Введение

В настоящее время телекоммуникационная индустрия претерпевает беспрецедентные изменения, связанные с переходом от голосоориентированных систем к системам передачи данных, что является следствием бурного развития Internet технологий и разнообразных сетевых приложений. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям для передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способности в соответствии с ростом объемов трафика.

Цифровая связь по оптическим кабелям, приобретающая всё большую актуальность, является одним из главных направлений научно-технического прогресса.

Преимущества цифровых потоков в их относительно лёгкой обрабатываемости с помощью ЭВМ, возможности повышения отношения сигнал/шум и увеличения плотности потока информации.

Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи работающими по металлическому кабелю заключается в:

Возможности получения световодов с малым затуханием и дисперсией, а значит увеличение дальности связи;

Широкой полосе пропускания, т.е. большой информационной ёмкости;

Оптический кабель не обладает электропроводностью и индуктивностью, то есть кабели не подвергаются электромагнитным воздействием;

Пренебрежимо малых перекрестных помех;

Низкой стоимостью материла оптического кабеля, его малый диаметр и масса;

Высокой скрытности связи;

Возможности усовершенствования системы при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Линейные тракты волоконно-оптических систем передачи строятся как двухволоконные однополосные одно кабельные, одноволоконные одно полосные однокабельные, одноволоконные многополосные одно кабельные (со спектральным уплотнением).

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости связи, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования пропускной способности оптического волокна за счёт одновременной передачи по нему большего объёма информации.

Цель работы - рассмотрение различных способов увеличения пропускной способности оптического волокна.

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну и основные параметры оптических волокон

Принципы передачи сигналов по оптическому волокну

В основе применения оптических волоконных сетей лежит принцип распространения световых волн по оптическим световодам на большие расстояния. При этом электрические сигналы, несущие информацию, преобразуются в световые импульсы, которые с минимальными искажениями передаются по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС). Большое распространение подобные системы получили благодаря целому ряду достоинств, которые есть у ВОЛС по сравнению с системами передачи, использующие медные кабели или радиолинии в качестве среды передачи. К числу преимуществ ВОЛС следует отнести широкую полосу пропускания, обусловленную высокой несущей частотой - до 10 14 Гц. Такая полоса дает возможность передавать потоки информации со скоростью несколько терабит в секунду. Важным преимуществом ВОЛС являются также такие факторы, как малое затухание сигналов, позволяющее, при использовании современных технологий, строить участки оптических систем в сто и более километров без ретрансляторов, высокая помехозащищенность, связанная с малой восприимчивостью оптического волокна к электромагнитным помехам, и многое другое.

Оптические волокна - один из основных компонентов ВОЛС. Они представляют собой комбинацию материалов, имеющих различные оптические и механические свойства.

Внешняя часть волокна изготавливается обычно из пластмасс или эпоксидных композиций, сочетающих высокую механическую прочность и большой коэффициент преломления света. Этот слой обеспечивает механическую защиту световода и его устойчивость к воздействию внешних источников оптического излучения.

Основная часть волокна состоит из сердцевины и оболочки. Материалом сердцевине служит сверхчистое кварцевое стекло, которое и является основной средой передачи оптических сигналов. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала сердцевины больше, чем у оболочки. Таким образом, при оптимально подобранном соотношении коэффициентов преломления материалов происходит полное отражение светового луча внутрь сердцевины.

Для передачи свет вводится под небольшим углом в торец оптического волокна. Максимальный угол проникновения светового импульса в сердечник волокна б 0 называется угловой апертурой оптического волокна. Синус угловой апертуры называется числовой апертурой NA и рассчитывается по формуле:

Из приведенной формулы следует, что числовая апертура световода NA зависит только от показателей преломления сердцевины и оболочки - n 1 и n 2 . При этом всегда выполняется условие: n 1 >n 2 (рисунок 1).

Рисунок 1 - Распространение света в оптическом волокне. Числовая апертура световода.

Если угол падения света б больше, чем б 0 , то луч света полностью преломляется и не попадает в сердечник оптического волокна (рис.2а). Если угол б меньше, чем б 0 , то происходит отражение от границы материалов сердечника о оболочки, и световой луч распространяется внутри сердечника (рис.2б).

