Μελέτη, υλοποίηση και εργαστηριακή ανάλυση επικοινωνιακών συστημάτων οπτικών ινών σε περιβάλλον Matlab/Simulink

Abstract

Η συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία εξετάζει την μελέτη και την υλοποίηση επικοινωνιακών συστημάτων οπτικών ινών και διατρέχει ένα μέρος εργαστηριακών αναλύσεων με το πρόγραμμα Matlab/Simulink. Στο πρώτο κεφάλαιο, προβάλλονται τα βασικά χαρακτηριστικά και οι κατηγορίες των οπτικών ινών και δικτύων. Στη συνέχεια, διερευνάται η χρονική ιστορική ανάδρομη και η εξέλιξη της δομής των οπτικών ινών. Επιπλέον, τεκμηριώνονται οι μηχανισμοί και τα φαινόμενα, τα οποία αντιμετωπίζονται κατά τη μετάδοση του οπτικού σήματος διαμέσου μιας οπτικής ίνας, που είναι η εξασθένιση, η διασπορά, τα μη γραμμικά φαινόμενα και τα φαινόμενα πόλωσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται, αναλυτικά, ο συνήθης εξοπλισμός, που χρησιμοποιείται για την εγκατάσταση οπτικών ινών σε πραγματικό πεδίο, όπως για παράδειγμα συγκόλληση οπτικών ινών σε πραγματικά δίκτυα οπτικής ίνας στο σπίτι (Fiber To The Home - FTTH), σε συνεργασία με μία εταιρία που αναλαμβάνει σχετικές εγκαταστάσεις και ανάπτυξη δικτύου εκ μέρους ενός από τους μεγαλύτερους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους της Ελλάδος, με εκτενή παρουσίαση, βιβλιογραφική μελέτη των χαρακτηριστικών προδιαγραφών σε διαφορετικούς τύπους οπτικών ινών. Η παρούσα μελέτη συγκρίνει τις θεωρητικές τιμές των προδιαγραφών, οι οποίες αναφέρονται στη βιβλιογραφία, ως προς τις ρεαλιστικές τιμές που επιτυγχάνουν οι εμπορικές διαθέσιμες τεχνολογίες οπτικών ινών, που χρησιμοποιούνται και εγκαθίστανται σήμερα στα οπτικά δίκτυα πρόσβασης FTTH. Αξίζει να σημειωθεί πως, τη δεδομένη στιγμή, στο συγκεκριμένο τομέα τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων και οπτικών δικτύων πρόσβασης της χώρας, παρατηρείται ραγδαία άνοδος και εξέλιξη, με περαιτέρω διείσδυση των τεχνολογιών οπτικών ινών στις ζεύξεις τελευταίου χιλιομέτρου. Φτάνοντας συνεχώς εγγύτερο στο χρήστη, που καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη εργαλείων μελέτης και προσομοίωσης των οπτικών ινών από την επιστημονική κοινότητας, τους μηχανικούς δικτύων και τους τεχνικούς εγκατάστασης. Επιπλέον, μελετώνται θεμελιώδη επικοινωνιακά συστήματα διαμόρφωσης, που διδάχθηκαν στο πρόγραμμα σπουδών, τα όποια είναι η διαμόρφωση πλάτους (AM) και η διαμόρφωση συχνότητας (FM). Έπειτα, γίνεται λεπτομερής αναφορά στο φάσμα και στον παλμογράφο της τρίτης ενότητας του τρίτου κεφαλαίου, για τη μελέτη και καταγραφή του φασματικού περιεχομένου και της χρονικής αναπαράστασης των επικοινωνιακών σημάτων. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται το περιβάλλον προσομοίωσης Simulink, με στόχο να αποτελέσει έναν σύντομο οδηγό εκμάθησης για αρχάριους χρηστές, καθώς και η αναλυτική περιγραφή της μοντελοποίησης των συστημάτων διαμόρφωσης και βασικών απωλειών εισόδου οπτικών ινών, όπως απώλειες διάδοσης σε dB/χλμ ή απώλειες του ακροδέκτη διασύνδεσης (connector) εισόδου-εξόδου. Τέλος, το πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματεύεται με την τελική υλοποίηση της συνολικής μοντελοποίησης των εργαστηριακών ασκήσεων/προγραμμάτων, που παράγουν αποτελέσματα. Η εκπόνηση της πτυχιακής εργασίας ολοκληρώνεται με την βιβλιογραφία και τα συμπεράσματα. This thesis examines the design and implementation of fiber optic communication systems and runs through a part of laboratory analyses using Matlab/Simulink. In the first chapter the basic characteristics and categories of optical fibres and networks are presented, along with a time-historical retrospective and evolution of the optical fibre structure. Next, the mechanisms and phenomena encountered during the transmission of the optical signal through an optical fiber are documented, which namely are the attenuation, the dispersion, nonlinear effects and polarization phenomena. In the second chapter, some common equipment used for real field installation of optical fibres is presented in detail, such as fibre splicing in real deployed Fibre To The Home (FTTH) networks, in cooperation with a company that undertakes related installations and network deployments on behalf of one of the largest telecommunication providers in Greece, presenting an extensive literature study of the characteristic specifications of different types of optical fibres. This study compares the theoretical specification values reported in the literature against the realistic values achieved by commercially available fibre optic technologies currently used and installed in FTTH optical access networks. It is worth noting that at this moment, the specific sector of telecommunication links and optical access networks in the country is experiencing a rapid growth and evolution, with further penetration of fibre optic technologies in last mile links. As deployed fiber is gradually reaching ever closer to the user, it makes it of significant importance for the scientific community, network engineers and installation technicians to develop tools and numerical models for the study and simulation of optical fibre systems. In addition, fundamental communication modulation schemes, taught throughout the lectures and curriculum of the Department, are being studied and presented, which are amplitude modulation (AM) and frequency modulation (FM). Then, the spectrum and oscilloscope of the third section of chapter three are discussed in detail, to study and record the spectral content and temporal representation of communication signals. In addition, the use of the Simulink simulation environment is presented, aiming to provide a short learning guide for novice users, as well as a detailed description of the modelling of the modulation schemes and of basic fibre input losses, such as propagation losses in dB/km or input/output connector losses. Finally, the fifth and last chapter deals with the final implementation of the overall modeling of the laboratory exercises/programs that produce results, thus concluding the thesis with the bibliography and conclusions.