Российский государственный педагогический
Университет им.
Реферат
по архитектуре ЭВМ
на тему:
“Волоконно – оптические сети”
Выполнила: ЮнченкоТ.
студент II курса
ф-та ИОТ, группа 2.2
Проверил:
Санкт-Петербург 2004
1. Устройство оптического кабеля
2. Классификация оптических волокон
3. Передача информации по оптоволокну
4. DWDM и трафик
5. DWDM завтра
6. Литература
Волоконно-оптические сети и технология DWDM
Устройство оптического кабеля
Основным элементом оптического кабеля (ОК) является оптический волновод - круглый стержень из оптически прозрачного диэлектрика. Оптические волноводы из-за малых размеров поперечного сечения обычно называют волоконными световодами (ВС) или оптическими волокнами (ОВ).
Известна двойственная природа света: волновая и корпускулярная. На базе изучения этих свойств разработаны квантовая (корпускулярная) и волновая (электромагнитная) теории света. Эти теории нельзя противопоставлять. Лишь в своей совокупности они позволяют объяснить известные оптические явления.
Оптическое волокно состоит из сердцевины, по которой распространяются световые волны, и оболочки. Сердцевина служит для передачи световых волн. Назначение оболочки - создание лучших условий отражения на границе “ сердцевина - оболочка “ и защита от излучения энергии в окружающее пространство.
В общем случае в ОВ могут распространяться три типа волн: направляемые, вытекающие и излучаемые. Действие и преобладание какого-либо типа волн связаны в первую очередь с углом падения волны на границу “ сердцевина - оболочка “ ОВ. При определенных углах падения лучей на торец ОВ имеет место явление полного внутреннего отражения на границе “сердцевина - оболочка “ ОВ. Оптическое излучение как бы запирается в сердцевине и распространяется только в ней.
Классификация оптических волокон
Различают одномодовый и многомодовый режимы передачи излучения по ОВ. При многомодовом режиме распространения излучения по ОВ условие полного внутреннего отражения выполняются для бесконечного множества лучей. Это возможно только для ОВ, у которых сердцевины много больше, чем длины распространяемых волн. Такие ОВ называются многомодовые.
В одномодовых ОВ в отличие от многомодовых распространяется только один луч, и, следовательно, искажение сигнала, вызванные разным временем распространения различных лучей, отсутствуют.
Все ОВ разделяются на группы по типу распространяющегося излучения, на подгруппы по типу - по типу профиля показателя преломления и на виды - по материалу сердечника и оболочки.
Различают следующие группы ОВ:
Многомодовое (М)
Одномодовое без сохранения поляризации излучения (Е)
Одномодовое с сохранением поляризации излучения (П)
Группа многомодовых ОВ подразделяются на две под группы:
С ступенчатым показателем преломления (С)
С градиентным показателем преломления (Г)
Кроме того, ОВ подразделяются на следующие виды:
Сердцевина и оболочка кварцевые
Сердцевина кварцевая, а оболочка полимерная
Сердцевина и оболочка из многокомпонентного стекла
Сердцевина и оболочка из полимерного материала
По назначению оптические кабели связи разделяются на:
Городские
Зоновые
Магистральные
В зависимости от условий прокладки различают стационарные и линейные оптические кабели. Последние, в свою очередь, разделяют на кабели, предназначенные для прокладки в канализации и коллекторах , грунте, для подвески на опорах и стойках, для подводной прокладки.
Передача информации по оптоволокну
Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбайт/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий - это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты. Однако не так много людей представляют себе, как вообще происходит передача информации по оптоволокну, и тем более не знакомы с конкретными реализациями технологий. Мы рассмотрим одну из них - технологию DWDM (dense wavelength-division multiplexing).
Вначале рассмотрим, как вообще передается информация по оптоволокну. Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров (10-9 м). Это область инфракрасного излучения, не видимого человеческим глазом. И основная идея состоит в том, что при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача - принять это излучение на другом конце волокна. Конечно, за столь кратким описанием скрывается огромная и трудная работа многих людей. Не надо думать, что такой материал просто создать или что этот эффект очевиден. Наоборот, к этому нужно относиться как к большому открытию, так как сейчас это обеспечивает лучший способ передачи информации. Нужно понимать, что материал волновода - это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.
