Давно известно, что медные линии ограничены по своим возможностям. Килогерцовый спектр телефонных каналов можно передать на десятки километров. Мегагерцовый спектр видеосигнала - на сотни метров. И это в оптимальных условиях, при отсутствии помех. А если рядом, скажем, электростанция или трамвайный парк, все становится намного, намного хуже. Конечно, есть способы, позволяющие немного побороться с законами природы, но кардинальное улучшение при современном уровне технологии возможно лишь при переходе на оптические линии связи, нечувствительные к помехам и шумам. Конечно, волоконные линии также имеют свои ограничения, но они существенно выше, чем у медных линий. И уж заведомо оптический кабель в любом случае совершенно нечувствителен к электромагнитным помехам. Более того, существуют полностью диэлектрические кабели, которые можно подвесить совместно с высоковольтной линией электропередачи.
Какие же ныне существуют устройства для передачи по волокну видеосигнала?
Во-первых, видео можно оцифровать и передавать по сетям Ethernet, которые тоже на расстояния более 100 м ныне существуют только в оптоволоконном виде. Недостатком этого способа являются существенные искажения сигнала, значительно затрудняющие последующий анализ изображения. Достоинством - совместимость и широкий выбор разнообразных устройств, предназначенных для построения компьютерных сетей.
Второй вариант - применить специализированные устройства для передачи видео по волокну. Сегодня они обеспечивают заметно более высокое качество передачи. Какими же бывают устройства для передачи видео по волокну?
Самые дешевые и давно известные используют прямую передачу НЧ-видеосигнала по оптическому волокну. В таком случае сигнал на приемном конце также подвержен затуханию, причем неравномерному по частотному спектру. Конечно, такое затухание начинает сказываться значительно позже - самый плохой волоконный кабель в сочетании с некогерентным светодиодным излучателем обеспечивает полосу пропускания в районе 200 МГц на километр. Это означает, что один НЧ видеосигнал можно передать на 10-20 км без существенных искажений в частотной области. Правда, есть еще один параметр, который необходимо знать, - просто затухание, которое для дешевых устройств на длине волны в районе 900 нм составляет около 3 дБ на километр. К сожалению, сам по себе запас (так называемый оптический бюджет) пары передатчик/приемник составляет всего лишь около 50 дБ. Поэтому уже на 10 км линии остаточное отношение сигнал/шум составит не более 20 дБ, что принято считать границей для хоть сколько-нибудь приемлемого сигнала. Наконец, уровень сигнала (затухание) при прямой передаче неизбежно будет колебаться в зависимости от погоды, натяжения соединителей, усталости (старения) волокна. У самых дешевых устройств, не имеющих даже АРУ в приемнике, это приводит к существенным колебаниям сигнала на выходе. Конечно, большинство мониторов имеет встроенные цепи АРУ, которые сами отработают по крайней мере +-6дБ, но многие устройства вроде цифровых рекордеров могут оказаться весьма капризными.
Понятно, что такие устройства, с передачей НЧ видеосигнала по определению одноканальные (передают по одному волокну только один канал видео). Стоит отметить, что даже в таком случае общая стоимость системы может оказаться ниже, чем с применением медного кабеля, - ведь волокна, особенно если один кабель содержит много волокон, существенно дешевле (и несоизмеримо компактнее) медного коаксиального кабеля.
Следующий тип устройств для передачи видео по волокну - с частотной модуляцией. Поскольку передача идет на несущей, бывают изделия многоканальные. Так как полоса передаваемого сигнала значительно шире, чем у видеосигнала (если в одно волокно уместить 4 канала, полоса обычно занимает 150 МГц), то на дешевом кабеле с дешевым излучателем допустимая дальность получается примерно 1 км (помните, выше я уже упоминал, что такой параметр, как широкополосность волокна, может составлять всего 200 МГц*км). Потому такие изделия даже для передачи одного канала нередко выполняют с узкополосными или лазерными передатчиками, предназначенными для одномодового волокна.
В чем достоинства ЧМ-передатчиков? Передача с частотной модуляцией значительно менее чувствительна к нестабильности линии передачи, так же как радио в УКВ-ЧМ диапазоне значительно чище от помех, нежели в АМ диапазонах. Тем не менее, сегодня эти изделия почти не выпускаются, они вытеснены цифровыми передатчиками.
Итак, третий тип передатчиков, наиболее распространенный в наше время, - цифровые. Обращаю внимание, это вовсе не то же самое, что всевозможные IP-камеры. В этих устройствах не осуществляется цифровое сжатие сигнала, оцифрованный сигнал передается непосредственно, невзирая на то, что он составляет около 150 Мбит/сек. на один канал.
Достоинством цифровых передатчиков является полное отсутствие помех до тех пор, пока сигнал доходит успешно. Правда, как только сигнал начинает сравниваться с шумами, на экране это выглядит как ужасный сумбур, полностью скрывающий изображение. Такова уж особенность цифровой передачи: пока сигнал больше, чем шум, передача практически идеальна. Но как только приемник начинает ошибаться в отдельных битах, оказывается, что ошибки практически равновероятно могут случиться и в младшем бите (его почти не видно), и в старшем (а это значит, что картинка будет белой вместо черной, или наоборот), или, что еще хуже, ошибки в служебных битах синхронизации приведут к тому, что биты случайно перемешаются и получится примерно то же самое, как если пытаться по телевизору принять радиостанцию «Маяк».
