Передающие физические среды, используемые в структурированных кабельных системах. Принципы распространения сигналов в средах (стр. 7 из 58)
Одномодовое волокно обычно используется с лазерными источниками благодаря своей высокой спектральной чистоте. Для обеспечения эффективного функционирования таких систем требуются прецизионные коннекторы и муфты. Благодаря своим низким потерям и высоким пропускным характеристикам, одномодовые волокна, как правило, являются наилучшим и, как правило, единственным выбором для монтажа протяженных высокоскоростных линий, таких как междугородние телекоммуникационные системы.
Между одномодовым волокном и волокном со ступенчатым показателем преломления располагаются волокна с градиентным показателем преломления. Для уменьшения эффекта модальной дисперсии лучи в таких волокнах постепенно перенаправляются назад к оси ядра. Волокна с градиентным показателем преломления имеют гораздо большую полосу, чем волокна со ступенчатым показателем преломления. По волокну с градиентным показателем преломления с полосой 600 МГц-км можно передавать сигнал с модуляцией 20 МГц на расстояние до 30 км. Стоимость такого стеклянного волокна является одной из самых низких. Малые потери мощности передаваемого сигнала плюс большая полоса позволяют использовать его для монтажа локальных сетей.
Выводы по полосе частот
1. Модальная дисперсия приводит к принципиальному ограничению полосы в многомо-довых волоконных системах, работающих на лазерах на длине волны 850 нм, а также на длине волны 1300 нм в лазерных и LED-системах.
2. Спектральная дисперсия приводит к принципиальному ограничению полосы в системах с источниками LED в первом окне на длине волны 850 нм и частоте около 100 МГц-км, и в одномодовых лазерных системах при частоте более 50 МГц-км на длине волны 1300 нм.
3. Основной механизм потерь в волокнах связан с рассеянием света, степень которого меняется с длиной волны. Длина волны 1300 нм очень важна, так как на ней мало не только затухание, но и минимальна спектральная дисперсия.
4. Волокна имеют постоянные потери в широком диапазоне частот модуляции. Быстрый рост эффективных потерь начинается с момента, когда дисперсия импульса становится соиз- Р меримой с длительностью импульса вблизи верхней границы полосы. Сравним это явление с н групповым спектром проводных систем, где затухание растет как квадратный корень частоты модуляции. В случае, когда дисперсия мала, волоконные системы не требуют выравнивания уровня сигнала и линейные усилители не нужны, что необходимо в случае использования проводных систем.
Анализ полосы при проектировании волоконно-оптической линии
Одними из основных показателей производительности волоконно-оптической системы являются затухание и полоса. Задача анализа полосы состоит в том, чтобы все компоненты системы имели полосу, достаточную для передачи сигнала с заданными параметрами. Локальные сети обычно требуют полосу от 20 до 600 МГц-км. Системы передачи на дальние расстояния используют большие расстояния между повторителями и требуют полосу волокна 100,000 МГц-км, являющуюся характерной для одномодового волокна.
Уменьшение величины оптического сигнала в 3 дБ при рабочей полосе, определенной для волокна, означает потерю половины исходной мощности. Преобразование электрической полосы Вев оптическую В„ в системе или между любыми компонентами, такими как волокно, приемник или передатчик, производится по следующей формуле:
Ba = l,41Bf
В некоторых случаях производитель приемника или передатчика дает значение времени нарастания рабочего импульса. Электрическая полоса В (МГц) для такого волоконно-оптического компонента соотносится с временем / (не) нарастания импульса от 10% до 90% его пиковой величины как
В = 350//.
Итоговая ширина электрической полосы системы вычисляется из ширины полосы индивидуальных компонентов по формуле:
1/В2 = 1/Вк2+ 1/Вс2 + VB т2,
где Вк, Вси Вт - электрические полосы приемника, кабеля и передатчика соответственно. Для цифровых систем размеры полосы будут зависеть от скорости передачи данных R (бит в секунду) и формата кодирования в соответствии с формулой:
B=R/K,
где К = 1,4 для формата кодирования без возврата к нулю (NRZ) и К - 1,0 для формата кодирования с возвратом к нулю (RZ).
Ширина полосы системы ограничена шириной полосы компонента с самой узкой полосой в линии. Например, когда используется волокно с широкой полосой, рабочая частота системы может быть подвержена влиянию в большей степени со стороны терминального оборудования, чем со стороны самого волокна. Основным моментом в выборе терминального оборудования является выбор приемника с полосой, равной или превышающей требуемую ширину полосы системы. В свою очередь, передатчик и оптическое волокно должны иметь полосу, в 1,5 - 2 раза превышающую ширину полосы приемника.
