Бездротові оптичні канали зв'язку. Волс: волоконно-оптичні лінії зв'язку Оптоволоконні технології

ВОЛЗ - це система, що ґрунтується на передачі даних за допомогою оптичного волокна.

Волоконно-оптична лінія зв'язку сприяє надійній передачі даних, має високі показники якості зв'язку. Система здатна працювати незалежно від наявності електромагнітних перешкод, і навіть великих відстані функціонує без підсилювачів.

У основі цього методу передачі лежить використання технології волоконної оптики, коли світло є носієм даних.

Складові елементи ВОЛЗ

Прийнято розділяти обладнання ВОЛЗ на активні та пасивні елементи.

Спрощена схема дії всіх компонентів полягає у знаходженні на одному кінці кабелю світлодіода або лазерного діода, що передає сигнал.

Під час передачі даних інфрачервоний діод створює імпульс згідно з типом сигналу. Фотокодектор на іншому кінці волокна приймає та перетворює світловий сигнал на електричний.

До активних компонентів системи відносять:

мультиплексор - пристрій, що з'єднує кілька сигналів єдиний;
підсилювач - дозволяє збільшити потужність сигналу, що передається;
світлодіоди та лазерні діоди - джерело світла в кабелі;
фотодіод - приймач сигналу на кінцевій частині волокна, що здійснює перетворення отриманого сигналу;
Модулятор - пристрій перетворення сигналу з електричного на оптичний.

Пасивні елементи ВОЛЗ:

оптоволоконний кабель - середовище, через яке передається сигнал;
оптична муфта - з'єднує кілька волокон;
оптичний крос - пристрій на кінці кабелю, що підключає його до активних елементів;
спайки - проводять зрощування волокон;
роз'єми - пристрої для відключення або приєднання кабелю;
відгалужувачі - пристрої з розподілу потужності оптики з декількох волокон в єдиний;
комутатори - обладнання для перерозподілу оптичних сигналів.

Будівництво ВОЛЗ

Перед початком робіт, пов'язаних із будівництвом ВОЛЗ, необхідно провести ряд попередніх робіт, тобто створити проект ВОЛЗ.

Завданнями є визначення пропускних можливостей майбутніх ліній зв'язку; дослідження середовища, через яке пролягатиме система; розрахунок маси, обсягів та загальної вартості всієї ВОЛЗ; створення захисної системи лінії зв'язку; забезпечення безпеки даних, що передаються.

Проектування та будівництво ВОЛЗ передбачає встановлення обладнання, підготовку середовища для проведення кабелю, проводиться закупівля обладнання. Організовується отримання технічних умовдля монтажу ліній зв'язку.

Після проведення вищезгаданих етапів з проектування та підготовки до робіт здійснюється монтаж обладнання: прокладання кабелю в грунті, каналізації, колекторах; встановлення модулів, кріплення муфт, встановлення всіх активних компонентів. Після встановлення необхідного обладнання вживаються заходи щодо створення безпечних умов для кабелю.

Готову ділянку лінії зв'язку тестують за основними властивостями.

Види вимірів

Тестування волоконно-оптичної лінії зв'язку здійснюється шляхом проведення двох видів вимірів. Перший вид оцінює згасання сигналу від кінця кабелю до іншого. З одного боку підключається лазер, з іншого – фотодіод. Зміна струму даних між двома компонентами свідчить про втрати у волокні. Прилад, за допомогою якого відбувається виявлення загасання сигналу, називається оптичним тестером.

Мінус цього обладнання полягає у неможливості визначення місця ушкодження, через яке відбуваються втрати.

Другий вид вимірювань ВОЛЗ – це за допомогою оптичного рефлектометра. Прилад визначає місце розташування в кабелі дефектів, робить виміри втрати сигналу будь-якої частини волокна. Дані виводяться на екран у вигляді графіків, за допомогою яких видно рівні сигналу та відстані між різними точками усієї системи.

Оптичний бюджет

Оптичний бюджет характеризує максимальне згасання у лінії, яке можливе у лінії зв'язку. Функціонування можливе при не перевищенні величини бюджету. Усі елементи системи поділяють на створюють у кабелі сигнал і знижують його, сприяють згасання потоку даних.

Елементами, що створюють сигнал є трансівери та підсилювачі. Всі інші елементи та обладнання створюють перешкоди та впливають на втрату сигналу.

Компанії-виробники систем вказують у документації розрахунок ВОЛЗ.

Добуток обчислень ґрунтується на обліку джерел загасання у волокні, мультиплексори, модулі, ділянки з'єднання, наявність розгалужень. Для розрахунку оптичного бюджету ВОЛЗ необхідно наявність даних про довжину ділянки волокна, що заміряються в км, кількість з'єднання на оптичних панелях, число зварювальних скріплень.

Щоб забезпечити надійність роботи всієї системи, потрібно брати до уваги можливість збільшення втрат сигналу за рахунок зовнішніх факторів, незалежних від самої лінії, а також за рахунок старіння обладнання.

У світі потреби у зв'язку постійно зростають. Споживачам необхідні все більші швидкості передачі, якість зв'язку та трансльованого контенту (наприклад, якість цифрового телебачення). Провайдерам - фірмам, що надають послуги провідного інтернету, бездротового інтернету (Wi-Fi), IP-телефонії, цифрового телебачення- Необхідно розширювати можливості своїх ліній зв'язку. Про ці та багато інших сфер телекомунікацій Ви зможете дізнатися на нашому сайті rcsz-tcc.ru.

Канали, засновані на звичайній кручений парі, обмежують швидкість при великій протяжності ліній зв'язку і сильному навантаженні (великої кількості абонентів) на них. Вихід знайшли у найбільш сучасних лініях – оптичних. Інакше їх називають Волоконно-Оптичні Лінії Зв'язку (ВОЛЗ). У чому ж перевага таких ліній, і за рахунок чого вона досягається?