Своей популярностью цифровые системы обязаны быстрому удешевлению компонентов для компьютерных сетей. 100-мегабитные и гигабитные оптические сети распространены настолько широко, что компоненты для их производства стали значительно дешевле, чем теоретически более простые, но менее распространенные низкочастотные излучатели.
Кроме того, для цифровой передачи совершенно необязательно обеспечивать линейность передаточной характеристики излучателя, он работает в двоичном режиме: либо включен на полную мощность, либо полностью выключен, что также снижает требования к нему. Потому-то цифровые передатчики ныне составляют основную массу предлагаемых на рынке.
Каковы особенности их применения? Во-первых, как вы уже, наверное, заметили, цифровой сигнал сам по себе очень широкополосен. Один канал видео занимает 150 мегабит в секунду, т. е. примерно 70 МГц. Упоминавшиеся выше некогерентные излучатели на длине волны 800-900 нм даже один канал могут передать максимум на 1-2 км. Для цифровой передачи обычно используются лазеры, подобные тем, что стоят в CD-проигрывателях. Тем не менее даже лазеры с трудом могут обеспечить эффективную передачу по многомодовому волокну. Тем более если они работают на длине волны 850 нм. Многомодовое волокно не предназначено для передачи широкополосных сигналов. Многомодовое волокно не предназначено для работы с лазерными излучателями. И хотя на практике это возможно (сейчас даже выпускается многомодовое волокно, сертифицированное на работу с гигабитным Ethernet), дальность передачи обычно не превышает 1 км. Производители нередко указывают, что их устройства могут работать на 2, 5 или даже 10 км по многомодовому волокну. Как правило, это означает, что излучатели применены качественные - лазеры на 1300 нм. Однако качество работы системы в целом в таком случае будет ограничено не излучателем, а кабелем. Хуже того, поскольку производители волокна не предназначают его для такого применения - практически невозможно получить от них необходимые параметры волокна для расчета проектной дальности (тот самый параметр - мегагерцы на километр, который существенно зависит от состава излучения и определяется производителем для основных излучателей, для которых волокно предназначено). Вам может повезти, и все будет работать. А может оказаться, что даже мощный лазерный излучатель будет работать всего на 2-3 км, и то сигнал будет нарушаться при изменении погодных условий (от температуры иногда незначительно, на десятые доли децибела, повышаются потери в соединителях. Это обычно несущественно, но если вы работаете на пределе возможностей волокна - и это может оказаться последней соломинкой).
Итак, если для вас существенны дальность передачи, следует использовать одномодовые передатчики. Тем более что по цене они несущественно отличаются от многомодовых (порой они вообще не отличаются по конструкции, хотя у некоторых производителей в многомодовых применяются чуть более дешевые излучатели, забракованные при прохождении контроля на нормативы для одномодового применения). Кстати, одномодовый волоконный кабель дешевле, чем многомодовый. Это и понятно, ведь волокно диаметром 9 микрон просто-напросто содержит в себе намного меньше чистого стекла, чем волокно диаметром 50 микрон.
Почему же вообще до сих пор еще применяется многомодовое волокно? Дело в том, что его чуть легче соединять, особенно в случае ремонта. Существуют быстромонтируемые механические соединители, позволяющие обходиться без сварки, без клея, без полировки. Эти соединители относительно дороги (долларов 10), потому их не применяют при массовом монтаже, но в случае ремонта такой соединитель более чем уместен. Напомню, что все проблемы с дальностью у цифровых устройств обусловлены именно полосой передаваемых частот, а вовсе не затуханием сигнала по амплитуде, а потому несколько большие потери на механическом соединении по сравнению со сваркой несущественны.
Для одномодового волокна такие соединители также существуют, но они еще дороже, требуют значительно более аккуратного обращения и вносят еще большее затухание. Как же выбрать? Если требуется передать на километр-два, можно использовать многомодовые устройства. Если вы ожидаете частые повреждения и необходимо осуществлять ремонт не очень квалифицированным персоналом, лучше использовать многомодовое волокно, соответственно, спроектировав систему или проверив образцы волокна перед закупкой на заводе. Во всех остальных случаях одномодовые устройства обеспечат несоизмеримо более качественную работу. Для сравнения скажу, что если для многомодового волокна широкополосность составляет 200-500 МГц*км в диапазоне 850 нм и в лучшем случае 2000 МГц*км в диапазоне 1300 нм, то для одномодового волокна широкополосность, как правило, принимает значения в районе 20 000 МГц*км, т. е. типичный 4-канальный передатчик уверенно работает примерно на 50 км.
На что еще следует обратить внимание при выборе цифрового передатчика видео по волокну. Разрядность. Ее часто указывают в рекламе. Если не указана, значит, 8 бит. Если 10 или 12 бит, производитель не преминет это подчеркнуть. Насколько важна разрядность? Для цветного сигнала иногда может оказаться важна. Однако не менее (а может быть, даже более) важна и частота дискретизации, которую вы вряд ли найдете в описаниях устройств. И нередко повышение разрядности происходит именно за счет понижения частоты дискретизации. Впрочем, повторюсь, это важно лишь для цветного сигнала. Да и проверить качество передачи очень легко. Поскольку цифровой сигнал либо передается, либо нет, качество можно проверить даже на метровом куске волокна, прямо на столе. Воспользуйтесь стандартной телевизионной цветной таблицей или просто полосатой таблицей разных цветов, хорошей видеокамерой и монитором и посмотрите, насколько хуже изображение с предлагаемым передатчиком по сравнению с прямым соединением камеры с монитором. На реальном объекте качество будет такое же, как и на коротком куске волокна.
