Розрахунок кабельної системи з телекомунікацій

КУРСОВА РОБОТА

ЗАВДАННЯ

на курсову роботу з дисципліни "Кабельні телекомунікаційні системи"

Вимоги до курсової роботи.

В  курсовій  роботі  обов’язково  повинні  бути  схематичні  креслення  траси  кабельної  та оптоволоконної  мережі.  Вимірювання  кабельної  протяжності  повз  населеного  пункту слід проводити  за умови, прямого відрізку(за масштабом топографічної карти).

Для  волоконно-оптичної  кабельної  системи (ділянка  між  другим  та  третім  населеним  пунктом,  відповідно  до  даних  таблиці  завдання)  розглянути  щонайменше  три  варіанта прокладання  траси.

Кабельний (коаксіальний  або  симетричний)  сегмент  телекомунікаційної  системи повинен  враховувати  спосіб  організації  зв’язку  і  розрахунки  слід  проводити  для  обраної лінії зв’язку.

Для  обох  ділянок  кабельної  системи  слід  провести  розрахунок  регенераційних  пунктів  і результати  цього розрахунку  повинні бути  відображені у графічних схемах-кресленнях (структурна схема кабельної лінії).

Пояснювальна  записка  до  курсової  роботи  повинна  мати  розділ  розрахунку  надійності кабельної  магістралі  та  за  умови  необхідності  повинні бути  визначені заходи  з підвищення цієї надійності.

В табл. 1 представлені початкові  дані для розрахунку кабельної системи відповідно до номеру варіанту.

Таблиця 1 – Вихідні дані для курсової роботи

УДК 681.3.07

РЕФЕРАТ

Курсова робота містить основну частину на 34 аркушах, ілюстрацій 6, таблиць 7, додатків 2, креслень 2 формату А3.

Метою роботи є розробка кабельної траси між заданими населеними пунктами.

Методом дослідження є теоретичне дослідження можливості створення кабельної траси з заданими параметрами та її застосування на заданій території.

Результатом проектування має бути теоретично розраховані параметри кабельної магістралі, довжина елементарної кабельної ділянки, кількість регенераційних пунктів, швидкість передачі даних, надійність системи. Після розрахунку цих параметрів має бути побудований маршрут прокладання кабелю за допомогою системи цифрових карт місцевості. При моделюванні сегментів необхідно використовувати результати розрахунків та дотримуватися масштабу карти при розміщенні регенераційних пунктів.

Галузь застосування: використовується для попереднього розрахунку перед  побудовою реальної мережі. Може використовуватися  операторами кабельного зв’язку.

КАБЕЛЬНИЙ СЕГМЕНТ, КАБЕЛЬНА КАНАЛІЗАЦІЯ, КАБЕЛЬНА МАГІСТРАЛЬ, ЕЛЕМЕНТАРНА КАБЕЛЬНА ДІЛЯНКА, НАДІЙНІСТЬ СИСТЕМИ, РЕГЕНЕРАЦІЙНИЙ ПУНКТ, ВОЛОКОННО-ОПТИЧНА ЛІНІЯ ЗВ’ЯЗКУ, ЦИФРОВА СИСТЕМА ПЕРЕДАЧІ ДАНИХ, РОЗ’ЄМНІ ТА НЕРОЗ’ЄМНІ З’ЄДНУВАЧІ.

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ  ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ

ВСТУП

Метою роботи є розробка кабельної мережі на заданій території. Типи кабелів, що будуть використовуватися, визначені завданнями до курсової роботи.

Проектування кабельної магістралі зводиться до розрахунку параметрів системи, а саме опорів симетричного кабелю на різних частотах, втрат в металі,  надійності системи, швидкості передавання даних за допомогою цифрової системи передачі, що задана варіантом роботи, кількості регенераційних пунктів як для електричного, так і для оптичного сегменту. Після обчислення цих параметрів на їх основі має бути спроектована карта прокладання кабелю на заданій місцевості з вказанням довжин кожної ділянки, регенераційних пунктів та переходів через водні перешкоди. При моделюванні необхідно використовувати результати розрахунків та рельєф місцевості, автошляхи та населені пункти, що знаходяться на шляху прокладання кабелю. Маршрут має бути найкоротшим, з найменшою кількістю перешкод.

