Сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных устройств

       Основными характеристиками промышленных сетей являются: топология сети, физическая линия связи, максимальное число узлов, максимальная длина соединения, скорость обмена.

       При объединении в сеть нескольких узлов необходимо решить каким образом соединить их с друг другом, т. е. выбрать конфигурацию физических связей или топологию. Под топологией сети понимается [71] конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети и коммуникационное оборудование, а ребрам - физические или информационные связи между вершинами.

       Основными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина. Известны также древовидная, полносвязная, ячеистая и смешанная топологии [71]. В топологии «звезда», иногда ее называют радиальной структурой, вся информация передается через центральный узел. Все остальные узлы обмениваются друг с другом только через центральный узел (Рис. 3.19а), такую структуру называют иерархической звездой или деревом. В настоящее время она имеет широкое распространение как в локальных сетях, так и в глобальных.

        а).                                 б).                                                    в).

   центральный элемент

                         г).                                              д).                              е).

                                                            ж).

Рис. 3.19. Топология сетей: а – звезда; б дерево; в – кольцо; г – шина; д – полносвязная топология; е – ячеистая топология; ж – смешанная топология.

     В кольцевой структуре (Рис. 3.19 в) информация передается от одного узла к другому по физическому кольцу. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи, т.к. данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу – источнику. Это свойство часто используется для тестирования связности сети. В то же время отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца. Поэтому необходимо включить в сеть автоматические переключатели или строить структуру «двойное кольцо», в которой одна ветвь является рабочей, а другая резервной.

       В шинной структуре (Рис. 3.19г) все узлы подсоединены к общей среде передачи, в качестве которого выступает пассивный кабель. Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем узлам. Основным преимуществом такой структуры является дешевизна и простота присоединения новых узлов к сети, процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети. К недостатку относится низкая надежность, любой дефект кабеля парализует всю сеть, и невысокая производительность, т. к. в каждый момент времени только один узел может передавать данные по сети.

       Различают полносвязные и неполносвязные топологии. Полносвязная топология соответствует сети в которой каждый узел непосредственно связан со всеми остальными (Рис. 3.19 а). Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Каждый узел в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко, т.к. для связи N узлов требуется N (N - 1) / 2 физических дуплексных линий связи, т. е. имеет место квадратичная зависимость от числа узлов. Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя узлами может потребоваться транзитная передача данных через другие узлы сети.

      Ячеистая топология получается из полисвязной путем удаления некоторых связей (Рис. 3.19 е). Ячеистая топология допускает соединение большого количества узлов и характерна для крупных сетей. Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между узлами. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные, фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию. Такие сети называются сетями со смешанной топологией (Рис. 3.19 ж).

       От выбора топологии связей существенно зависят характеристики сети, в том числе такие, как режим доступа к сети, средства контроля передачи и восстановления данных, возможность изменения числа узлов сети.  При коммутации нескольких узлов (устройств) между собой через разделяемую среду (линию связи) необходим ясный и понятный протокол доступа к ней. Разделительной средой называется физическая среда передачи данных, к которой непосредственно подключается несколько конечных узлов сети. При этом в каждый момент времени только один из конечных узлов получает доступы к разделяемой среде и задействует её для передачи данных. В качестве разделяемой среды можно использовать коаксиальный кабель, витую пару, оптическое волокно, радиоволны. Метод доступа представляет собой набор правил, позволяющий работать с локальной сетью. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Существуют централизованный и децентрализованный методы доступа.

       Централизованный метод (метод MASTER – SLAVE) заключается в том, что право на доступ к сети имеет только MASTER – узел, который адресует каждый узел (SLAVE – узел), обеспечивает данными и запрашивает данные узла. При использовании этого метода для увеличения пропускной способности команды протокола должны быть предельно простыми. В среде протокола реализуются операции защиты данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации влияет среда передачи. Метод MASTER – SLAVE находит применение в промышленных сетях на уровне датчиков и исполнительных устройств, а также на контроллерном уровне.

