Примеры организация каналов по ВОЛС: Ethernet

ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ

 

Оптический диапазон. Электромагнитные колебания оптического диапазона обладают малой длиной волны в сравнении с радиоволнами, поэтому для их измерения используются следующие единицы: микро­метры (1 мкм =10-⁶ м), нанометры (1 нм = 10-⁹ м).

Оптическим диапазоном называется участок спектра электромаг­нитного излучения, соответствующий длинам волн 0,01 ... 100 мкм и частотам 3-10¹³ ... 3-10¹⁶ Гц. Со стороны более коротких волн он при­мыкает к рентгеновскому диапазону, а со стороны более длинных — к радиодиапазону. Часто оптический диапазон делят на три поддиапазона: ультрафиолетовые волны 0,01 ... 0,38 мкм, видимые волны 0,38 ... 0,74 мкм и инфракрасные волны 0,74 ... 100 мкм.

Считается, что для целей связи перспективны волны длиной 0,3 ... ...30 мкм. Однако в настоящее время используется ничтожная доля оптического диапазона, соответствующая узким полосам в основном вблизи следующих длин волн: 0,53 мкм, 0,63 мкм, 0,8 ... 0,9 мкм, 1,06 мкм, 1,3 ... 1,5 мкм и 10,6 мкм. Объясняется это, во-первых, высокими техническими параметрами (мощностью излучения, КПД, полосой частот модуляции, сроком службы и др.) источников света (лазеров, светодиодов), а во-вторых, наличием соответствующих полос пропускания (“окон прозрачности”) у используемых сред, в которых распространяется оптическое излучение (атмосфера, кварцевое стекло и др.). Этот вопрос далее будет освещен более подробно.

 

Достоинства и недостатки оптического диапазона с точки зрения связи. В оптическом диапазоне принципиально возможно создание ОСС с громадной пропускной способностью, что обусловлено чрезвы­чайно высокой частотой оптической несущей. Так, на волне 1 мкм от­носительной полосе частот всего в 1 % соответствует полоса передава­емых частот 3-10¹⁸ Гц, равная полосе частот всего радиодиапазона, начинающегося с длины волны 0,1 мм. Практическая реализация этой возможности связана с созданием соответствующих устройств модуля­ции и демодуляции света. В настоящее время достигнута полоса около 10⁹ Гц.

Другим важным достоинством является возможность создания ма­логабаритных оптических антенн с огромным коэффициентом усиле­ния. Это объясняется тем, что в случае когерентного излучения коэффи­циент усиления обратно пропорционален квадрату длины волны. По­этому оптическая антенна с апертурой диаметром всего 10 см на волне 1 мкм позволяет достичь коэффициента усиления около 107 дБ. Для получения такого усиления в радиодиапазоне на волне 3 см потребо­валась бы антенна диаметром около 3 км. Это достоинство оптического диапазона играет первостепенную роль при связи в космическом про­странстве на большие расстояния.

В оптическом диапазоне принципиально возможно осуществить передачу сигналов в полосе частот до нескольких гигагерц по воло­конным световодам без промежуточной ретрансляции на расстояние до нескольких сотен километров.

В оптическом диапазоне гораздо проще, чем в радиодиапазоне, ре­шается проблема электромагнитной совместимости средств передачи информации ввиду острой направленности оптических антенн, слабой “заселенности” диапазона и большей его ширины.

Существенным достоинством является также возможность миниа­тюризации всех элементов ОСС, включая антенны.

Наряду с этим ОСС свойственны серьезные недостатки. Так, отме­ченная выше возможность реализации большого усиления антенн при­водит к серьезной проблеме их наведения на корреспондента и сопро­вождения в процессе связи, что обусловлено чрезвычайно малой ши­риной диаграммы направленности (при диаметре апертуры 10 см и дли­не волны 1 мкм она может иметь значение около З", при этом точность наведения и сопровождения должна быть не хуже 1"). В случае движу­щихся объектов, как, например, при связи в космическом пространстве, обеспечение требуемой точности вызывает значительные трудности. В настоящее время достигнуты точности порядка 3 ... 5".   