Розрахунок параметрів кабельної мережі виконується теоретично на основі параметрів обраних кабелів та вимог системи передачі, верхньої та нижньої частоти передачі даних, довжини хвилі, на якій буде відбуватися передача даних, кількості цифрових каналів зв’язку. Для отримання даних про певну територію, відстані між населеними пунктами, типом місцевості необхідно використовувати певну систему цифрових карт, наприклад Яндекс-карти чи їм подібні.

Отримані результати можуть бути використані для побудови нових мереж або для модернізації вже існуючих. Також розрахунки можуть бути використані для перевірки можливості застосування нових цифрових технологій зв’язку на вже існуючих застарілих аналогових лініях.

1 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД

1.1 Характеристика системи передачі Flex Gain Megatrans

Megatrans – унікальний  продукт, що дозволяє вирішувати  проблему цифровізації магістральних,  зонових та місцевих мідно-кабельних  ліній зв'язку, в тому числі і ущільнених аналогової апаратурою з частотним розділенням каналів.

Megatrans дозволяє здійснити  повну заміну аналогових систем  типу К-60, К-24 і т.д. без проведення  яких-небудь кабельних робіт (використовуються  тільки існуючі споруди НУП  і ОУП).

Megatrans може працювати  за вільними парам в одному  кабелі з аналоговою апаратурою, що дозволяє проводити поетапну  модернізацію ліній зв'язку.

Рисунок 1.1 – Схема організації зв'язку з використанням технології Megatrans

LTU – Line Terminating Unit – блок лінійного закінчення;

HVI – High Voltage Interface – плата високовольтного інтерфейсу;

RPSU – Redundant Power Supply Unit – облаштування дистанційного живлення;

ДП – дистанційне живлення.

Апаратура Megatrans відповідає найстрогішим вимогам по надійності, електромагнітній сумісності, клімату.

Слід зазначити, що при  використанні xDSL-систем для організації  магістральних цифрових трактів  не вдавалося повністю вирішити наступні проблеми:

• досягненням довжини регенераційної ділянки (такий же, як у існуючих аналогових систем);
• сумісністю з існуючими аналоговими системами передачі;
• організацією ДЖ великого числа регенераторів;
• пригніченням спотворень цифрового сигналу при великому числі регенераційних ділянок;
• реалізацією додаткових функцій, які має будь-яка існуюча система передачі для магістральної лінії.

Розглянемо можливості рішення кожної з перерахованих  проблем.

Досягнення  заданої довжини регенераційної ділянки. Переважна більшість каналів внутрішньозонового зв'язку реалізована на аналоговій системі К-60, типові значення регенераційної ділянки для якої знаходяться в межах від 15 до 24 км. Тому в якості заданої l_рег було вибрано значення 24 км для передачі потоку 2048 кбіт/с (30 цифрових каналів по 64 кбіт/с).

Рішення задачі досягнення заданої l_рег зводиться до вибору числа пар передачі, типу лінійного коду, а також до узгодження вихідних каскадів з лінією зв'язку. Для досягнення більшої довжини була розроблена спеціальна схема узгодження з лінією, яка дозволила збільшити l_рег до 21 км.

Подальші дослідження  показали, що для забезпечення необхідного l_рег, треба як мінімум понизити лінійну швидкість передачі (тобто збільшити число пар) або поліпшити співвідношення сигнал/шум.

Досягнення  сумісності з існуючими аналоговими  системами передачі. Для досягнення сумісності різних систем, працюючих по одному кабелю, використовуються два принципи: рознесення спектрів передачі (застосовується в двосмугових системах) і зменшення рівня сигналу впливаючої системи в смузі частот, підверженій її впливу, до величини, при якій на приймальному кінці (стороні низького рівня) схильної до впливу системи сигнал впливаючої системи (з урахуванням перехідного загасання) не викликатиме перевищення допустимого рівня шумів в каналах схильної до впливу системи.