       К децентрализованным методам относится один из основных методов – метод случайного доступа, при котором управление доступом к среде осуществляется децентрализовано. Узел может передавать данные по сети, только если сеть свободна и электрические сигналы в среде отсутствуют. Если среда свободна, то узел начинает передачу. Время использования одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. При попадании кадра в разделяемую среду все сетевые адаптеры одновременно начинают принимать этот кадр. Каждый из них анализирует адрес назначения, расположенного в одном из начальных полей кадра. Если этот адрес совпадает с их собственным адресом, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера, т. е. узел – адресант получает предназначенные ему данные. При этом может возникнуть ситуация, когда одновременно несколько узлов начинают передавать информацию. Такая ситуация называется коллизией. Сигналы нескольких передатчиков накладываются друг на друга и как следствие суммарный сигнал искажается. Для такого случая предусмотрены алгоритмы обнаружения и корректной обработки коллизий. После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде, чтобы передать кадр, вызвавший коллизию.

       Один из известных децентрализованных методов является метод CSMA/ CD, который используется для доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet. Этот метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов. Для получения возможности передавать кадр, интерфейс узла-отправителя должен проверить, что среда свободна. Это осуществляется контролем основной гармоники сигнала – несущей частотой. Для всех вариантов Ethernet 10 Мбит/ с несущая частота равна 5 – 10 МГц, при манчестерском способе кодирования, в зависимости от единиц и нулей, передаваемых в данный момент. Все узлы подключенного кабеля записывают байты передаваемого кадра в свои внутренние буферы. Первые 6 байт кадра содержат адрес назначения. Узел, обнаруживший собственный адрес в заготовке кадра, продолжает записывать его содержимое в свой буфер. Остальные узлы на этом прием кадра прекращают. Узел назначения обрабатывает полученные данные, передает их вверх по своему стеку. Кадр Ethernet содержит адрес назначения и адрес источника данных. Доступ к среде и передача данных поясняется на рисунке 3.20 [71].

                                                           9,6 Мкс       Коллизия (jam)                                                   

Попытка доступа

              Узел 2                                                                                                                           

                            Узел 3                                                                                                                                

                                                                                                          Попытка доступа

                                                                                                           к шине узла 3    

Рис. 3.20. Метод случайного доступа CSMA/ CD.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 делает попытку передачи своего кадра и при обнаружении занятости среды по наличию несущей частоты переходит в режим ожидания, пока узел 1 не прекратит передачу кадра. После окончания передачи кадра узла 1 все узлы сети выдерживают технологическую паузу, равную межпакетному интервалу в 9.6 мкс. В течение этой паузы сетевые адаптеры узлов приводятся в исходное состояние. По окончании технологической паузы узлы имеют право начать передачу своего кадра, среда в этот момент свободна. Узел 2 (Рис. 3.20) после окончания передачи кадра узлом 1, сделал паузу в 9.6 Мкс и начал передачу своего кадра. Метод доступа CSMA/CD не гарантирует исключения коллизии. Коллизия в сети Ethernet это нормальная ситуация в работе. На рисунке 3.20 коллизию породила одновременно передача данных узлами 3 и 1. Наиболее вероятный случай коллизии, когда один узел начинает передачу, а через некоторое время другой узел, не обнаружив несущую из-за того, что сигналы первого узла еще не успели дойти до другого узла, начинают передачу своего кадра. Для корректной обработки коллизии все узлы одновременно наблюдают за сигналами в кабеле. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется факт обнаружения коллизии. Для скорейшего обнаружения коллизии всеми узлами сети узел, который обнаружил коллизию, прерывает передачу своего кадра и посылает в сеть специальную последовательность из 32 бит – jam- последовательность. После этого узел, обнаруживший коллизию, прекращает передачу и делает паузу в течение случайного и короткого интервала времени. Если 16 последовательных попыток передачи кадра вызывают коллизию, то узел должен прекратить попытки и отбросить этот кадр. Описанный алгоритм [69] носит название усеченного экспонециального двоичного алгоритма отстрочки.