Обратите внимание на температурный диапазон работы передатчиков. Именно передатчиков, поскольку они обычно устанавливаются недалеко от видеокамер, на улице, где-то равномерно вдоль многокилометрового периметра объекта. Смотрите, чтобы вам не пришлось строить для передатчиков теплую избушку. Кстати, передатчики Ethernet по волокну, как правило, предназначены именно для теплых избушек, а редкие версии с индустриальным диапазоном температур значительно дороже обычных. Какие еще бывают особенности?
Не столь существенные для работы, но порой значительно облегчающие жизнь. Например, устройства могут монтироваться в 19” стойку, что бывает удобно в переполненном центральном пункте.
Устройства могут питаться от выносного блока питания (это популярно у импортных устройств) или непосредственно от 220 В. Смотрите, что вам удобнее. Выносные блоки питания нередко таковы, что их можно воткнуть только непосредственно в розетки, а это лишние разъемные соединения, что не повышает надежность системы.
Бывают универсальные устройства, которые легко монтируются как на стенку, так и в стойку, которые работают как по одномодовому, так и по многомодовому волокну, могут работать как от 220 вольт, так и от внешнего низковольтного питания. Но такая универсальность важна разве что дистрибуторам, чтобы не хранить на складе большой ассортимент устройств. В каждом конкретном проекте более или менее известно, что конкретно нужно, и уж менять кабель в процессе эксплуатации точно никто не будет.
В сетях передачи данных оптоволоконный кабель дает целый ряд преимуществ: не испытывает влияния электромагнитных помех, передает сигнал с очень высокой скоростью на дальние расстояния без повторителей и др. Для того чтобы совместить оптоволоконный кабель с существующим сетевым оборудованием, соединенным медными проводами, требуются конвертеры, например такие, как оптоволоконные конвертеры фирмы ADFweb.
ООО «Крона», г. Санкт-Петербург
Немного о терминах
Конвертер – это преобразователь. Не очень понятно, отчего английское слово converter потеснило свой русский эквивалент. Однако уже довольно давно в технике такое название получают разнообразные устройства, между которыми единственное сходство – функция преобразования. Почему при этом конвертеры не называть преобразователями, отчего прижилось иностранное слово, одному русскому языку известно.
Преимущества оптоволоконного кабеля
В сетях передачи данных, построенных на базе технологий Ethernet, сигнал может передаваться как по медным, так и по оптоволоконным проводам, только в первом случае это осуществляется с помощью электричества, а во втором – с помощью света. Свет не только позволяет передавать информацию на большее расстояние с большей скоростью, но и придает оптическому волокну абсолютный иммунитет к любым видам электромагнитных помех.
Традиционные медные провода чувствительны к внешним электромагнитным помехам, искажающим сигнал. А ведь источников, способных генерировать эти помехи, множество! Поэтому, чтобы электроника не зависала и не давала сбоев, шину передачи данных приходится тщательно отделять от шины питания.
Кроме того, сигнал, проходящий по медным проводам, достаточно быстро затухает, поэтому необходимы повторители, или, если опять употребить термин-кальку, репитеры, – устройства, обновляющие его. Ставить повторители приходится довольно близко друг от друга – примерно через каждую сотню метров. Если же учесть расстояния, которые способна покрывать промышленная сеть, становится ясно, что таких устройств требуется множество.
Оптоволокно обеспечивает быстрое и простое надежное соединение, при этом позволяя создать абсолютную электрическую и гальваническую изоляцию. Поэтому при использовании оптического кабеля не приходится отделять шину передачи данных от шины питания, а кроме того, нет опасности, что повредится вся сеть устройств, если из строя выйдет один узел (например, при попадании молнии). Все компоненты сети при подключении через оптический кабель полностью изолированы друг от друга, поэтому при электрическом повреждении одного из узлов сети это повреждение не распространяется на остальные узлы. Ну и наконец, гораздо проще диагностировать состояние сети и мгновенно локализовать ее неисправный компонент.
Оптоволоконный кабель может использоваться для сетей разного типа, он позволяет соединять узлы на очень большом расстоянии. А кроме того, у оптоволокна гораздо больше «пропускная способность», чем у медной жилы, иными словами, по оптоволоконному кабелю можно передать гораздо больший объем информации за единицу времени, что играет существенную роль в масштабах промышленного предприятия.
Итак, если суммировать сказанное, то к преимуществам соединения с помощью оптического кабеля можно отнести:
Невосприимчивость к электромагнитным и электростатическим помехам;
Высокую скорость приема/передачи информации;
Соединение абонентов на большом расстоянии;
Безопасность и функциональность.
Сказать, что оптоволоконный кабель всегда и во всем выигрывает у медного, нельзя. У медного кабеля есть свои преимущества. Например, он дешевле и не такой хрупкий, как оптоволокно. Тем не менее существует целый ряд областей промышленности, где применение оптоволоконного кабеля полностью себя оправдывает:
Нефтегазовый комплекс;
Электростанции, в том числе атомные;
Телекоммуникации;
Удаленные системы управления и мониторинга;
Медицина.
Всё это привело к тому, что сегодня многие предприятия переходят на оптоволоконную инфраструктуру. При этом очень часто требуется устройство, позволяющее совместить оптоволоконный кабель с существующим сетевым оборудованием, приспособленным для «медной» инфраструктуры.
