Оптоволоконный кабель
Оптоволоконный или волоконно-оптический кабель – кабель, содержащий одно или несколько оптических волокон для передачи данных в виде света. В зависимости от конструктивного исполнения волоконно-оптические кабели делятся на кабели внутренней и внешней прокладки.
Волоконно-оптические коммуникации имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными системами, использующими передающие среды на металлической основе. В волоконно-оптических системах передаваемые сигналы не искажаются ни одной из форм внешних электронных, магнитных или радиочастотных помех. Таким образом, оптические кабели полностью невосприимчивы к помехам, вызываемым молниями или источниками высокого напряжения.
Цифровые вычислительные системы, телефония и видеовещательные системы требуют новых направлений для улучшения передающих характеристик. Большая ширина спектра оптического кабеля означает повышение емкости канала. Кроме того, более длинные отрезки кабеля требуют меньшего количества репитеров, так как волоконно-оптические кабели обладают чрезвычайно низкими уровнями затухания. Это свойство идеально подходит для широковещательных и телекоммуникационных систем.
По сравнению с обычными коаксиальными кабелями с равной пропускной способностью, меньший диаметр и вес волоконно-оптических кабелей означает сравнительно более легкий монтаж, особенно в заполненных трассах. 300 метров одноволоконного кабеля весят около 2,5 кг. 300 метров аналогичного коаксиального кабеля весят 32 кг - приблизительно в 13 раз больше.
|
|
|
Основные элементы оптического волокна (рис.2.8). [1], [6], [7], [19].
Ядро. Ядро - светопередающая часть волокна, изготавливаемая либо из стекла, либо из пластика. Чем больше диаметр ядра, тем большее количество света может быть передано по волокну.
Демпфер. Назначение демпфера - обеспечение более низкого коэффициента преломления на границе с ядром для переотражения света в ядро таким образом, чтобы световые волны распространялись по волокну.
Оболочка. Оболочки обычно бывают многослойными, изготавливаются из пластика для обеспечения прочности волокна, поглощения ударов и обеспечения дополнительной защиты волокна от воздействия окружающей среды. Такие буферные оболочки имеют толщину от 250 до 900 мкм.
Рис.2.8. Оптоволоконный кабель
Размер волокна в общем случае определяется по внешним диаметрам его ядра, демпфера и оболочки. Например, 50/125/250 - характеристика волокна с диаметром ядра 50 мкм, диаметром демпфера 125 мкм и диаметром оболочки 250 мкм. Оболочка всегда удаляется при соединении или терминировании волокон.
Тип волокна идентифицируется по типу путей, или так называемых "мод", проходимых светом в ядре волокна. Существует два основных типа волокна - многомодовое и одномодовое (рис. 2.9). Ядра многомодовых волокон могут обладать ступенчатым или градиентным показателями преломления.
|
|
|
Рис.2.9 Одномодовый и многомодовый кабель
Многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления получило свое название от резкой, ступенчатой, разницы между показателями преломления ядра и демпфера. В более распространенном многомодовом волокне с градиентным показателем преломления лучи света также распространяются в волокне по многочисленным путям. В отличие от волокна со ступенчатым показателем преломления, ядро с градиентным показателем содержит многочисленные слои стекла, каждый из которых обладает более низким показателем преломления по сравнению с предыдущим слоем по мере удаления от оси волокна. Результатом формирования такого градиента показателя преломления является то, что лучи света ускоряются во внешних слоях и их время распространения в волокне сравнивается с временем распространения лучей, проходящих по более коротким путям ближе к оси волокна.
Таким образом, волокно с градиентным показателем преломления выравнивает время распространения различных мод так, что данные по волокну могут быть переданы на более дальние расстояния и на более высоких скоростях до того момента, когда импульсы света начнут перекрываться и становиться неразличимыми на стороне приемника.
|
|
|
Волокна с градиентным показателем представлены на рынке с диаметрами ядра 50, 62,5 и 100 мкм.
Одномодовое волокно, в отличие от многомодового, позволяет распространяться только одному лучу или моде света в ядре. Это устраняет любое искажение, вызываемое перекрытием импульсов. Диаметр ядра одномодового волокна чрезвычайно мал - приблизительно 5 -10 мкм. Одномодовое волокно обладает более высокой пропускной способностью, чем любой из многомодовых типов. Например, подводные морские телекоммуникационные кабели могут нести 60000 речевых каналов по одной паре одномодовых волокон.