Другая проблема, с которой сталкиваются при связи в оптическом диапазоне, — обеспечение высокой надежности на линиях, трассы ко­торых частично или полностью проходят в атмосфере Земли ввиду силь­ного роста потерь света за счет осадков и загрязнения атмосферы. Так, например, в густом тумане погонное затухание может достичь 100 дБ/ км. Фактически этот фактор существенно ограничивает использова­ние ОСС для связи в атмосфере и связь с космическими объектами че­рез атмосферу.

Серьезным недостатком является трудность практической реализа­ции гетеродинного приема в оптике, обусловленная сильной чувстви­тельностью к флуктуациям направления прихода сигнальной световой волны и нарушениям ее пространственной когерентности за счет слу­чайных неоднородностей среды. По этим причинам указанный вид приема в настоящее время почти не применяется. В радиодиапазо­не положение обратное: применяется почти исключительно гетеродин­ный прием.

Наконец, необходимо отметить, что серьезные трудности вызывает реализация в оптике фазовых методов передачи ввиду недостаточной узкополосности и частотной стабильности используемого оптического излучения

 

Классификация ОСС. Оптическая связь, как, впрочем, и радио­связь, может быть разделена на наземную, космическую и наземно-космическую связь. Под наземной связью понимается связь между пунктами, рас­положенными на поверхности Земли. Наземно-космическая связь — — это связь между пунктами, расположенными на Земле и в космическом пространстве, т. е. между земной станцией и космическим лета­тельным аппаратом (спутником, кораблем, станцией). Космическая оптическая связь осуществляется между пунктами, расположенными в космическом пространстве. Она может осуществляться между ИСЗ, космическими кораблями, станциями и т. п.

Наземная связь может осуществляться с помощью ОСС следующих типов: атмосферные ОСС, световодные ОСС и спутниковые ОСС. Первый тип ОСС характерен тем, что средой распространения света является атмосфера. Эти системы не по­лучили широкого распространения ввиду сильной подверженности связи действию атмосферных, осадков и загрязнений. Они используются обычно для подвижной служебной одноканальной телефонной связи на

 

 

Типы оптических систем связи:

•а — атмосферная, б — световодная, в — спутниковая, г — наземно-космическая, д — косми­ческая; ОП—оконечный пункт,

ПП—промежуточный пункт, ЗС — земная станция, КЛА— космический летательный аппарат

 

небольшие расстояния (0,1 ... 1 км) на крупных стройках, горных вы­работках и т. п.

В световодных ОСС средой распространения света явля­ется “закрытая среда” направляющей системы — световода, не подвер­женная действию атмосферных осадков. В лучеводных ОСС направля­ющей системой является обычно металлическая труба диаметром 50 ... ... 70 мм, содержащая линзовые корректоры, расположенные друг от друга на расстоянии 50 ... 100м, равном удвоенному фокусному рассто­янию линз. С помощью линз расходящийся световой пучок периодиче­ски фокусируется, не успевая достичь стенки несущей трубы и пре­терпевая благодаря этому достаточно малое ослабление. Несмотря на ряд важных достоинств (малые погонные потери, отсутствие диспер­сионных искажений передаваемых сигналов, защищенность от влия­ния осадков и др.) лучеводные ОСС не получили распространения ввиду трудностей прокладки лучевода и поддержания нормальных ус­ловий передачи света. С течением времени за счет смещений грунта лучевод деформируется, что вызывает необходимость использования сложных устройств автоматической юстировки всей оптической систе­мы. В связи с этим в настоящее время основным типом световодных ОСС являются волоконно-оптические, в которых в качестве направля­ющей системы используется волоконно-оптический световод, представ­ляющий собой обычно тонкую нить кварцевого стекла диаметром около 0,1 мм. (При передаче на очень небольшие расстояния до 100 ... .. 200 м могут применяться и полимерные волокна, но такие системы, специального назначения, в дальнейшем рассматривать не будем.) Таким образом, в волоконных ОСС средой распространения света яв­ляется кварцевое стекло.