Что же касается конкретно технологии, называемой «мультиплексинг», то это означает, что вы одновременно передаете несколько длин волн. Между собой они не взаимодействуют, а при приеме или передаче информации интерференционные эффекты (наложение одной волны на другую) несущественны, так как наиболее сильно они проявляются при кратных длинах волн. Здесь же речь идет об использовании близких частот (частота обратно пропорциональна длине волны, поэтому все равно, о чем говорить). Устройство под названием «мультиплексор» - это аппарат для кодирования или декодирования информации в формат волн и обратно. После этого короткого введения перейдем уже к конкретному описанию технологии DWDM.
Основные характеристики мультиплексоров DWDM, которые отличают их от просто WDM-мультиплексоров:
использование только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA нм (EDFA - система оптического усиления; EDFA - оптический повторитель, он позволяет восстанавливать оптическую мощность сигнала, теряемую при прохождении по длинной линии, без преобразований в электрический сигнал и обратно. Оптическое волокно, легированное редко-земельным элементом эрбием, обладает способностью поглощать свет одной длины волны и испускать на другой длине волны. Внешний полупроводниковый лазер посылает в волокно инфракрасный свет с длиной волны 980 или 1480 миллимикрон, возбуждая атомы эрбия. Когда в волокно поступает оптический сигнал с длиной волны от 1530 до 1620 миллимикрон, возбужденные атомы эрбия излучают свет с той же длиной волны, что и входной сигнал. Исключение преобразований световых сигналов в электрические и обратно упрощает и удешевляет усилительную аппаратуру и позволяет не вносить дополнительных искажений при преобразованиях. Усилители EDFA применяют на «дальнобойных» линиях, где трудно установить сложную промежуточную усилительную аппаратуру (например, подводный кабель). Для справки скажем, что длина волны видимого света 400-800 нм.
Кроме того, поскольку само название говорит о плотной (dense) передаче каналов, то количество каналов больше, чем в обычных WDM-схемах, и достигает нескольких десятков. Из-за этого возникает потребность создать устройства, которые способны добавлять канал или извлекать его, в отличие от обычных схем, когда происходит кодирование или декодирование всех каналов сразу. С такими устройствами, работающими с одним каналом из многих, связывается понятие пассивной маршрутизации по длинам волн. Также понятно, что работа с большим числом каналов требует большей точности устройств кодирования и декодирования сигнала и предъявляет более высокие требования к качеству линии. Отсюда очевидное повышение стоимости устройств - при одновременном снижении цены за передачу единицы информации из-за того, что теперь ее можно передавать в большем объеме.
Вот как происходит работа демультиплексора с зеркалом (схема на рис. 1а). Приходящий мультиплексный сигнал попадает на входной порт. Затем этот сигнал проходит через волновод-пластину и распределяется по множеству волноводов, представляющих собой дифракционную структуру AWG (arrayed waveguide grating). По-прежнему сигнал в каждом из волноводов остается мультиплексным, а каждый канал - представленным во всех волноводах, то есть пока что произошло лишь распараллеливание. Далее происходит отражение сигналов от зеркальной поверхности, и в итоге световые потоки вновь собираются в волноводе-пластине, где происходит их фокусировка и интерференция. Это приводит к образованию интерференционной картины с пространственно разнесенными максимумами, причем обычно расчет геометрии пластины и зеркала делают так, чтобы эти максимумы совпадали с выходными полюсами. Мультиплексирование происходит обратным путем.
Рис. 1. Схемы DWDM-мультиплексоров: а) с отражающим элементом; б) с двумя волноводами-пластинами
Другой способ построения мультиплексора базируется не на одной, а на паре волноводов-пластин (рис. 1б). Принцип действия такого устройства аналогичен предыдущему случаю, за исключением того, что здесь для фокусировки и интерференции используется дополнительная пластина.
DWDM-мультиплексоры, являясь чисто пассивными устройствами, вносят большое затухание в сигнал. Например, потери для устройства (см. рис. 1а), работающего в режиме демультиплексирования, составляют 10-12 дБ, при дальних переходных помехах менее –20 дБ и полуширине спектра сигнала 1 нм (по материалам Oki Electric Industry). Из-за больших потерь часто возникает необходимость установления оптического усилителя перед DWDM-мультиплексором и/или после него.
Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования, бесспорно, является расстояние между соседними каналами. Стандартизация пространственного расположения каналов нужна уже хотя бы потому, что на ее основе можно будет начинать проведение тестов на взаимную совместимость оборудования разных производителей. Сектор по стандартизации телекоммуникаций Международного союза по электросвязи ITU-T утвердил частотный план DWDM с расстоянием между соседними каналами 100 ГГц, что соответствует разнице длин волн в 0,8 нм. Еще обсуждается вопрос о передаче информации с разницей в длинах волн 0,4 нм. Казалось бы, разницу можно сделать и еще меньшей, добившись тем самым большей пропускной способности, но при этом возникают чисто технологические трудности, связанные с изготовлением лазеров, генерирующих строго монохроматический сигнал (постоянной частоты без помех), и дифракционных решеток, которые разделяют в пространстве максимумы, соответствующие различным длинам волн. При использовании разделения 100 ГГц все каналы равномерно заполняют используемый диапазон, что удобно при настройке оборудования и его переконфигурации. Выбор интервала разделения определяется необходимой пропускной способностью, типом лазера и степенью помех на линии. Однако нужно учитывать, что при работе даже в столь узком диапазоне (нм) влияние нелинейных помех на границах этой области весьма существенно. Этим объясняется тот факт, что с увеличением числа каналов необходимо увеличивать мощность лазера, но это, в свою очередь, приводит к снижению отношения «сигнал/шум». В результате использование более жесткого уплотнения пока не стандартизовано и находится в стадии разработки. Еще один очевидный минус увеличения плотности - уменьшение расстояния, на которое сигнал может быть передан без усиления или регенерации (чуть подробнее об этом будет сказано ниже).
Отметим, что упомянутая выше проблема нелинейности присуща системам усиления, основанным на кремнии. Сейчас разрабатываются более надежные фтор-цирконатные системы, обеспечивающие большую линейность (во всей области нм) коэффициента усиления. С увеличением рабочей области EDFA становится возможным мультиплексирование 40 каналов STM-64 с интервалом 100 ГГц общей емкостью 400 ГГц в расчете на волокно (рис. 2).
Рис. 2. Спектральное размещение каналов в волокне
В таблице приведены технические характеристики одной из мощных мультиплексных систем, использующих частотный план 100/50 ГГц, производства фирмы Ciena Corp.
|
Системный уровень |
Емкость, Гбит/c |
каналов по 2,5 Гбит/с) |
|
OC-48/(STM-16)/OC-48c/STM-16c |
||
|
Частотный план | ||
|
Возможные конфигурации |
5 пролетов по 25 дБ -(500 км) 2 пролета по 33 дБ -(240 км) |
|
|
Системная частота появления ошибок (BER) | ||
|
Канальные интерфейсы |
Короткие/промежуточные дистанции, STM-16/G.957 I-16 & S.16.1, внутриофисные приложения |
|
|
Уровень входного сигнала, дБм |
от -18 до -3 |
|
|
Уровень выходного сигнала, дБм | ||
|
Длина волны вводимого излучения, нм | ||
|
Сетевое управление |
Система управления |
WaveWatch производства CIENA по SNMP или TMN |
|
Стандартный интерфейс |
VT100(TM), асинхронный RS-232, удаленный доступ через Telnet, ITU TMN, TL-1, SNMP |
|
|
Мониторинг работоспособности каналов |
Канальные битовые ошибки через B1 заголовка SDH, контроль оптической мощности в каждом канале |
|
|
Удаленные интерфейсы |
RS-422/X.25 (TL-1 интерфейс), IP/802.3 через 10Base-T |
|
|
Оптический служебный канал |
2,048 Мбит/с на длине волны 1625 нм |
|
|
Характеристики по питанию |
Напряжение питания, В, постоянный ток |
от -48 до -58 |
|
Потребляемая мощность при 40 каналах, Вт |
800 типичное, 925 (максимум) - стойка 1, 1000 типичное,1250 (максимум) - стойка 2 |