Рисунок 2 - Условия распространения света в оптическом волокне

Скорость распространения света в оптическом волокне зависит от коэффициента преломления сердечника волокна и определяется как:

где С - скорость света в вакууме, n - коэффициент преломления сердечника.

Типичные коэффициенты преломления материала сердечника лежат в пределах 1,45 - 1,55.

Для того, чтобы передавать свет по оптическим волноводам, необходим источник строго когерентного света. Для увеличения дальности передачи ширина спектра передатчика должна быть как можно меньше. Для этой цели особенно подходят лазеры, которые, благодаря индуцированному излучению света, позволяют поддерживать постоянную разность фаз при одинаковой длине волн. В связи с тем, что диаметр сердцевины волокна сравним с длиной волны оптического излучения, в световоде возникает явление интерференции. Это может быть док5азано тем, что свет распространяется в стекле сердцевины только под определенными углами, а именно в направлениях, в которых введенные световые волны при их наложении усиливаются. Возникает так называемая конструктивная интерференция. Разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне, называются модами (или собственными волнами). В соответствии с типами распространения световых лучей, оптические волокна делятся на многомодовые, то есть использующие ряд световых волн, и одномодовые, в которых происходит распространение только одного светового луча. Для описания процессов распространения света в оптических волокнах используются несколько основных параметров.

Оптоволоконные кабели применяются для высокоскоростной передачи данных во множестве отраслей, особенно в сфере телекоммуникаций. Но что именно представляет собой оптоволоконный кабель? Как он работает? Как он сконструирован? В этой статье мы постараемся дать ответы на все эти вопросы.

Что такое оптоволоконные кабели?

В целом оптоволоконные кабели мало чем отличаются от кабелей других типов. За тем исключением, что для передачи данных в них используется не энергия (электроны), а свет (фотоны). Оптоволоконная передача данных – это общий термин, обозначающий передачу информации в форме света.

Как устроены оптоволоконные кабели?

В основе оптоволоконного кабеля лежит сердцевина, состоящая из кварцевого стекла или пластикового волокна. Именно эта сердцевина служит основным проводником света внутри кабеля. Между сердцевиной кабеля и его оболочкой находится еще один слой, называемый «пограничным» (boundary layer). Он служит для того, чтобы отражать свет. Индекс отражения света (refractive index) напрямую влияет на скорость передачи светового луча.

Далее находится сама оболочка сердцевины, которая также выступает в качестве проводника лучей света, однако имеет меньший индекс отражения, нежели сердцевина . Оболочку покрывает следующий слой, называемый «буферным» (buffer). Его функцией является предотвращение образования влажности внутри сердцевины и оболочки.
И наконец, финальный слой – внешнее покрытие кабеля, которое защищает кабель от механических повреждений.

Как оптоволоконные кабели передают лучи света?

Для передачи данных по оптоволокну, входящий электрический сигнал конвертируется в световой импульс при помощи специального электрооптического конвертера. После этого световой луч начинает движение по кабелям. В финальной точке своего маршрута луч попадает в оптоэлектронный конвертер, где преобразуется в электронные сигналы.
Различные типы оптоволоконных кабелей имеют различный диаметр сердцевины. Сердцевины с большим диаметром могут передавать больше лучей. Оптоволоконные кабели можно изгибать, однако следует убедиться, что кабель не изогнут слишком сильно, поскольку в этом случае передача световых лучей внутри кабеля может быть нарушена.

Какие бывают типы оптоволоконных кабелей?

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Рассмотрим их все.

Multi-mode fibres with step-index profile (Многомодовые кабели со ступенчатым показателем преломления)

Многомодовые кабели со ступенчатым показателем преломления являются самыми простыми оптоволоконными кабелями. Они состоят из стеклянного ядра, имеющего постоянный индекс отражения. Данный тип кабеля позволяет одновременно передавать несколько лучей, которые отражаются с различной интенсивностью и передаются по зигзагообразной траектории. Однако индекс отражения остается постоянным.
По причине того, что лучи многократно преломляются под различными углами, скорость передачи данных снижается. Кабели данного типа обеспечивают пропускную способность до 100 MHz и позволяют передавать сигналы на расстояние до 1 километра. Диаметры ядра кабелей данного типа обычно составляют: 100, 120 или 400 µm.
Multi-mode fibres with graded index (Многомодовые кабели с градиентным показателем преломления).