       Другой популярный метод доступа к разделяемой среде является детерминированный метод [71]. Алгоритм детерминированного доступа использует передачу токена (маркера) и опрос. Передача токена обычно реализуется децентрализовано. Каждый узел, получивший токен, имеет право на использование разделяемой среды в течение фиксированного про-межутка времени – времени удержания токена. После окончания этого промежутка узел обязан передать токен другому узлу. Ясно, что максимальное время ожидания доступа равно произведению времени удержания токена на число узлов в сети. Время ожидания может быть сокращено, если узел, получивший токен, не имеет кадров для передачи, передает токен следующему узлу. Последовательность передачи токена от узла к узлу может определяться разными способами, в том числе и в зависимости от топологии, как это реализовано в сетях Token Ring, где узел в кольце получает токен от предыдущего узла, а передает его следующему узлу. Алгоритм опроса в основном реализован на централизованной схеме. При этом в сети существует выделенный узел, играющий роль арбитра за разделяемую среду. Узел-арбитр периодически опрашивает остальные узлы сети на предмет наличия у них кадра для передачи. После сбора заявок на передачу узел арбитр решает какому узлу дать право ипользования разделяемой среды. После завершения передачи кадра фаза опроса повторяется.

       Алгоритмы детерминированного доступа отличаются от алгоритмов случайного доступа более эффективной работой при большой загрузке сети, когда коэффициент использования приближается к единице. При небольшой загрузке сети более эффективными являются алгоритмы случайного доступа, так как отсутствует трата времени на процедуры определения права доступа к среде.

       Для организации сетевого обмена используются физические каналы на основе коаксиального кабеля, витой пары, волоконно-оптического кабеля, телефонного канала, радиоканала, инфрокрасного канала. Витая пара (Рис. 3.21) является популярной физической средой для построения сетей. Витая пара – это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины. Обычно рекомендуется не менее 13 витков на 1 м длины. Это необходимо для снижения влияния внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Проводники в виде монолитной медной проволоки тощиной 0,5 – 0,65 мм. Толщина изоляции около 0,2 мм из материала: поливинилхлорид (PVC); полипропилен (РР) и полиэтилен (РЕ) – для более качественных образцов (5 категория). Для обеспечения низких диэлектрических потерь применяют изоляцию из ячеистого полиэтилена, для обеспечения рабочего диапазона температуры применяют тефлон. Внешняя полихлорвиниловая оболочка имеет толщину 0,5 – 0,6 мм. Существует несколько типов кабелей по наличию или отсутствию экрана:

- незащищенная витая пара (VТР), в кабеле витые пары не имеют индиви- дуального экранирования;

- фольгированная витая пара (FTP), в кабеле имеется общий экран из фольги, при этом каждая витая пара не имеет индивидуального экрана;

- защитная витая пара (STP), в кабеле каждая пара имеет экран;

- экранизированный кабель (SСTP), кабель может иметь и не иметь защиту отдельных пар. Экран выполняется из плетеной медной проволоки или из токопроводящей фольги. В первом случае он защищает от низкочастотных наводок, во втором – блокируется высокочастотное электромагнитное излучение. Иногда применяют двойные экраны (HIGHT Screen), в которых используются оба способа.

       Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки внутри зданий, подразделяется в международных стандартах по категориям от 1 до 7.:

- кабель категории 1 применяется при низкоскоростных передачах. Обыч-но это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной передачи данных до 20 Кбит/ с. Примерно до 1983 года это был основной кабель для телефонной разводки (стандарт EIA/ TIA – 568);

- кабель категории 2 (стандарт EIA/ TIA – 568) был впервые применен фирмой IВМ при построении собственной кабельной системы. Используется в диапазоне частот до 1 МГц;

