광통신 시스템 : 목적, 생성 역사, 장점
전기 연결은 어떻게 이루어졌습니까?
현대 통신 시스템의 프로토타입은 지난 세기에 등장했으며 전신선이 끝날 무렵에는 전 세계가 얽혀 있었습니다. 수십만 개의 전보가 전송되었고 곧 전신이 부하에 대처하지 못했습니다. 파견이 지연되었고 여전히 장거리 전화 및 무선 통신이 없었습니다.
20세기 초에 전자관이 발명되었습니다. 무선 기술이 빠르게 발전하기 시작했고 전자 장치의 기초가 마련되었습니다. 신호자는 공간(공기를 통해)뿐만 아니라 전선과 통신 케이블을 통해 전파를 전송하는 방법을 배웠습니다.
전파의 사용은 정보 전송 시스템에서 가장 비싸고 비효율적인 부분인 선형 장치를 압축하는 기초 역할을 했습니다. 정보를 "패키징"하는 특별한 방법을 사용하여 주파수, 시간에 따라 회선을 압축함으로써 오늘날 단위 시간당 단일 회선에서 수만 개의 서로 다른 메시지를 전송할 수 있습니다. 이러한 통신을 다중 채널이라고 합니다.
서로 다른 유형의 커뮤니케이션 간의 경계가 모호해지기 시작했습니다. 그들은 서로를 조화롭게 보완했고, 전신, 전화, 라디오, 이후의 텔레비전, 라디오 중계, 이후의 위성, 우주 통신은 공통 전기 통신 시스템으로 통합되었습니다.
현대 통신 기술
커뮤니케이션 채널의 정보 견고성
3000km에서 4mm 길이의 파도가 정보 전송 채널에서 작동합니다. 장비는 통신 채널을 통해 초당 400메가비트(400Mbit/s는 초당 4억 비트)를 전송할 수 있도록 작동 중입니다. 1비트에 대해 이 순서대로 문자를 취하면 400Mbit는 각각 20개의 인쇄된 시트가 있는 500개의 볼륨 라이브러리를 구성합니다.
현재의 전기 통신 수단은 지난 세기의 프로토타입과 유사합니까? 쇼 점프 비행기와 거의 동일합니다. 현대 통신 채널의 모든 장비의 완벽 함에도 불구하고 아쉽게도 너무 혼잡합니다. 지난 세기의 90 년대보다 훨씬 가깝습니다.
미국 신시내티의 전신선(20세기 초)
1923년 3월 28일 한 여성이 헤드폰을 통해 라디오를 듣고 있습니다.
정보 전송에 대한 증가하는 요구와 현재 통신 채널에서 사용되는 물리적 프로세스의 기본 속성 사이에는 모순이 있습니다. "정보 밀도"를 희석하려면 더 짧고 더 짧은 파동을 정복해야 합니다. 즉, 더 높고 더 높은 주파수를 마스터해야 합니다. 전자기 진동의 특성은 주파수가 높을수록 통신 채널을 통해 단위 시간당 더 많은 정보를 전송할 수 있다는 것입니다.
그러나 커뮤니케이터가 직면해야하는 모든 더 큰 어려움으로 인해 파동이 감소하면 수신 장치의 내부 (고유) 노이즈가 급격히 증가하고 발전기의 전력이 감소하며 효율성이 크게 감소합니다. 송신기 및 소비되는 모든 전기 중에서 작은 부분만이 유용한 전파 에너지로 변환됩니다.
20,000km 이상의 범위를 가진 독일 Nauen 라디오 방송국의 튜브 전송 회로의 출력 변압기(1930년 10월)
1933년 바티칸과 교황 비오 11세의 여름 별장 사이에 최초의 UHF 무선 통신이 이루어졌습니다.
초단파(UHF)는 도중에 엄청난 속도로 에너지를 잃습니다. 따라서 메시지 신호를 너무 자주 증폭하고 재생성(복구)해야 하며 복잡하고 값비싼 장비에 의존해야 합니다. 전파의 밀리미터 범위는 말할 것도 없고 센티미터 범위의 통신은 수많은 장애물에 직면합니다.
전기 통신 채널의 단점
거의 모든 현대 전기 통신은 다중 채널입니다. 400Mbit/s 채널에서 전송하려면 데시미터 범위의 전파에서 작업해야 합니다. 이것은 매우 복잡한 장비와 하나 이상의 동축 쌍으로 구성된 특수 고주파(동축) 케이블이 있는 경우에만 가능합니다.