Для початку – трохи історії. Вперше експеримент із передачі світлового сигналу був проведений та представлений Даніелем Колладоном (Daniel Colladon) та Жаком Бабінеттом (Jacques Babinet) у далекому 1840 році. Але перше практичне застосуваннятехнології відбулося лише у ХХ столітті. У 1952 році фізик Наріндер Сінгх Капані (Narinder Singh Kapany) зміг провести кілька досліджень, які послужили поштовхом до створення оптичного волокна. Наріндер створив джгут зі склоподібних волокон, які і є оптичним хвилеводом (хвильоводи - спрямовуюча система для сигналів). Середина волокна має менший коефіцієнт заломлення ніж оболонка. У цьому випадку сигнал повністю проходитиме по серцевині, а від оболонки відображатиметься назад у серцевину. Таким чином, оболонка виконує роль дзеркала. До винаходу таких волокон сигнал не сягав кінця лінії. Тепер завдання можна було вважати вирішеним. Відкриття в 1970 році компанією Corning методу виготовлення оптоволокна, яке не поступалося загасанням мідного дроту для телефонного сигналу, вважають переломним моментом в історії ВОЛЗ.

Оптичний зв'язок має багато переваг перед електричною. По-перше – широка смуга пропускання за рахунок дуже високих частотпередачі дозволяє передавати інформацію зі швидкістю кілька Тбіт/с. По-друге, малі згасання сигналу дозволяють будувати магістралі до 100 і більше кілометрів без ретрансляційних станцій. Наприклад, Трансатлантична оптична магістраль виконана без жодного ретранслятора. По-третє, ВОЛЗ стійка до будь-яких зовнішніх перешкод, які можуть бути наведені від сусідніх радіопередавачів, інших ліній передачі, навіть від погодних умов, на відміну від інших кабельних систем. Однією з найважливіших переваг є захист інформації. До ВОЛЗ неможливо підключитися та перехопити інформацію – лінія буде пошкоджена, а це легко зафіксувати. Т.к. оптичне волокно - діелектрик, можливість пожежі від такої лінії повністю виключається, що актуально на підприємствах з високим ризиком займання. Ну і, звичайно ж, термін служби ВОЛЗ – 25 і більше років.

Передавачем (генератором інформаційного сигналу) у таких лініях найчастіше нині є лазери, зокрема і виконані за інтегральною технологією. Приймачами - фотодетектуючі діоди. Ці прилади формують основний недолік ВОЛЗ - вартість активних елементів. Другим суттєвим недоліком оптичних ліній є висока вартість обслуговування. При розриві оптоволокна витрати на відновлення набагато вищі, ніж при обриві мідних чи інших ліній. У цьому магістральних лініях недопускаються розриви (місця зварювання вносять істотні згасання), тому доводиться замінювати великі ділянки новим волокном. Ремонтувати ВОЛЗ рекомендується лише на коротких відстанях, у межах району чи маленького міста.

Оптоволоконні технології постійно розвиваються – це технології майбутнього. А про найпередовіші новинки Ви завжди зможете прочитати на нашому сайті rcsz-tcc.ru.

Оптоволоконний зв'язок- зв'язок, побудований з урахуванням оптоволоконних кабелів. Широко застосовується також скорочення ВОЛЗ (волоконно-оптична лінія зв'язку). Використовується в різних сферах людської діяльності, починаючи від обчислювальних систем і закінчуючи структурами зв'язку на великих відстанях. Є сьогодні найбільш популярним та ефективним методом для забезпечення телекомунікаційних послуг.

Складається оптоволокно з центрального провідника світла (серцевини) - скляного волокна, оточеного іншим шаром скла – оболонкою, що має менший показник заломлення, ніж серцевина. Поширюючись по серцевині, промені світла не виходять її межі, відбиваючись від покриває шару оболонки. В оптоволокні світловий промінь зазвичай формується напівпровідниковим або діодним лазером. Залежно від розподілу показника заломлення та від величини діаметра сердечника оптоволокно підрозділяється на одномодове та багатомодове.

Найвищою пропускною здатністю серед усіх існуючих засобів зв'язку має оптичне волокно (діелектричні хвилеводи). Волоконно-оптичні кабелі застосовуються до створення - волоконно-оптичних ліній зв'язку, здатних забезпечити найвищу швидкість передачі (залежно від типу використовуваного активного устаткування швидкість передачі може становити десятки гігабайт і навіть терабайт на секунду).

Кварцове скло, що є несучим середовищем ВОЛЗ, крім унікальних пропускних характеристик, має ще одну цінну властивість - малі втрати і нечутливість до електромагнітних полів. Це вигідно відрізняє його від звичайних мідних кабельних систем.

Дана система передачі інформації, як правило, використовується для будівництва робочих об'єктів як зовнішніх магістралей, що об'єднують розрізнені споруди або корпуси, а також багатоповерхові будівлі. Вона може використовуватися і як внутрішній носій структурованої кабельної системи (СКС), проте закінчені СКС повністю з волокна зустрічаються рідше - через високу вартість будівництва оптичних ліній зв'язку.

Застосування ВОЛЗ дозволяє локально об'єднати робочі місця, забезпечити високу швидкість завантаження Інтернету одночасно на всіх машинах, якісний телефонний зв'язок та телевізійний прийом.

При грамотному проектуванні майбутньої системи (цей етап передбачає вирішення архітектурних питань, а також вибір відповідного обладнання та способів з'єднання несучих кабелів) та професійний монтаж застосування волоконно-оптичних ліній забезпечує ряд істотних переваг:

Високу пропускну здатність рахунок високої несучої частоти. Потенційна можливість одного оптичного волокна – кілька терабіт інформації за 1 секунду.
Волоконно-оптичний кабель відрізняється низьким рівнем шуму, що позитивно позначається на його пропускній здатності та можливості передавати сигнали різної модуляції.
Пожежна безпека (пожежостійкість). На відміну від інших систем зв'язку, ВОЛЗ може використовуватися без жодних обмежень на підприємствах підвищеної небезпеки, зокрема на нафтохімічних виробництвах, завдяки відсутності іскроутворення.
Завдяки малому згасанню світлового сигналу, оптичні системи можуть об'єднувати робочі ділянки на значних відстанях (більше 100 км) без використання додаткових ретрансляторів (підсилювачів).

