أنظمة الاتصالات البصرية: الغرض ، تاريخ الخلق ، المزايا
كيف حدث التوصيل الكهربائي؟
ظهرت النماذج الأولية لأنظمة الاتصالات الحديثة في القرن الماضي وبحلول نهاية أسلاك التلغراف كانت قد أربكت العالم بأسره. تم إرسال مئات الآلاف من البرقيات عبرها ، وسرعان ما توقف التلغراف عن التعامل مع الحمل. تأخر إرسال الرسائل ولم يكن هناك حتى الآن اتصالات هاتفية ولاسلكية بعيدة المدى.
في بداية القرن العشرين ، تم اختراع أنبوب الإلكترون. بدأت تكنولوجيا الراديو في التطور بسرعة ، وتم وضع أسس الإلكترونيات. لقد تعلمت الإشارات إرسال موجات الراديو ليس فقط عبر الفضاء (عبر الهواء) ، ولكن أيضًا لإرسالها عبر الأسلاك وعبر كبلات الاتصال.
خدم استخدام الموجات الراديوية كأساس لضغط الجزء الأكثر تكلفة والأقل كفاءة من أنظمة نقل المعلومات - الأجهزة الخطية. من خلال ضغط الخط بالتردد ، في الوقت المناسب ، باستخدام طرق خاصة لتجميع المعلومات ، أصبح من الممكن اليوم نقل عشرات الآلاف من الرسائل المختلفة على سطر واحد لكل وحدة زمنية. يسمى هذا الاتصال متعدد القنوات.
بدأت الحدود بين أنواع الاتصال المختلفة تتلاشى. لقد كانوا يكملون بعضهم البعض بشكل متناغم ، حيث تم توحيد كل من التلغراف والهاتف والراديو والتلفزيون والراديو لاحقًا ، واتحاد الاتصالات الفضائية فيما بعد في نظام اتصالات كهربائي مشترك.
تقنيات الاتصال الحديثة
ضيق المعلومات في قنوات الاتصال
تعمل موجات بطول 3000 كم الى 4 مم في قنوات نقل المعلومات. الجهاز قيد التشغيل قادر على إرسال 400 ميغا بت في الثانية عبر قناة اتصال (400 ميجابت / ثانية 400 مليون بت في الثانية). إذا أخذنا حرفًا بهذا الترتيب لـ 1 بت ، فإن 400 ميجابت ستشكل مكتبة من 500 مجلد ، كل منها يحتوي على 20 ورقة مطبوعة).
هل الوسائل الحالية للاتصالات الكهربائية مشابهة لنماذجها الأولية من القرن الماضي؟ يشبه إلى حد كبير طائرة عرض القفز. على الرغم من كمال المعدات في قنوات الاتصال الحديثة ، للأسف ، فهي مزدحمة للغاية: أقرب بكثير مما كانت عليه في التسعينيات من القرن الماضي.
أسلاك التلغراف في سينسيناتي ، الولايات المتحدة الأمريكية (أوائل القرن العشرين)
امرأة تستمع إلى الراديو عبر سماعات ، 28 مارس 1923.
هناك تناقض بين الحاجة المتزايدة لنقل المعلومات والخصائص الأساسية للعمليات الفيزيائية المستخدمة حاليًا في قنوات الاتصال. من أجل تخفيف "كثافة المعلومات" ، من الضروري التغلب على موجات أقصر وأقصر ، أي السيطرة على الترددات الأعلى والأعلى. طبيعة التذبذبات الكهرومغناطيسية هي أنه كلما زاد ترددها ، يمكن إرسال المزيد من المعلومات لكل وحدة زمنية عبر قناة الاتصال.
ولكن مع كل الصعوبات الأكبر التي يجب أن يواجهها المتصلون: مع انخفاض الموجة ، تزداد الضوضاء الداخلية (الجوهرية) لأجهزة الاستقبال بشكل حاد ، وتقل قوة المولدات ، وتنخفض الكفاءة بشكل كبير. المرسلات ، ومن كل الكهرباء المستهلكة ، يتم تحويل جزء صغير فقط إلى طاقة موجات لاسلكية مفيدة.