각 쌍에서 외부 및 내부 도체는 동축 실린더입니다. 이러한 두 쌍은 동시에 3,600개의 전화 통화 또는 여러 TV 프로그램을 전송할 수 있습니다. 그러나 이 경우 1.5km마다 신호를 증폭하고 재생성해야 합니다.
1920년대의 세련된 신호수
통신 채널은 케이블 라인이 지배합니다. 외부 영향, 전기 및 자기 방해로부터 보호됩니다. 케이블은 내구성이 뛰어나고 안정적으로 작동하며 다양한 환경에 놓기에 편리합니다.
그러나 케이블과 통신선 생산은 전 세계 비철금속 생산의 절반 이상을 차지하며 매장량이 급격히 줄어들고 있습니다.
금속이 점점 더 비싸지고 있습니다. 그리고 케이블, 특히 동축 케이블 생산은 복잡하고 극도로 에너지 집약적인 사업입니다. 그리고 그것들에 대한 필요성이 커지고 있습니다. 따라서 통신 회선 건설 및 운영 비용이 얼마인지 상상하는 것은 어렵지 않습니다.
1888년 뉴욕에 케이블 라인 설치
통신 네트워크는 인간이 지구상에서 만든 것 중 가장 화려하고 값비싼 구조입니다. XX 세기의 50 년대에 이미 통신이 경제적 타당성의 문턱에 접근하고 있다는 것이 분명 해졌다면 그것을 더 발전시키는 방법은 무엇입니까?
1914년 유타 주 웬도버에 있는 대륙 횡단 전화선의 완공.
통신 채널의 "정보 밀도"를 제거하려면 전자기 진동의 광학 범위를 사용하는 방법을 배워야 했습니다. 결국, 광파는 VHF보다 수백만 배 더 많은 진동을 가지고 있습니다.
광통신 채널이 만들어지면 수천 개의 텔레비전 프로그램과 더 많은 전화 통화 및 라디오 방송을 동시에 전송할 수 있습니다.
그 일은 만만치 않아 보였다. 그러나 해결책을 찾는 과정에서 과학자와 신호 원 앞에 일종의 미로 같은 문제가 생겼습니다. XX 세기 동안 아무도 그것을 극복하는 방법을 몰랐습니다.
"소비에트 텔레비전과 라디오" — 1959년 8월 5일 모스크바 "소콜니키" 공원에서 열린 전시회.
레이저
1960년에 레이저 또는 광학 양자 발생기(LQG)라는 놀라운 광원이 만들어졌습니다. 이 장치에는 고유한 속성이 있습니다.
짧은 기사에서 다양한 레이저의 작동 원리와 장치에 대해 이야기하는 것은 불가능합니다. 당사 웹사이트에는 이미 레이저에 대한 자세한 기사가 있습니다. 레이저 작동 장치 및 원리... 여기에서는 통신 작업자의 관심을 끌었던 레이저의 기능만 열거하는 것으로 제한합니다.
1960년 최초의 작동하는 레이저의 반강사인 테드 메이먼(Ted Mayman).
우선, 방사선의 일관성을 설명합시다. 레이저 빛은 거의 단색(한 가지 색상)이며 가장 완벽한 탐조등의 빛보다 적은 시공간에서 발산합니다. 레이저의 바늘 빔에 집중된 에너지는 매우 높습니다. 통신 작업자들이 레이저를 광통신에 사용하도록 유도한 것은 레이저의 이러한 속성과 일부 다른 속성이었습니다.
첫 번째 초안은 다음과 같이 요약되었습니다. 레이저를 생성기로 사용하고 메시지 신호로 빔을 변조하면 광 송신기를 얻습니다. 빔을 수광기로 향하게 하면 광통신 채널이 생깁니다. 전선도, 케이블도 없습니다. 통신은 공간을 통해 이루어집니다(개방형 레이저 통신).
과학 실험실에서 레이저로 경험
실험실 실험은 커뮤니케이션 작업자의 가설을 훌륭하게 확인했습니다. 그리고 곧 이 관계를 실제로 테스트할 기회가 생겼습니다.불행히도 지구상의 열린 레이저 통신에 대한 신호 원의 희망은 실현되지 않았습니다. 비, 눈, 안개로 인해 통신이 불확실하고 종종 완전히 차단되었습니다.
정보를 전달하는 광파는 대기에 의해 차폐되어야 한다는 것이 명백해졌습니다. 이것은 내부에 얇고 균일하며 매우 매끄러운 금속 튜브인 도파관을 사용하여 수행할 수 있습니다.