Інформаційна безпека. Волоконно-оптичний зв'язок забезпечує надійний захиствід несанкціонованого доступу та перехоплення конфіденційної інформації. Така здатність оптики пояснюється відсутністю випромінювань у радіодіапазоні, а також високою чутливістю до коливань. У разі спроб прослуховування вбудована система контролю може відключити канал і попередити про підозрюваний злам. Саме тому ВОЛЗ активно використовують сучасні банки, наукові центри, правоохоронні організації та інші структури, що працюють із секретною інформацією.
Висока надійність та завадостійкість системи. Волокно, будучи діелектричним провідником, не чутливе до електромагнітним випромінюванням, не боїться окислення та вологи.
Економічність. Незважаючи на те, що створення оптичних систем через свою складність дорожче, ніж традиційних СКС, загалом їхній власник отримує реальну економічну вигоду. Оптичне волокно, яке виготовляється з кварцу, коштує приблизно в 2 рази дешевше за мідний кабель, додатково при будівництві великих систем можна заощадити на підсилювачах. Якщо при використанні мідної пари ретранслятори потрібно ставити через кожні кілька кілометрів, то у ВОЛЗ ця відстань становить не менше 100 км. У цьому швидкість, надійність і довговічність традиційних СКС значно поступаються оптиці.

Термін служби волоконно-оптичних ліній складає піврядка чверті століття. Через 25 років безперервного використання в системі, що несе, збільшується згасання сигналів.
Якщо порівнювати мідний і оптичний кабель, то при одній і тій же пропускній здатності другий важитиме приблизно в 4 рази менше, а його обсяг навіть при використанні захисних оболонок буде менше, ніж у мідного, в кілька разів.
Перспективи Використання волоконно-оптичних ліній зв'язку дозволяє легко нарощувати обчислювальні можливості локальних мереж завдяки встановленню активного обладнання, що швидко діє, причому без заміни комунікацій.

Область застосування ВОЛЗ

Як було зазначено вище, волоконно-оптичні кабелі (ВОК) застосовуються передачі сигналів навколо (між) будинків і всередині об'єктів. При побудові весняних комунікаційних магістралей перевага надається оптичним кабелям, а всередині будівель (внутрішні підсистеми) нарівні з ними використовується традиційна кручена пара. Таким чином, розрізняють ВОК для зовнішньої (outdoor cables) та внутрішньої (indoor cables) прокладки.

До окремого виду належать з'єднувальні кабелі: всередині приміщень вони використовуються як сполучні шнури та комунікації горизонтального розведення - для оснащення окремих робочих місць, а зовні - для об'єднання будівель.

Монтаж волоконно-оптичного кабелю здійснюється за допомогою спеціальних інструментів та приладів.

Технології з'єднання ВОЛЗ

Довжина комунікаційних магістралей ВОЛЗ може сягати сотень кілометрів (наприклад, при будівництві комунікацій між містами), тоді як стандартна довжина оптичних волокон становить кілька кілометрів (зокрема тому, що робота з занадто великими довжинами у деяких випадках дуже незручна). Таким чином, при побудові траси необхідно вирішити проблему зрощування окремих світловодів.

Розрізняють два типи сполук: роз'ємні та нероз'ємні. У першому випадку для з'єднання застосовуються оптичні конектори (це пов'язано з додатковими фінансовими витратами, і, крім того, за великої кількості проміжних роз'ємних з'єднань збільшуються оптичні втрати).

Для нероз'ємного з'єднання локальних ділянок (монтаж трас) застосовуються механічні з'єднувачі, клейове зрощування та зварювання волокон. У разі використовують апарати для зварювання оптичних волокон . Перевага тому чи іншому методу надається з урахуванням призначення та умов застосування оптики.

Найбільш поширеною є технологія склеювання, для якої використовується спеціальне обладнання та інструмент, яка включає кілька технологічних операцій.

Зокрема, перед з'єднанням оптичні кабелі проходять попередню підготовку: у місцях майбутніх з'єднань видаляються захисне покриття та зайве волокно (підготовлена ділянка очищається від гідрофобного складу). Для надійної фіксації світловода в з'єднувачі (конекторі) використовується епоксидний клей, яким заповнюється внутрішній простір конектора (він вводиться в корпус роз'єму за допомогою шприца або дозатора). Для затвердіння та просушування клею застосовується спеціальна пічка, здатна створити температуру 100 град. З.

Після затвердіння клею надлишки волокна видаляються, а наконечник конектора шліфується і полірується (якість сколу має першорядне значення). Для забезпечення високої точності виконання цих робіт контролюється за допомогою 200-кратного мікроскопа. Поліровка може здійснюватися вручну або за допомогою полірованої машини.

Найякісніша сполука з мінімальними втратами забезпечує зварювання волокон. Цей метод використовується при створенні високошвидкісних ВОЛЗ. Під час зварювання відбувається оплавлення кінців світловоду, для цього як джерело теплової енергії можуть використовуватися газовий пальник, електричний зарядчи лазерне випромінювання.

Кожен із методів має свої переваги. Лазерне зварювання завдяки відсутності домішок дозволяє отримувати чисті сполуки. Для міцного зварювання багатомодових волокон зазвичай використовують газові пальники. Найбільш поширеною є електричне зварювання, що забезпечує високу швидкість та якість виконання робіт. Тривалість плавлення різних типів оптових волокон відрізняється.

Для зварювальних робіт застосовуються спеціальний інструмент та дороге зварювальне обладнання - автоматичне або напівавтоматичне. Сучасні зварювальні апарати дозволяють контролювати якість зварювання, а також проводити тестування місць з'єднання на розтяг. Удосконалені моделі оснащені програмами, які дозволяють оптимізувати процес зварювання під конкретний тип оптоволокна.

Після зрощення місце з'єднання захищається трубками, що щільно насаджуються, які забезпечують додатковий механічний захист.

Ще один спосіб зрощування елементів оптоволокна в єдину лінію ВОЛЗ - механічне з'єднання. Цей спосіб забезпечує меншу чистоту з'єднання, ніж зварювання, проте згасання сигналу в даному випадку все-таки менше, ніж при використанні оптичних конекторів.

Перевага цього перед іншими полягає в тому, що для проведення робіт використовуються прості пристрої(наприклад, монтажний столик), які дозволяють проводити роботи у важкодоступних місцях або всередині малогабаритних конструкцій.

Механічне зрощення має на увазі використання спеціальних з'єднувачів - так званих сплайсів. Існує кілька різновидів механічних з'єднувачів, які є витягнутою конструкцією з каналом для входу і фіксації оптичних волокон, що зрощуються. Сама фіксація забезпечується за допомогою передбачених конструкцією засувок. Після з'єднання сплайс додатково захищаються муфтами або коробами.