Свет распространяется в центральной части волоконного световода — сердечнике, практически не достигая его стенки, с малым погонным затуханием (0,2 ... 10 дБ/км). Волоконные ОСС свободны от недостат­ков лучеводных ОСС, но обладают тем недостатком по сравнению с ни­ми, что в них наблюдаются сильные дисперсионные искажения переда­ваемых сигналов, ограничивающие пропускную способность. Главный недостаток по сравнению с коаксиально-кабельными системами — не­возможность энергоснабжения промежуточных пунктов линии через волокно, являющееся диэлектриком. Несмотря на эти недостатки, во­локонные ОСС интенсивно развиваются.

В спутниковых ОСС, обеспечивающих наземную связь, и в наземно-космических ОСС распространение света происходит частично в атмосфере Земли, что существенно снижа­ет надежность связи между ЗС и космическим летательным аппаратом (КЛА). Поэтому системы этого типа не получили пока распространения. Для уменьшения влияния атмосферы предполагается в дальнейшем раз­мещать земные станции высоко в горах, выше уровня облачности, что сопряжено с трудностями эксплуатации таких станций.

В космических ОСС свет распространяется, как в свободном пространстве, что позволяет достичь чрезвычайно высокого качества передачи. ОСС этого типа интенсивно развиваются и весьма перспективны благодаря громадному энергетическому выигры­шу оптических антенн и компактности оборудования. Главная труд­ность на пути развития этих систем — обеспечение чрезвычайно высо­кой точности ориентирования оптических антенн (единицы угловых секунд).

 

Обобщенная структурная схемы ОСС. Ввиду того, что оптические и радиоволны значительно отличаются по длине (на три — шесть поряд­ков), существенно отличаются физические принципы реализации и па­раметры основных элементов систем связи: антенн, передатчиков, и приемников. Вместе с тем общие принципы построения систем переда­чи остаются практически без изменения.

Все типы ОСС, рассмотренные выше, можно разделить на две груп­пы: ОСС без ретрансляции сигналов и с ретрансляцией. Ретрансляция широко используется в настоящее время только в световодных ОСС. Однако принцип ретрансляции лежит в основе действия спутниковых ОСС и может применяться в космических и наземно-космических ОСС. Все указанные типы ОСС, кроме спутниковых, могут работать и без ретрансляции, ретрансляция всегда служит средством увеличения дальности связи.

 

Обобщенные структурные схемы ОСС представлены на рисунке. Изображенные на нем ОСС состоят из оптического передатчика (ОП), на вход которого подается электрический сигнал от источника инфор­мации (ИИ), оптических антенн (ОА) с устройством наведения и сопро­вождения (УНА), оптического приемника (ОПр), с выхода которого электрический сигнал подается на вход получателя информации (ПИ), и среды распространения оптического излучения (СР). В случае сис­тем с ретрансляцией добавляется устройство восстановле­ния сигналов (УВС) по уровню либо по уровню и форме.

 

Обобщенные структурные схемы оптических систем связи

без ретранс­ляции сигналов (а) и с ретрансляцией (б)

 

Принцип световодной связи

Среди физических явлений и процессов, исполь­зуемых в ВОСПИ, основная роль принадлежит рас­пространению сигналов по канализирующей диэлек­трической среде, их электронно-оптическому и оптоэлектронному преобразованиям, которые реализу­ются световодами, полупроводниковыми излучателя­ми и фотодетекторами.