Также как и предыдущий тип кабеля, данный кабель позволяет одновременно передавать множество сигналов, однако сигналы внутри оптоволокна преломляются не зигзагом, а по параболической траектории, что позволяет существенно увеличить скорость передачи данных. К минусам данных кабелей можно отнести более высокую стоимость. Кабели данного типа обычно применяются для построения сетей высокоскоростной передачи данных.
Диаметры ядра: 50 µm, 62,5 µm, 85 µm, 100 µm, 125 µm, 140 µm.

Single-mode fibres (Одномодовые кабели)

Одномодовые оптоволоконные кабели имеют очень небольшой диаметр ядра и позволяют одновременно передавать только один сигнал. Отсутствие преломлений положительно сказывается на скорости и дистанции передачи данных. Одномодовые кабели стоят достаточно дорого, но обеспечивают отличные показатели пропускной способности и дальности передачи данных, до100(Gbit/s)км.

Каковы преимущества использования оптоволоконных кабелей?
По сравнению с обычными кабелями оптоволокно обеспечивает такие преимущества как:
Устойчивость к радиопомехам и перепадам напряжения
Повышенный уровень прочности
Высокоскоростная передача данных на большие расстояния
Устойчивость к электромагнитным помехам
Совместимость с кабелями других типов

Большинство технических специалистов, работающих с оптоволокном, знают об отличии многомодовых волокон от одномодовых. Но не все информированы о характеристиках оптических волокон и о протоколах передачи информации по ним. В статье приведены описания конкретных характеристик оптоволокон и протоколов передачи Ethernet, вызывающих, иногда, противоречивые толкования.

Характеристики оптических волокон

Пожалуй, не найдется специалиста-кабельщика, работающего с оптическим волокном, который не знал бы отличие многомодовых волокон от одномодовых. Мы не собираемся повторять прописные истины в данной статье. Остановимся на конкретных характеристиках оптоволокон, вызывающих, подчас, противоречивое толкование.

Оптические волокна допускают распространение сигналов передачи данных вдоль них при условии, что световой сигнал вводится в волокно под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе раздела двух сред из двух типов стекла, имеющего различные показатели преломления. В центре сердцевины находится особо чистое стекло с показателем преломления 1.5. Диаметр сердцевины находится в пределах от 8 до 62,5 мкм. Окружающее ядро стекло, называемое оптической оболочкой, немного менее свободное от примесей, имеет показатель преломления 1.45. Общий диаметр сердцевины и оболочки находится в пределах от 125 до 440 мкм. Поверх оптической оболочки наносят полимерные покрытия, укрепляющие волокно, защитные нити и внешнюю оболочку.

При вводе оптического излучения в волокно, луч света, падающий на его торец под углом больше критического, будет распространяться вдоль границы раздела двух сред в волокне. Каждый раз, когда излучение попадает на границу между ядром и оболочкой, оно отражается обратно в волокно. Угол ввода оптического излучения в волокно определяется максимально допустимым углом ввода, называемым числовой апертурой или апертурой волокна. Если вращать этот угол вдоль оси сердцевины, формируется конус. Любой луч оптического излучения, падающий на торец волокна в пределах этого конуса, будет передан дальше по волокну.

Находясь внутри сердцевины, оптическое излучение многократно отражаетсяот границы раздела двух прозрачных сред, имеющих различные показатели преломления. Если физические размеры сердцевины оптического волокна существенные, отдельные лучи света будут введены в волокно и, в последующем, претерпевают отражение под разными углами. Поскольку ввод лучей оптической энергии в волокно был осуществлен под разными углами, то и расстояния, которые они проходят, будут также различными. В результате, они достигают приемного участка волокна в разное время. Импульсный оптический сигнал, прошедший по волокну будет расширен, по сравнению с тем, который был отправлен, следовательно, ухудшается и качество переданного по оптоволокну сигнала. Это явление получило название модовой дисперсии (DMD).

Другой эффект, который тоже вызывает ухудшение передаваемого сигнала, получил название хроматической дисперсии . Хроматическая дисперсия обусловлена тем, что световые лучи разных длин волн распространяютсявдоль оптического волокна с различной скоростью. При передаче серии световых импульсов через оптоволокно, модовая и хроматическая дисперсии, в конечном итоге, могут вызвать слияние серии в один длинный импульс, возникновению интерференции бит сигнала и потере передаваемых данных.