Механічні з'єднувачі можуть використовуватись неодноразово. Зокрема їх застосовують під час проведення ремонтних або відновлювальних робіт на лінії.

ВОЛЗ: типи оптичних волокон

Оптичні волокна, що використовуються для побудови ВОЛЗ, відрізняються за матеріалом виготовлення та по модовій структурі світла. Що стосується матеріалу, розрізняють повністю скляні волокна (зі скляною серцевиною та скляною оптичною оболонкою), повністю пластикові волокна (з пластиковою серцевиною та оболонкою) та комбіновані моделі (зі скляною серцевиною та з пластиковою оболонкою). Найкращу пропускну здатність забезпечують скляні волокна, дешевший пластиковий варіант використовують у тому випадку, якщо вимоги до параметрів згасання та пропускної спроможності не критичні.

Волоконно-оптичні чині зв'язку (ВОЛЗ) – система в основі якої лежить оптоволоконний кабель, призначена для передачі інформації в оптичному (світловому) діапазоні. Відповідно до ГОСТу 26599-85 термін ВОЛЗ замінений на ВОЛП (волоконно-оптична лінія передачі), але в повсякденному практичному побуті як і раніше застосовується термін ВОЛЗ, тому в даній статті ми дотримуватимемося саме його.

Лінії зв'язку ВОЛЗ (якщо вони коректно проведені) порівняно з усіма кабельними системами відрізняються дуже високою надійністю, відмінною якістю зв'язку, широкою пропускною здатністю, значно більшою протяжністю без посилення та практично 100% захищеністю від електромагнітних перешкод. В основі системи лежить технологія волоконної оптики– як носій інформації використовується світло, тип інформації, що передається (аналоговий або цифровий) не має значення. У роботі переважно використовується інфрачервоне світло, середовищем передачі є скловолокно.

Область застосування ВОЛЗ

Оптоволоконний кабель застосовується для забезпечення зв'язку та передачі інформації вже понад 40 років, але через високу вартість широко використовуватися став порівняно недавно. Розвиток технологій дозволило зробити виробництво економічнішим і вартість кабелю доступнішим, а його технічні характеристики та переваги перед іншими матеріалами швидко окупають усі витрати.

В даний час, коли на одному об'єкті використовується одразу комплекс слаботочних систем ( комп'ютерна мережа, СКУД, відеоспостереження, охоронна та пожежна сигналізації, охорона периметра, телебачення та ін.), обійтися без застосування ВОЛЗ неможливо. Тільки використання оптоволоконного кабелю уможливлює одночасне застосування всіх цих систем, забезпечує коректну стабільну роботу та виконання їх функцій.

ВОЛЗ все частіше застосовується як основна система при розробці та монтажі, особливо для багатоповерхових будівель, будівель великої протяжності та при об'єднанні групи об'єктів. Тільки Волоконно-оптичні кабелі можуть забезпечити відповідний обсяг та швидкість передачі інформації. На основі оптоволокна можуть бути реалізовані всі три підсистеми, у підсистемі внутрішніх магістралей оптичні кабелі застосовуються однаково часто з кабелями з кручених пар, а в підсистемі зовнішніх магістралей вони грають домінуючу роль. Розрізняють оптоволоконний кабель для зовнішньої (outdoor cables) та внутрішньої (indoor cables) прокладки, а також сполучні шнури для комунікацій горизонтального розведення, оснащення окремих робочих місць, об'єднання будівель.

Незважаючи на відносно високу вартість, застосування оптоволокна стає все більш виправданим і знаходить все більш широке застосування.

Переваги волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ) перед традиційними «металевими» засобами передачі:

Широка смуга пропускання;
Незначне послаблення сигналу, наприклад стосовно сигналу 10МГц воно становитиме 1,5 дБ/км порівняно з 30дБ/км для коаксіального кабелю RG6;
Виключена можливість виникнення «земляних петель», так як оптоволокно є діелектриком і створює електричну (гальванічну) ізоляцію між передавальним та приймаючим кінцем лінії;
Висока надійність оптичного середовища: оптичні волокна не окислюються, не намокають, не схильні до електромагнітного впливу
Не викликає перешкод у сусідніх кабелях або інших оптоволоконних кабелях, так як носієм сигналу є світло і він повністю залишається всередині оптоволоконного кабелю;
Скловолокно абсолютно не чутливе до зовнішніх сигналів та електромагнітних перешкод (ЕМП), не має значення поряд з яким блоком живлення проходить кабель (110, 240, 10 000 В) змінного струму) або зовсім поруч від мегаватного передавача. Удар блискавки на відстані 1 см. від кабелю не дасть жодних наведень і не позначиться на роботі системи;
Інформаційна безпека - інформація з оптичного волокна передається «з точки в крапку» і підслухати чи змінити її можна лише шляхом фізичного втручання у лінію передачі
Оптоволоконний кабель легший і мініатюрний - його зручніше і простіше укладати, ніж електричний кабель такого ж діаметра;
Неможливо зробити відгалуження кабелю без пошкодження якості сигналу. Будь-яке втручання в систему відразу виявляється на приймаючому кінці лінії, це особливо важливо для систем забезпечення безпеки та відеоспостереження;
Пожежо- та вибухобезпека при зміні фізичних та хімічних параметрів

Вартість кабелю знижується з кожним днем, його якість та можливості починають превалювати над витратами на побудову слаботочних на базі ВОЛЗ

Ідеальних та бездоганних рішень не існує, як і будь-яка система, ВОЛЗ має свої недоліки:

Крихкість скловолокна - при сильному згинанні кабелю можлива поломка волокон або їх замутнення через виникнення мікротріщин. Для усунення та мінімізації цих ризиків застосовуються підсилювальні кабель конструкції та обплетення. При монтажі кабелю необхідно дотримуватися рекомендацій виробника (де, зокрема, нормується мінімально допустимий радіус вигину);
Складність з'єднання у разі розриву – потрібний спеціальний інструмент та кваліфікація виконавця;
Складна технологія виготовлення як самого волокна, так і компонентів ВОЛЗ;
Складність перетворення сигналу (в інтерфейсному устаткуванні);
Відносна дорожнеча оптичного кінцевого обладнання. Проте обладнання є дорогим в абсолютних цифрах. Співвідношення ціни та пропускної спроможності для ВОЛЗ краще, ніж для інших систем;
Замутнення волокна внаслідок радіаційного опромінення (проте існують леговані волокна з високою радіаційною стійкістю).