- кабели категории 3 стандартизованы в 1991 году (стандарт EIA – 568А). Стандарт определил электрические характеристики кабеля для частот в диапазоне до 16 МГц. Кабели предназначены для передачи данных и голоса и составляют в настоящее время основу многих кабельных систем;

- кабель категории 4 (стандарт EIA – 568А) обладает высокой помехоустойчивостью и низкими потерями. Используется в диапазоне до 20 МГц;

- кабель категории 5 (стандарт TP - PMD) специально разработан для поддержки высокоскоростных протоколов. Его характеристики распространяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство высокоскоростных технологий, Fast Ethernet, FDDI, ATM, Gigabit Ethernet ориентированы на применение витой пары категории 5;

- особое место занимают кабели категории 6 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Кабели категории 6 используются в диапазоне до 250 Мгц, кабели категории 7 – в диапазоне до 600 МГц. Кабель категории 6 может быть как экранированным так и неэкранированным. Кабель категории 7 обязательно экранируется, экранируется каждая пара и весь кабель в целом. Данные кабели применяются для поддержки высокоскоростных протоколов при большой длине кабеля. Кабели на основе экранированной витой пары типа STP применяются для передачи данных по стандарту фирмы IBM и подразделяются на следующие типы:

-  type 1 (стандарт EIA – 568А). Кабель включает две пары скрученных проводов (до 12 витков на один метр), экранированных оплеткой. Электрические параметры соответствуют кабелю категории 5, но волновое сопротивление равно 150 Ом (категория 5 – 100 Ом). Применяется в сетях Fast Ethernet;

-  type 2. Кабель состоит из двух пар экранированных проводов для передачи данных (STP) и 2-х пар неэкранированных проводов для передачи голосовых сообщений (VTP);

-  type 3. Кабель состоит из 2-х, 3-х или 4-х пар неэкранированных проводов VTP (телефонный кабель);

-  type 5. Оптоволоконный кабель (ВОК);

-  type 6.2. Кабель имеет 2 пары экранированных проводов (STP).

       Все кабели VTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две – голоса.

       Коаксиальный кабель состоит из несимметричных пар проводников (Рис. 3.22). каждая пара влючает внутреннюю жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая представляет полую медную трубку или оплетку. Внешняя жила отделена от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль, по ней передаются информационные сигналы, и она одновременно является экраном, который защищает внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Существует несколько типов коаксиального кабеля:

- «толстый» коаксиальный кабель был разработан для сетей Ethernet 10 Base – 5 c волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Внутренний проводник имеет диаметр 2,17 мм, обеспечивающий хорошие механические и электрические характеристики, затухание на частоте 10 МГц не хуже 18 дБ/ км. Недостаток кабеля – сложности при монтаже.

- «тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10 Base – 2. Волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 50 мм, внутренний проводник – 0,89 мм. Механические и электрические характеристики хуже чем у «толстого» коаксиального кабеля. Затухание выше, чем в «толстом» кабеле, что приводит к необходимости уменьшить длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Достоинство – обладает большей гибкостью, что очень удобно при монтаже.

        Существует также телевизионный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие использовать такой кабель для передачи данных.

       В условиях возросшей потребности в обеспечении надежного канала передачи данных как в среде построения глобальных информационных сетей, так и в области промышленной автоматизации возникла необходимость поиска альтернативных технологий передачи данных взамен традиционных, основанных на медном кабеле. Этой альтернативой является волоконно-оптическая линия связи, которая имеет целый ряд преимуществ:

- нечувствительность к внешним магнитным полям, колебаниям температуры и влажности;

- высокая пропускная способность, более 30 Гбит/ с.;

- полное затухание в полосе частот до 0,2 дБ/ км;

- отсутствие коротких замыканий;

- малые габариты и масса.