Для того чтобы перевести уже существующие сети на оптоволокно, разработаны конвертеры, позволяющие подключать устройства с RS-, Ethernet- и другими выходами к оптоволоконным кабелям. Конвертеры дают возможность пробрасывать существующие сети/шины (LAN/Ethernet, CAN, последовательные порты RS‑232, RS‑485) через оптоволоконные кабели, гарантируя их надежность и функциональность. Причем эти сети можно пробрасывать через одно и то же соединение одновременно. Допускается использовать топологию сети с любыми комбинациями оптоволоконных кабелей, как одномодовых, так и мультимодовых.
Оптоволоконные конвертеры фирмы ADFweb
Компания КРОНА представляет оптоволоконные конвертеры ADFweb двух типов: «экономичные» и «продвинутые».
Преобразователи экономичной серии, HD67072, HD67074 и HD67075, позволяют соединять устройства с RS- или USB-портами через мультимодовый оптоволоконный кабель по четырем разным топологиям сети:
Point To Point (прямое соединение, точка – точка): одно устройство с помощью оптоволоконного кабеля подключается к другому напрямую;
Single Loop (кольцо): несколько устройств соединяются оптоволоконным кабелем последовательно с закольцовыванием, то есть подключением первого к последнему;
Double Loop (кольцо с резервированием): несколько устройств соединяются последовательно с помощью двух пар оптоволоконных кабелей. При этом соединения закольцовываются в двойное кольцо. Такое соединение является сверхнадежным;
Multi-Drop (в линию): несколько устройств последовательно соединяются двумя оптоволоконными кабелями. В этом случае отсутствует необходимость закольцовывать соединение.
Рис. Конвертер HD67702 фирмы ADFweb
Конвертеры продвинутой серии, HD67701 и HD67702, допускают соединение как через мультимодовый, так и через одномодовый кабель. Они позволяют соединять устройства, имеющие Ethernet-, CAN-, RS‑232‑или RS‑485‑порты, по тем же четырем топологиям сети, что были перечислены выше.
Продвинутая серия, разумеется, обойдется дороже отчасти из-за применения одномодового кабеля. Многомодовое волокно имеет более широкий диаметр сердечника, из-за чего световая волна распространяется в нем с меньшей скоростью и быстрее затухает. В одномодовом волокне диаметр сердечника настолько мал (8 мкм), что в нем распространяется только один луч, генерируемый лазером, по единственному пути – моду. Благодаря этому скорость сигнала чрезвычайно высока (от 10 Гб), а скорость его затухания – всего 0,5 дБ/км. Такой кабель дороже, потому что создан по более сложным технологиям, однако на крупных предприятиях эти затраты себя оправдывают.
Дополнительно устройства продвинутых серий обладают следующими возможностями:
Имеют распределенный ввод/вывод;
Создают карту привязки выходов к входам;
Обеспечивают чтение статуса входов/выходов через стандартные Modbus-команды.
Конвертеры продвинутой серии предоставляют доступ к диагностическим данным через стандартные Modbus-регистры, что позволяет легко интегрировать их с существующими системами управления (например, подключить к SCADA-системе).
Важным достоинством конвертеров серий HD67701 и HD67702 является то, что с их помощью по одному оптическому волоконному кабелю в одно и то же время можно «пробросить» до 6 уже существующих сетей, включая 4 последовательные сети (например, Modbus RTU), одну сеть CAN (например, CANopen) и одну сеть Ethernet (например, PROFINET или Modbus TCP).
Имеется возможность объединить данные конвертеры с модулями ввода/вывода, которые содержат по 4 дискретных входа и выхода. Благодаря этим модулям можно пробрасывать «сухие» контакты через оптоволоконный кабель на большое расстояние.
Инновационной является возможность создания карты привязки входов к выходам: один вход подключается к нескольким выходам. Таким образом, с помощью двух блоков входных и выходных сигналов, между которыми проведен оптоволоконный кабель, «нажав кнопку», включаешь несколько насосов, которые находятся от этой кнопки на расстоянии 50 км.
Способы передачи сигналов различного типа, данных и команд управления по оптоволоконным линиям связи начали активно внедряться в последнее десятилетие прошедшего века. Однако достаточно долго они не могли составить серьезной конкуренции (по крайней мере, в сегменте ТСБ) коаксиальному кабелю и витой паре. Несмотря на такие недостатки, как высокие сопротивление и емкость, что существенно ограничивает дальность передачи сигнала, коаксиальный кабель и витая пара превалировали в системах безопасности. Сегодня ситуация начинает меняться, причем рискну утверждать, что перемены эти кардинальные. Нет, в небольших системах, где видео и сигналы управления требуется передавать на небольшие расстояния, коаксиальный кабель и витая пара по-прежнему незаменимы. В крупных и особенно распределенных системах у оптоволокна альтернативы практически нет.
Дело в том, что оптоволоконное оборудование сегодня стало гораздо доступнее по цене и тенденция к его дальнейшему удешевлению достаточно устойчива.
Так что волоконная оптика в настоящее время дает возможность предложить заказчику систем безопасности не только надежное, но и экономически выгодное решение. Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей.
Основными преимуществами использования волоконной оптики, как известно, являются:
– более широкая полоса пропускания (до нескольких гигагерц), чем у медного кабеля (до 20 МГц);
– невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие «земляных петель»;
– низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 0,2–2,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 МГц);
– не вызывает помех в соседних «медных» или других оптоволоконных кабелях;
– большая дальность передачи;
– повышенная безопасность передачи данных;
– хорошее качество передаваемого сигнала;
– оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.