Собственные потери оптического волокна:
Свет является электромагнитной волной. Скорость света уменьшается при распространении по прозрачным материалам по сравнению со скоростью распространения света в вакууме. Волны инфракрасного диапазона также распространяются различно по оптическому волокну. Поэтому затухание, или потери оптической мощности, должны измеряться на специфических длинах волн для каждого типа волокна. Длины волн измеряются в нанометрах (нм).
|
|
|
Потери оптической мощности на различных длинах волн происходят в оптическом волокне вследствие поглощения, отражения и рассеяния. Эти потери зависят от пройденного расстояния и конкретного вида волокна, его размера, рабочей частоты и показателя преломления. Величина потерь оптической мощности вследствие поглощения и рассеяния света на определенной длине волны выражается в децибелах оптической мощности на километр (дБ/км).
Волокна оптимизированы для работы на определенных длинах волн. Например, можно достичь потерь в 1 дБ/км для многомодового волокна 50/125 мкм на длине волны 1300 нм, и менее 3 дБ/км (50%-е потери мощности) для того же волокна на 850 нм. Эти два волновых региона, - 850 и 1300 нм, являются областями наиболее часто определяемыми для рабочих характеристик оптических волокон и используются современными коммерческими приемниками и передатчиками. Кроме того, одномодовые волокна оптимизированы для работы в регионе 1550 нм.
В коаксиальном кабеле и витой паре чем больше частота, тем больше уменьшается амплитуда сигнала с увеличением расстояния, и это явление называется затуханием. Частота для оптического волокна постоянна до тех пор, пока она не достигнет предела диапазона рабочих частот. Таким образом, оптические потери пропорциональны только расстоянию. Такое затухание в волокне вызвано поглощением и рассеиванием световых волн на неоднородностях, вызванных химическими загрязнениями, и на молекулярной структуре материала волокна. Эти микрообъекты в волокне поглощают или рассеивают оптическое излучение, оно не попадает в ядро и теряется. Затухание в волокне специфицируется производителем для определенных длин волн: например, З дБ/км для длины волны 850 нм. Это делается потому, что потери волокна изменяются с изменением длины волны.
Потери на микроизгибах. Без специальной защиты оптическое волокно подвержено потерям оптической мощности вследствие микроизгибов. Микроизгибы - это микроскопические искажения волокна, вызываемые внешними силами, которые приводят к потере оптической мощности из ядра. Для предотвращения возникновения микроизгибов применяются различные типы защиты волокна. Волокна со ступенчатым показателем относительно более устойчивы к потерям на микроизгибах, чем волокна с градиентным показателем.
Полоса пропускания (ширина спектра) - это мера способности волокна передавать определенные объемы информации в единицу времени. Чем шире полоса, тем выше информационная емкость волокна. Полоса выражается в МГц-км.
Например, по волокну с полосой 200 МГц-км можно передавать данные с частотой 200 МГц на расстояния до 1 км или с частотой 100 МГц на расстояния до 2 км. Благодаря сравнительно большой полосе пропускания, волокна могут передавать значительные объемы информации. Одно волокно с градиентным показателем преломления может с легкостью передавать 500 миллионов бит информации в секунду. Тем не менее, для всех типов волокон существуют ограничения ширины полосы, зависящие от свойств волокна и типа используемого источника оптической мощности.
Для точного воспроизведения передаваемых по волокну данных световые импульсы должны распространяться раздельно друг от друга, имея четко различимую форму и межимпульсные промежутки. Однако лучи, несущие каждый из импульсов, проходят разными путями внутри многомодового волокна. Для волокон со ступенчатым показателем преломления лучи, проходя зигзагообразно по волокну под разными углами, достигают приемника в разное время.
Это различие во времени прибытия импульсов в точку приема приводит к тому, что импульсы на выходе линии искажаются и накладываются друг на друга. Это так называемое модальное рассеивание, или модальная дисперсия, или уширение светового импульса ограничивает возможную для передачи частоту, так как детектор не может определить, где заканчивается один импульс и начинается следующий. Разница во временах прохождения самой быстрой и самой медленной мод света, входящих в волокно в одно и то же время и проходящих 1 км, может быть всего лишь 1 -3 нс, однако такая модальная дисперсия влечет за собой ограничения по скорости в системах, работающих на больших расстояниях. Удваивание расстояния удваивает эффект дисперсии.