       Оптическое волокно (Рис. З.23) состоит из двух концентрических слоев, сердечник (ядро) и оптической оболочки, которые имеют разные показатели преломления, соответственно n₁ и n₂. Ядро и оптическая оболочка могут быть изготовлены из одного материала [73], например особо гибкого кварцевого стекла. Изменение показателя преломления достигается подбором специальных добавок, которые вводятся в чистый расплав кварца, т. е. осуществляется легирование. Легирующим веществом являются окислы германия, фосфора, бора, фтора, эрбита, неодия. Фтор и окись бора уменьшают показатель преломления, а окись германия и окись фосфора увеличивают. Вокруг оптической оболочки для предохранения от внешнего воздействия (влага, царапины, микротрещины), влияющего на оптические свойства оптоволокна, наносятся два слоя полимера (акрилат). Ядро оптоволокна может быть изготовлено из стекла, а оптическая оболочка из пластика (PCS-оптоволокно). Пластиковое оптоволокно имеет ядро и оболочку из пластика. Показатель преломления сердечника n₁ больше показателя преломления оптической оболочки n₂. Численная разница показателей преломления порядка одного процента, наиболее распротраненное соотношение диаметров сердечника и оптической оболочки – 8/125; 50/125; 62,5/ 125; 100/ 140, значения диаметров в мкм. При вводе света внутрь волокна под углом, большим критического, свет имеет полное внутреннее отражение и будет двигаться зигзагообразно вдоль сердечника оптоволокна. Важнейшим оптическим параметром материала является его показатель преломления – n_, который выражается через отклонение скорости света в вакууме (с) к скорости света в среде данного материала (v)

n =

или оптической длины волны в вакууме к длине волны в материале   

Для всех известных материалов n  и свет распространяется в материале медленнее, чем в вакууме.

Полихлорвиниловая                                        Полихлорвиниловая                                                                                                     

               оболочка                                              оболочка             Экран                                                                                 

                              Изоляция                                                                 Медные провода                                      

               а)                                                                             б)

Рис. 3.21. Витая пара: а – неэкранированная; б – экранированная.

    Внешняя      Оплетка                                Внешняя Оплетка Центральный                                                                                      

     оболочка                Центральный            оболочка                    проводник                                                                             

                                                                                                                  Изолирующая   

                              Диэлектрик                                                             пленка

               а)                                                          б)

Рис. 3.22. Коаксиальный кабель: а – «тонкий»; б – «толстый».

                                                                                          Защитное покрытие

                                     Оптическая оболочка (n₂)                                      

                          Сердечник (n₁)                                                                                               

Рис. 3.23. Волоконно-оптический кабель.

Механизм преломления иллюстрирует рис. 3.24 [73]. На всех трех видах рисунка граница раздела проходит между двумя средами с показателями преломления n₁ и n₂, при этом n₁  n₂. Углом падения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и падающим лучом (Q₁) (Рис. 3.24 а). На границе раздела часть света отражается обратно. Углом отражения называется угол между перпендикуляром к границе раздела двух сред и отраженным лучом. Оставшаяся часть света пересекает границу раздела, образуя преломленный луч, который распространяется под углом Q₂ (Рис. 3.24а). Между углом падения и углом преломления существует соотношение

                     Нормаль                                                            Нормаль                                              

                                     Преломленный                                                                                                                                                                                                                                    

                                           луч                                                 90^о                                           

Граница n₂                                                     Граница n₂                                                                           

 раздела                          Отраженный         раздела n₁ n₂             Отраженный

n₁ n₂                                                                                                          луч

Падающий луч                                                             Падающий                                    

                                                                                            луч

                          а)                                                                          б)

                  Нормаль                                                                                                               

Граница n₂                                                                                                                                     

  раздела                        Полностью

 n₁ n₂                        отраженный

Падающий  Q_C                        луч

луч                                                                                                            

                       в)

Рис. 3.24. Отражение и преломление света на границе двух сред: а) – угол падения меньше критического угла скольжения(Q_C); б) – угол падения равен углу критического скольжения; в) – угол падения больше критического угла скольжения;

       При увеличении угла падения Q₁, при определенном его значении, преломленный луч полностью исчезает (Q₂ = 90^о). Такой угол называется критическим углом скольжения Q_С (Рис. 3.24 б)

Q_С =

При углах больше критического (Рис. 3.24 в) свет полностью отражается и во вторую среду не проникает, а интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего. Это явление называется полным внутренним отражением. При равенстве характеристик реального распространения све-та в оптоволокне используется величина числовой апертуры (NA) [73]. Эта величина часто связана с условием полного внутреннего отражения и волнового распространения света в оптоволокне. Она определяет угловой растр входного конуса, соответствующего максимальному углу ввода света в оптоволокно.

