Почему именно оптико-волоконные кабели За последние годы технология вещания изменилась кардинальным образом, в этой отрасли стали широко использоваться цифровые сигналы. И у многих сложилось мнение, что для надежного функционирования цифровых систем эксплуатационные качества кабелей уже не столь важны. Но традиционные провода с медным сердечником накладывают серьезные ограничения на высокоскоростную передачу цифровых сигналов. Хотя существуют медные кабели, разработанные специально для передачи цифровых сигналов, обратные потери, присущие таким кабелям, ограничивают их использование на расстояниях, превышающих 500 м, а в случае сигналов высокого разрешения (HD) эта цифра еще меньше. Поэтому компании, занимающиеся вещанием, стали использовать в качестве основы для инфраструктуры своих систем оптико-волоконные кабели. По крайней мере, там, где нужно было прокладывать кабеля на большие расстояния или там, где, в будущем, предусматривалась модернизация и переход на сигналы высокого разрешения (HD). Оптико-волоконным кабелям свойственны очень низкие потери и невосприимчивость к помехам, поэтому они позволяют без использования ретрансляторов и усилителей передавать сигналы высокого разрешения (HD) на расстояния в несколько тысяч раз большие, чем по проводам с медным сердечником.
Типы оптико-волоконных кабелей
Выпускаются оптико-волоконные кабели различных типов, каждый из которых предназначен для конкретных целей. Но все оптико-волоконные кабели можно разделить на две основные категории — многоволновые (Multimode) и одноволновые (Single-mode), которые иногда еще называют “моноволновыми” (Monomode). Чем же они отличаются? Оптико-волоконные кабели работают по принципу «полного внутреннего отражения» и состоят из двух частей — внутреннего сердечника и наружной оболочки. В процессе прохождения вдоль внутреннего сердечника световая волна ударяется о границу между сердечником и оболочкой и отражается от нее. Ее прохождение представляет собой серии «отскоков» на всем протяжении оптико-волоконного кабеля. Для многоволновых кабелей в той или иной мере свойственны потери, обусловленные рассеиванием (дисперсией). Дисперсия возникает в тех случаях, когда угол падения световой волны в волокне превышает критический угол, необходимый для полного внутреннего отражения, что приводит в дальнейшем к потере этой волны. По одноволновым волокнам передается существенно более однородная форма света в виде одной волны. Она не подвержена эффектам дисперсии, поэтому ее сигнал можно передать на значительно большие расстояния и с более высокими скоростями передачи. Но и одноволновым волокнам присущи свои недостатки: большой диаметр и широкий волновой спектр. Поэтому проще осуществлять соединение с помощью многоволнового оптического кабеля, а не одноволнового. К тому же одноволновой кабель стоит, как правило, дороже, так как для него необходимы источники значительно более однородного светового пучка, а производство более тонких сердечников достаточно трудоемко. В многоволновом оптическом кабеле одновременно перемещаются много световых волн, а достаточно большой сердечник кабеля вмещает их все. В одноволновом оптическом кабеле сердечник существенно меньше по размеру, и по нему передается только одна волна.
Лазеры или светодиоды
Обычно используют источники света двух видов — светодиоды (LED) и лазерные диоды (Lazer Diode). Глубокое исследование относительных преимуществ каждого из этих источников света находится вне рамок этой брошюры. Но, стоит все-таки отметить, что светодиодам не хватает рабочей скорости, необходимой для высокопроизводительных приложений на основе одноволновых кабелей. Поэтому их применяют с многоволновыми оптико-волоконными кабелями, по которым передается цифровой видеосигнал со стандартным разрешением на скорости до 270 Мбит/с. К тому же, они излучают более широкий спектр волн и оказываются непригодными для тех приложений, в которых происходит комбинирование или уплотнение длины волны.
Лазерные диоды способны излучать световые волны разной длины и отличаются мощностью. Модули V1673 и V1674 производства Vistek позволяют подбирать выходную мощность лазерного диода для конкретной системы. А возможность выбора длины световых волн для каждого сигнала позволяет комбинировать или уплотнять несколько различных сигналов при передаче по одному кабелю. Генерирование световой волны для прохождения по оптико-волоконному кабелю – это только половина задачи. Необходимо еще каким-то способом распознать ее на другом конце системы. Обычно это достигается за счет использования PIN фотодиода. Хотя приемник (ресивер) может распознать многоволновой сигнал, следует все же стремиться к тому, чтобы он соответствовал типу сигнала, так как устройство соединителей и концевых выводов на приемном фотодиоде должно быть оптимизировано под тип кабеля.
Чтобы не превысить нагрузку на фотодиоды, важно обеспечить корректную входную мощность. Мощность, которая доставляется на фотодиод, всегда будет меньше той, что была сгенерирована на передатчике, так как даже в простейших оптико-волоконных соединениях возникают некоторые потери.
Передатчики, приемники и приемопередатчики
Для обеспечения максимальной гибкости компанией Vistek был разработан широкий ассортимент конвертеров (преобразователей), позволяющих сочетать кабели с медным сердечником и оптико-волоконные кабели. Модели HD/SD V1674 (предназначенные для передачи сигнала как высокого, так и стандартного разрешения) и SD V1673 (предназначенные для передачи сигнала только стандартного разрешения) могут использоваться в качестве двухканальных передатчиков, двухканальных приемников или в комбинированной конфигурации с одним передающим и одним получающим каналом на каждом модуле (в качестве приемопередачика). На каждом передающем канале можно задать до 9 длин волн в диапазоне от 1310 до 1610 нм. Приемные каналы разработаны с учетом возможностей работы во всем диапазоне длин волн. Все конвертеры работают под контролем системы управления Vistek, которая отслеживает их состояние и проводит мониторинг аварийных ситуаций. При подсоединении к системе клиент/сервер ViewNet, разработанной в Vistek, подобный мониторинг легко распространяется на системы третьих производителей, поддерживая работу WAN по сетевым протоколам IP XML и SNMP.