محول الإخراج لدائرة النقل الأنبوبية لمحطة راديو Nauen في ألمانيا بمدى يزيد عن 20000 كيلومتر (أكتوبر 1930)
تم إنشاء أول اتصالات لاسلكية UHF بين الفاتيكان والمقر الصيفي للبابا بيوس الحادي عشر ، 1933.
تفقد الموجات القصيرة للغاية (UHF) طاقتها بسرعة كارثية على طول الطريق. لذلك ، يجب تضخيم إشارات الرسائل وإعادة توليدها (استعادة) في كثير من الأحيان ، وعلينا أن نلجأ إلى معدات معقدة وباهظة الثمن. يواجه الاتصال في نطاق السنتيمتر لموجات الراديو ، ناهيك عن نطاق المليمتر ، عقبات عديدة.
عيوب قنوات الاتصال الكهربائية
جميع الاتصالات الكهربائية الحديثة تقريبًا متعددة القنوات. للإرسال على قناة 400 ميجابت / ثانية ، تحتاج إلى العمل في نطاق ديسيمتر لموجات الراديو. هذا ممكن فقط في حالة وجود معدات معقدة للغاية ، وبالطبع ، كبل خاص عالي التردد (محوري) ، والذي يتكون من زوج واحد أو أكثر من الأزواج المحورية.
في كل زوج ، تكون الموصلات الخارجية والداخلية عبارة عن أسطوانات متحدة المحور. يمكن لاثنين من هذه الأزواج نقل 3600 مكالمة هاتفية أو عدة برامج تلفزيونية في وقت واحد. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يجب تضخيم الإشارات وإعادة توليدها كل كيلومتر ونصف.
رجل إشارة أنيق في عشرينيات القرن الماضي
تهيمن خطوط الكابلات على قنوات الاتصال. إنها محمية من التأثيرات الخارجية والاضطرابات الكهربائية والمغناطيسية. الكابلات متينة وموثوقة في التشغيل ، فهي ملائمة للوضع في بيئات مختلفة.
ومع ذلك ، فإن إنتاج الكابلات وأسلاك الاتصالات يستهلك أكثر من نصف إنتاج العالم من المعادن غير الحديدية ، التي تتضاءل احتياطياتها بسرعة.
أصبح المعدن أكثر تكلفة. وإنتاج الكابلات ، وخاصة الكابلات المحورية ، هو عمل معقد ويستهلك الكثير من الطاقة. والحاجة إليهم آخذة في الازدياد. لذلك ، ليس من الصعب تخيل تكاليف إنشاء خطوط الاتصال وتشغيلها.
تركيب خط كابل في نيويورك 1888.
شبكة الاتصالات هي الهيكل الأكثر روعة والأكثر تكلفة الذي أنشأه الإنسان على وجه الأرض. كيف يمكن تطويرها أكثر ، إذا كان من الواضح بالفعل في الخمسينيات من القرن العشرين أن الاتصالات السلكية واللاسلكية تقترب من عتبة جدواها الاقتصادية؟
استكمال خط الهاتف العابر للقارات ، ويندوفر ، يوتا ، 1914.
للقضاء على "كثافة المعلومات في قنوات الاتصال ، كان من الضروري معرفة كيفية استخدام النطاقات الضوئية للتذبذبات الكهرومغناطيسية. بعد كل شيء ، تحتوي موجات الضوء على اهتزازات أكثر بملايين المرات من VHF.
إذا تم إنشاء قناة اتصال بصرية ، فسيكون من الممكن في نفس الوقت إرسال عدة آلاف من البرامج التلفزيونية والعديد من المكالمات الهاتفية والبث الإذاعي.
بدت المهمة شاقة. ولكن في الطريق إلى حلها ، ظهر نوع من المتاهة من المشاكل أمام العلماء ورجال الإشارة. القرن العشرين لم يعرف أحد كيف يتغلب عليها.
- معرض "راديو وتلفزيون سوفيتى" فى حديقة سوكولنيكى موسكو 5 اغسطس 1959.
الليزر
في عام 1960 ، تم إنشاء مصدر ضوء مذهل - مولد ليزر أو كمومي بصري (LQG). هذا الجهاز له خصائص فريدة.