NA = ,

где Q – половина угла ввода.

Чем больше значение NA, тем лучше свет вводится в оптоволокно. Используемые материалы, состав и размеры компонентов определяют физические параметры и особенности оптоволокна. Основными параметрами оптоволокна являются: профиль показателя преломления число мод, потери оптической мощности. Распределение значений показателя преломления вдоль диаметра поперечного сечения оптического волокна называют профилем показателя преломления (Рис. 3.25). Различают оптические волокна со ступенчатым профилем (Рис. 3.25. а, в), когда сердечник и оптическая оболочка имеют однородный (но разный) показатель преломления и с градиентным профилем (Рис. 3.25. б), когда показатель преломления сердечника плавно уменьшается от центра к краям. Чаще всего у градиентных световодов профиль показателя преломления близок к параболе, такие световоды называют параболическими.

       В оптоволокне может распространяться ограниченное число типов электромагнитных колебаний, называемых модами (Рис. 3.25. а, б). Каждая мода имеет характерную для нее структуру электромагнитного поля, а также фазовую и групповую скорость. Под фазовой скоростью понимается скорость перемещения фазы волны, а групповая скорость определяет скорость переноса энергии электромагнитной волной. Обе скорости эквивалентны и равны скорости света. Различают одномодовый и многомодовый режимы работы волоконно-оптических линий связи. Условием одномодового режима, в котором по оптоволокну распространяется одна основная мода, является выполнение неравенства       

                                           F =                            (3.6)

где  - рабочая длина волны;

  r – радиус сердечника;

 F – нормированное значение рабочей частоты;

 F_отс. – нормированное значение частоты отсечки (частоты, соответст-

  вующей предельному значению длины волны данной моды).                                                                                                                        Величина отсечки F_отс. = 2,405 для световодов со ступенчатым профилем и F_отс. = 3,53 в случае параболического профиля. Величину NA найти из выражения

NA =

n₁, n₂ – показатели преломления сердечника и оптической оболочки. Кроме условия (3.6) должно выполняться равенство

2 r  = 0,38

Если неравенство (3.6) не выполняется, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Число мод приблизительно равно N = F²/2 для световода со ступенчатым профилем и N = F²/4 для градиентного профиля. Характер распространения света в одномодовом волокне поясняется на Рис. 3.25. Для многомодового оптоволокна характерно явление под названием дисперсии. При вводе луча в оптическое волокно путь распространения от начала до конца волокна для разных мод различен, что обуславливает разное время распространения мод, переносящих энергию первичного сигнала и перераспределение выходной суммарной энергии в заданном отрезке времени. Поэтому, если импульс света на входе в оптоволокно имеет ярко выраженный фронт и срез сигнала, то на выходе получается «размытый» сигнал. Это «размывание» сигнала обусловлено межмодовой дисперсией и проявляется тем сильнее, чем длиннее линия связи.

Рис. 3.25. Распространение света в одномодовом и многомодовом волокнах для разных

            профилей показателя преломления: а – многомодовое волокно со ступенча-

            тым профилем показателя преломления; б – многомодовое волокно со сгла-

            женным профилем показателя преломления; в – одномодовое волокно со сту-

            пенчатым профилем показателя эффективности.