그러나 엔지니어와 경제학자들은 절대적으로 매끄럽고 균일한 도파관을 만드는 것과 관련된 어려움을 즉시 인식했습니다. 도파관은 금보다 비쌌습니다. 분명히 게임은 촛불의 가치가 없었습니다.
그들은 세계 가이드를 만드는 근본적으로 새로운 방법을 찾아야 했습니다. 라이트 가이드는 금속이 아니라 값싸고 희소하지 않은 원자재로 만들어졌는지 확인해야 했습니다. 빛을 이용해 정보를 전달하는 데 적합한 광섬유를 개발하는 데 수십 년이 걸렸다.
이러한 최초의 섬유는 초순수 유리로 만들어졌습니다. 2층 동축 코어 및 쉘 구조가 생성되었습니다. 코어가 클래딩보다 높은 굴절률을 갖도록 유리 유형을 선택했습니다.
광학 매질에서 거의 전체 내부 반사
그러나 코어와 쉘 사이의 경계에 결함이 없도록 다른 유리를 연결하는 방법은 무엇입니까? 부드러움, 균일성 및 동시에 최대 섬유 강도를 달성하는 방법은 무엇입니까?
과학자와 엔지니어의 노력을 통해 마침내 원하는 광섬유가 만들어졌습니다. 오늘날 광 신호는 수백, 수천 킬로미터를 통해 전송됩니다. 그러나 비금속(유전체) 전도성 매체에서 빛 에너지 전파의 법칙은 무엇입니까?
파이버 모드
단일 모드 및 다중 모드 광섬유는 코어 클래딩 인터페이스에서 반복되는 내부 반사 작용을 경험하면서 빛이 통과하는 광섬유에 속합니다(전문가는 "모드"로 공진기 시스템의 자연 진동을 의미함).
광섬유의 모드는 자체 파동입니다. 섬유의 코어에 의해 포착되어 처음부터 끝까지 섬유를 따라 퍼집니다.
광섬유 유형은 설계에 따라 결정됩니다. 코어 및 클래딩이 만들어지는 구성 요소와 사용되는 파장에 대한 광섬유의 치수 비율(마지막 매개변수가 특히 중요함).
단일 모드 광섬유에서 코어 직경은 자연 파장에 가까워야 합니다. 많은 파동 중에서 광섬유의 코어는 자체 파동 중 하나만 캡처합니다. 따라서 광섬유(라이트 가이드)를 싱글 모드라고 합니다.
코어의 직경이 특정 파동의 길이를 초과하면 섬유는 한 번에 수십 또는 수백 개의 서로 다른 파동을 전달할 수 있습니다. 이것이 다중 모드 광섬유가 작동하는 방식입니다.
광섬유를 통한 빛의 정보 전송
빛은 적절한 소스에서만 광섬유에 주입됩니다. 가장 자주 — 레이저에서. 그러나 본질적으로 완벽한 것은 없습니다. 따라서 레이저 빔은 고유의 단색성에도 불구하고 여전히 특정 주파수 스펙트럼, 즉 특정 범위의 파장을 방출합니다.
레이저 외에 광섬유의 광원 역할을 할 수 있는 것은 무엇입니까? 고휘도 LED. 그러나 그 안에 있는 방사선의 지향성은 레이저의 지향성보다 훨씬 작습니다.따라서 레이저보다 신호 다이오드에 의해 섬유에 도입되는 에너지가 수십, 수백 배 적습니다.
레이저 빔이 섬유의 코어를 향하면 각 파동이 엄격하게 정의된 각도로 빔을 공격합니다. 이는 동일한 시간 간격에 대해 서로 다른 고유파(모드)가 서로 다른 길이의 광섬유 경로(처음부터 끝까지)를 통과함을 의미합니다. 이것은 파동 분산입니다.
경고는 어떻게 됩니까? 동일한 시간 간격 동안 광섬유에서 다른 경로를 통과하면 왜곡된 형태로 라인 끝에 도달할 수 있으며 전문가들은 이러한 현상을 모드 분산이라고 합니다.
섬유의 코어와 쉬스는 같습니다. 이미 언급했듯이 굴절률이 다른 유리로 만들어졌습니다. 그리고 모든 물질의 굴절률은 물질에 영향을 미치는 빛의 파장에 따라 달라집니다. 따라서 물질의 분산, 즉 물질의 분산이 있다.
파장, 모드, 재료 분산은 광섬유를 통한 빛 에너지 전송에 부정적인 영향을 미치는 세 가지 요소입니다.