من المستحيل معرفة مبدأ التشغيل وجهاز أشعة الليزر المختلفة في مقال قصير. كان هناك بالفعل مقال مفصل عن الليزر على موقعنا على الإنترنت: جهاز ومبدأ تشغيل الليزر... هنا نقتصر على تعداد سمات الليزر التي جذبت انتباه العاملين في مجال الاتصالات.
تيد ميمان ، مدرس مضاد لأول ليزر يعمل ، 1960.
بادئ ذي بدء ، دعنا نذكر تماسك الإشعاع. ضوء الليزر أحادي اللون تقريبًا (لون واحد) ويتباعد في أوقات الفراغ أقل من ضوء الكشاف الأكثر مثالية. الطاقة المركزة في شعاع الإبرة من الليزر عالية جدًا. كانت هذه الخصائص وبعض الخصائص الأخرى لليزر هي التي دفعت عمال الاتصالات إلى استخدام الليزر للاتصالات الضوئية.
تم تلخيص المسودات الأولى على النحو التالي. إذا كنت تستخدم الليزر كمولد وقمت بتعديل شعاعها بإشارة رسالة ، فستحصل على جهاز إرسال بصري. بتوجيه الشعاع إلى مستقبل الضوء ، نحصل على قناة اتصال بصري. لا أسلاك ولا كابلات. سيكون الاتصال من خلال الفضاء (اتصال الليزر المفتوح).
خبرة مع الليزر في معمل العلوم
أكدت التجارب المعملية ببراعة فرضية العاملين في مجال الاتصالات. وسرعان ما كانت هناك فرصة لاختبار هذه العلاقة في الممارسة العملية.لسوء الحظ ، لم تتحقق آمال رجال الإشارات في اتصالات الليزر المفتوحة على الأرض: فقد أدى المطر والثلج والضباب إلى جعل الاتصال غير مؤكد وغالبًا ما يقطعه تمامًا.
أصبح من الواضح أن موجات الضوء التي تحمل المعلومات يجب أن يحجبها الغلاف الجوي. يمكن القيام بذلك بمساعدة الموجهات الموجية - أنابيب معدنية رفيعة وموحدة وناعمة للغاية بالداخل.
لكن المهندسين والاقتصاديين أدركوا على الفور الصعوبات التي ينطوي عليها عمل أدلة موجية سلسة تمامًا وحتى. كانت الأدلة الموجية أغلى من الذهب. يبدو أن اللعبة لم تكن تستحق كل هذا العناء.
كان عليهم البحث عن طرق جديدة بشكل أساسي لإنشاء أدلة عالمية. كان لا بد من التأكد من أن أدلة الإضاءة ليست مصنوعة من المعدن ، ولكن من بعض المواد الخام الرخيصة وغير النادرة. استغرق الأمر عقودًا لتطوير ألياف ضوئية مناسبة لنقل المعلومات باستخدام الضوء.
أول ألياف من هذا النوع مصنوعة من زجاج فائق النقاء. تم إنشاء قلب متحد المحور وبنية هيكل من طبقتين. تم اختيار أنواع الزجاج بحيث يكون لللب معامل انكسار أعلى من الكسوة.
الانعكاس الداخلي الكلي تقريبا في الوسط البصري
ولكن كيف توصل نظارات مختلفة بحيث لا توجد عيوب على الحدود بين القلب والصدفة؟ كيف نحقق النعومة والتوحيد وفي نفس الوقت أقصى قوة للألياف؟
من خلال جهود العلماء والمهندسين ، تم أخيرًا إنشاء الألياف الضوئية المطلوبة. اليوم ، تنتقل الإشارات الضوئية عبر مئات وآلاف الكيلومترات. لكن ما هي قوانين انتشار الطاقة الضوئية على الوسائط الموصلة غير المعدنية (العازلة)؟
أوضاع الألياف
تنتمي الألياف أحادية الوضع ومتعددة الوسائط إلى الألياف الضوئية التي ينتقل الضوء من خلالها ، وتعاني من انعكاس داخلي متكرر في واجهة الكسوة الأساسية (يقصد الخبراء الاهتزازات الطبيعية لنظام الرنان حسب "الوضع").