Остановимся подробнее на системе оптического усиления. В чем состоит проблема? Изначально сигнал генерируется лазером и отправляется в волокно. Он распространяется по волокну, претерпевая изменения. Основным изменением, с которым нужно бороться, является рассеяние сигнала (дисперсия). Оно связано с нелинейными эффектами, возникающими при прохождении волнового пакета в среде и очевидным образом объясняется сопротивлением среды. Тем самым возникает проблема передачи на большие расстояния. Большие - в смысле сотен или даже тысяч километров. Это на 12 порядков больше длины волны, поэтому не удивительно, что даже если нелинейные эффекты малы, то в сумме на таком расстоянии с ними нужно считаться. Плюс к тому нелинейность может быть в самом лазере. Есть два способа добиться уверенной передачи сигнала. Первый - это установка регенераторов, которые будут принимать сигнал, декодировать его, генерировать новый сигнал, полностью идентичный пришедшему, и отправлять его дальше. Этот метод эффективен, но такие устройства являются весьма дорогими, и увеличение их пропускной способности или добавление новых каналов, которые они должны обрабатывать, связано с трудностями по переконфигурации системы. Второй способ - это просто оптическое усиление сигнала, полностью аналогичное усилению звука в музыкальном центре. В основе такого усиления лежит технология EDFA. Сигнал не декодируется, а лишь наращивается его амплитуда. Это позволяет избавиться от потерь скорости в узлах усиления, а также снимает проблему добавления новых каналов, так как усилитель усиливает все в заданном диапазоне
На основе EDFA потери мощности в линии преодолеваются путем оптического усиления (рис. 3). В отличие от регенераторов такое «прозрачное» усиление не привязано к битовой скорости сигнала, что позволяет передавать информацию на более высоких скоростях и наращивать пропускную способность до тех пор, пока не вступают в силу другие ограничивающие факторы, такие как хроматическая дисперсия и поляризационная модовая дисперсия. Также усилители EDFA способны усиливать многоканальный WDM-сигнал, добавляя еще одно измерение в пропускную емкость.
Рис. 3. Оптические системы связи на основе: а) каскада регенерационных повторителей; б) каскада оптических усилителей EDFA
Хотя оптический сигнал, генерируемый исходным лазерным передатчиком, имеет вполне определенную поляризацию, все остальные узлы на пути следования оптического сигнала, включая оптический приемник, должны проявлять слабую зависимость своих параметров от направления поляризации. В этом смысле оптические усилители EDFA, характеризуясь слабой поляризационной зависимостью коэффициента усиления, имеют ощутимое преимущество перед полупроводниковыми усилителями. На рис. 3 приведены схемы работы обоих методов.
В отличие от регенераторов оптические усилители вносят дополнительный шум, который необходимо учитывать. Поэтому, наряду с коэффициентом усиления, одним из важных параметров EDFA является коэффициент шума. Технология EDFA более дешевая, по этой причине она чаще используется в реальной практике.
Поскольку EDFA, по крайней мере по цене, выглядит привлекательнее, давайте разберем основные характеристики этой системы. Это мощность насыщения, характеризующая выходную мощность усилителя (она может достигать и даже превосходить 4 Вт); коэффициент усиления, определяемый как отношение мощностей входного и выходного сигналов; мощность усиленного спонтанного излучения определяет уровень шума, который создает сам усилитель. Здесь уместно привести пример музыкального центра, где можно проследить аналогии по всем этим параметрам. Особенно важен третий (уровень шума), и желательно, чтобы он был как можно меньшим. Используя аналогию, вы можете попробовать включить музыкальный центр, не запуская никакого диска, но при этом повернуть ручку громкости до максимума. В большинстве случаев вы услышите некоторый шум. Этот шум создается системами усиления просто потому, что на них подается питание. Аналогично в нашем случае возникает спонтанное излучение, но поскольку усилитель рассчитан на испускание волн в определенном диапазоне, то фотоны именно этого диапазона будут с большей вероятностью испускаться в линию. Тем самым будет создаваться (в нашем случае) световой шум. Это накладывает ограничение на максимальную длину линии и количество оптических усилителей в ней. Коэффициент же усиления обычно подбирается такой, чтобы восстановить изначальный уровень сигнала. На рис. 4 приведены сравнительные спектры выходного сигнала при наличии и отсутствии сигнала на входе.
Рис. 4. Выходной спектр EDFA, снятый спектральным анализатором (ASE - спектральная плотность шума)
Еще одним параметром, который удобно использовать при характеристике усилителя, является шум-фактор - это соотношение параметров «сигнал/шум» на входе и выходе усилителя. В идеальном усилителе такой параметр должен быть равен единице.