Монтаж систем ВОЛЗ вимагає від виконавця відповідного рівня кваліфікації, так як кінцеве закладання кабелю проводиться спеціальними інструментами, з особливою точністю та майстерністю на відміну від інших засобів передачі. Налаштування маршрутизації та перемикання сигналів вимагають спеціальної кваліфікації та майстерності, тому в цій галузі не варто економити та боятися переплатити професіоналам, усунення порушень у роботі системи та наслідків неправильного монтажу кабелю обійдеться дорожче.

Принцип дії оптоволоконного кабелю.

Сама ідея передачі інформації за допомогою світла, не кажучи вже про фізичному принципіРоботи більшості обивателів не зовсім зрозуміло. Ми не глибоко вдаватимемося в цю тему, але постараємося пояснити основний механізм дії оптоволокна та обґрунтувати такі високі показники його роботи.

Концепція волоконної оптики спирається на фундаментальні закони відбиття та заломлення світла. Завдяки своїй конструкції скловолокно може утримувати світлові промені всередині світловода і не дає їм "пройти крізь стіни" при передачі сигналу на багато кілометрів. Крім того, не секрет, що швидкість світла вища.

Волоконна оптика ґрунтується на ефекті заломлення при максимальному вугіллі падіння, коли має місце повне відображення. Це відбувається у тому випадку, коли промінь світла виходить із щільного середовища і потрапляє у менш щільне середовище під певним кутом. Наприклад, уявімо абсолютно не рухливу гладь води. Спостерігач дивиться з-під води і змінює кут огляду. У певний момент кут огляду стає таким, що спостерігач не зможе бачити об'єкти над поверхнею води. Цей кут називається кутом повного відбиття. При цьому вугіллі спостерігач бачитиме лише об'єкти, що знаходяться під водою, здаватиметься, що дивишся у дзеркало.

Внутрішня жила кабелю ВОЛЗ має більш високий показник заломлення, ніж оболонка, і виникає ефект повного відображення. З цієї причини промінь світла, проходячи по внутрішній жилі, не може вийти за її межі.

Існує кілька типів оптоволоконних кабелів:

Зі ступінчастим профілем – типовий, найдешевший варіант, розподіл світла йде «сходинками» при цьому відбувається деформація вхідного імпульсу, викликана різною довжиною траєкторій світлових променів
З плавним профілем "багатомодове" - промені світла поширюються з приблизно рівною швидкістю "хвилями", довжина їх шляхів врівноважена, це дозволяє поліпшити характеристики імпульсу;
Одномодове скловолокно - найдорожчий варіант, що дозволяє витягнути промені в пряму, характеристики передачі імпульсу стають практично бездоганними.

Оптоволоконний кабель досі коштує дорожче, ніж інші матеріали, його монтаж та закладення складніші, вимагають кваліфікованих виконавців, але майбутнє передачі інформації безсумнівно за розвитком саме цих технологій і цей процес необоротний.

До складу ВОЛЗ входять активні та пасивні компоненти. На передаючому кінці оптоволоконного кабелю знаходиться світлодіод або лазерний діод, їхнє випромінювання модулюється передавальним сигналом. Щодо відеоспостереження це буде відеосигнал для передачі цифрових сигналівлогіка зберігається. При передачі інфрачервоний діод модульований за яскравістю і пульсує відповідно до варіацій сигналу. Для прийняття та перетворення оптичного сигналу в електричний, на приймаючому кінці зазвичай знаходиться фотодетектор.

До активних компонентів відносяться мультиплексори, регенератори, підсилювачі, лазери, фотодіоди та модулятори.

Мультиплексор– об'єднує кілька сигналів в один, таким чином для одночасної передачі кількох сигналів реального часу можна використовувати один оптоволоконний кабель. Ці пристрої незамінні в системах з недостатнім чи обмеженим числом кабелів.

Існує кілька типів мультиплексорів, вони різняться за своїми технічним характеристикам, функцій та сфери застосування:

спектрального поділу (WDM) – найпростіші та найдешевші пристрої, що передає по одному кабелю оптичні сигнали від одного або декількох джерел, що працюють на різних довжинах хвиль;
частотного-модулювання та частотного мультиплексування (FM-FDM) – пристрої досить несприйнятливі до шуму та спотворень, з добрими характеристикамиі схемами середнього ступеня складності, мають 4,8 та 16 каналів, оптимальні для відеоспостереження.
Амплітудної модуляції з частково придушеною бічною смугою (AVSB-FDM) – з якісною оптоелектронікою дозволяють передавати до 80 каналів, оптимальні для абонентського телебачення, але дорогі для відеоспостереження;
Імпульсно-кодової модуляції (PCM – FDM) – дорогий пристрій, повністю цифровий застосовується для поширення цифрового відео та відеоспостереження;

Насправді часто застосовуються комбінації цих методів. Регенератор - пристрій, що здійснює відновлення форми оптичного імпульсу, який поширюючись по волокну, зазнає спотворення. Регенератори можуть бути як чисто оптичними, так і електричними, які перетворюють оптичний сигнал на електричний, відновлюють його, а потім знову перетворюють на оптичний.

Підсилювач-підсилює потужність сигналу до необхідного рівня напруги струму, може бути оптичним та електричним, здійснює оптико-електронне та електронно-оптичне перетворення сигналу.

Світлодіоди та Лазери- Джерело монохромного когерентного оптичного випромінювання (світла для кабелю). Для систем з прямою модуляцією одночасно виконує функції модулятора, що перетворює електричний сигнал в оптичний.

Фотоприймач(Фотодіод) - пристрій, що приймає сигнал на іншому кінці оптоволоконного кабелю та здійснює оптоелектронне перетворення сигналу.

Модулятор- пристрій, що модулює оптичну хвилю, що несе інформацію згідно із законом електричного сигналу. У більшості систем цю функцію виконує лазер, однак у системах із непрямою модуляцією для цього використовуються окремі пристрої.