Еще одной типичной характеристикой оптического волокна является затухание . Стекло, используемой для изготовления сердцевины оптического волокна (ОВ), является очень чистым, но, все же, не идеально. В результате, свет может поглощаться материалом стекла в оптоволокне. Другими потерями оптического сигнала в волокне могут быть рассеяние и потери, а также затухание от плохих оптических соединений. Потери при соединении оптоволокон могут быть вызваны смещением сердцевин волокна или его торцевых поверхностей, которые не были отполированы и очищеныдолжным образом.

Сетевые протоколы для оптической передачи Ethernet

Перечислим основные протоколы передачи Ethernet по многомодовым и одномодовым оптическим волокнам.

10BASE-FL - 10 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому оптоволокну.

100BASE-SX - 100 Мбит/с передача Ethernet по многомодовому ОВ на длине волны850-nm. Максимальное расстояние передачи до 300 м. Большие расстояния передачи возможны при использовании одномодового ОВ. Обратно совместимый с 10BASE-FL.

100BASE-FX - 100 Мбит/с передача Ethernet (Fast Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Максимальное расстояние передачи составляет до 400 м для полудуплексных соединений (с обнаружением коллизий) или до 2 км для полнодуплексной связи. Большие расстояния возможны с применением одномодового ОВ. Не обратно совместим с протоколом 10BASE-FL.

100BASE-BX - 100 Мбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ. В отличие от протокола 100BASE-FX, в котором используются два оптоволокна, 100BASE-BX работает по одному волокну с технологией WDM (Wavelength-Division Multiplexing), которая позволяет разделить длины волн сигнала на приеме и передаче. Для передачи и приема используются две длины волны из возможных: 1310 и 1550 nm или 1310 и 1490 nm. Расстояние передачи до 10, 20, или 40 км.

1000BASE-SX - 1 Гбит/с передача Ethernet (Gigabit Ethernet) по многомодовому ОВ на длине волны 850-nm и на максимальное расстояние до 550 м, в зависимости от используемого класса ОВ.

1000BASE-LX - 1 Гбит/с передача Ethernet (GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm на максимальное расстояние до 550 м. Протокол оптимизирован для передачи на большие расстояния (до 10 км) по одномодовому ОВ.

1000BASE-LH - - 1 Гбит/с передача Ethernet по одномодовому ОВ на максимальное расстояние до 100 км.

10GBASE-SR - 10 Гбит/с передача Ethernet (10 GigabitEthernet) по многомодовому ОВ на длине волны over 850-nm. Расстояние передачи может быть 26 м или 82 м, в зависимости от типа применяемого ОВ с сердцевиной 50- или 62.5 мкм. Поддержка передачи на расстояние 300 м по многомодовому ОВ класса ОМ3 и выше, с коэффициентом широкополосности не менее 2000 MГц/км.

10GBASE-LX4 - 10 Гбит/с передача Ethernetпо многомодовому ОВ на длине волны 1300-nm. Использует технологию WDM для передачи на расстояния до 300 м по многомодовым волокнам. Поддержка передачи по одномодовому ОВ на расстояния до 10 км.

В заключение статьи, приведем некоторые данные по используемым типам многомодовых оптических волокон и стандартам передачи. Данные сведены в табл.1 (выдержки из Стандартов).

Международный Стандарт: ISO/IEC 11801 “GenericCablingforCustomerPremises”

МеждународныйСтандарт: IEC 60793-2-10 “Product Specifications - Sectional Specification for Category A1 Multimode Fibers”

Стандарт ANSI/TIA/EIA-492-AAAx “Detail Specification for Class 1a Graded-Index Multimode Optical Fibers”

(1) класс OM1 многомодовое ОВ с сердцевиной 62.5-мкм или 50-мкм.

(2) класс OM2 многомодовое ОВ с сердцевиной 50-мкм или 62.5-мкм.

(3) класс OM4 ратифицирован IEEE в июне 2010 и является Стандартом 802.ba для 40G/100G Ethernet. Работает на расстояниях до 1000 м по 1 Гбит/с Ethernet, 550 м по 10 Гбит/с Ethernet и 150 м по 40 ГБит/с и 100 ГБит/с сетевым протоколам Ethernet.