Принцип работы оптоволоконной линии
Волоконная оптика -–технология, в которой в качестве носителя информации используется свет, и не важно, о каком типе информации идет речь: аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.
Оптоволоконное оборудование может использоваться для передачи аналогового или цифрового сигнала различных типов.
В простейшем варианте исполнения оптоволоконная линия связи состоит из трех компонентов:
– волоконно-оптического передатчика для преобразования входного электрического сигнала от источника (например, видеокамеры) в модулированный световой сигнал;
– оптоволоконной линии, по которой световой сигнал передается на приемник;
– волоконно-оптического приемника, преобразующего сигнал в электрический, практически идентичный сигналу источника.
Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод (LED) (или полупроводниковый лазер – LD). На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы из-за эффекта полного отражения (рис. 1).Таким образом, транспортируемый сигнал идет внутри замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника.
Остальные элементы кабеля лишь предохраняют хрупкое волокно от повреждений внешней средой различной агрессивности.
Стань участником Партнерской программы «Актив-СБ» и вы получите:
Рассрочку платежа на складские позиции (при условии предоставления полного пакета документов);
Размещение компании в разделе "Монтаж", при закупке оборудования ежемесячно на сумму более 100 000 руб;
Кэшбэк по Бонусной программе в размере до 5% от суммы покупок
Рис. 1 Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения
Физические параметры оптических волокон
Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Различают модовую и материальную дисперсии – искажения сигнала, вызванные особенностями распространения световых волн в среде.
Материальная дисперсия вызвана тем, что волны различной длины распространяются с различной скоростью, что связано с особенностями физического строения волокна. Данный эффект особенно заметен при использовании одномодового волокна. Уменьшение ширины полосы излучения источника и выбор оптимальной длины волны приводит к уменьшению материальной дисперсии.
Модовая дисперсия проявляется в многомодовом волокне из-за разницы длин путей, проходимых лучами различных мод. К ее уменьшению приводит уменьшение диаметра сердечника волокна, сокращение числа мод и применение волокна с градиентным профилем.
Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где децибел – логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ = 10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило, способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности).
Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект. Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина и чем чище материал волокна.
Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случаезначает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.
Рис. 2 Окна прозрачности оптических волокон
В теории лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.
В итоге образуются три окна прозрачности (рис. 2), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны:
0,85 мкм;
1,3 мкм;
1,55 мкм.
При аналоговой передаче чаще используются длины волн – 850 и 1310 мкм.
Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).
В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а проем в диапазоне от 1300 до 1600 нм.
Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, т. е. свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).
Аналоговая передача
В простейших передатчиках видеосигнала используется амплитудная модуляция (AM): интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Для получения более устойчивого результата, увеличения расстояния передачи сигналов, достижения лучшего соотношения сигнал/шум применяется частотная модуляция (FM).
Амплитудная модуляция (AM) – вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда. Интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Так как контролировать интенсивность излучения на высоком уровне достаточно трудно, даже небольшие ее изменения вносят значительные искажения в передаваемый сигнал.
Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой световых импульсов. По сравнению с амплитудной модуляцией амплитуда остается постоянной.
Аналоговый способ применяется для передачи видео и аудиосигналов, сигналов управления, 10/100М Ethernet, контроля состояния контактов.
При этом надо заметить, что для передачи видео или аудиоинформации аналоговые устройства не самый удачный выбор. Передавать и принимать ее по ВОЛС с помощью аналогового оборудования бывает достаточно сложно. К тому же ценовые различия между аналоговым и аналогичным цифровым оборудованием незначительны.
Оборудование данного типа присутствует в ассортименте многих игроков рынка, с некоторыми моделями читатели смогут ознакомиться в обзорной части статьи.
S732DV (GE Security, Fiber Option)
Комплект аналоговых приемопередатчиков предназначен для передачи видео и данных по 1-му одномодовому или многомодовому оптоволокну на расстояние до 60 км. Отличительными особенностями устройства являются широкий диапазон рабочих температур (от -40 С до +75 С), технологии Plug-and-Play, CWDM, SMARTSä диагностика, позволяющая производить тестирование системы в режиме реального времени. На оборудование предоставляется гарантия 5 лет.
DE7400 (GE Security, серия EtherNAVä линейки IFS)
Серия 2-портовых приемопередатчиков рассчитана на передачу и прием данных со скоростями 10/100/1000 Мбит/с по многомодовому, одномодовому оптоволокну или по электрическому кабелю Cat 5. DE7400 отличается повышенной климатической защитой для работы при крайних значениях температуры (от -40 С до +85 С). Стандартной функцией является срабатывание контактов для инициирования удаленной тревоги при потере оптической связи. На коннекторе RJ-45 имеются светодиодные индикаторы статуса питания и скорости передачи данных. А также поддерживает протоколы RSTP, QoS/CoS, IGMP, VLAN, SNMP. Поддерживает стандарты IEEE 802.3, что делает возможным подключение любых устройств организации локальных сетей. На оборудование предоставляется пожизненная гарантия.
В линейке оборудования IFS имеется оборудование с различной комплектацией портов.
