Примеры организация каналов по ВОЛС: Ethernet
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ
Оптический диапазон. Электромагнитные колебания оптического диапазона обладают малой длиной волны в сравнении с радиоволнами, поэтому для их измерения используются следующие единицы: микрометры (1 мкм =10-6 м), нанометры (1 нм = 10-9 м).
Оптическим диапазоном называется участок спектра электромагнитного излучения, соответствующий длинам волн 0,01 ... 100 мкм и частотам 3-1013 ... 3-1016 Гц. Со стороны более коротких волн он примыкает к рентгеновскому диапазону, а со стороны более длинных — к радиодиапазону. Часто оптический диапазон делят на три поддиапазона: ультрафиолетовые волны 0,01 ... 0,38 мкм, видимые волны 0,38 ... 0,74 мкм и инфракрасные волны 0,74 ... 100 мкм.
Считается, что для целей связи перспективны волны длиной 0,3 ... ...30 мкм. Однако в настоящее время используется ничтожная доля оптического диапазона, соответствующая узким полосам в основном вблизи следующих длин волн: 0,53 мкм, 0,63 мкм, 0,8 ... 0,9 мкм, 1,06 мкм, 1,3 ... 1,5 мкм и 10,6 мкм. Объясняется это, во-первых, высокими техническими параметрами (мощностью излучения, КПД, полосой частот модуляции, сроком службы и др.) источников света (лазеров, светодиодов), а во-вторых, наличием соответствующих полос пропускания (“окон прозрачности”) у используемых сред, в которых распространяется оптическое излучение (атмосфера, кварцевое стекло и др.). Этот вопрос далее будет освещен более подробно.
|
|
Достоинства и недостатки оптического диапазона с точки зрения связи. В оптическом диапазоне принципиально возможно создание ОСС с громадной пропускной способностью, что обусловлено чрезвычайно высокой частотой оптической несущей. Так, на волне 1 мкм относительной полосе частот всего в 1 % соответствует полоса передаваемых частот 3-1018 Гц, равная полосе частот всего радиодиапазона, начинающегося с длины волны 0,1 мм. Практическая реализация этой возможности связана с созданием соответствующих устройств модуляции и демодуляции света. В настоящее время достигнута полоса около 109 Гц.
Другим важным достоинством является возможность создания малогабаритных оптических антенн с огромным коэффициентом усиления. Это объясняется тем, что в случае когерентного излучения коэффициент усиления обратно пропорционален квадрату длины волны. Поэтому оптическая антенна с апертурой диаметром всего 10 см на волне 1 мкм позволяет достичь коэффициента усиления около 107 дБ. Для получения такого усиления в радиодиапазоне на волне 3 см потребовалась бы антенна диаметром около 3 км. Это достоинство оптического диапазона играет первостепенную роль при связи в космическом пространстве на большие расстояния.
|
|
В оптическом диапазоне принципиально возможно осуществить передачу сигналов в полосе частот до нескольких гигагерц по волоконным световодам без промежуточной ретрансляции на расстояние до нескольких сотен километров.
В оптическом диапазоне гораздо проще, чем в радиодиапазоне, решается проблема электромагнитной совместимости средств передачи информации ввиду острой направленности оптических антенн, слабой “заселенности” диапазона и большей его ширины.
Существенным достоинством является также возможность миниатюризации всех элементов ОСС, включая антенны.
Наряду с этим ОСС свойственны серьезные недостатки. Так, отмеченная выше возможность реализации большого усиления антенн приводит к серьезной проблеме их наведения на корреспондента и сопровождения в процессе связи, что обусловлено чрезвычайно малой шириной диаграммы направленности (при диаметре апертуры 10 см и длине волны 1 мкм она может иметь значение около З", при этом точность наведения и сопровождения должна быть не хуже 1"). В случае движущихся объектов, как, например, при связи в космическом пространстве, обеспечение требуемой точности вызывает значительные трудности. В настоящее время достигнуты точности порядка 3 ... 5".
|
|
Другая проблема, с которой сталкиваются при связи в оптическом диапазоне, — обеспечение высокой надежности на линиях, трассы которых частично или полностью проходят в атмосфере Земли ввиду сильного роста потерь света за счет осадков и загрязнения атмосферы. Так, например, в густом тумане погонное затухание может достичь 100 дБ/ км. Фактически этот фактор существенно ограничивает использование ОСС для связи в атмосфере и связь с космическими объектами через атмосферу.
Серьезным недостатком является трудность практической реализации гетеродинного приема в оптике, обусловленная сильной чувствительностью к флуктуациям направления прихода сигнальной световой волны и нарушениям ее пространственной когерентности за счет случайных неоднородностей среды. По этим причинам указанный вид приема в настоящее время почти не применяется. В радиодиапазоне положение обратное: применяется почти исключительно гетеродинный прием.
Наконец, необходимо отметить, что серьезные трудности вызывает реализация в оптике фазовых методов передачи ввиду недостаточной узкополосности и частотной стабильности используемого оптического излучения
|
|
Классификация ОСС. Оптическая связь, как, впрочем, и радиосвязь, может быть разделена на наземную, космическую и наземно-космическую связь. Под наземной связью понимается связь между пунктами, расположенными на поверхности Земли. Наземно-космическая связь — — это связь между пунктами, расположенными на Земле и в космическом пространстве, т. е. между земной станцией и космическим летательным аппаратом (спутником, кораблем, станцией). Космическая оптическая связь осуществляется между пунктами, расположенными в космическом пространстве. Она может осуществляться между ИСЗ, космическими кораблями, станциями и т. п.
|
Типы оптических систем связи:
•а — атмосферная, б — световодная, в — спутниковая, г — наземно-космическая, д — космическая; ОП—оконечный пункт,
ПП—промежуточный пункт, ЗС — земная станция, КЛА— космический летательный аппарат
небольшие расстояния (0,1 ... 1 км) на крупных стройках, горных выработках и т. п.
В световодных ОСС средой распространения света является “закрытая среда” направляющей системы — световода, не подверженная действию атмосферных осадков. В лучеводных ОСС направляющей системой является обычно металлическая труба диаметром 50 ... ... 70 мм, содержащая линзовые корректоры, расположенные друг от друга на расстоянии 50 ... 100м, равном удвоенному фокусному расстоянию линз. С помощью линз расходящийся световой пучок периодически фокусируется, не успевая достичь стенки несущей трубы и претерпевая благодаря этому достаточно малое ослабление. Несмотря на ряд важных достоинств (малые погонные потери, отсутствие дисперсионных искажений передаваемых сигналов, защищенность от влияния осадков и др.) лучеводные ОСС не получили распространения ввиду трудностей прокладки лучевода и поддержания нормальных условий передачи света. С течением времени за счет смещений грунта лучевод деформируется, что вызывает необходимость использования сложных устройств автоматической юстировки всей оптической системы. В связи с этим в настоящее время основным типом световодных ОСС являются волоконно-оптические, в которых в качестве направляющей системы используется волоконно-оптический световод, представляющий собой обычно тонкую нить кварцевого стекла диаметром около 0,1 мм. (При передаче на очень небольшие расстояния до 100 ... .. 200 м могут применяться и полимерные волокна, но такие системы, специального назначения, в дальнейшем рассматривать не будем.) Таким образом, в волоконных ОСС средой распространения света является кварцевое стекло.
Свет распространяется в центральной части волоконного световода — сердечнике, практически не достигая его стенки, с малым погонным затуханием (0,2 ... 10 дБ/км). Волоконные ОСС свободны от недостатков лучеводных ОСС, но обладают тем недостатком по сравнению с ними, что в них наблюдаются сильные дисперсионные искажения передаваемых сигналов, ограничивающие пропускную способность. Главный недостаток по сравнению с коаксиально-кабельными системами — невозможность энергоснабжения промежуточных пунктов линии через волокно, являющееся диэлектриком. Несмотря на эти недостатки, волоконные ОСС интенсивно развиваются.
В спутниковых ОСС, обеспечивающих наземную связь, и в наземно-космических ОСС распространение света происходит частично в атмосфере Земли, что существенно снижает надежность связи между ЗС и космическим летательным аппаратом (КЛА). Поэтому системы этого типа не получили пока распространения. Для уменьшения влияния атмосферы предполагается в дальнейшем размещать земные станции высоко в горах, выше уровня облачности, что сопряжено с трудностями эксплуатации таких станций.
В космических ОСС свет распространяется, как в свободном пространстве, что позволяет достичь чрезвычайно высокого качества передачи. ОСС этого типа интенсивно развиваются и весьма перспективны благодаря громадному энергетическому выигрышу оптических антенн и компактности оборудования. Главная трудность на пути развития этих систем — обеспечение чрезвычайно высокой точности ориентирования оптических антенн (единицы угловых секунд).
Обобщенная структурная схемы ОСС. Ввиду того, что оптические и радиоволны значительно отличаются по длине (на три — шесть порядков), существенно отличаются физические принципы реализации и параметры основных элементов систем связи: антенн, передатчиков, и приемников. Вместе с тем общие принципы построения систем передачи остаются практически без изменения.