(4) Международный Стандарт ISO/IEC 11801 определяет максимальное значение затухания ОВ. Стандарты IEC и TIA описывают(минимальное) или среднее затухание «голого» ОВ.

МИР ЦИФРЫ И СТЕКЛА

ВВЕДЕНИЕ

У оптоволоконной связи много хорошо известных преимуществ над витой парой и коаксиальными кабелями, например, невосприимчивость к электрическим помехам и непревзойденно широкая полоса пропускания

За последнюю четверть века оптоволоконная связь стала широко распространенным методом передачи видео- и аудиосигнала, других аналоговых сигналов и цифровых данных. У оптоволоконной связи много хорошо известных преимуществ над витой парой и коаксиальными кабелями, например, невосприимчивость к электрическим помехам и непревзойденно широкая полоса пропускания. По этим и многим другим причинам волоконно-оптические системы передачи информации все глубже проникают в самые разные области информационных технологий.

Цифровые системы обеспечивают очень высокую производительность, гибкость и надежность, и стоят при этом не больше, чем аналоговые решения, на смену которым они приходят

Однако, несмотря на эти преимущества, в оптоволоконных системах до недавнего времени использовались те же самые аналоговые технологии передачи сигнала, что и в их медных предшественниках. Сейчас, когда появилось новое поколение аппаратуры, основанное исключительно на цифровых методах обработки сигналов, оптоволоконная связь вновь выводит телекоммуникации на совершенно новый уровень. Цифровые системы обеспечивают очень высокую производительность, гибкость и надежность, и стоят при этом не больше, чем аналоговые решения, на смену которым они приходят.

В этом пособии рассматривается техника цифровой передачи сигнала по оптоволоконным кабелям и ее экономические и технологические преимущества.

АНАЛОГОВАЯ ПЕРЕДАЧА ПО ОПТОВОЛОКНУ

Чтобы в должной мере оценить преимущества цифровых технологий, давайте вначале рассмотрим традиционные методы передачи аналоговых сигналов по оптоволокну. Для передачи аналоговых сигналов используют амплитудную (АМ) и частотную (ЧМ) модуляцию. В обоих случаях на вход оптического передатчика поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Делается это по-разному.

В системах с амплитудной модуляцией оптический сигнал – это световой поток с интенсивностью, меняющейся в соответствии с изменениями входного электрического сигнала. В качестве источника света используются либо светодиоды, либо лазеры. К сожалению, и те и другие нелинейны, то есть в полном диапазоне яркостей от отсутствия излучения до максимального значения не соблюдается пропорциональность между входным сигналом и интенсивностью света. Тем не менее, именно такой способ управления используется в системах с амплитудной модуляцией. В результате возникают различные искажения передаваемого сигнала:

• снижение отношения сигнал/шум по мере роста длины кабеля;
• нелинейное дифференциальное усиление и фазовые ошибки при передаче видеосигнала;
• ограничение динамического диапазона аудиосигнала.

Для улучшения качества работы оптоволоконных систем передачи сигнала было предложено использовать частотную модуляцию, при которой источник света всегда либо выключен полностью, либо включен на полную мощность, а частота следования импульсов изменяется в соответствии с амплитудой входного сигнала. Для тех, кто знаком с частотной модуляцией сигналов в радиотехнике, применение здесь этого термина может показаться необоснованным, поскольку в контексте оптоволоконных систем это воспринимается как метод управления частотой самого светового излучения. Это не так, и в самом деле более правильно было бы использовать термин «фазоимпульсная модуляция» (ФИМ), но в области оптоволоконной техники устоялась именно такая терминология. Следует всегда помнить, что слово «частотная» в названии метода модуляции означает частоту следования импульсов, а не частоту несущих их световых волн.

При амплитудной модуляции уровень входного сигнала представляется интенсивностью светового луча

При частотной модуляции уровень входного сигнала представляется частотой следования световых импульсов
Рис. 1. Сравнение амплитудной и частотной модуляции

Хотя частотная модуляция устраняет многие проблемы управления яркостью излучателя, свойственные системам с АМ, у нее есть и свои трудности. Одна из них – известные в ЧМ-системах перекрестные помехи. Они наблюдаются, в частности, при передаче нескольких сигналов с частотной модуляцией по одному оптоволокну, например, при использовании мультиплексора. Перекрестные помехи возникают в передатчике или приемнике как результат нестабильности настройки важных схем фильтрации сигнала, предназначенных для разделения несущих частот. Если фильтры настроены некачественно, то частотно-модулированные несущие взаимодействуют друг с другом и искажаются. Инженеры, специализирующиеся на оптоволоконных системах, могут создать ЧМ-системы, в которых вероятность возникновения перекрестных помех сведена к минимуму, но любое усовершенствование конструкции влечет за собой возрастание стоимости приборов.