Оскільки реалізація першого шляху потребувала б перенесення спектру передачі HDSL в область високих частот, що привело б до зменшення l_рег, при розробці Megatrans був вибраний другий шлях. Проте при цьому необхідно або знизити рівень передачі на 30 дБ, що приведе до зменшення l_рег, або використати "несиметричну передачу".

Вибір на користь несиметричної CAP-модуляції з регульованим рівнем і адаптивної системи узгодження з лінією. У системі Megatrans застосована технологія, що відрізняється несиметричною, CAP-модуляцією (Carrier less Amplitude  modulation/Phase modulation), регульованим рівнем і адаптивною системою узгодження з лінією.

Спрощений сенс технології полягає в тому, що для передачі використовуються дві пари кабелю, причому передача по кожній з них здійснюється в несиметричному дуплексному режимі. Наприклад, на одній стороні по парі А передається 528 кбіт/с, а по парі В – 1552 кбіт/с. Сумарний потік в кожному з напрямів достатній для передачі корисного сигналу із швидкістю 2048 кбіт/с.

За основу узята СAP-модуляція, яка забезпечує вужчий спектр і кращі показники дальності. Залежно від конкретних умов і співвідношення асиметрії передачі, і рівні передачі для кожної пари можуть регулюватися окремо: адаптивна система узгодження з лінією настроюється під параметри пари і забезпечує коригування АЧХ-передачі.

Тепер розглянемо вплив  кожної складової на рішення обох проблем:

1. Несиметричність передачі, з одного боку, дозволяє полегшити завдання ехокомпенсації, а оскільки звичайне "ближнє" ехо завжди набагато перевищує сигнал, що приймається, зазнає більшого загасання. З іншого боку, збільшення асиметрії призводить до розширення спектру передачі для однієї з пар, що веде до зменшення довжини регенераційної ділянки. Існує область значень коефіцієнтів асиметрії, при якій досягається максимальне значення l_рег.

Застосування несиметричної  передачі дозволяє також розв'язати  і проблему сумісності. Річ у тому, що сигнал, який має меншу швидкість (і вужчу смугу частот), може бути переданий з нижчим рівнем. Таким чином, на кожній стороні системи Megatrans є пара високого і пара низького рівня, що дозволяє забезпечити, при відповідному включенні, сумісність з двохкабельними системами. Зворотний вплив сигналу аналогової системи на сигнал низького рівня Megatrans (спектр якого лежить в області відносно низьких частот) не призводить до появи помилок.

2.  CAP-модуляція. Як вже відзначалося, CAP-модуляція має вужчу смугу передачі в порівнянні з іншими типами кодування, що дозволяє добитися, разом зі збільшенням дальності, сумісності з аналоговими системами. В області оптимальних значень коефіцієнта асиметрії можливо досягти l_рег більше 24 км, проте для забезпечення сумісності з аналоговими системами знадобилося зменшення рівня передачі і корекції АЧХ.

3. Регульований рівень. Рівень передачі вибирається так, щоб мінімізувати вірогідність помилки в каналі ЦСП і одночасно понизити вплив на канали аналогової системи до встановлених норм.

4. Адаптивна система узгодження з лінією. У технології Megatrans застосована спеціально розроблена система, яка полегшує ехокомпенсацію і забезпечує необхідну корекцію АЧХ для досягнення сумісності з аналоговими системами. Крім того, в деяких випадках, можливо перенастроювати нову систему для поліпшення стійкості устаткування при роботі на граничних або сильно зашумлених ділянках регенерації.

Дистанційне живлення регенераторів. Система xDSL може використовувати існуючу кабельну інфраструктуру тільки у разі, якщо число живлених дистанційно регенераторів дозволяє перекривати стандартні відстані між обслуговуваними пунктами. Аналіз показує, що необхідно забезпечити живлення до п'яти регенераторів з кожного боку при l_рег = 18 км. Для Megatrans реалізована лінійна схема типу "дріт-дріт". При напрузі на виході джерела ДЖ до 550В і струмі ДЖ 160 мА максимальна споживана потужність регенератора не повинна перевищувати 10 Вт. Енергоспоживання ж регенератора Megatrans – не більше 6,2 Вт.