Приемник/передатчик OVT/OVR-1 («БИК-Информ»)
Аппаратура серии OVT/OVR-1(приемник/передатчик) предназначена для передачи аналоговых видеосигналов в реальном времени в системах видеонаблюдения на промышленных и протяженных объектах. Устройство позволяет передавать высококачественный цветной и ч/б видеосигналы по многомодовому оптическому волокну на расстояние до 5 км в полосе частот 25 Гц – 10 мГц при соотношении сигнал/шум не менее 5 дБ. Оборудование отличается высокой помехозащищенностью. Имеется встроенный генератор тестовых сигналов, системы АРУ (автоматическая регулировка уровня по уровню синхросигнала), низкое потребление тока – не более 85мА для передатчика и 75мА для приемника. Компактные размеры, позволяют размещать устройства как в монтажных шкафах на DIN-рейку, так и в небольших коммутационных коробках. Аппаратура не требует дополнительных настроек и может эксплуатироваться в диапазоне температур от -40 °C до +50 °C.
SFS10-100/W-80 (SF&T)
Комплект, состоящий из двух аналоговых приемопередатчиков, предназначен для организации 1-го канала данных Ethernet 10/100M по 1-му одномодовому оптоволокну. Данное устройство, последнее в серии SFS10-100/W-хх, позволяет увеличить расстояние передачи сигналов до 80 км. Режимы работы: дуплекс и полудуплекс.
Благодаря поддержке стандартов IEEE 802.3 10 Base-T/100Base-Tx/ 100Base-Fx возможно подключение большинства IP-устройств, используемых для организации локальных сетей, а также для построения систем видеонаблюдения.
Широкий диапазон рабочих температур (от -10 до +70 °С), поддержка Plug-and-play, отсутствие необходимости дополнительных настроек и использования аттенюаторов, а также компактные размеры (165 х 144 х 33 мм) делают инсталляцию устройств максимально быстрой и удобной. Модульная конструкция позволяет использовать SFS10-100/W-80 в качестве отдельных модулей и устанавливать в стойке.
На все оборудование SF&T предоставляется гарантия сроком на 3 года.
SVP-11T/12R
SVP-13T/14R («Спецвидеопроект»)
Устройства предназначены для передачи сигнала в системах телевизионного наблюдения на расстояния до 6–12 км. Комплекты из передатчика и приемника обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм.
Разрешение видеосигнала – 570 ТВЛ, отношение сигнал/шум на предельной дальности – не хуже 50 дБ, полоса частот: 50 Гц – 8 МГц. Система автоматической регулировки усиления постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В. Световая сигнализация показывает наличие или отсутствие видеосигнала. Устройства имеют малые габариты, низкое энергопотребление, снабжены элементами настенного крепления.
Устройства защищены от переполюсовки питания – при неправильном включении не выходят из строя. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется.
Приемники сигналов исполняются также в корпусе, предназначенном для установки в стандартные 19” стойки.
SVP-21T
SVP-22T («Спецвидеопроект»)
Передатчики видеосигнала по оптоволокну SVP-21T и SVP-22T предназначены для работы с камерами телевизионного наблюдения вне помещений. Герметичный кожух оснащен гермовводами и имеет степень защиты от атмосферных воздействий IP66. Рабочая температура от -35 до +50 °С. Сигнал передается на большие расстояния: до 6–12 км.
Передатчики SVP-21T и SVP-22T в комплекте с приемниками SVP-12R, SVP-14R, SVP-12-2Rack, SVP-14-2Rack обеспечивают передачу одного композитного видеосигнала по многомодовому оптическому кабелю на длине волны 850 и 1310 нм. Устройства выпускаются с питанием от сети переменного тока с напряжением 220 В или 24 В. Работают в режиме plug and play – настройка и регулировка при их установке не требуется. Система автоматической регулировки усиления в приемниках постоянно поддерживает на выходе размах видеосигнала 1 В.
В гермокорпусе имеется свободное пространство для кроссировки кабеля другого оборудования. Габаритные размеры: 200 х 150 х 55 мм.
Передача сигналов по оптическому кабелю стала еще доступнее благодаря новым устройствам преобразования аудио-/видеосигналов в программе поставок ПРОСОФТ
Передача данных по оптоволокну используется, если видеосигнал необходимо транслировать на особо длинные расстояния. При передачи данных по оптическим линиям связи кардинально решается проблема с внешними электромагнитными помехами и разностью потенциалов, что существенно улучшает качество получаемого сигнала.
Таким образом, передача по оптике аудио-/видеосигналов имеет практически одни достоинства. Это и значительные расстояния, на которые возможна передача данных (например, для DVI-сигнала - до 5 км), невысокая стоимость приборов для передачи по оптоволокну AV-сигналов и т. д. К недостаткам такого способа условно можно отнести высокую стоимость оптического кабеля по сравнению с витой парой.
При прокладке оптических кабелей очень важно избежать перегибов волокна. Само оптоволокно достаточно хрупкое, и в случае сильных изгибов возможна поломка волокон или их замутнение из-за возникновения микротрещин. Все это может существенно снизить пропускную способность сети или даже привести к тому, что передача данных будет прекращена из-за отсутствия сигнала.
Технология передачи данных по оптоволокну
Передача аудио-/видеосигнала по волоконно-оптическим линиям связи организована достаточно просто - транслируемый сигнал с источника подается на преобразователь электрического сигнала в оптический, после чего передается по оптоволоконному кабелю. На стороне приемника устанавливается обратный преобразователь из оптического в электрический сигнал, который и подается на устройство отображения для получения высочайшего качества сигнала.
Передача данных по оптоволокну осуществляется при помощи приборов, которые работают с одномодовым либо многомодовым оптическим кабелем (в зависимости от модификации) и имеют крайне низкие потери на расстоянии.