단일 모드 광섬유에는 모드 분산이 없습니다. 따라서 이러한 광섬유는 다중 모드 광섬유보다 단위 시간당 수백 배 더 많은 정보를 전송할 수 있습니다. 파도와 물질의 분산은 어떻습니까?
단일 모드 광섬유에서는 특정 조건에서 파동과 재료 분산이 서로 상쇄되도록 시도합니다. 결과적으로 모드 및 웨이브 분산의 부정적인 영향이 크게 약화되는 이러한 섬유를 만드는 것이 가능했습니다. 어떻게 관리 했습니까?
포물선 법칙에 따라 (반지름을 따라) 축으로부터의 거리 변화에 따른 섬유 재료의 굴절률 변화 의존성 그래프를 선택했습니다. 빛은 코어-클래딩 인터페이스에서 다중 전반사 작용을 경험하지 않고 이러한 섬유를 따라 이동합니다.
통신 배포 캐비닛. 노란색 케이블은 단일 모드 광섬유이고 주황색 및 파란색 케이블은 다중 모드 광섬유입니다.
광섬유에 의해 포착된 빛의 경로는 다릅니다. 일부 광선은 코어 축을 따라 퍼져서 한 방향 또는 다른 방향으로 동일한 거리 ( "뱀")로 벗어나고 섬유 축을 가로 지르는 평면에 놓인 다른 광선은 일련의 나선을 형성합니다. 일부 반지름은 일정하게 유지되고 다른 반지름은 주기적으로 변경됩니다. 이러한 섬유를 굴절 또는 구배라고 합니다.
아는 것은 매우 중요합니다. 빛이 각 광섬유의 끝으로 향해야 하는 제한 각도는 얼마입니까? 이것은 얼마나 많은 빛이 광섬유에 들어가고 광학 라인의 처음부터 끝까지 전도되는지를 결정합니다. 이 각도는 광섬유의 개구수(또는 간단히 개구수)에 의해 결정됩니다.
광통신
초점
FOCL(광통신선)은 자체가 가늘고 깨지기 쉬운 광섬유를 사용할 수 없습니다. 섬유는 광섬유 케이블(FOC) 생산의 원료로 사용됩니다. FOC는 다양한 디자인, 모양 및 목적으로 생산됩니다.
강도와 신뢰성 측면에서 FOC는 금속 집약적인 프로토타입보다 열등하지 않으며 금속 전도체가 있는 케이블과 동일한 환경(공중, 지하, 강 및 바다 바닥)에 놓을 수 있습니다. WOK가 훨씬 쉽습니다.중요한 것은 FOC가 전기적 교란과 자기적 영향에 완전히 둔감하다는 것입니다. 결국 금속 케이블에서 이러한 간섭을 처리하는 것은 어렵습니다.
1980년대와 1990년대의 1세대 광 케이블은 자동 전화 교환기 사이의 동축 고속도로를 성공적으로 대체했습니다. 이 라인의 길이는 10-15km를 넘지 않았지만 중간 재생기없이 필요한 모든 정보를 전송할 수있게되자 신호 원은 안도의 한숨을 쉬었습니다.
커뮤니케이션 채널에 "생활 공간"이 많이 등장했고 "정보 기밀"이라는 개념이 관련성을 잃었습니다. 가볍고 얇으며 충분히 유연한 FOC는 기존의 지하 전화기에 어려움 없이 놓였습니다.
자동 전화 교환으로 인해 광 신호를 전기(이전 스테이션의 입력에서)로, 전기에서 광(다음 스테이션으로의 출력)으로 변환하는 간단한 장비를 추가해야 했습니다. 모든 스위칭 장비, 가입자 회선 및 전화기는 변경되지 않았습니다. 그들이 말했듯이 모든 것이 싸고 쾌활했습니다.
도시에 광섬유 케이블 설치
가공 송전선 지지대에 광케이블 설치
현대의 광통신 회선을 통해 정보는 아날로그(연속) 형태가 아닌 이산(디지털) 형태로 전송됩니다.
광통신 회선은 지난 30-40년 동안 정보 전송 채널의 "정보 기밀성" 문제를 종식시키기 위해 통신 기술의 혁신적인 변화를 비교적 신속하게 오랜 기간 동안 수행할 수 있도록 허용했습니다.모든 통신 및 전송 수단 중에서 정보, 광통신 회선은 선두 위치를 차지하며 XXI 세기 전체를 지배할 것입니다.
추가로: