. To određuje koliko će svjetlosti ući u vlakno i biti provedeno od početka do kraja optičke linije. Ovaj kut određen je numeričkom aperturom vlakna (ili jednostavno — otvorom blende).
Optička komunikacija
FOCL
Kao optičke komunikacijske linije (FOCL), optička vlakna, sama po sebi tanka i krhka, ne mogu se koristiti. Vlakna se koriste kao sirovina za proizvodnju optičkih kabela (FOC). FOC se proizvode u različitim izvedbama, oblicima i namjenama.
U smislu snage i pouzdanosti, FOC-ovi nisu inferiorni u odnosu na svoje prototipove s intenzivnim metalom i mogu se polagati u istim okruženjima kao i kabeli s metalnim vodičima — u zraku, pod zemljom, na dnu rijeka i mora. WOK je mnogo lakši.Važno je da su FOC potpuno neosjetljivi na električne smetnje i magnetske utjecaje. Uostalom, teško je nositi se s takvim smetnjama u metalnim kabelima.
Optički kabeli prve generacije 1980-ih i 1990-ih godina uspješno su zamijenili koaksijalne magistrale između automatskih telefonskih centrala. Duljina ovih linija nije prelazila 10-15 km, ali signalisti su odahnuli kada je postalo moguće prenijeti sve potrebne informacije bez međuregeneratora.
U komunikacijskim kanalima pojavila se velika ponuda "životnog prostora", a koncept "informacijske nepropusnosti" izgubio je na važnosti. Lagan, tanak i dovoljno fleksibilan, FOC je bez problema postavljen u postojeći podzemni telefon.
Uz automatsku telefonsku centralu bilo je potrebno dodati jednostavnu opremu koja optičke signale pretvara u električne (na ulazu iz prethodne postaje) i električne u optičke (na izlazu u sljedeću postaju). Sva sklopna oprema, pretplatnički vodovi i njihovi telefoni nisu doživjeli nikakve promjene. Sve je ispalo, kako kažu, jeftino i veselo.
Montaža optičkog kabla u gradu
Postavljanje optičkog kabela na nosač nadzemnog dalekovoda
Suvremenim optičkim komunikacijskim linijama informacije se ne prenose u analognom (kontinuiranom), već u diskretnom (digitalnom) obliku.
Optičke komunikacijske linije omogućile su u posljednjih 30-40 godina da se izvrše revolucionarne transformacije u komunikacijskim tehnologijama i da se relativno brzo za dugo vremensko razdoblje okonča problem "informacijske nepropusnosti" u kanalima prijenosa informacija.Među svim sredstvima komunikacije i prijenosa informacija, optičke komunikacijske linije zauzimaju vodeću poziciju i dominirat će kroz cijelo XXI.
Dodatno:
Princip pretvorbe i prijenosa informacija na optičkim vlaknima