أنماط الألياف هي موجاتها الخاصة ، أي تلك التي يتم التقاطها بواسطة لب الألياف وتنتشر على طول الألياف من بدايتها إلى نهايتها.
يتم تحديد نوع الألياف من خلال تصميمها: المكونات التي يتكون منها اللب والكسوة ، وكذلك نسبة أبعاد الألياف إلى الطول الموجي المستخدم (المعلمة الأخيرة مهمة بشكل خاص).
في الألياف أحادية الوضع ، يجب أن يكون قطر النواة قريبًا من الطول الموجي الطبيعي. من بين العديد من الموجات ، يلتقط لب الألياف موجات واحدة فقط من موجاتها الخاصة. لذلك ، فإن الألياف (دليل الضوء) تسمى الوضع الفردي.
إذا تجاوز قطر النواة طول موجة معينة ، فإن الألياف تكون قادرة على إجراء عدة عشرات أو حتى مئات من الموجات المختلفة في وقت واحد. هذه هي الطريقة التي تعمل بها الألياف متعددة الأوضاع.
نقل المعلومات بالضوء عبر الألياف الضوئية
يتم حقن الضوء في الألياف الضوئية فقط من مصدر مناسب. في أغلب الأحيان - من الليزر. لكن لا شيء مثالي بطبيعته. لذلك ، فإن شعاع الليزر ، على الرغم من كونه أحادي اللون ، لا يزال يحتوي على طيف تردد معين ، أو بعبارة أخرى ، يصدر نطاقًا معينًا من الأطوال الموجية.
ما الذي يمكن أن يعمل بجانب الليزر كمصدر للضوء للألياف الضوئية؟ مصابيح LED عالية السطوع. ومع ذلك ، فإن اتجاهية الإشعاع فيها أصغر بكثير من اتجاهية الليزر.لذلك ، يتم إدخال طاقة أقل بعشرات ومئات المرات إلى الألياف عن طريق الثنائيات المفردة مقارنةً بالليزر.
عندما يتم توجيه شعاع الليزر إلى قلب الألياف ، فإن كل موجة تضربها بزاوية محددة بدقة. هذا يعني أن موجات eigen (أوضاع) مختلفة لنفس الفترة الزمنية تمر عبر مسارات الألياف (من بدايتها إلى النهاية) بأطوال مختلفة. هذا هو تشتت الموجة.
وماذا يحدث للإشارات؟ تمرير مسار مختلف في الألياف لنفس الفترة الزمنية ، يمكن أن تصل إلى نهاية الخط في شكل مشوه.الخبراء يطلقون على هذه الظاهرة حالة تشتت.
يشبه جوهر وغمد الألياف. سبق ذكرها ، فهي مصنوعة من الزجاج بمؤشرات انكسار مختلفة. ويعتمد معامل الانكسار لأي مادة على الطول الموجي للضوء الذي يؤثر على المادة. لذلك ، هناك تشتت للمادة ، أو بعبارة أخرى ، تشتت مادي.
الطول الموجي والوضع وتشتت المواد هي ثلاثة عوامل تؤثر سلبًا على انتقال الطاقة الضوئية عبر الألياف الضوئية.
لا يوجد تشتت في وضع الألياف أحادية الوضع. لذلك ، يمكن لهذه الألياف أن تنقل مئات المرات من المعلومات لكل وحدة زمنية أكثر من الألياف متعددة الوسائط. ماذا عن تشتت الأمواج والمواد؟
في الألياف أحادية الوضع ، تُبذل محاولات للتأكد من أنه في ظل ظروف معينة ، تلغي الموجة وتشتت المواد بعضها البعض. بعد ذلك ، كان من الممكن إنشاء مثل هذه الألياف ، حيث تم إضعاف التأثير السلبي للوضع وتشتت الموجة بشكل كبير. كيف تمكنت من ذلك؟
اخترنا الرسم البياني لاعتماد التغيير في معامل الانكسار لمادة الألياف مع تغيير المسافة من المحور (على طول نصف القطر) وفقًا لقانون القطع المكافئ. ينتقل الضوء على طول هذه الألياف دون أن يتعرض لأعمال انعكاس كلي متعددة في واجهة الكسوة الأساسية.