Для усилителей EDFA существует три способа применения: предусилители, линейные усилители и усилители мощности. Первые устанавливаются непосредственно перед приемником. Это делается для увеличения отношения «сигнал/шум», что обеспечивает возможность использования более простых приемников и может снизить цену оборудования. Линейные усилители имеют своей целью простое усиление сигнала в протяженных линиях или в случае разветвления таких линий. Усилители мощности используются для усиления выходного сигнала непосредственно после лазера. Это связано с тем, что мощность лазера тоже ограничена и иногда легче просто поставить оптический усилитель, чем устанавливать более мощный лазер. На рис. 5 схематически показаны все три способа применения EDFA.
Рис. 5. Применение разных типов оптических усилителей
Помимо описанного выше прямого оптического усиления, в настоящее время готовится к выходу на рынок усиливающее устройство, использующее для этих целей эффект рамановского усиления и разработанное в лабораториях Белла (Bell Labs). Суть эффекта заключается в том, что из точки приема навстречу сигналу посылается лазерный луч определенной длины волны, который раскачивает кристаллическую решетку волновода таким образом, что она начинает излучать фотоны в широком спектре частот. Тем самым общий уровень полезного сигнала поднимается, что позволяет несколько увеличить максимальное расстояние. Сегодня это расстояние составляет 160-180 км, по сравнению с 70-80 км без рамановского усиления. Эти устройства производства Lucent Technologies появятся на рынке в начале 2001 года.
То, о чем было рассказано выше, является технологией. Теперь несколько слов о реализациях, которые уже существуют и активно используются на практике. Во-первых, отметим, что применение оптоволоконных сетей - это не только Интернет и, может быть, не столько Интернет. По оптоволоконным сетям можно передавать голос и телеканалы. Во-вторых, скажем, что существует несколько разных типов сетей. Нас интересуют магистральные сети дальней связи, а также локализованные сети, например внутри одного города (так называемые метрополитен-решения). При этом для магистральных каналов связи, где отлично работает правило «чем толще труба, тем лучше», технология DWDM является оптимальным и обоснованным решением. Другая ситуация складывается в городских сетях, в которых запросы по передаче трафика не столь велики, как у магистральных каналов. Здесь операторы используют старый добрый транспорт на основе SDH/SONET, работающий в диапазоне длин волн 1310 нм. В этом случае для решения проблемы недостаточной пропускной способности, которая, кстати, для городских сетей пока стоит не очень остро, можно использовать новую технологию SWDM, которая является своеобразным компромиссом между SDH/SONET и DWDM (подробнее о технологии SWDM читайте на нашем CD-ROM). В соответствии с этой технологией одни и те же узлы волоконно-оптического кольца поддерживают и одноканальную передачу данных на длине волны 1310 нм, и спектральное уплотнение в диапазоне 1550 нм. Экономия достигается за счет «включения» дополнительной длины волны, для чего требуется добавить модуль в соответствующее устройство.
DWDM и трафик
Одним из важных моментов при использовании технологии DWDM является передающийся трафик. Дело в том, что большинство оборудования, существующего в настоящее время, поддерживает передачу только одного типа трафика на одной длине волны. В результате нередко возникает ситуация, когда трафик не до конца заполняет оптоволокно. Таким образом по каналу с формальной пропускной способностью, эквивалентной, например, STM-16, передается менее «плотный» трафик.
В настоящее время появляется оборудование, реализующее полную загрузку длин волн. При этом одна длина волны может быть «наполнена» разнородным трафиком, скажем, TDM, ATM, IP. В качестве примера можно привести оборудование семейства Chromatis производства Lucent Technologies, которое может передавать на одной длине волны все типы трафика, поддерживаемые интерфейсами ввода/вывода. Это достигается за счет встроенных кросс-коммутатора TDM и коммутатора АТМ. Причем дополнительный коммутатор АТМ не является ценообразующим. Другими словами, дополнительная функциональность оборудования достигается практически при той же стоимости. Это позволяет прогнозировать, что будущее - за универсальными устройствами, способными передавать любой трафик с
оптимальным использованием полосы пропускания.