Современные волоконные световоды изготавли­ваются из особо чистых кварцевых стекол и име­ют минимумы оптических потерь вблизи длин волн А. = 0,85 мкм (-2,5 дБ/км), = 1,5 мкм (~0,55дБ/км) и \ = 1,55 мкм (~0,2дБ/км). Простейший световод со ступенчатым профилем показателя преломления состоит из цилиндрическо­го сердечника, окруженного оболочкой, с показате­лем преломления соответственно n2 > n1.

Лучи, вводимые под разными углами, имеют, следова­тельно, разное время прохождения (явление модовой дисперсии). Поскольку мощность источника из­лучения распределена по Q в его диаграмме направ­ленности, то при распространении через световод, например, импульса прямоугольной по времени фор­мы происходит расплывание его фронтов и посте­пенное уширение, т. е. ограничение световодом по­лосы пропускания частот сигналов, которыми моду­лирован источник. Для световодов со ступенчатым профилем эта полоса имеет величину в несколько сотен МГц/км.

Модовая дисперсия существенно уменьшится, если показатель преломления сердечника распределен вдоль его радиуса.

В таких световодах, называемых градиентными, все распространяющиеся лучи (в том числе немеридианально направленные) могут быть почти сфоку­сированы, т. е. здесь световод выступает в роли пе­риодической линзы. Полоса пропускания может достигать нескольких ГГц/км.

Максимум широкополосности (сотни ГГц/км) до­стигается в одномодовых световодах. Методами тео­рии электромагнитного поля можно показать, что при некоторых условиях в световоде будет распространяться лишь один вид (мода) колебаний — НЕ. Другие моды отсекаются. Поэтому диаметры сердечников одномодовых све­товодов не превышают ~10 мкм. Для градиентных и ступенчатых они задаются технологическими и экс­плуатационными ограничениями в пределах от не­скольких десятков до нескольких сотен мкм.

Широкополосность одномодовых световодов огра­ничивается главным образом хроматической (внутримодовой) дисперсией.

Общий характер распространения света в свето­водах различного исполнения показан на рисунке.

Преобразование электрической энергии в свето­вую происходит в излучателях. Эффективное исполь­зование световодов возможно только в сочетании с

 

 

Распространение света в световодах:

а) со ступенчатым профилем показателя преломления;

б) с градиентным профилем показателя преломления;

в) в одномодовом со ступенчатым профилем показате­ля преломления

 

излучателями, удовлетворяющими, кроме прочих, ряду весьма жестких требований:

— высокая мощность излучения, вводимая в световод;

— узкая ширина спектра и стабильность;

— широкополосность модуляционной характеристи­ки, соизмеримая с пропускной способностью све­товода.

 

В качестве излучателей ВОСПИ используют светодиоды или полупроводниковые лазеры на основе соединений материалов III (Ga, In) и V (As, P) груп­пы периодической таблицы элементов, обладающие высокой эффективностью преобразования электри­ческой энергии в световую, монохроматичностью, возможностью внутренней модуляции оптического из­лучения в широком диапазоне частот.

Приемлемой эффективностью сопряжения со сту­пенчатыми и градиентными световодами обладают полупроводниковые светодиоды (СД) и суперлюми­несцентные диоды (САД). Эти источники некогерент­ного излучения имеют малые размеры, относительно низкую стоимость, достаточную яркость и отлича­ются простотой модуляции, током инжекции с час­тотами до нескольких сотен МГц.

Светодиод преобразует электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе инжекционной электролюминесценции. При протекании в нем постоянного или переменного тока в области полу­проводника, примыкающей к р—n переходу, инжек­тируются избыточные носители тока: электроны и дырки. Их рекомбинация сопровождается оптичес­ким излучением.