Реалізація  додаткових функцій. Будь-яка магістральна система повинна мати можливість передавати сигнали телемеханіки і службового зв'язку. Для цього в регенераторі Megatrans передбачається субмодуль, до якого підключаються різні датчики (наприклад, затоплення, розкриття і тому подібне), виконавчі пристрої, а також переговорне облаштування службового зв'язку. Службова інформація може передаватися по двох додаткових каналах:

• аналоговому каналу, який передається "під спектром" цифрового сигналу і використовується для службового голосового зв'язку;
• цифровому каналу з інтерфейсом RS232, для організації якого використаний так званий "канал вбудованих операцій" xDSL. Цей канал в Megatrans служить для передачі сигналів від датчиків команд для виконавчих пристроїв, а також для управління.

1.2 Аспекти практичного застосування системи Megatrans

Слід зазначити, що хоча система Megatrans і є системою xDSL, підхід, використовуваний при практичному  застосуванні інших систем xDSL, наприклад  для вирішення "проблеми останньої милі", аж ніяк не може бути застосовний для Megatrans. Ця система призначена для цифровізації магістральних ліній і її установка вимагає не лише передпроектних досліджень, але і проведення "шеф"-монтажу і навчання обслуговуючого персоналу. Як показала практика використання устаткування, на визначених, особливо довгих або складних в шумовому відношенні сегментах потрібно налаштування параметрів системи "за місцем". Природно, це ускладнює її застосування, хоча число таких сегментів за статистикою не перевищує 10%.

Тип лінійного коду – TC-PAM дозволяє ще збільшити надійність роботи системи на сегментах посилення К-60, добитися стійкої роботи не лише на кабелях типу МКС, але і КЗПП.

Новий регенератор дозволяє робити відгалуження від основної магістралі для виділення/додавання каналів "голосу" і "даних" уздовж траси.

Одна з модифікацій  нової системи передачі спеціально призначена для вирішення проблеми організації недорогого, але надійного  зв'язку для невеликих селищ, сіл  і так далі. Megatrans працюватиме в однокабельній схемі включення по кабелях типу КЗПП, монтаж системи буде під силу навіть тим фахівцям, які ніколи не працювали з DSL.

1.3 Цифрової системи передачі Megatrans-4

Рисунок 1.2 – Загальний  вигляд обладнання цифрової системи  передачі

Megatrans-4

Особливості:

• Передача синхронного цифрового потоку 4608 кбіт/с по двох парах симетричного кабелю або по одній коаксіальній парі;
• Два інтерфейси E1 і Ethernet в одному пристрої;
• Довжина регенераційної ділянки до 20 км (еквівалент МКСБ 1,2 мм);
• До 14 дистанційно-живлених регенераторів;
• Підсистема цифрового службового зв'язку;
• Спільна робота з К-60.

ЦСП Megatrans-4 призначена для роботи по двох парах симетричного кабелю або по одній коаксіальній парі і може використовуватися як для модернізації аналогових систем передачі типу К-60, так і будівництва нових цифрових трактів. Висока швидкість передачі потоку, і наявність інтерфейсів і Ethernet 10/100BaseT дозволяють організовувати міжстанційні з'єднання АТС і обмін трафіком між ЛВС.

Можлива побудова мереж  технологічного зв'язку уподовж нафто- і газопроводів, ліній електропередач, залізниць і інших об'єктів з лінійною топологією.

У Megatrans-4 реалізована нова концепція побудови мереж технологічного зв'язку на основі стику Ethernet і віртуальних мереж VLAN. Згідно цієї концепції, на кожному регенераторі організовується стик Ethernet, таким чином уся система працює як розподілений Ethernet-комутатор, що робить зручнішою побудову технологічних мереж [4].

Таблиця 1.1 - Технічні характеристики Megatrans-4

Продовження таблиці 1.1 - Технічні характеристики Megatrans-4

1.4 Одномодові ступінчасті оптичні волокна

Одномодові волокна  поділяються на ступінчасті одномодові волокна (step in-dex single mode fiber) або стандартні волокна SF (standard fiber), на волокна зі зміщеною дисперсією DSF (dispersion-shifted single mode fiber), і на волокна з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

Одномодове волокно  має значно менший діаметр серцевини в порівнянні з  багатомодовим і, як наслідок, через відсутність міжмодової дисперсії, більш високу пропускну здатність. Однак воно вимагає використання більш дорогих лазерних передавачів.