Межмодовая дисперсия ограничивает пропускную способность волокна, так как при повышении частоты входного сигнала различные края среза одного импульса начинают перекрываться размытым фронтом последующего импульса, что ведет к потере информативности сигнала (рис. 3.26). Несмотря на большую дисперсию, многомодовое волокно является очень распространенным из-за более низких требований к технологическому оборудованию для его производства и используемому материалу. Такое волокно может иметь сердечник из стекла и оптическую оболочку из полимера или быть полностью изготовленным из пластика.

Рис. 3.26. Искажение передаваемого сигнала вследствие межмодовой дисперсии: U₁ – сигнал на входе оптоволокна; U₂ – выходной сигнал с допустимыми искажениями; U₃ – выходной сигнал с икажениями, приводящими к потере информации.

       Для волокна с градиентным показателем преломления величина межмодовой дисперсии существенно меньше. Градиентное оптоволокно широко используется при создании локальных сетей и в коммуникациях, требующих широкой полосы пропускания, например, при передаче видеоизображения. Наиболее распространенные значения отношение диаметра ядра к диаметру (в мкм) оптической оболочки составляют 50/125; 62,5/125. Для многомодового световода важным показателем является также ширина полосы пропускания волокна в пересчете на километр его длины, называемая коэффициентом широкополосности. Например, величина этого коэффициента, равная 600 МГц  км говорит о том, что на расстояние в 1 км может быть передан сигнал в полосе частот до 600 МГц или на расстояние 2 км – в полосе 300 МГц, т.е. произведение длины линии передачи на ширину полосы частот сигнала должно быть величиной меньшей или равной коэффициенту широкополосности. Одномодовое волокно по сравнению с многомодовым имеет существенно меньший коэффициент затухания и большую проектную способность (до 10 Гбит/ сек против 2,5 Гбит/ сек), но при этом само одномодовое волокно и соответсвующие ему приемники и передатчики дороже, чем многомодовые.

       Потери оптической мощности (или затухание) являются результа-

том поглощения света материалом световода, рассеяния в местах микро- и макроизгибов, а также отражения на концах световода. Коэффициент затухания, отражающий потери оптической мощности измеряется в дБ/ км. Величина потерь оптической мощности в оптоволокне рассчитывается из соотношения [73]

 = ,

где коэффициент затухания;

 - величина потерь мощности на длине L;

 – величина введенной мощности.

Для современных типов одномодового оптоволокна величина коэффициента затухания при длине волны 1,3 мкм лежит в диапазоне 0,4 – 0,45 дБ/ км. Для многомодового волокна величина коэффициента затухания при той же длине волны составляет 0,6  1,0 дБ/ км. Очень сильно отличаются потери от частоты передаваемого сигнала для оптического кабеля, витой пары и коаксиала. В случае медного проводника потери в линии пропорциональны увеличению частоты передаваемого сигнала, потери в оптическом волокне практически постоянны для широкого диапазона частот (Рис. 3. 27).

Рис. 3.27. Зависимость затухания от частоты передаваемого сигнала.

        Температурные колебания оказывают влияние на абсолютные значения коэффициентов преломления ядра и оптической оболочки, а следовательно и на их разность, что в итоге приводит к нарушению условия существования одной моды и появлению дополнительных мод. В результате происходит потеря мощности основного сигнала. Диапазон рабочих температур оптоволоконных кабелей обычно лежит в границах – 40  + 70

Затухание также связано с ионизирующим излучением (гамма-излу-чение, потоки нейтронов и т.д.). Под действием такого излучения изменяется структура стекла, оптоволокно «темнеет», увеличиваются потери мощности за счет появления структурной неоднородности волокна. Величина потерь зависит от типа излучения, дозы облучения и времени облучения. Например, при действии радиоактивного излучения 3700 раз в течении 3 нс затухание может достигать 1000 дБ/ км, и уже после 10 секунд величина потерь становится меньше 5 дБ/ км, т. е. после прекращения радиоактивного облучения наступает постепенное восстановление пропускной способности волокна.      

3.8.3. Сенсорные сети для подключения датчиков и исполнительных

---

Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 643; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!