مجلس الوزراء توزيع الاتصالات. الكابلات الصفراء هي ألياف أحادية الوضع ، والكابلات البرتقالية والزرقاء ألياف متعددة الأوضاع
تختلف مسارات الضوء الملتقط بواسطة الألياف الضوئية. تنتشر بعض الأشعة على طول محور اللب ، وتنحرف عنه في اتجاه واحد أو آخر على مسافات متساوية ("ثعبان") ، بينما يرقد البعض الآخر في الطائرات التي تعبر محور الألياف تشكل مجموعة من الحلزونات. يظل نصف قطر البعض ثابتًا ، بينما يتغير نصف قطر البعض الآخر بشكل دوري. تسمى هذه الألياف الانكسارية أو التدرج.
من المهم جدًا أن تعرف ؛ في أي زاوية محددة يجب أن يوجه الضوء إلى نهاية كل ليف بصري. يحدد هذا مقدار الضوء الذي سيدخل إلى الألياف ويتم توصيله من بداية الخط البصري إلى نهايته. يتم تحديد هذه الزاوية من خلال الفتحة العددية للألياف (أو ببساطة - الفتحة).
الاتصال البصري
FOCL
كخطوط اتصال بصرية (FOCL) ، لا يمكن استخدام الألياف الضوئية ، وهي نفسها رقيقة وهشة. تُستخدم الألياف كمواد خام لإنتاج كابلات الألياف الضوئية (FOC). يتم إنتاج FOCs في مجموعة متنوعة من التصاميم والأشكال والأغراض.
من حيث القوة والموثوقية ، فإن FOCs ليست أقل شأنا من نماذجها الأولية كثيفة المعادن ويمكن وضعها في نفس البيئات مثل الكابلات ذات الموصلات المعدنية - في الهواء ، تحت الأرض ، في قاع الأنهار والبحار. WOK أسهل بكثير.الأهم من ذلك ، أن FOCs غير حساسة تمامًا للاضطرابات الكهربائية والتأثيرات المغناطيسية. بعد كل شيء ، من الصعب التعامل مع مثل هذا التداخل في الكابلات المعدنية.
نجحت الكابلات الضوئية للجيل الأول في الثمانينيات والتسعينيات في استبدال الطرق السريعة المحورية بين بدالات الهاتف التلقائية. لم يتجاوز طول هذه الخطوط 10-15 كم ، لكن رجال الإشارة تنفسوا الصعداء عندما أصبح من الممكن نقل جميع المعلومات الضرورية بدون مولدات وسيطة.
ظهر إمداد كبير من "مساحة المعيشة" في قنوات الاتصال ، وفقد مفهوم "ضيق المعلومات" أهميته. خفيف ونحيف ومرن بدرجة كافية ، تم وضع FOC دون صعوبة في الهاتف الموجود تحت الأرض.
مع التبادل الهاتفي التلقائي ، كان من الضروري إضافة معدات بسيطة تحول الإشارات الضوئية إلى كهربائية (عند الإدخال من المحطة السابقة) وكهربائية إلى بصرية (عند الإخراج إلى المحطة التالية). جميع معدات التحويل وخطوط المشتركين وهواتفهم لم تخضع لأية تغييرات. تبين أن كل شيء ، كما يقولون ، رخيص ومبهج.
تركيب كابل الألياف الضوئية بالمدينة
تركيب كابل بصري على دعامة خط النقل العلوي
من خلال خطوط الاتصال الضوئية الحديثة ، لا يتم نقل المعلومات في شكل تناظري (مستمر) ، ولكن في شكل منفصل (رقمي).
خطوط الاتصال البصري ، سمحت خلال الثلاثين إلى الأربعين سنة الماضية بإجراء تحولات ثورية في تقنيات الاتصال وبسرعة نسبية ولفترة طويلة من الزمن لوضع حد لمشكلة "ضيق المعلومات" في قنوات نقل المعلومات.من بين جميع وسائل الاتصال والنقل ، تحتل المعلومات وخطوط الاتصال البصري مكانة رائدة وستهيمن على مدار القرن الحادي والعشرين.
بالإضافة إلى ذلك: