Полный курс лекций 2009-го года (1130357), страница 14
Текст из файла (страница 14)
ОптоволокноВолоконнооптические линии - одно из наиболее интенсивно развиваемых направлений средствсвязи. Если сравнить темпы развития трех основных движущих сил средств передачи и обработки данных:микропроцессорную технику, средства телекоммуникаций и инженерию программного обеспечения, то мыувидим, что микропроцессоры удваивают свою производительность каждые 18 месяцев, пропускнаяспособность каналов связи вырастает на 75% в год.
По прогнозам специалистов, к 2011 году кремниеваятехнология исчерпает свои потенциальные возможности по дальнейшему увеличению производительности.На горизонте развития оптоволоконных линий связи, которые уже сейчас имеют пропускную способность в50000 Гбит/сек., пока подобных проблем не видно. Поэтому можно сказать, что эту гонку скоростей покавыигрывают линии связи. И главную роль здесь, конечно, играют волоконнооптические кабели.Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда и детектор,преобразующий световой поток в электрический. На одном конце волоконнооптической линии находитсяпередатчик - источник света, световой импульс от этого источника проходит по светопроводящему волокнуи попадает на детектор, который расположен на другом конце этой линии и преобразует этот импульс вэлектрический.Одна из основных проблем создания оптоволоконных систем состояла в том, чтобы не дать световомупучку рассеяться через боковую поверхность силиконового шнура.
Количество рассеиваемой энергиизависело от угла падения светового луча на стенки шнура. На рисунке 2-19 показана эта зависимость.При углах больше некоторого критического угла, называемого углом полного внутреннего отражения, всяэнергия луча отражается обратно внутрь.Рисунок 2-19. Угол падения луча в оптоволоконном кабелеЕсли сделать силиконовый шнур толщиной, близкой к длине волны источника света, то этот шнурбудет работать как провод для тока, без потерь на внутреннее отражение. По такому одномодовому шнуруможно передавать данные со скоростью несколько Гбит/сек.
на сотню километров без промежуточногоусиления.Поскольку можно испускать несколько лучей разной длины волны так, чтобы они попадали награницы шнура под углом, большим угла полного внутреннего отражения, то по одному шнуру можнопускать несколько лучей. Каждый луч, как говорят, имеет свою моду. Так получается многомодовый шнур.2.3.4.1. Прохождение света через оптоволокноОптоволокно делают из стеклоподобного материала, который, в свою очередь, производят из песка идругих широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако прозрачноеоконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса.
Современное стекло, используемое дляоптоволокна, настолько прозрачно, что если им заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бывидеть дно, как мы видим землю с борта самолета.Рисунок 2-20. Зависимость затухания оптического сигнала от длины волныЗатухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. На рисунке 2-20показана зависимость затухания от длины волны. Затухание измеряется в dB по следующей формуле:где Tр – мощность передаваемого сигнала, Rp – мощность полученного сигналаИз этой формулы следует, что при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равнопримерно 3 дБ. На рисунке 2-20 видно, что затухание меньше всего в инфракрасной части спектра,которую и используют на практике.
Видимая часть спектра располагается в области более коротких волн0,4 – 0,7 микрон (1 мкм = 10-6 м).Для передачи используются три полосы с длинами волн 0,85, 1,30 и 1,55 мкм. Две последниеобладают тем замечательным свойством, что их затухание составляет менее 5% на километр. Длина волныв 0,85 мкм имеет большее затухание, но хороша тем, что лучше соответствует возможностям лазерныхисточников света. У всех трех полос ширина полосы пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц.Другую проблему при использовании оптоволокна представляет дисперсия: исходный световойимпульс по мере распространения теряет начальную форму и размеры.
Это явление называетсядисперсией. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений увеличить расстояние между соседними сигналами. Однако это сократит скорость передачи. К счастью,исследования показали, что если придать сигналу некоторую специальную форму, то дисперсионныеэффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальнойформе называются силитонами.2.3.4.2.
Оптоволоконный кабель.Устройство оптоволоконного кабеля показано на рисунке 2-21. Кабель состоит из сердечника,состоящего из сверхпрозрачного оптоволокна. В одномодовом кабеле сердечник имеет толщину 8-10микрон, в многомодовом - около 50 микрон (это примерно толщина человеческого волоса).
Сердечникокружен оптическим покрытием: стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающимпотери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.Рисунок 2-21. Устройство оптоволоконного кабеляТакой кабель прокладывают и под землей, где он нередко становится жертвой экскаваторов и другойземлеройной техники, и под водой, где он становится добычей тралов и акул. Соединяют его электрическис помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, либо свариваявоедино оба конца. Все эти манипуляции приводят к потере от 5 до 20% мощности сигнала в точкесоединения.Используются два вида источников света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. У нихразные свойства, которые показаны в таблице 2-22. С помощью специальных интерферометров этиисточники света можно настроить на нужную длину волны.
На принимающем конце стоит фотодиод, времясрабатывания которого равно 1 нсек., что ограничивает максимальную скорость передачи до 1 Гбит/сек.Таблица 2-22. Сравнение свойств светодиода и полупроводникового лазераСвойствоСветодиодПолупроводниковый лазерСкорость передачиНизкаяВысокаяДальность передачиНизкаяВысокаяМодовостьМультимодовыйМульти- или одномодовыйСрок службыКороткийДолгийЧувствительность к температурным контрастамНизкаяЗначительнаяСтоимостьНизкаяВысокая2.3.4.3. Оптоволоконные сетиС помощью оптоволокна можно строить как LAN, так и сети большего масштаба.
Подключение коптоволоконной сети более сложное, чем к Ethernet-сети. Чтобы понять, как решается проблемапостроения сети из оптоволокна, надо осознать, что сеть типа «кольцо» представляет из себя цепочкусоединений типа «точка-точка», как показано на рисунке 2-23.Рисунок 2-23. Оптоволоконное кольцоТакие соединения могут быть двух видов: пассивное и активное. У пассивного есть светодиод либолазер, и фотодиод. Принимая сигнал через фотодиод, это соединение передает электрический сигналкомпьютеру или транслирует его дальше с помощью светодиода или лазера. Это абсолютно надежноесоединение.
Выход из строя любого из компонентов не нарушает связь по кольцу, а лишь блокируетработу отдельного компьютера.Активное подключение (рисунок 2-23, правая часть) содержит промежуточный усилительэлектрического сигнала. Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический. Этот сигналусиливается, передается компьютеру либо транслируется дальше с помощью лазера или светодиода.Кроме кольца, возможны соединения типа пассивной звезды (рисунок 2-24). Все линии, по которымоптический сигнал передается от компьютера, заходят в специальное устройство пассивной звезды,сигналы от них воспринимаются по всем линиям, исходящим из этого устройства и передают кнадлежащим приемникам.Рисунок 2-24.
Соединение типа «пассивная звезда»2.3.4.4. Сравнение возможностей медного кабеля и оптоволокнаВ заключение сравним возможности медного кабеля и оптоволокна:1.Ширина полосы пропускания у оптоволокна несравненно больше, чем у медного кабеля, что позволяетдостичь скорости в сотни Гбит/сек на расстояниях в десятки километров. Напомним, что коаксиал даетскорость максимум в несколько сотен Мбит/сек. примерно на 1 километре. Витая пара дает несколькоМбит/сек. на 1 километр и из нее можно выжать до 1 Гбит/сек. на расстоянии до 100 м.2.Оптоволокно компактнее и меньше весит. При той же пропускной способности коаксиальный кабель икабель из витых пар существенно тяжелее оптоволокна. Это существенный фактор, влияющий настоимость и требования к опорным конструкциям.
Например, 1 км 1000-парника весит 8 тонн, аоптоволокно аналогичной пропускной способности – 100 кг.3.Затухание сигнала в оптоволокне существенно меньше, чем в коаксиале и витой паре, и остаетсяпостоянным для широкого диапазона частот.4.Оптоволокно не восприимчиво к внешним электромагнитным излучениям. Поэтому ему не страшныинтерференция, импульсные шумы и взаимные наводки. Оптоволокно не излучает энергию, поэтому невлияет на работу другого оборудования. Его трудно обнаружить, следовательно найти и повредить.5.Чем меньше репитеров, тем дешевле система и меньше источников ошибок.
С этой точки зренияоптоволоконные системы достигли большего совершенства. Для этих систем среднее расстояние междурепитерами – сотни километров. Для коаксиала или витой пары тот же показатель равен несколькимкилометрам.В таблице 2-25 приведены основные характеристики витой пары, коаксиала и оптоволокна.Таблица 2-25. Сравнение характеристик витой пары, коаксиала и оптоволокнаДиапазончастотВитая параМногопарныйкабельКоаксиалСтандартноезатуханиеСтандартнаязадержкаРасстояние междурепитерами0-3,5 кГц0,2 дБ при 1 кГц50 мсек./км2 км0-1 МГц3 дБ/км при 1 кГц5 мсек./км2 км0-500 МГц7 дБ/км5 мсек./км1-9 км0,2-0,5 дБ/км5 мсек./км40 кмОптический кабель 180-370 ТГц2.4. Беспроводная связьВ наше время есть категории пользователей, которым нужно постоянно находиться на связи,получать электронную почту, доступ к данным и т.п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