Светоизлучающие диоды существенно уступают по параметрам излучения полупроводниковым лазе­рам. Возникающее в результате спонтанной реком­бинации излучение светодиодов является некогерент­ным, спектр его существенно шире (50 нм), чем у лазеров, что снижает предельную полосу пропускания до 2 ГГц/км. Спонтанное время жизни значи­тельно больше, чем индуцированное, поэтому светоизлучающие диоды являются менее быстродейству­ющими приборами. Кроме того, невысокие мощнос­ти излучения (менее 50 мВт) не позволяют исполь­зовать их в ВОЛС длиной более нескольких кило­метров. Зато светодиоды выгодно отличаются от ла­зеров простотой технологии изготовления, низкой стоимостью и более длительным сроком службы (бо­лее 10⁶ ч) вследствие менее напряженного режима ра­боты.

Полупроводниковые лазеры характеризуются уз­кой Линнеи излучения (0,1—З нм), повышенной мощностью излучения и частотой модуляции (поряд­ка 0,5 Вт и 2 ГГц), малым временем нарастания им­пульса (менее 1 нс) ив 10 раз большей эффектив­ностью преобразования, чем у светодиодов. Срок службы, достигающий примерно 11 лет, до­статочен для их практической эксплуатации.

Функция фотодетектора в ВОСПИ состоит в пре­образовании оптического сигнала в электрический, который затем усиливается и обрабатывается в элек­тронных схемах. ФД должны иметь высокую чувстви­тельность в рабочих спектральных диапазонах, ми­нимальные шумы, достаточное для данной системы быстродействие и линейность отклика, высокую на­дежность. Полнее всего этим требованиям отвечают полупроводниковые p-i-n-ФД и лавинные ФД (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо сты­куются с волоконными световодами и электронными схемами. Материалами для них служат Si, Ge, гетероструктуры

 

ETHERNET

В волоконно-оптическом варианте ETHERNET реализация топологии “звезды” облегчается с по­мощью проходного или отражательного оптического разветвителя. Такая пассивная “звезда” свободна от проблем отражений и согласования нагрузок, прису­щих коаксиальным системам. Выгоды в случае опти­ческого разветвителя следующие:

— минимальное количество соединителей между все­ми узлами, обычно 0, 2 или 4 в зависимости от использования сварки;           

— возрастание оптического затухания только на 3,0—4,5 дБ при удвоении числа узлов.

Если в сети с оптическим разветвителем повреж­ден или отключен один из кабелей, то это повлияет только на узел, подключенный к этому кабелю. Если в коаксиальной кабельной сети повреждена или от­ключена любая ее часть, то возникающие отражения сигнала обычно приводят к постоянному сигналу столкновений и делают остальную систему абсолют­но бесполезной до тех пор, пока поврежденный ка­бель не будет определен и отремонтирован. К тому же типовая волоконно-оптическая сеть имеет намного меньше активных частей как источников вероятных отказов, чем коаксиальная.

Основой для построения волоконно-оптической сети ETHERNET могут служить следующие электронные и электронно-оптические компоненты и устройства:

— контроллер сети;

— повторитель;

— оптический модем;

— оптоэлектронный трансивер;

— оптоэлектронный концентратор.

 

Контроллер сети и повторитель — устройства, на которых лежит функция реализации протокола взаи­модействия станций сети согласно стандарту ISO 8802.3.

Оптический модем — электронно-оптическое устройство сопряжения контроллера и повторителя с волоконно-оптической средой передачи в соответ­ствии с п. 9.9 стандарта ISO 8802.3.

Оптоэлектронный трансивер — электронно-опти­ческое устройство сопряжения коаксиального сегмен­та 10BASE2, соответствующего разделу 10 стандар­та 8802.3, с волоконно-оптической средой.

Оптоэлектронный концентратор — активное ус­тройство, представляющее собой функциональный оптоэлектронный аналог коаксиальной (кабельной) среды передачи данных. Помимо доставки до або­нентов пакетов данных оптоэлектронные концентра­торы могут выполнять еще ряд функций:

— восстановление временных соотношений переда­ваемых потоков;

— восстановление полного формата сообщения;

— генерация в волоконно-оптическую среду служеб­ных сигналов.