Обработка сигнала (Passive Processing)
После того как электронный сигнал преобразован в световой поток, появляется возможность скорректировать способ передачи этого светового потока. На самом простом уровне, световой поток из одного оптико-волоконного кабеля может быть разделен несколькими способами, чаще всего с помощью радиотрансляционного усилителя. Устройства, которые выполняют этот процесс, называются «опто-куплерами» (Opto-couplers). Обычно у опто-куплера имеется один вход и два или четыре выходных порта. Входящий поток разделяется между выходными портами, как правило, в равных долях (50% / 50%), хотя возможно и неравномерное разделение, при котором меньшая часть сигнала (10 — 20%) направляется на один порт для контроля и мониторинга, а оставшаяся часть – на другой порт для пересылки на дальние расстояния. Другим вариантом опто-куплера является устройство для уплотнения с волновым разделением (WDM — Wavelength-Division Multiplexer). Это устройство может разделять или объединять две световые волны с разной длиной. Устройство уплотнения с волновым разделением (WDM), хотя и напоминает внешне два выходных опто-куплера, отличается от них тем, что обеспечивает очень низкие потери сигнала между входом и выходом.
Опто-куплеры, как и устройства WDM, отличаются двунаправленностью и симметричностью. Если источник света присоединить к одному из выходных портов опто-куплера, то этот сигнал попадет и во второй выходной порт, и во входной порт. Это особенность позволяет одному устройству для волнового разделения (WDM) выступать в качестве и мультиплексора (устройства уплотнения сигналов), и демультиплексора (устройства разделения сигналов). В тех случаях, когда задействовано больше двух сигналов, для уплотнения с волновым разделением используют дополнительное устройство СWDM (Coarse Wavelength-Division Multiplexer). Оно просто расширяет количество каналов, с которыми может работать устройство WDM, для продукции компании Vistek — до 5 или 9. Девять – это максимальное число каналов, которое могут обеспечить устройства СWDM, так как допустимые отклонения лазерных диодов не позволяют воспроизводить длину волны точнее, чем +/- 3 нм. В телекоммуникационных отраслях широко используется технология, которая называется мультиплексирование по длине волны высокой плотности (DWDM — Dense Wavelength-division Multiplexing), но она подразумевает применение лазеров с охлаждением, что существенно увеличивает затраты.
Модули CWDM, которые также характеризуются двунаправленностью, применяются в сложных системах перераспределения, где задействовано большое количество сигналов.
В тех случаях, когда применяются соединения многочисленных оптико-волоконных кабелей, разумнее использовать оптические коммутаторы, позволяющие выбирать резервные кабели. Обычно переключатели имеют следующие схемы переключений — 2х1 или 2х2.
Энергетический потенциал линий связи (Link Budgets)
Несмотря на то, что оптико-волоконный кабель очень эффективно передает сигналы, любая оптико-волоконная система приводит к образованию некоторых потерь. При разработке системы следует принимать во внимание общую сумму всех потерь, которые могут возникнуть на определенном маршруте связи, чтобы выходная мощность передатчика соответствовала бы входной чувствительности приемника. В несложных системах с небольшим количеством физических соединений величина таких суммарных потерь может быть очень малой и ею можно пренебречь. Хотя в больших по размеру системах, и особенно тогда, когда в линии находятся пассивные оптические устройства, эти потери могут оказывать очень существенное влияние. Общая сумма всех потерь на маршруте связи называется «энергетическим потенциалом линии связи» (Link Budget), а его расчет является ключевым элементом для успешного проектирования системы.
Для всех устройств, включенных в каталог Vistek, приводится расчетная сумма потерь, возникающих при включении устройства в линию. Но в расчетах следует учитывать потери, как в самом оптическом кабеле, так и в каждом соединительном звене. Для выполнения подобных расчетов на сайте Vistek предлагается «Калькулятор энергетического потенциала линии связи» (Link Budget Calculator) в Microsoft Excel, который можно скачать бесплатно. По оптико-волоконным сетям можно передавать не только видео-, но и аудиосигналы, хотя в большинстве систем все-таки используются цифровые видеосигналы с внедренным аудио. Но компания Vistek может предложить и оптико-волоконный передатчик/приемник, в который в качестве отдельного модуля входит устройство для внедрения и извлечения аудио. Аудиосигнал — только один элементов, с которыми вынуждены сегодня работать вещательные компании. Для них особую роль играет контроль и управление вещанием, а передача управляющих сигналов по оптико-волоконным кабелям выглядит, как естественное расширение передачи программных сигналов. Компания Vistek выпускает оптико-волоконные конвертеры, которые поддерживают разнообразные форматы – от простейшего GPI до Ethernet.
Интегрирование системы
Все оптико-волоконные продукты Vistek соответствуют модульной системе V1600, поэтому, по желанию, можно компоновать самые различные модули: высокого (HD) и стандартного разрешения (SD), видео (Video), аудио (Audio), контроля и управления (Control). Все они могут быть установлены в одну ту же ячейку рэка с другими модулями системы Vistek V1600. Это позволяет интегрировать оптико-волоконные входы/выходы, как составную часть системы общего назначения, вместо того, чтобы направлять сигналы к определенным рэкам с оптико-волоконным оборудованием.