DWDM завтра
Плавно перейдя к тенденциям развития этой технологии, мы наверняка не откроем Америки, если скажем, что DWDM является наиболее перспективной оптической технологией передачи данных. Это можно связывать в большей мере с бурным ростом Интернет-трафика, показатели роста которого приближаются к тысячам процентов. Основными же отправными точками в развитии станут увеличение максимальной длины передачи без оптического усиления сигнала и реализация большего числа каналов (длин волн) в одном волокне. Сегодняшние системы обеспечивают передачу 40 длин волн, что соответствует 100-гигагерцевой сетке частот. На очереди к выходу на рынок устройства с 50-гигагерцевой сеткой, поддерживающие до 80 каналов, что соответствует передаче терабитных потоков по одному волокну. И уже сегодня можно услышать заявления лабораторий фирм-разработчиков, таких как Lucent Technologies или Nortel Networks, о скором создании 25-гигагерцевых систем.
Однако, несмотря на столь бурное развитие инженерной и исследовательской мысли, рыночные показатели вносят свои коррективы. Прошедший год ознаменовался серьезным падением оптического рынка, что подтверждается существенным падением курса акций Nortel Networks (29% за один день торгов) после объявления ею о трудностях со сбытом своей продукции. В аналогичной ситуации оказались и другие производители.
В то же время, если на западных рынках наблюдается некоторое насыщение, то восточные только начинают разворачиваться. Наиболее ярким примером служит рынок Китая, где десяток операторов национального масштаба наперегонки строят магистральные сети. И если «у них» вопросы построения магистральных сетей уже практически решены, то в нашей стране, как это ни печально, пока просто нет необходимости в толстых каналах для передачи собственного трафика. Тем не менее прошедшая в начале декабря выставка «Ведомственные и корпоративные сети связи» выявила огромный интерес отечественных связистов к новым технологиями , и к DWDM в том числе. И если такие монстры, как «Транстелеком» или «Ростелеком», уже имеют транспортные сети масштаба государства, то нынешние энергетики только начинают их строить. Так что, несмотря на все неурядицы, за оптикой - будущее. И немалую роль здесь сыграет DWDM.
Литература
1. http://www. *****/production. php4?&rubric97
2. Журнал КомпьютерПресс №1 2001
В основе построения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) положен принцип трансляции световых волн на большие расстояния. При этом электрические сигналы (видео сигналы от видеокамер, сигналы управления видеокамерами и данные), поступают на передатчик, и далее преобразуются в световые импульсы, передавая данные с минимальными искажениями.
Большое распространение волоконно-оптические линии получили благодаря целому ряду достоинств, которые отсутствуют при трансляции сигналов по медным кабелям (коаксиальные и витая пара) или по радио.
Основные достоинства оптоволокна (ВОЛС):
- широкая полоса пропускания
- малое затухание сигналов
- отсутствие электромагнитных помех
- дальность на десятки километров
- срок службы более 25 лет
Виды оптоволокна
При построении волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) используют многомодовое и одномодовое оптоволокно.
Оно состоит из ядра и оболочки. Материалом ядра служит сверхчистое кварцевое стекло. Удержание светового импульса происходит вследствие того, что коэффициент преломления материала ядра (N1) больше чем у оболочки (N2). Так происходит полное отражение светового луча внутри ядра оптоволокна.
Многомодовое оптоволокно 50/125 nm и 62,5/125 nm позволяет передавать одновременно несколько сотен разрешенных световых мод, вводимых под разными углами. Все разрешенные моды имеют разные траектории распространения и, соответственно, различное время распространения. Поэтому главный недостаток - большая величина модовой дисперсии, ограничивающая полосу пропускания, - из-за которого передатчик по оптоволокну имеет малую дальность. В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) осуществляется трансляция данных на расстояние не более 4-5 км.
Для уменьшения модовой дисперсии и сохранения высокой полосы пропускания, на практике применяют волоконно-оптические линии с градиентным профилем показателя преломления сердцевины кабеля. В отличие от стандартных многомодовых волокон, имеющих постоянный профиль преломления материала ядра, такое оптоволокно имеет показатель преломления N, который плавно уменьшается от центра к оболочке.
Одномодовое оптоволокно 9/125 nm сконструировано таким образом, что в ядре может распространяться только одна, основная мода. Именно поэтому такие волокна имеют наилучшие характеристики, и наиболее активно используются при строительстве ВОЛС. Основные преимущества - малое затухание 0,25 db/км, минимальная величина модовой дисперсии и широкая полоса пропускания - благодаря которым обеспечивается бесперебойная трансляция электрических сигналов.
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.
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.
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.