До пасивних компонентів ВОЛЗ відносяться:

Оптоволоконний кабель – виконує функції середовища передачі сигналу. Зовнішня оболонка кабелю може бути виготовлена з різних матеріалів: полівінілхлориду, поліетилену, поліпропілену, тефлону та інших матеріалів. Оптичний кабель може мати бронювання різного типута специфічні захисні шари (наприклад, дрібні скляні голки для захисту від гризунів). За конструкцією може бути:

Оптична муфта- пристрій, що використовується для з'єднання двох та більше оптичних кабелів.

Оптичний крос- пристрій, призначений для віконництва оптичного кабелю та підключення до нього активного обладнання.

Спайки– призначені для постійного чи напівпостійного зрощування волокон;

Роз'єми– для повторного приєднання або вимкнення кабелю;

Відгалужувачі- Пристрої, що розподіляють оптичну потужність декількох волокон в одне;

Комутатори– пристрої, що перерозподіляють оптичні сигнали під ручним чи електронним контролем

Монтаж волоконно-оптичних ліній зв'язку, його особливості та порядок.

Скловолокно дуже міцний, але крихкий матеріал, хоча завдяки захисній оболонці, з ним можна поводитися практично як з електричним. Однак при монтажі кабелю слід дотримуватися вимог виробників щодо:

«Максимальне розтягування» і «максимальне розривне зусилля», виражене в ньютонах (близько 1000 Н або 1кН). В оптичному кабелі основна напруга посідає силову конструкцію (укріплений пластик, сталь, кевлар або їх комбінація). Кожен тип конструкції має свої індивідуальні показники та ступінь захисту, якщо натяг перевищує передбачений рівень, то оптоволокно може бути пошкоджене.
«Мінімальному радіусу згину» – робити вигини більш плавними, уникати різких згинів.
"Механічної міцності", вона виражається в Н/м (ньютони/метри) - захист кабелю від фізичних навантажень (на нього можна наступити або навіть наїхати транспортом. Слід бути гранично обережними та особливо убезпечити місця перетину та з'єднання, навантаження сильно збільшується через малої зони контакту.

Оптичний кабель зазвичай поставляється намотаним на дерев'яні барабани з міцним пластиковим шаром захисним або дерев'яними планками по колу. Зовнішні шари кабелю найбільш уразливі, тому при монтажі необхідно пам'ятати про вагу барабана, берегти його від ударів, падінь, вживати заходів безпеки при складуванні. Найкраще зберігати барабани горизонтально, якщо вони все-таки лежать вертикально, то їх краї (ободи) повинні стикатися.

Порядок та особливості монтажу оптоволоконного кабелю:

До початку монтажу необхідно оглянути барабани з кабелем щодо пошкоджень, вм'ятин, подряпин. За будь-якої підозри кабель краще відразу відкласти убік для подальшого детального вивчення або відбраковування. Короткі шматки (менше 2 км) на безперервність волокна можна перевірити на просвіт будь-яким ліхтариком. Волоконний кабель для інфрачервоної передачі також добре передає звичайне світло.
Далі вивчити трасу щодо потенційних проблем (гострі кути, забиті кабельні канали тощо.), за їх наявності внести у маршрут зміни мінімізації ризиків.
Розподілити кабель за маршрутом таким чином, щоб точки з'єднання та підключення підсилювачів знаходилися у доступних, але захищених від несприятливих факторів місцях. Важливо, щоб у місцях майбутніх з'єднань залишався достатній запас кабелю. Відкриті кінці кабелю мають бути захищені водонепроникними ковпаками. Для мінімізації напруги на вигин та пошкоджень від транспорту, що проїжджає, використовуються труби. На обох кінцях кабельної лінії залишають частину кабелю, його довжина залежить від запланованої конфігурації).
При прокладанні кабелю під землею його додатково захищають від пошкоджень у локальних точках навантаження, таких як контакт з неоднорідним засипаючим матеріалом, нерівностями траншеї. Для цього кабель у траншеї укладають на шар піску 50-150 см і зверху засипають таким же шаром піску 50-150 см. Дно траншеї має бути рівним, без виступів, при закапуванні слід видаляти каміння, яке може пошкодити кабель. Слід зазначити, що пошкодження кабелю можуть виникнути як відразу, так і в процесі експлуатації (вже після засипання кабелю), наприклад, від постійного тиску, не прибраний камінь може поступово продавити кабель. Роботи з діагностики та пошуку та усунення порушень вже закопаного кабелю обійдуться набагато дорожче, ніж акуратність та дотримання запобіжних заходів при монтажі. Глибина траншеї залежить від типу ґрунту та очікуваного навантаження на поверхні. У твердій породі глибина становитиме 30 см, в м'якій або під дорогою 1 м. Рекомендована глибина становить 40-60 см, при товщині піщаної підстилки від 10 до 30 см.
Найчастіше застосовується укладання кабелю в траншею або лоток прямо з барабана. При монтажі дуже довгих ліній барабан поміщається на транспортний засіб, у міру просування машини кабель укладається на своє місце, при цьому не варто поспішати, темп і порядок розмотування барабана регулюється вручну.
При укладанні кабелю в лоток найголовніше не перевищувати критичний радіус вигину та механічного навантаження. Кабель слід укладати в одній площині, не створювати точок зосереджених навантажень, уникати на трасі різких кутів, тиску та перетину з іншими кабелями та трасами, не згинати кабель.
Протяжка оптоволоконного кабелю через кабельні канали аналогічна до протяжки звичайного кабелю, але не варто докладати зайвих фізичних зусиль і порушувати специфікації виробника. При використанні скобі хомутів пам'ятайте, що навантаження має лягати не на зовнішню оболонку кабелю, а на силову конструкцію. Для зменшення тертя можна використовувати тальк або гранули з полістиролу, щодо застосування інших мастил необхідно консультуватися з виробником.
У разі, якщо кабель вже має кінцевий заклад, при монтажі кабелю слід бути особливо уважними, щоб не пошкодити роз'єми, не забруднити їх і не піддавати надмірному навантаженню в зоні з'єднання.
Після укладання кабель у лотку закріплюється нейлоновими стяжками, він не повинен сповзати чи провисати. Якщо особливості поверхні не дозволяють використовувати спеціальні кабельні кріплення, допустиме застосування хомутів, але з особливою обережністю, щоб не зашкодити кабелю. Рекомендується застосування хомутів із пластиковим захисним шаром, для кожного кабелю слід використовувати окремий хомут і в жодному разі не стягувати разом кілька кабелів. Між кінцевими точками кріплення кабелю краще залишити невелику слабину, а не класти кабель у натяг, інакше він погано реагуватиме на коливання температури та вібрації.
Якщо при монтажі оптоволокно все-таки було пошкоджено, позначте ділянку та залиште достатній запас кабелю для подальшого зрощування.