Еще один тип искажений называется интермодуляцией. Как и перекрестные помехи, интермодуляция возникает в системах, предназначенных для передачи сразу нескольких сигналов по одному оптоволокну. Интермодуляционные искажения возникают в передатчике чаще всего как результат нелинейности в цепях, общих для различных ЧМ-несущих. Как следствие, до объединения нескольких несущих в один оптический сигнал они действуют друг на друга, снижая точность передачи исходного сигнала.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ

Как и в аналоговых системах, на передатчики цифровых систем поступает низкочастотный аналоговый аудио- и видеосигнал или цифровые данные, которые преобразуются в оптический сигнал. Приемник получает оптический сигнал и выдает электрический сигнал исходного формата. Различие состоит в том, как сигналы обрабатываются и передаются от передатчика к приемнику.

Рис. 2. Цифровая система передачи аналогового сигнала

В чисто цифровых системах входной низкочастотный сигнал сразу поступает на аналого-цифровой преобразователь, который входит в состав передатчика. Там сигнал преобразуется в последовательность логических уровней – нулей и единиц, называемую цифровым потоком. Если передатчик многоканальный, то есть рассчитан на работу с несколькими сигналами, то несколько цифровых потоков объединяются в один, и он управляет включением и выключением одного излучателя, которое происходит с очень высокой частотой.

На приемном конце происходит обратное преобразование сигнала. Из комбинированного цифрового потока выделяются индивидуальные потоки, соответствующие отдельным передаваемым сигналам. Они поступают на цифро-аналоговые преобразователи, после чего выдаются на выходы в исходном формате (рис. 2).

Чисто цифровая передача сигнала имеет массу преимуществ над традиционными АМ- и ЧМ-системами – от универсальности и более качественного сигнала до меньшей стоимости монтажа. Давайте рассмотрим некоторые из преимуществ более подробно и попутно обсудим выгодные как для установщика систем, так и для их пользователя экономические показатели.

ТОЧНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА

В аналоговых системах с амплитудной модуляцией сигнал теряет качество пропорционально пути, пройденному по оптоволокну. Этот факт в сочетании с тем, что АМ-системы работают только с многомодовыми световодами, ограничивает применение таких систем сравнительно небольшими расстояниями передачи. ЧМ-системы работают несколько лучше: в них качество сигнала хотя и снижается, но в не очень длинных линиях остается примерно постоянным, резко снижаясь лишь при достижении некоторой предельной длины. Только в полностью цифровых системах гарантируется сохранение качества сигнала при передаче по оптоволоконной линии связи независимо от расстояния между передатчиком и приемником и количества передаваемых каналов (конечно, в пределах возможностей системы).

В аналоговых системах с амплитудной модуляцией сигнал теряет качество пропорционально пути, пройденному по оптоволокну. Этот факт в сочетании с тем, что АМ-системы работают только с многомодовыми световодами, ограничивает применение таких систем сравнительно небольшими расстояниями передачи

Точность воспроизведения передаваемого сигнала представляет значительную проблему при разработке систем для организации нескольких каналов передачи по одному оптоволокну (мультиплексоров). Например, в аналоговой системе, рассчитанной на передачу четырех каналов видео- или аудиосигнала, для того, чтобы уложиться в полосу пропускания системы, приходится ограничивать полосу, отводимую отдельным каналам. В цифровых системах не приходится идти на такой компромисс: по одному световоду можно передавать один, четыре и даже десять сигналов без снижения качества.