Передача сигналов с помощью специальных устройств
ПРОСОФТ предлагает своим партнерам необходимые решения для передачи аудио-/видеосигналов по оптоволоконному кабелю. Передовые разработки компании позволяют инсталляторам и интеграторам создавать различные по протяженности линии передач цифровых сигналов с помощью специальных устройств преобразования аудио-/видеосигналов.
Устройства для передачи данных по оптике поддерживают технологии EDID и HDCP. Поэтому проблем при соединении данных устройств с источниками сигналов и устройствами отображения информации не возникает.
Каждый такой прибор поставляется с внешним адаптером питания и, как правило, имеет небольшие габариты, что позволяет использовать его в местах ограниченного доступа.
Температурный режим эксплуатации: от 0 до +50С.
Диапазон применения также достаточно широк: от небольших корпоративных систем (таких как конференц-залы и переговорные комнаты), до гигантских сетей Digital Signage, разветвленных систем охраны и видеонаблюдения. Однако стоит заметить, что сферы применения волоконно-оптических сетей гораздо шире.
Передача по оптике AV-сигналов на сегодняшний день является самым бескомпромиссным решением для трансляции сигналов на длинные и сверхдлинные расстояния.
Состоит оптоволокно из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В оптоволокне световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника оптоволокно подразделяется на одномодовое и многомодовое.
Рынок оптоволоконной продукции в России
История
Волоконная оптика хоть и является повсеместно используемым и популярным средством обеспечения связи, сама технология проста и разработана достаточно давно. Эксперимент с переменой направления светового пучка путем преломления был продемонстрирован Даниелем Колладоном (Daniel Colladon) и Жаком Бабинеттом (Jacques Babinet) еще в 1840 году. Спустя несколько лет Джон Тиндалл (John Tyndall) использовал этот эксперимент на своих публичных лекциях в Лондоне, и уже в 1870 году выпустил труд, посвященный природе света. Практическое применение технологии нашлось лишь в ХХ веке. В 20-х годах прошлого столетия экспериментаторами Кларенсом Хаснеллом (Clarence Hasnell) и Джоном Бердом (John Berd) была продемонстрирована возможность передачи изображения через оптические трубки. Этот принцип использовался Генрихом Ламмом (Heinrich Lamm) для медицинского обследования пациентов. Только в 1952 году индийский физик Нариндер Сингх Капани (Narinder Singh Kapany) провел серию собственных экспериментов, которые и привели к изобретению оптоволокна. Фактически им был создан тот самый жгут из стеклянных нитей, причем оболочка и сердцевина были сделаны из волокон с разными показателями преломления. Оболочка фактически служила зеркалом, а сердцевина была более прозрачной – так удалось решить проблему быстрого рассеивания. Если ранее луч не доходил да конца оптической нити, и невозможно было использовать такое средство передачи на длительных расстояниях, то теперь проблема была решена. Нариндер Капани к 1956 году усовершенствовал технологию. Связка гибких стеклянных прутов передавала изображение практически без потерь и искажений.
Изобретение в 1970 году специалистами компании Corning оптоволокна, позволившего без ретрансляторов продублировать на то же расстояние систему передачи данных телефонного сигнала по медному проводу, принято считать переломным моментом в истории развития оптоволоконных технологий. Разработчикам удалось создать проводник, который способен сохранять не менее одного процента мощности оптического сигнала на расстоянии одного километра. По нынешним меркам это достаточно скромное достижение, а тогда, без малого 40 лет назад, - необходимое условие для того, чтобы развивать новый вид проводной связи.
Первоначально оптоволокно было многофазным, то есть могло передавать сразу сотни световых фаз. Причём повышенный диаметр сердцевины волокна позволял использовать недорогие оптические передатчики и коннекторы. Значительно позже стали применять волокно большей производительности, по которому можно было транслировать в оптической среде лишь одну фазу. С внедрением однофазного волокна целостность сигнала могла сохраняться на большем расстоянии, что способствовало передаче немалых объёмов информации.
Самым востребованным сегодня является однофазное волокно с нулевым смещением длины волны. Начиная с 1983 года оно занимает ведущее положение среди продуктов оптоволоконной индустрии, доказав свою работоспособность на десятках миллионов километров.
Преимущества оптоволоконного типа связи
- Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей. Это означает, что по оптоволоконной линии можно передавать информацию со скоростью порядка 1 Тбит/с;
- Очень малое затухание светового сигнала в волокне, что позволяет строить волоконно-оптические линии связи длиной до 100 км и более без регенерации сигналов;
- Устойчивость к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.) и погодных условий;
- Защита от несанкционированного доступа. Информацию, передающуюся по волоконно-оптическим линиям связи, практически нельзя перехватить неразрушающим кабель способом;
- Электробезопасность. Являясь, по сути, диэлектриком, оптическое волокно повышает взрыво- и пожаробезопасность сети, что особенно актуально на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;
- Долговечность ВОЛС - срок службы волоконно-оптических линий связи составляет не менее 25 лет.
Недостатки оптоволоконного типа связи
- Относительно высокая стоимость активных элементов линии, преобразующих электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;
- Относительно высокая стоимость сварки оптического волокна. Для этого требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование. Как следствие, при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление ВОЛС выше, чем при работе с медными кабелями.
