Измерительные приборы, используемые в ВОЛС

Оптоволоконные сети, безусловно, являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все большие затраты на дальнейшее развитие этого направления.

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) -- это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием «оптическое волокно».

ВОЛС -- это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии ВОЛС помимо вопросов волоконной оптики охватывают вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации и протоколов передачи, а также вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

ВОЛС в основном используются при построении объектов, в которых СКС должна объединить многоэтажное здание или здание большой протяженности, а также при объединении территориально-разрозненных зданий.

Преимущества ВОЛС. Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети ВОЛС является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне. 

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления.

Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2: 5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем. 
Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

1. Структура оптического волокна

В зависимости от траектории распределения света, различают: многомодовое и одномодовое волокно. Многомодовое (многочастотное) волокно (MMF - MultiModeFider) имеет довольно большой диаметр сердцевины - 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм и 100 при оболочке 140 мкм. Одномодовое (одночастотное) волокно (SMF - SingleModeFider) имеет диаметр сердцевины 8 или 9,5 мкм при том же диаметре оболочки. Снаружи оболочка имеет пластиковое защитное покрытие (coating) толщиной 60 мкм, называемое также защитной оболочкой. Световод (сердцевина в оболочке) с защитным покрытием называется оптическим волокном.

Рис. 1 - Оптоволокно в буфере: Сердцевина; Оптическая оболочка; Защитное покрытие; Буфер (необязательный)

Внутренняя часть световода называется сердцевиной (ядро), которая предоставляет собой нить из стекла или пластика, внешняя - оптической оболочкой волокна, или просто оболочкой (cladding) являющаяся специальным покрытием сердцевины, отражающим свет от краев к центру.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста

И похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рис. 1.). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками

По помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.

Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях

На частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д.

Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. Как и в случае с передачей по «меди» или радиоканалу, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Некорректная спецификация мощности сигнала приводит к увеличению коэффициента битовых ошибок при передаче; мощность слишком большая -- и усилитель приемника «перенасыщается», слишком малая -- и возникает проблема с шумами, поскольку они начинают мешает полезному сигналу. Вот два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче -- затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

1.1 Преимущества и недостатки ВОЛС

Преимущества ВОЛС

Высокая несущая частота (1014 Гц) обусловленная широкой полосой пропускания. Благодаря этому осуществляется большой поток информации по 1 волокну (до нескольких терабит/сек.). А такая полоса пропускания является важным достоинством перед любой средой для передачи данных.

Затухание сигнала выпускаемого сегодня оптоволокна достаточно мало (0,2-0,3 дБ). А такое затухание с небольшой дисперсией позволяют построить без ретрансляции линии, протяженность которых может составить более 100 км. К тому же кабель имеет низкий уровень шумов, за счет чего увеличивается полоса пропускания (для этого передается модуляция сигналов, имеющих малую избыточность кода).

Защита от помех весьма высока, потому что изготовлено волокно из диэлектрического материала, которое не воспринимает электромагнитные помехи от различных возможных источников, способных индуцировать как-либо электромагнитное излучение. И в кабелях, имеющих множество волокон, не возникает перекрестное влияние электромагнитного излучения, что свойственно медным или же многопарным кабелям.

ВОЛС имеют небольшой объем и вес. К примеру, 900-парный кабель телефона имеет диаметр 7,5 см, который можно заменить лишь одним волокном, диаметр которого 0,1 см. И даже защищенное волокно множеством оболочек имеет несравнимо малый диаметр, лишь 1,5 см.

ВОК (волокнисто-оптический кабель) прекрасно защищен. Он практически не имеет радиоизлучения, потому передаваемую информацию по нему довольно тяжело подслушать, не нарушив при этом прием или передачу сигнала. А система мониторинга при необходимости мгновенно подаст сигнал тревоги и отключит «взламываемый» канал.

Гальваническая развязка различных элементов сети заключается в изолирующем свойстве волокна. А благодаря тому, что оптоволокно не может образовывать искры существенно повышается пожаро- или взрывобезопасность. Это очень актуально для таких предприятий как нефтеперерабатывающие или химические, с повышенным риском при определенных технологических процессах.

ВОК достаточно экономичен, поскольку изготавливается из кварца, основа которого двуокись кремний. Данный материал популярен и весьма доступен по стоимости в сравнении с медью. Цена волокна по отношению к медной паре можно соотнести как 2:5. ВОК при этом передает сигнал на большие расстояния. И количество повторителей существенно сокращается.

Довольно длительный срок службы ВОЛС также относится к преимуществам. Деградацию, которое испытывает со временем волокно (возрастание затухания) значительно замедляют с помощью современных технологий. Таким образом, срок эксплуатации составляет до 25 лет, в течении которых может не одно поколение приемных (передаточных) систем смениться.

Бывают случаи, когда необходимо удаленное питание (электрическое) узла сети. В этом случаи ВОЛС прекрасно подойдут. Конечно, оптоволокно не выполнит функцию силового кабеля. Но здесь возможно использование смешанного кабеля (к оптоволокнам «добавляют» медный проводящий элемент). Подобный кабель широко применяют и за рубежом.