БОЛЕЕ ВЫСОКОЕ КАЧЕСТВО ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Рис. 3

Передача аналоговых сигналов в цифровой форме обеспечивает более высокое качество, чем чисто аналоговая. Искажение сигнала при таком способе передачи может происходить только при аналого-цифровом и обратном цифро-аналоговом преобразовании. Хотя никакое преобразование не идеально, современные технологии настолько совершенны, что даже недорогие АЦП и ЦАП обеспечивают гораздо более высокое качество видео- и аудиосигнала, чем можно достичь в аналоговых АМ- и ЧМ-системах. Это легко видно из сравнения отношений сигнал-шум и нелинейных искажений (дифференциальной фазы и дифференциального усиления) цифровых и аналоговых систем, предназначенных для передачи сигналов одного формата по оптоволокну одинакового типа на одной и той же длине волны.

Цифровые технологии предоставляют инженерам невиданную ранее гибкость при создании оптоволоконных систем. Теперь для различных рынков, задач и бюджетов легко подобрать нужный уровень производительности. Например, меняя разрядность аналого-цифрового преобразователя, можно влиять на необходимую для передачи сигнала полосу пропускания системы, и, как следствие, общую производительность и стоимость. При этом другие свойства цифровой системы – отсутствие искажений и независимость качества работы от длины линии – сохраняются вплоть до максимального расстояния передачи. При разработке аналоговых систем инженеры всегда находятся в клещах между стоимостью системы и ее техническими характеристиками, пытаясь сбалансировать их без ущерба для критически важных параметров передаваемых сигналов. В цифровых системах масштабирование систем и управление их производительностью и стоимостью – гораздо менее сложная задача.

НЕОГРАНИЧЕННОЕ РАССТОЯНИЕ ПЕРЕДАЧИ

Другое преимущество цифровых систем над аналоговыми предшественниками – их способность восстанавливать сигнал, не внося в него дополнительных искажений. Такое восстановление выполняется в специальном приборе, называемом репитером или линейным усилителем.

Преимущество, предоставляемое цифровыми системами, очевидно. В них сигнал может быть передан на расстояния, значительно превосходящие возможности АМ- и ЧМ- систем, при этом разработчик может быть уверен, что принятый сигнал точно совпадает с переданным и соответствует требованиям технического задания.

По мере прохождения света по оптоволокну его интенсивность постепенно снижается и, в конце концов, становится недостаточной для детектирования. Если же немного не доходя до того места, где свет становится слишком слабым, установить линейный усилитель, то он усилит сигнал до его исходной мощности, и его можно будет передавать дальше на такое же расстояние. Важно отметить, что в линейном усилителе восстанавливается цифровой поток, что не оказывает никакого влияния на качество закодированного в нем аналогового видео- или аудиосигнала независимо от того, сколько раз выполнялось восстановление в линейных усилителях на пути следования сигнала по длинной оптоволоконной линии.

Преимущество, предоставляемое цифровыми системами, очевидно. В них сигнал может быть передан на расстояния, значительно превосходящие возможности АМ- и ЧМ-систем, при этом разработчик может быть уверен, что принятый сигнал точно совпадает с переданным и соответствует требованиям технического задания.

МЕНЬШАЯ СТОИМОСТЬ

Оценивая те многочисленные преимущества, которыми обладают цифровые оптоволоконные системы, можно предположить, что они должны стоить гораздо дороже традиционных аналоговых систем. Однако это не так, и пользователи цифровых систем, напротив, экономят свои деньги.

На конкурентном рынке всегда найдется производитель, предлагающий цифровое качество по цене аналоговой системы

Стоимость цифровых компонентов существенно снизилась за последние годы, и изготовители оборудования смогли разработать и предложить к продаже изделия, которые стоят так же или даже дешевле, как и аналоговые приборы предыдущего поколения. Конечно, некоторые фирмы хотят убедить общественность в том, что превосходное качество цифровых систем можно получить только за дополнительную плату, но на деле они просто решили не делить сэкономленное со своими клиентами. Но на конкурентном рынке всегда найдется производитель, предлагающий цифровое качество по цене аналоговой системы.

Цифровые системы позволяют по одному кабелю передавать больший объем информации, тем самым снижая потребность в нем

На стоимость установки и эксплуатации оптоволоконной системы влияют и другие факторы. Наиболее очевидный из них - затраты на кабель. Цифровые системы позволяют по одному кабелю передавать больший объем информации, тем самым снижая потребность в нем. Преимущество особенно хорошо заметно там, где надо одновременно передавать сигналы различных типов, например, видео и звук или звук и данные. Без особых проблем инженеры смогут сконструировать цифровую систему с приемлемой стоимостью, в которой по одному оптоволокну будут передаваться сигналы различных типов, например, два канала видео и четыре канала звука. При использовании аналоговых технологий, скорее всего, пришлось бы делать две отдельные системы, или, как минимум, использовать два раздельных кабеля для передачи аудио- и видеосигналов.