Модальная дисперсия часто выражается в наносекундах на километр, например, 30 нс/км. Также она может быть выражена и в частотной форме, например 200 МГц-км. Это означает, что волокно или система будут эффективно работать в пределах частот до 200 МГц, прежде чем рассеивание начнет сказываться на пропускной способности на расстояниях более одного километра. Эта же система сможет передавать сигнал с частотой 100 МГц на расстояние в два километра.
Дисперсия делает многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления наименее эффективным по ширине полосы среди всех двух типов волокна. Поэтому оно используется на более коротких участках и низких частотах передачи. Типичным значением ширины полосы ступенчатого волокна является 20 МГц-км.
Размеры ядра одномодового волокна малы - от 5 до 10 мкм, что позволяет проходить по волокну только одному лучу света. Так как модальная дисперсия в данном случае полностью отсутствует, полоса пропускания у такого волокна гораздо больше, чем у многомодового, что позволяет достигать рабочих частот свыше нескольких сотен гигагерц на километр (ГГц-км).
Оптические волокна обладают еще одной разновидностью дисперсии, возникающей вследствие того, что разные длины волн распространяются в среде с разной скоростью. Такую "спектральную дисперсию" можно наблюдать, когда белый свет распадается на семь цветов радуги, проходя через стеклянную призму. Волны, представляющие разные цвета, движутся в среде с разной скоростью, что приводит к различию в траекториях распространения лучей. Если бы оптический источник волоконной системы излучал свет одной частоты, спектральная дисперсия или материальная дисперсия (или хроматическая дисперсия, как ее еще часто называют) была бы устранена. В действительности, абсолютно монохроматических источников света не существует. Лазеры обладают определенным, хотя и очень небольшим, уширением спектра излучаемого света. У источников света на основе LED (полупроводниковые светодиоды) спектральный диапазон в 20 раз шире чем у лазера, и спектральная дисперсия, в свою, очередь намного выше. Дисперсия в стеклянном волокне минимальна в регионе около 1300 нм, позволяя одномодовым волокнам иметь значительную полосу на данной длине волны.
Одномодовое волокно обычно используется с лазерными источниками благодаря своей высокой спектральной чистоте. Для обеспечения эффективного функционирования таких систем требуются прецизионные коннекторы и муфты.
Благодаря своим низким потерям и высоким пропускным характеристикам, одномодовые волокна, как правило, являются наилучшим и, как правило, единственным выбором для монтажа протяженных высокоскоростных линий, таких как междугородние телекоммуникационные системы.
Между одномодовым волокном и волокном со ступенчатым показателем преломления располагаются волокна с градиентным показателем преломления. Для уменьшения эффекта модальной дисперсии лучи в таких волокнах постепенно перенаправляются назад к оси ядра. Волокна с градиентным показателем преломления имеют гораздо большую полосу, чем волокна со ступенчатым показателем преломления. По волокну с градиентным показателем преломления с полосой 600 МГц-км можно передавать сигнал с модуляцией 20 МГц на расстояние до 30 км. Стоимость такого стеклянного волокна является одной из самых низких. Малые потери мощности передаваемого сигнала плюс большая полоса позволяют использовать его для монтажа локальных сетей.
Для сопряжения оптоволоконных адаптеров и устройств передачи сигнала используются оптические патч-корды (рис. 2.10) и оптические розетки (рис. 2.11).
| 
|
| Рис. 2.10 Оптические патч-корды | Рис. 2.11 Оптические розетки |
Передача сигналов
Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют две технологии – узкополосную и широкополосную передачи [1], [4], [11], [12].
Узкополосная передача. Узкополосные (baseband) системы передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты. Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного импульса, или, другими словами, цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания — это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в сетях с узкополосной передачей посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно и передавать их, и принимать.
Продвигаясь по кабелю, сигнал постепенно затухает и, как следствие, может исказиться. Если кабель слишком длинный, то на дальнем его конце передаваемый сигнал может исказиться до неузнаваемости или просто пропасть.
Чтобы избежать этого, в узкополосных системах используют репитеры, которые усиливают сигнал и ретранслируют его в дополнительные сегменты, позволяя тем самым увеличить общую длину кабеля.
Широкополосная передача. Широкополосные (broadband) системы передают данные в виде аналогового сигнала, который использует некоторый интервал частот. Сигналы представляют собой непрерывные (а не дискретные) электромагнитные или оптические волны. При таком способе сигналы передаются по физической среде в одном направлении.