Недостатки ВОЛС

Практически у всего есть свои недостатки и волоконно-оптические системы не исключение. Пожалуй, главным недостатком можно выделить дороговизну монтажного прецизионного оборудования, а также надежность лазерных источников излучения. Многие недостатки, скорее всего можно нивелировать с появлением конкурентоспособных новых технологий в ВОЛС.

Цена на интерфейсное оборудование. Оно главным образом необходимо для преобразования электрических сигналов в оптические и обратно. Стоимость оптических приемников и передатчиков все же на сегодняшний день остается довольно большой. Для создания ВОЛС нужны и высоконадежное коммутационное специализированное пассивное оборудование, аттенюаторы, оптические разветвители, соединители (оптические) с небольшими потерями и одновременно с этим с большим ресурсом на отключение-подключение.

Обслуживание и установка оптических линий. Монтаж, тестирование и поддержка ВОЛС стоят недешево. В частности, если повреждается кабель, то требуется место разрыва соединить при помощи сварки и обеспечить защиту данному участку кабеля от внешней среды. Однако, производителями постоянно поставляются усовершенствованные инструменты для устранения неполадок с ВОК, цены которых постепенно снижаются.

Специальные требования по защите волокна. Насколько прочным является оптоволокно? В теории этот материал очень прочен. Выдерживает стекло (как материал) потрясающие нагрузки, имеющие предел прочности на разрыв выше 1 Гпа. И теоритически это означает, что волокно диаметром 125 мкм в количестве 1 штука сможет выдержать груз весом 1кг. Однако практика таких результатов не показывает. Причиной этому служат имеющиеся микротрещины, инициирующие разрыв.

Естественно, для повышения прочности и надежности этот материал в процессе изготовления подвергается специальной обработке, а именно его покрывают лаком, основа которого составляет эпокиакрилат, а сам кабель упрочняют (к примеру, нитями, основа которых кевлар). Для того, чтобы повысить прочность ВОК его упрочняют стеклопластиковыми стержнями или же стальным специальным тросом. Однако все это приводит к большей цене кабеля.

Однако совокупность преимуществ применения ВОЛС достаточно значительны несмотря на имеющиеся их недостатки. Потому очевидна дальнейшая перспектива развития технологий волоконно-оптических линий связи в информационных сетях.

1.2 Области применения ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния. Они также используются на малых, более управляемых расстояниях, например, внутри зданий. Растет количество пользователей Интернет - и у нас быстро строятся новые центры обработки данных (ЦОД), для взаимосвязи которых используется оптоволокно. Ведь при передаче сигналов со скоростью 10 Гбит/с затраты аналогичны «медным» линиям, но оптика потребляет значительно меньше энергии. Долгие годы приверженцы волокна и меди «бились» друг с другом за приоритет в корпоративных сетях. Зря потраченное время!

Сегодня связь по WiFi стала настолько хорошей, что пользователи нетбуков, ноутбуков и iPhon'ов отдали предпочтение мобильности. И теперь в корпоративных локальных сетях оптику используют для коммутации с точками беспроводного доступа».

Действительно, областей применения оптики становится все больше, в основном, из-за указанных выше преимуществ перед медью. Волоконно-оптическое оборудование широко используется в медицинских учреждениях, например, для коммутации локальных видеосигналов в операционных. Оптические сигналы не имеют никакого отношения к электричеству, что идеально в плане обеспечения безопасности пациентов.

Волоконно-оптическим технологиям отдают предпочтение и военные, так как передаваемые данные трудно или даже невозможно считать извне. ВОЛС обеспечивают высокую степень защиты конфиденциальной информации, позволяют передавать несжатые данные типа графики с высоким разрешением и видео с точностью до пикселя.

Оптика проникла во все ключевые направления - системы наблюдения, диспетчерские и ситуационные центры в зоны с экстремальными условиями эксплуатации.

Снижение стоимости оборудования позволило использовать оптические технологии в традиционно медных областях - на больших промышленных предприятиях для организации автоматизированных систем управления технологическим процессом, в энергетике, в системах безопасности и видеонаблюдения.

Возможность передачи большого потока информации на дальние расстояния делает оптику идеально подходящей и востребованной практически во всех областях промышленности, где длина кабельных линий может достигать нескольких километров. Если для витой пары расстояние ограничено 450 метрами, то для оптики и 30 км не предел.

В качестве примера использования ВОЛС хочу привести описание замкнутой системы безопасности видеонаблюдения на типовой электростанции. Особенно актуальной и востребованной эта тема стала в последнее время, после принятия Правительством РФ постановления о противодействиях терроризму и перечня жизненно важных объектов, подлежащих защите.