В принципі, прокладання оптоволоконного кабелю не дуже відрізняється від монтажу звичайного кабелю. Якщо дотримуватися всіх зазначених нами рекомендацій, то проблем при монтажі та експлуатації не виникне і Ваша система працюватиме довго, якісно та надійно.

Приклад типового рішення щодо прокладання лінії ВОЛЗ

Завдання – організувати систему ВОЛЗ між двома окремими будівлями виробничого корпусу та адміністративного будинку. Відстань між будинками 500 м.

Кошторис на монтаж системи ВОЛЗ

№п/п	Найменування обладнання, матеріалів, робіт	Од. із-я	Кількість	ціна за од.	Сума, руб.
I.	Обладнання системи ВОЛЗ, у тому числі:				25 783
1.1.	Крос оптичний настінний (ШКОН) 8 портів	шт.	2	2600	5200
1.2.	Медіаконвертер 10/100-Base-T / 100Base-FX, Tx/Rx: 1310/1550нм	шт.	2	2655	5310
1.3.	Муфта оптична прохідна	шт.	3	3420	10260
1.4.	Ящик комутаційний 600х400	шт.	2	2507	5013
ІІ.	Кабельні траси та матеріали системи ВОЛЗ, у тому числі:				25 000
2.1.	Оптичний кабель із зовнішнім тросом 6кН, центральний модуль, 4 волокна, одномодовий G.652.	м.	200	41	8200
2.2.	Оптичний кабель з внутрішнім тросом, що несе, центральний модуль, 4 волокна, одномодовий G.652.	м.	300	36	10800
2.3.	Інші витратні матеріали (роз'єми, саморізи, дюбелі, ізоляційна стрічка, кріплення тощо)	компл.	1	6000	6000
ІІІ.	РАЗОМ ВАРТІСТЬ ОБЛАДНАННЯ ТА МАТЕРІАЛІВ (п.I+п.II)				50 783
IV.	*Транспортно-заготівельні витрати, 10% п.III**				5078
V.	Роботи з монтажу та комутації обладнання, у тому числі:				111 160
5.1.	Монтаж перетяжки	од.	4	8000	32000
5.2.	Прокладка кабелю	м.	500	75	37500
5.3.	Монтаж та зварювання роз'ємів	од.	32	880	28160
5.4.	Монтаж комутаційного обладнання	од.	9	1500	13500
VI.	УСЬОГО ЗА КОШТОРОМ (п.III+п.IV+п.V)				167 021

Пояснення та коментарі:

Загальна довжина траси 500 м., у тому числі:
- від паркану до виробничого корпусу та адміністративної будівлі становить по 100 м. (разом 200 м.);
- вздовж паркану між будинками 300 м.
Монтаж кабелю здійснюється відкритим способом, у тому числі:
- від будівель до паркану (200 м.) повітрям (перетяжка) із застосуванням спеціалізованих для прокладання ВОЛЗ матеріалів;
- між будинками (300 м.) по забору із залізобетонних плит, кабель закріплюється посередині полотна паркану за допомогою металевих кліпс.
Для організації ВОЛЗ використається спеціалізований самонесучий (вбудований трос) броньований кабель.

В даний час як оптичні лінії зв'язку використовують:

а) волоконно-оптичні лінії зв'язку (ВОЛЗ);

б) оптичні лінії зв'язку з використанням лазерної гармати;

в) оптичні лінії зв'язку з використанням інфрачервоних випромінювачів та приймачів;

г) оптичні лінії зв'язку із використанням кремнійорганічного оптичного волокна.

Структурна схема волоконно-оптичної лінії зв'язку наведена на рис.4.2.

4.2. Структурна схема ВОЛЗ.

Електричний сигнал надходить на передавач – трансівер, який перетворює електричний сигнал на світловий імпульс, який через оптичний з'єднувач подається в оптичний кабель. У місці прийому оптичний кабель за допомогою оптичного з'єднувача підключаться до приймача - трансівера, що перетворює пучок світла в електричний сигнал.

Залежно від призначення ВОЛЗ, її протяжності, якості комплектуючих, що використовуються. структурна схемаможе змінюватись. При значних відстанях між пунктами передачі та прийому вводиться ретранслятор – підсилювач сигналів. При малій довжині оптичного кабелю (якщо вистачає будівельної довжини оптичного кабелю) зварювання кабелю не потрібне. Під будівельною довжиною розуміють довжину цільного шматка кабелю, що поставляється заводом – виробником.

Волоконно-оптичні лінії зв'язку мають такі переваги:

1. Висока помехозащищенность від зовнішніх електромагнітних перешкод і міжканальних взаимонаводок.

2. Широкий діапазон робочих частот дозволяє за такою лінією зв'язку можна передавати інформацію зі швидкістю 10 12 біт/с = Тбіт/c.

3. Захищеність від несанкціонованого доступу: випромінювання в навколишній простір ВОЛЗ майже дає, а виготовлення відводів оптичної енергії без руйнування кабелю практично неможливо. А будь-які дії на волокно можуть бути зареєстровані за допомогою моніторингу (безперервного контролю) цілісності лінії.

4. Можливість прихованої передачі.

5. Потенційно низька вартість, обумовлена заміною дорогих кольорових металів (мідь) матеріалами з необмеженими сировинними ресурсами (двоокис кремнію).

6. Автоматично забезпечується гальванічна розв'язка сегментів лінії.

Однак у оптоволоконної технології є і свої недоліки:

1. Висока вартість апаратури.

2. Потрібне дороге технологічне обладнання як у процесі монтажу, так і в процесі експлуатації. При обриві оптичного кабелю витрати на його відновлення значно вищі, ніж відновлення мідного кабелю.