Если обеспечить необходимую полосу пропускания, то по одному кабелю одновременно может идти вещание нескольких систем, таких как кабельное телевидение и передача данных.
Каждой передающей системе выделяется часть полосы пропускания. Все устройства, связанные с данной системой (например, компьютеры), должны быть настроены таким образом, чтобы работать именно с выделенной частью полосы пропускания.
Если в узкополосных системах для восстановления сигнала используют репитеры, то в широкополосных – усилители (amplifiers). В широкополосной системе сигнал передается только в одном направлении, поэтому чтобы все устройства могли и принимать, и передавать данные, необходимо обеспечить два пути для прохождения сигнала. Разработано два основных решения:
· разбить полосу пропускания на два канала, которые работают с различными частотами; один канал предназначен для передачи сигналов, другой – для приема;
· использовать два кабеля; один кабель предназначен для передачи сигналов, другой – для приема.
Сравнение кабелей
При выборе кабеля (как, впрочем, и любых других сетевых компонентов) необходимо найти некий компромисс между его стоимостью и характеристиками [4], [6], [12], [14], [15], [17].
Кабельная система должна соответствовать условиям ее применения. К числу факторов, влияющих на стоимость и пропускную способность кабеля, относятся следующие.
Простота установки. Насколько прост кабель в установке, насколько просто работать с ним? В небольших сетях, с небольшими расстояниями, где безопасность данных не самый главный вопрос, нет смысла прокладывать толстый, громоздкий и дорогой кабель.
Экранирование. Экранирование кабеля приводит к его удорожанию, тем не менее практически любая сеть использует одну из форм экранированного кабеля. Чем больше помех в месте прокладки кабеля, тем большее экранирование требуется. Прокладка пленумного кабеля существенно увеличивает стоимость проекта.
Перекрестные помехи. Перекрестные помехи и внешние шумы могут вызвать серьезные проблемы в больших сетях, где критическим вопросом является вопрос защиты данных. Недорогие кабели слабо защищены от внешних электрических полей, генерируемых электропроводкой двигателями, реле и радиопередатчиками.
Скорость передачи (часть полосы пропускания). Скорость передачи измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). Для медных кабелей сегодня самым распространенным значением является 10 Мбит/с, хотя последние стандарты позволяют передавать данные со скоростью 1000 Мбит/с. Толстый коаксиальный кабель передает сигналы на бóльшие расстояния, чем тонкий. Но с ним сложнее работать. По оптоволоконному кабелю данные передаются со скоростью более 1000 Мбит/с, но для его установки нужны специальные навыки, к тому же он сравнительно дорог.
Стоимость. Стоимость кабелей, которые обеспечивают высокую степень защиты, передавая данные на большие расстояния, гораздо выше стоимости тонкого коаксиального кабеля, простого в установке и эксплуатации.
Затухание сигнала. Затухание сигнала — причина, которая ограничивает максимальную длину кабеля, так как значительно ослабленный сигнал может быть не распознан принимающим компьютером. Кабели разных типов имеют разную максимальную длину. Большинство сетей использует системы проверки ошибок: при искажении принятого сигнала они требуют его повторной передачи. Однако на эту операцию затрачивается дополнительное время, вследствие чего снижается общая пропускная способность сети.
Беспроводные сети
Беспроводная среда постепенно входит в нашу жизнь. Как только технология окончательно сформируется, производители предложат широкий выбор продукции по приемлемым ценам, что приведет и к росту спроса на нее, и к увеличению объема продаж. В свою очередь, это вызовет дальнейшее совершенствование и развитие беспроводной среды. Словосочетание «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети. В действительности же это не так. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой как среда передачи используется кабель. Такая сеть со смешанными компонентами называется гибридной.
Идея беспроводной среды весьма привлекательна, так как ее компоненты:
· обеспечивают временное подключение к существующей кабельной сети;
· помогают организовать резервное копирование в существующую кабельную сеть;
· гарантируют определенный уровень мобильности;
· позволяют снять ограничения на максимальную протяженность сети, накладываемые медными или даже оптоволоконными кабелями.
В зависимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:
· локальные вычислительные сети;
· расширенные локальные вычислительные сети;
· мобильные сети (переносные компьютеры).
Основные различия между этими типами сетей – параметры передачи. Локальные и расширенные локальные вычислительные сети используют передатчики и приемники, принадлежащие той организации, в которой функционирует сеть.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 122; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!