Из-за меньшего количества компонентов, которые могут со временем выйти из строя, цифровые системы гораздо более стабильны и надежны

Даже в случаях, когда по одному оптоволокну надо передавать несколько однотипных сигналов, цифровые системы предпочтительнее, поскольку работают более надежно и обеспечивают более высокое качество сигнала. Например, в цифровом видеомультиплексоре можно передать десять каналов с одинаково высоким качеством, а в аналоговой системе такое вообще невозможно.

Следует учитывать и неизбежные за годы эксплуатации оптоволоконных систем расходы на техническое обслуживание и ремонт. И здесь преимущество за цифровыми системами. Во-первых, для них не требуется первоначальная настройка после монтажа – передатчик и приемник просто соединяются оптоволоконным кабелем, и система готова к работе. Аналоговым системам, как правило, требуется подстройка под параметры конкретной линии передачи, учитывающая ее длину и интенсивность сигнала. Дополнительное время на регулировку влечет за собой дополнительные затраты.

Передатчики и приемники для цифровых систем стоят дешевле, расход кабеля меньше, эксплуатационные расходы ниже

Из-за меньшего количества компонентов, которые могут со временем выйти из строя, цифровые системы гораздо более стабильны и надежны. Для них не потребуется повторная на- стройка, а поиск неисправности займет гораздо меньше времени, поскольку в них нет перекрестных искажений, дрейфа параметров и других недостатков, свойственных традиционным аналоговым системам.

Подведем итог. Передатчики и приемники для цифровых систем стоят дешевле, расход кабеля меньше, эксплуатационные расходы ниже. Цифровые оптоволоконные системы обеспечивают очевидное экономическое преимущество на всех уровнях.

ВЫВОДЫ

Как оптоволоконная технология имеет много преимуществ по сравнению с традиционными медными проводами и коаксиальными кабелями, так и цифровая передача информации продвигает оптоволоконную технологию на несколько ступеней вверх, давая пользователям целый набор новых полезных качеств. Цифровые системы обладают уникальными характеристиками: точностью передачи сигнала на всей длине линии связи, минимальными вносимыми искажениями (в том числе отсутствием перекрестных искажений и интермодуляции), возможностью многократного восстановления цифрового потока при его передаче по длинной линии без ущерба для качества закодированного в нем аналогового сигнала. Это гарантирует уровень верности воспроизведения аналогового сигнала, недостижимый для аналоговых систем.

Цены на компоненты цифровых и аналоговых оптоволоконных систем сопоставимы, а с учетом затрат на монтаж, эксплуатацию и техническое обслуживание цифровые системы дают очевидную экономическую выгоду.

Разрабатывая новую оптоволоконную систему, не тратьте время на анализ преимуществ и недостатков цифровых и аналоговых систем, поскольку выбор совершенно очевиден: цифровые системы лучше с любой точки зрения. Гораздо полезнее будет ограничиться только ими и подобрать те изделия, которые наилучшим образом соответствуют вашим потребностям. Даже среди цифровых систем существует огромное разнообразие решений. Вот некоторые вопросы, которые помогут вам при их оценке:

• насколько проста установка системы?
  • если передатчик и приемник настраиваются пользователем, то насколько просто это сделать и какие существуют проблемы?
• компактна ли, прочна и надежна конструкция приборов?
• выпускаются ли приборы в настольных корпусах или предназначены для установки в стойку? Существуют ли варианты в обоих типах корпусов?
  • пригодны ли приборы для использования как с одномодовыми, так и многомодовыми световодами?
  • обладает ли изготовитель достаточным опытом и репутацией на рынке предлагаемых им изделий?
  • как соотносится цена изделия с ценой традиционных аналоговых систем? (Цифровые приборы в производстве не дороже аналоговых и их стоимость не должна быть выше).

Анализ рынка и сравнение характеристик аналогичных изделий позволит вам в итоге подобрать элементы цифровых оптоволоконных систем, которые верой и правдой будут служить вам в течение многих лет.

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.