Системы обычно более экономичны при более высоких скоростях передачи данных. И запас по ширине полосы делает возможным улучшение пропускной способности системы впоследствии. Необходимо очень точно оценивать оптическую полосу (МГц-км) для последовательно соединенных кабелей с суммарной длиной, превышающей 1 км. Примерное соотношение между полной шириной полосы кабеля Вси шириной полосы отрезка волокна длиной 1 км Bf следующее:
В/ - bc L ,
где L - длина волокна в километрах, л: = 1,0 для отрезков кабеля длиной 1 км и менее, х= 0,75 для отрезков кабеля длиной более 1 км.
Строение волоконно-оптической системы
Волоконно-оптическая линия
Волоконно-оптическая линия, иллюстрированная с помощью простой схематической диаграммы, показанной на рис. 14, состоит из оптического передатчика и приемника, соединенных оптическим кабелем как две точки линии.
Оптический передатчик преобразует напряжение электронного сигнала в оптическую мощность, которая инжектируется в волокно с помощью светодиода (LED), лазерного диода (LD) или лазера. В точке фотодетектора, PIN-диод или лавинный фотодиод (APD) захватывают световолновые импульсы для преобразования их обратно в электрический ток.
Работа проектировщика заключается в определении наиболее выгодных по стоимости и эффективности передачи сигнала средств для передачи этой оптической мощности, принимая во внимание преимущества и пределы функционирования различных компонентов. Он также должен спроектировать физическую конфигурацию системы.
Первая из этих задач, касающаяся качества сигнала, должна учитывать такие факторы, как отношение сигнал-шум (SNR) в аналоговых системах, и уровень битовых ошибок (ВЕР) в цифровых системах. При черновом проектировании системы проектировщик должен определить требуемый SNR или допустимый ВЕЯ, необходимые для передачи данных. Следующий шаг - определение минимальной оптической мощности, необходимой на стороне приемника. Эти данные можно получить из информации, опубликованной изготовителем каждого компонента.
Потери и ограничения. Проектирование линии состоит в основном из двух функций -расчета потерь оптической мощности, происходящих между световым источником и фотодетектором; определения ограничений, связанных с полосой, на способность передавать сигнал, налагаемые передатчиком, волокном и приемником.
Потери оптической мощности, или затухание, во время прохождения светового импульса по волокну, выражаются в дБ/км (децибел на километр). Децибел - логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из компонента Р„, к мощности, входящей в него Р,:
aB = lO\g(P0/P,)
Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Например, если на входе было 500 мкВт, то на выходе получается 250 мкВт. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности доходит до приемника, потери 90 %. Волоконно-оптические линии способны функционировать при приеме 1/1000 мощности на другом конце (потери 30 дБ).
Если источник имеет достаточную мощность и если приемник достаточно чувствителен, система может функционировать с большими потерями. То, насколько.велики могут быть потери, определяется по минимальным требованиям выбранного приемника.
Потери мощности при передаче. Основными причинами оптического затухания в волоконных системах являются потери: при инжектировании света в волокно, в оптическом волокне, в точках соединения коннекторов, в муфтах. Сумма потерь в каждом индивидуальном компоненте между передатчиком и приемником (рис. 15) представляет собой бюджет мощности оптической линии (табл. 2).
| Таблица 2. Расчет бюджета оптической мощности [24] Характерно™, м ————— *Е52Г" ""SSS? Минимальная оптическая мощность, требующаяся для п , 0 /т п« .-• U, 1 MKDT ~ *rU LrOM работы приемника Оптическая мощность на выходе источника 1 мВт 0 дБм Полный рабочий бюджет (оптическая мощность) 40 дБ Отношение сигнал/шум по напряжению, требующееся для работы приемника - 36 дБ. Эквивалентное отно- 18 дБ шение по оптической мощности* Остаточная оптическая мощность линии 22 дБ Потери оптической мощности в линии: Кабель 15дБ Коннекторы 3 дБ Инжектирование 2 дБ Всего 20 дБ Избыток бюджета 2 дБ * Отношения оптической мощности связаны с отношениями напряжения сигнала коэффициентом 2, так как dB = 10 log P-\/?2 = 10 log И2 R / \22R. Так как V = IR, тогда dB = 20 log Vi/\/2- |
Проектировщик должен учесть эти потери и выбрать сочетание передатчика и приемника, которое обеспечит достаточно мощности для верного воспроизведения сигнала. Как правило, в спецификациях компонентов потери не имеют точных значений и изготовители обычно приводят диапазоны или ситуации "наихудшего" случая для отражения разницы в продукции. Кроме того, могут потребоваться некоторые допущения для учета таких явлений, как температурные отклонения. Необходимо также предусмотреть некий запас для будущих ремонтов или установки муфт в системе, а также деградацию со временем источника эмиссии. Например, от 3 до 6 дБ в общем случае отводится на ремонт и старение эмиттера.