Элементы волоконно-оптической линии
- Оптический приёмник
Оптические приёмники обнаруживают сигналы, передаваемые по волоконно-оптическому кабелю и преобразовывают его в электрические сигналы, которые затем усиливают и далее восстанавливают их форму, а также синхросигналы. В зависимости от скорости передачи и системной специфики устройства, поток данных может быть преобразован из последовательного вида в параллельный.
- Оптический передатчик
Оптический передатчик в волоконно-оптической системе преобразовывает электрическую последовательность данных, поставляемых компонентами системы, в оптический поток данных. Передатчик состоит из параллельно-последовательного преобразователя с синтезатором синхроимпульсов (который зависит от системной установки и скорости передачи информации в битах), драйвера и источника оптического сигнала. Для оптических систем передачи могут быть использованы различные оптические источники. Например, светоизлучающие диоды часто используются в дешёвых локальных сетях для связи на малое расстояние. Однако, широкая спектральная полоса пропускания и невозможность работы в длинах волны второй и третьей оптических окон, не позволяет использовать светодиод в системах телесвязи.
- Предусилитель
Усилитель преобразовывает асимметричный ток от фотодиодного датчика в асимметричное напряжение, которое усиливается и преобразуется в дифференциальный сигнал.
- Микросхема cинхронизации и восстановления данных
Эта микросхема должна восстанавливать синхросигналы от полученного потока данных и их тактирование. Схема фазовой автоподстройки частоты, необходимая для восстановления синхроимпульсов, также полностью интегрирована в микросхему синхронизации и не требует внешних контрольных синхроимпульсов.
- Блок преобразования последовательного кода в параллельный
- Параллельно-последовательный преобразователь
- Лазерный формирователь
Основной его задачей является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода.
- Оптический кабель , состоящий из оптических волокон, находящихся под общей защитной оболочкой.
Одномодовое волокно
При достаточно малом диаметре волокна и соответствующей длине волны через световод будет распространяться единственный луч. Вообще сам факт подбора диаметра сердечника под одномодовый режим распространения сигнала говорит о частности каждого отдельного варианта конструкции световода. То есть под одномодовостью следует понимать характеристики волокна относительно конкретной частоты используемой волны. Распространение лишь одного луча позволяет избавиться от межмодовой дисперсии, в связи с чем одномодовые световоды на порядки производительнее. На данный момент применяется сердечник с внешним диаметром около 8 мкм. Как и в случае с многомодовыми световодами, используется и ступенчатая, и градиентная плотность распределения материала.
Второй вариант более производительный. Одномодовая технология более тонкая, дорогая и применяется в настоящее время в телекоммуникациях. Оптическое волокно используется в волоконно-оптических линиях связи, которые превосходят электронные средства связи тем, что позволяют без потерь с высокой скоростью транслировать цифровые данные на огромные расстояния. Оптоволоконные линии могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей - участков магистралей оптических волокон, объединенных физически на уровне световода, либо логически - на уровне протоколов передачи данных. Скорость передачи данных по ВОЛС может измеряться сотнями гигабит в секунду. Уже сейчас дорабатывается стандарт, позволяющий передавать данные со скоростью 100 Гбит/c, а стандарт 10 Гбит Ethernet используется в современных телекоммуникационных структурах уже несколько лет.
Многомодовое волокно
В многомодовом ОВ может распространяться одновременно большое число мод – лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое ОВ обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой. Больший диаметр сердцевины многомодового волокна упрощает ввод оптического излучения в волокно, а более мягкие требования к допустимым отклонениям для многомодового волокна позволяют уменьшить стоимость оптических приемо-передатчиков. Таким образом, многомодовое волокно преобладает в локальных и домашних сетях небольшой протяженности.
Основным недостатком многомодового ОВ является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления, благодаря чему моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а, следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше. Однако насколько не были бы сбалансированы градиентные многомодовые волокна, их пропускная способность не сравнится с одномодовыми технологиями.
Волоконно-оптические приёмопередатчики
Чтобы передать данные через оптические каналы, сигналы должны быть преобразованы из электрического вида в оптический, переданы по линии связи и затем в приёмнике преобразованы обратно в электрический вид. Эти преобразования происходят в устройстве приёмопередатчика, который содержит электронные блоки наряду с оптическими компонентами.
Широко используемый в технике передач мультиплексор с разделением времени позволяет увеличить скорость передачи до 10 Гб/сек. Современные быстродействующие волоконно-оптические системы предлагают следующие стандарты скорости передач.
| Стандарт SONET | Стандарт SDH | Скорость передачи |
|---|---|---|
| OC 1 | - | 51,84 Мб/сек |
| OC 3 | STM 1 | 155,52 Мб/сек |
| OC 12 | STM 4 | 622,08 Мб/сек |
| OC 48 | STM 16 | 2,4883 Гб/сек |
| OC 192 | STM 64 | 9,9533 Гб/сек |
Новые методы мультиплексного разделения длины волны или спектральное уплотнение дают возможность увеличить плотность передачи данных. Для этого многочисленные мультиплексные потоки информации посылаются по одному оптоволоконному каналу с использованием передачи каждого потока на разных длинах волны. Электронные компоненты в WDM-приемнике и передатчике отличаются по сравнению с теми, которые используются в системе с временным разделением.
Применение линий оптоволоконной связи
Оптоволокно активно применяется для построения городских, региональных и федеральных сетей связи, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Это связано с быстротой, надёжностью и высокой пропускной способностью волоконных сетей. Также посредством применения оптоволоконных каналов существуют кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы. В перспективе в оптоволоконных сетях предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические.