2. Измерительные приборы используемые в ВОЛС

Рис. 1 - Тестер оптики

GrandwayFHM2A01 тестер оптики

Grandway FHM2A01 - оптический тестер, предназначенный для измерения вносимых потерь в оптическом волокне. Прибор комбинирует в себе источник излучения на 2 длины волны 1310/1550нм и широкополосный измеритель мощности. Благодаря компактному размеру и насыщенному функционалу FHM2A01 удобно использовать при инсталляции волоконного оптических сетей. Результаты измерений можно сохранить в память прибора и открыть на ПК с помощью специализированного программного обеспечения для дальнейшего анализа.

Анализатор кабельных DSL-линий Radiodetection RD 6000DSL

Рис. 2 - Рефлектометр

RD6000DSL является мультифункциональным анализатором и сочетает в себе восемь приборов: мультиметр, емкостной и резистивный мост, рефлектометр, анализатор спектра, измеритель уровня шумов и асимметрии, генератор и измеритель уровня. Благодаря широкому частотному диапазону до 2.2 МГц и измерению спектральной плотности мощности сигнала с применением масок современных стандартов (ADSL, HDSL) прибор не заменим при нормировании линий связи для развертывания технологий хDSL.

KIWI-4200 - источник оптического излучения, поддерживающий две длины волны.

Рис. 3 - Источник оптического излучения

KIWI-4201 - излучает свет на длинах волн 850 и 1300 нм, для многомодового волокна.

Источник способен излучать немодулированный и модулированный сигнал (270 Гц, 1 кГц, 2 кГц).

Возможна работа как от аккумуляторов, так и от батареек АА. Предусмотрена индикация уровня заряда батареи на экране. В приборе реализован режим энергосбережения - по истечении 10 минут прибор автоматически выключается.

Источники излучения KIWI-4200 в сочетании с измерителями мощности серии KIWI-4300 позволяют крайне эффективно измерять затухание оптических каналов на наиболее распространенных длинах волн - 1310 нм и 1550 нм.

KIWI-4100- детектор повреждений

Рис. 4 - Детектор повреждений

тестер детектор линия

Карманный детектор повреждений KIWI-4100позволяет обнаруживать обрывы или перегибы волокна, дефектные соединения, сварочные стыки и другие причины потерь сигнала в радиусе до 10 км.

Детектор повреждений KIWI-4100 представляет собой лазер, излучающий видимый свет на длине волны 650 нм. Прибор может излучать постоянный свет или пульсирующий с частотой 1 Гц или 2 Гц.

В тех местах, где происходят потери сигнала, возникает ярко-красное пульсирующее свечение, хорошо заметное невооруженным глазом сквозь желтую оболочку многомодовых и одномодовых волокон.

Детектор позволяет легко обнаруживать перегибы или обрывы волокна, дефектные соединения, сварочные стыки и другие причины потерь в радиусе до 10 км.

Заключение

Структурированные кабельные системы, которые используют оптоволокно как для магистральных, так и для горизонтальных кабельных каналов, дают потребителям ряд серьезных преимуществ: более гибкая структура, меньшая занимаемая площадь в здании, высокая безопасность и лучшая управляемость.

Применение оптического волокна на рабочих местах позволит в будущем с минимальными затратами перейти на новые сетевые протоколы, такие как Gigabit и 10 GigabitEthernet. Это возможно благодаря ряду последних достижений в области оптоволоконных технологий: многомодовое оптоволокно с улучшенными оптическими характеристиками и полосой пропускания; оптические разъемы с малым форм-фактором, которые требуют меньшей площади и меньшего количества затрат при монтаже; плоскостные лазерные диоды с вертикальным резонатором обеспечивают передачу данных на большое расстояние с низкими затратами.

Широкий набор решений для построения оптических кабельных систем обеспечивает плавный, экономически оправданный переход с медных на полностью оптические структурированные кабельные системы.

Литература

1. Гук М., “Аппаратные средства локальных сетей” (2019г.);

2. Стерлинг Дж., “Техническое руководство по волоконной оптике” (2016г.);

3. Олифер В. Г., “Компьютерные сети” (2018г.);

4. Карташевский В. Г., Семенов С. Н., Фирстова Т. В. “Сети подвижной связи” (2017г.);

5. Веселовский К. “Системы подвижной радиосвязи” (2017г.);

6. Громаков Ю. А. “Стандарты и системы подвижной радиосвязи” (2018г.);

7. Закиров С.Г. “Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения” (2015г.);

8. Руфова А. Ф. “Частотно-территориальное планирование сетей подвижной радиосвязи” (2019г.);

9. Ратынский М.В. “Основы сотовой связи” (2017г.);

10. Крук Б. И., Попантанопуло В. Н., Шувалов В. П. “Телекоммуникационные системы и сети” (2018г.);

11. Катунин Г. П., Мамчев Г. В., Попантанопуло В. Н., Шувалов В. П. “Телекоммуникационные системы и сети” (2015г.);

12. Уайндер С. “Справочник по технологиям и средствам связи” (2015г.);

13. Садченков Д. А. “Техника и возможности СИ-БИ радиосвязи” (2016г.);

14. Соловьев А. А. “Пейджинговая связь” (2018г.);

15. Соколов А. В., “Андрианов В. И. Альтернативы сотовой связи” (2015г.).

Размещено на Allbest.ru