Рисунок 1.3 – Одномодове волокно

У ступінчастому одномодовому волокні (SF) діаметр несучої жили становить 8-10 мкм і порівняємо з довжиною світлової хвилі. У такому волокні при досить великій довжині хвилі світла λ > λ_CF (λ – довжина хвилі відсічення) поширюється тільки один промінь (одна мода). Одномодовий режим в одномодовому волокні реалізується у вікнах прозорості 1310 і 1550 нм. Поширення тільки однієї моди усуває міжмодова дисперсія і забезпечує дуже високу пропускну здатність одномодового волокна в цих вікнах прозорості. Найкращий режим розповсюдження з точки зору дисперсії досягається в околиці довжини хвилі 1310 нм, коли хроматична дисперсія звертається в нуль. З точки зору втрат це не найкраще вікно прозорості. У цьому вікні втрати становлять 0,3-0,4 дБ / км, в той час як найменше загасання 0,2-0,25 дБ / км досягається у вікні 1550 нм.

В одномодовому волокні  зі зміщеною дисперсією (DSF) довжина  хвилі, на якій результуюча дисперсія  перетворюється в нуль, – довжина хвилі нульової дисперсії λ₀ – зміщення у вікно 1550 нм. Таке зміщення досягається завдяки спеціальному профілю показника заломлення волокна. Таким чином, у волокні зі зміщеною дисперсією реалізуються найкращі характеристики як по мінімуму дисперсії, так і по мінімуму втрат. Тому таке волокно краще підходить для будівництва протяжних сегментів з відстанню між ретрансляторами до 100 і більше км. Зрозуміло, єдина робоча довжина хвилі береться близькою до 1550 нм.

Одномодове волокно  з ненульовою зміщеною дисперсією NZDSF на відміну від DSF оптимізовано для  передачі не однієї довжини хвилі, а  відразу декількох довжин хвиль і найбільш ефективно може використовуватися при побудові магістралей "повністю оптичних мереж" – мереж, на вузлах яких не відбувається опто-електронного перетворення при поширенні оптичного сигналу.

Передача мультиплексного  сигналу на великі відстані вимагає використання лінійних широкосмугових оптичних підсилювачів, з яких найбільше поширення набули так звані ербієві підсилювачі на основі легованого ербієм волокна (EDFA). Лінійні підсилювачі типу EDFA ефективно можуть підсилювати сигнал у своєму робочому діапазоні від 1530-1560 нм. Довжина хвилі нульової дисперсії у волокна NZDSF, на відміну від волокна DSF, виведена за межі цього діапазону, що значно послаблює вплив нелінійних ефектів в околиці точки нульової дисперсії при поширенні декількох довжин хвиль.

Оптимізація трьох перерахованих  типів одномодових волокон абсолютно  не означає, що вони завжди повинні  використовуватися виключно під  певні завдання: SF – передача сигналу на довжині хвилі 1310 нм, DSF – передача сигналу на довжині хвилі 1550 нм, NZDSF – передача мультиплексного сигналу у вікні 1530-1560 нм. Так, наприклад, мультиплексований сигнал у вікні 1530-1560 нм можна передавати і за стандартним ступінчастому одномодовому волокну SF. Однак довжина безретрансляційної ділянки при використанні волокна SF буде менше, ніж при використанні NZDSF, чи інакше буде потрібно дуже вузька смуга спектрального випромінювання лазерних передавачів для зменшення результуючої хроматичної дисперсії. Максимальна допустима відстань визначається технічними характеристиками як самого волокна (загасанням, дисперсією), так і приймально-передавального обладнання (потужністю, частотою, спектральним розширенням випромінювання передавача, чутливістю приймача) [8].

2 РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ  ЛІНІЇ ДЛЯ СИМЕТРИЧНОГО КАБЕЛЮ

2.1 Розрахунок  протяжності всіх трас