3. Щодо мала довговічність. Час життя + збереження ним своїх властивостей у певних допустимих межах оптичного кабелю 25 років. Зауважимо, що до нашого часу у Москві експлуатуються телефонні лінії прокладені початку століття (див. Hard & Soft,1998,N11).

4. Оптичні кабелі не стійкі до дії радіації.

Основу ВОЛЗ складають оптичні кабелі, що виготовляються з окремих світловодів – оптичних волокон.

Передача оптичної енергії оптичного волокна забезпечується за допомогою ефекту повного внутрішнього відображення. Оптичне волокно є двошаровий циліндричний світловод (рис.4.3.)

Рис.4.3. Поширення випромінювання та зміна та зміна показника заломлення в оптоволокні

Матеріал внутрішньої жили має показник заломлення n 1 , а матеріал зовнішнього шару n 2 , у своїй n 1 >n 2 , тобто. матеріал внутрішньої жили оптично щільніший, ніж матеріал оболонки. Для випромінювання, що входить в циліндр під малими кутами по відношенню до осі циліндра, виконується умова повного внутрішнього відображення: при падінні випромінювання на кордон з оболонкою вся енергія випромінювання відбивається всередину жили світловода. Те саме відбувається і при всіх наступних відображеннях; в результаті випромінювання поширюється вздовж осі світловоду, не виходячи через оболонку. Максимальний кут відхилення від осі, у якому ще є повне внутрішнє відбиток, визначається виразом A 0 =sin y 0 =.

Розмір A 0 називається числової апертурою світловоду і враховується за узгодження світловода з випромінювачем. Випромінювання, що падає на торець під кутами y>y 0 (позаапертурні промені), при взаємодії з оболонкою не тільки відбиваються, але і заломлюються; частина оптичної енергії йде зі світловоду. Зрештою після багаторазових зустрічей із кордоном жила-оболонка таке випромінювання повністю розсіюється зі світловоду.

Випромінювання поширюється вздовж світловода і в тому випадку, якщо зменшення показника заломлення від центру до краю відбувається не східчасто, а поступово. У таких світловодах промені, що входять у торець, заломлюючись, фокусуються поблизу осьової лінії (див. рис.4.4).

4.4. Поширення випромінювання та зміна показника заломлення в селфоку.

Будь-який відрізок такого світловода діє як короткофокусна лінза, викликаючи ефект самофокусування.

Ці світловоди називають селфокамі (self - сам, focus - фокус).

Промисловість багатьох країн опанувала випуск широкої номенклатури виробів та компонентів ВОЛЗ. Слід зазначити, що виробництво оптичного волокна зосереджено переважно у США. Для передачі сигналів застосовуються два види оптоволокна: одномодове та багатомодове. В одномодовому волокні світловодна жила має діаметр 8-10 мкм. У багатомодовому волокні діаметр світловодної жили становить 50-60 мкм.

Оптоволокно характеризується двома найважливішими параметрами: загасанням та дисперсією.

Кількісно згасання визначається за формулою

PВХ - потужність вхідного оптичного сигналу;

Pвих – потужність вихідного оптичного сигналу;

l – довжина світловоду.

Одиницею вимірювання згасання служить децибел на кілометр (дБ/км).

Згасання визначається втратами на поглинання та розсіювання випромінювання в оптоволокні. Втрати на поглинання залежать від частоти матеріалу, а втрати на розсіювання від неоднорідності його показників заломлення. Залежить згасання і зажадав від довжини хвилі випромінювання, введеного в оптоволокно. В даний час передача сигналів по волокну здійснюється у трьох діапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, оскільки саме в цих діапазонах кварц має підвищену прозорість. Оптоволокно характеризується дуже малим згасанням. Найкращі зразки російського волокна мають загасання 0.22 дБ/км при довжині хвилі 1.55 мкм, що дозволяє будувати лінії зв'язку завдовжки до 100 км. без регенерації сигналів. Оптоволокно фірми Sumitoto (Японія) має загасання 0.154 дБ/км за довжини хвилі 1.55мкм. Є повідомлення про створення так званих фторцирконатних оптоволокон із загасанням порядку 0.02 дБ/км, що дозволить забезпечити швидкість передачі близько 1 Гбіт/с із регенераторами через 4600 км.

Дисперсія, тобто. залежність швидкості поширення сигналу від довжини хвилі випромінювання - інший найважливіший параметр оптичного волокна. Оскільки при передачі інформації світлодіод або лазер випромінює деякий спектр довжин хвиль, дисперсія призводить до розширення імпульсів при розповсюдженні волокна і тим самим породжує спотворення сигналів. Оцінюючи дисперсії користуються терміном “смуга пропускання” - величина, зворотна величині розширення імпульсу під час проходження ним по оптичному волокну відстані 1 км.

Вимірюється смуга пропускання у мегагерцях на кілометр (МГц*км). Дисперсія накладає обмеження на дальність передачі і верхнє значення частоти сигналів, що передаються.

Величина згасання та дисперсії різняться для різних типівоптичних волокон.

Одномодові волокна мають кращі характеристики згасання і смуги пропускання. Однак одномодові джерела випромінювання (діодні лазери, що працюють на довжині хвилі 1.55 мкм) у кілька разів дорожчі за багатомодові (світловипромінюючий діод, що функціонує на довжині хвилі 0.85 мкм). Зрощування одномодових волокон, монтаж оптичних роз'ємів на кінцях одномодових кабелів коштує дорожче. Однак смуга пропускання багатомодових волокон досягає 1000 МГц*км, що прийнятно тільки для локальних мереж зв'язку.

Для зв'язку приймача та передавача використовується волоконно-оптичний кабель (ВОК), в якому оптичні волокна доповнюються елементами, що підвищують еластичність і міцність кабелю.

Основними показниками ВОК є умови експлуатації та пропускна спроможність.

Зв'язок коригуючої здатності коду з кодовою відстанню

Ступінь відмінності будь-яких двох кодових комбінацій характеризується відстанню між ними по Хеммінгуабо просто кодовою відстанню.

Відстань Хеммінга dвиражається числом позицій, у яких кодові комбінації відрізняються одна від одної.

Приклад 1. Знайти відстань Хеммінга d між кодовими комбінаціями 10101011 та 11111011.