В зависимости от стратегической линии, прово­димой каждым отдельным предприятием, концентра­торы могут содержать модули сопряжения с коаксиальным кабелем спецификации 10BASE2 и интерфей­сом AUI. Отечественными производителями элек­тронной и оптоэлектронной аппаратуры освоена вся номенклатура перечисленных устройств.

Могут использоваться варианты как с чисто элек­тронным контроллером с последующим преобразо­ванием сигнала в оптический, так и специализиро­ванные контроллеры с оптическим входом/выходом. Последние отечественной промышленностью пока не выпускаются. Оптические модемы сети ETHERNET выполняются в соответствии со стандартом ISO 8802.3 FOIRL и подключаются к контроллеру или по­вторителю через интерфейс AUI с помощью электри­ческого кабеля длиной до 50 м. Модемы выпускают­ся в двух исполнениях:

— в виде самостоятельного модуля, питание кото­рого производится от контроллера;

— ячейки, устанавливаемой в слот ПЭВМ с питани­ем от внутренних источников вторичных напря­жений компьютера.

Первый вариант может использоваться с ЭВМ, отличными по конструкции и внутренней организа­ции от ПЭВМ IBM PC. Второй вариант предпочти­тельней, когда сеть должна иметь минимально воз­можный уровень собственного электромагнитного из­лучения или абонентам представляется неудобным су­ществование внешних (по отношению к компьюте­рам рабочих станций) устройств. Принципы функци­онирования обоих вариантов идентичны.

В настоящее время потребители в подавляющем большинстве случаев отдают предпочтение импорт­ным электронным контроллерам. При этом отечес­твенные производители электронно-оптической тех­ники находят сферу применения своим изделиям именно в части сопряжения импортного электронного оборудования с волоконно-оптическим трактом передачи данных.

 

 

Трансивер своим электрическим входом/выходом подключается к коаксиальному сегменту “тонкого” (10BASE2) ETHERNET и производит физическое и логическое сопряжение с двухсветоводной линией пе­редачи данных. Логическое наполнение трансивера может выходить за рамки функции сопряжения двух сред передачи и включать в себя ряд операций, при­сущих повторителям сети, таких как отдельная от­работка конфликтов в каждой из сред, генерация JAM сигнала и др.

 

Примеры организация каналов по ВОЛС: Ethernet

Схема 1. Организация каналов Gigabit Ethernet и Ethernet 10Base-T в топологии «точка–точка» по оптической линии связи (ВОЛС)

 

 

Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1GB

Интерфейсы: Ethernet, Gigabit Ethernet, E1

 

•   Модификации ГМ-1GB поддерживают работу в топологиях «точка–точка» и «точка–две точки».

•   Возможность передачи двух независимых потоков Gigabit Ethernet.

•   Тип оптического волокна и дальность связи определяются установленным SFP-модулем.

 

Схема 2. Организация каналов Gigabit Ethernet в топологии «кольцо»

по оптической линии связи

 

Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1GL

Интерфейсы: Gigabit Ethernet, Ethernet, E1

 

•   Модификации ГМ-1GL поддерживают работу в любых топологиях, включая «кольцо».

•   Поддержка резервирования.

•   Тип оптического волокна и дальность связи определяются установленным SFP-модулем.

 

 

 

Схема 3. Организация канала FastEthernet по оптической линии связи

 

Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1-ЛхУ

Интерфейсы: FastEthernet,E1, V.35, RS-232

 

•   Дальность связи до 120 км по одному или двум оптическим волокнам с возможностью резервирования.

•   Встроенный трехпортовый коммутатор Ethernet.

•   Интуитивно понятное управление через Telnet, Web или управляющий порт.

Медиаконвертеры

 

Медиаконвертеры делают возможным использование оптоволокна при необходимости и внедрение нового оборудования в существующую кабельную инфраструктуру. Они могут обеспечить беспрепятственное совмещение меди и оптоволокна, а также внедрение различных оптических сетей в сети предприятия LAN.

 

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 198; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!