Все типы ОСС, рассмотренные выше, можно разделить на две группы: ОСС без ретрансляции сигналов и с ретрансляцией. Ретрансляция широко используется в настоящее время только в световодных ОСС. Однако принцип ретрансляции лежит в основе действия спутниковых ОСС и может применяться в космических и наземно-космических ОСС. Все указанные типы ОСС, кроме спутниковых, могут работать и без ретрансляции, ретрансляция всегда служит средством увеличения дальности связи.
Обобщенные структурные схемы ОСС представлены на рисунке. Изображенные на нем ОСС состоят из оптического передатчика (ОП), на вход которого подается электрический сигнал от источника информации (ИИ), оптических антенн (ОА) с устройством наведения и сопровождения (УНА), оптического приемника (ОПр), с выхода которого электрический сигнал подается на вход получателя информации (ПИ), и среды распространения оптического излучения (СР). В случае систем с ретрансляцией добавляется устройство восстановления сигналов (УВС) по уровню либо по уровню и форме.
Обобщенные структурные схемы оптических систем связи
без ретрансляции сигналов (а) и с ретрансляцией (б)
Принцип световодной связи
Среди физических явлений и процессов, используемых в ВОСПИ, основная роль принадлежит распространению сигналов по канализирующей диэлектрической среде, их электронно-оптическому и оптоэлектронному преобразованиям, которые реализуются световодами, полупроводниковыми излучателями и фотодетекторами.
Современные волоконные световоды изготавливаются из особо чистых кварцевых стекол и имеют минимумы оптических потерь вблизи длин волн А. = 0,85 мкм (-2,5 дБ/км), = 1,5 мкм (~0,55дБ/км) и \ = 1,55 мкм (~0,2дБ/км). Простейший световод со ступенчатым профилем показателя преломления состоит из цилиндрического сердечника, окруженного оболочкой, с показателем преломления соответственно n2 > n1.
Лучи, вводимые под разными углами, имеют, следовательно, разное время прохождения (явление модовой дисперсии). Поскольку мощность источника излучения распределена по Q в его диаграмме направленности, то при распространении через световод, например, импульса прямоугольной по времени формы происходит расплывание его фронтов и постепенное уширение, т. е. ограничение световодом полосы пропускания частот сигналов, которыми модулирован источник. Для световодов со ступенчатым профилем эта полоса имеет величину в несколько сотен МГц/км.
Модовая дисперсия существенно уменьшится, если показатель преломления сердечника распределен вдоль его радиуса.
В таких световодах, называемых градиентными, все распространяющиеся лучи (в том числе немеридианально направленные) могут быть почти сфокусированы, т. е. здесь световод выступает в роли периодической линзы. Полоса пропускания может достигать нескольких ГГц/км.
Максимум широкополосности (сотни ГГц/км) достигается в одномодовых световодах. Методами теории электромагнитного поля можно показать, что при некоторых условиях в световоде будет распространяться лишь один вид (мода) колебаний — НЕ. Другие моды отсекаются. Поэтому диаметры сердечников одномодовых световодов не превышают ~10 мкм. Для градиентных и ступенчатых они задаются технологическими и эксплуатационными ограничениями в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкм.
Широкополосность одномодовых световодов ограничивается главным образом хроматической (внутримодовой) дисперсией.
Общий характер распространения света в световодах различного исполнения показан на рисунке.
Преобразование электрической энергии в световую происходит в излучателях. Эффективное использование световодов возможно только в сочетании с
Распространение света в световодах:
а) со ступенчатым профилем показателя преломления;
б) с градиентным профилем показателя преломления;
в) в одномодовом со ступенчатым профилем показателя преломления
излучателями, удовлетворяющими, кроме прочих, ряду весьма жестких требований:
— высокая мощность излучения, вводимая в световод;
— узкая ширина спектра и стабильность;
— широкополосность модуляционной характеристики, соизмеримая с пропускной способностью световода.
В качестве излучателей ВОСПИ используют светодиоды или полупроводниковые лазеры на основе соединений материалов III (Ga, In) и V (As, P) группы периодической таблицы элементов, обладающие высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую, монохроматичностью, возможностью внутренней модуляции оптического излучения в широком диапазоне частот.
Приемлемой эффективностью сопряжения со ступенчатыми и градиентными световодами обладают полупроводниковые светодиоды (СД) и суперлюминесцентные диоды (САД). Эти источники некогерентного излучения имеют малые размеры, относительно низкую стоимость, достаточную яркость и отличаются простотой модуляции, током инжекции с частотами до нескольких сотен МГц.
Светодиод преобразует электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе инжекционной электролюминесценции. При протекании в нем постоянного или переменного тока в области полупроводника, примыкающей к р—n переходу, инжектируются избыточные носители тока: электроны и дырки. Их рекомбинация сопровождается оптическим излучением.
Светоизлучающие диоды существенно уступают по параметрам излучения полупроводниковым лазерам. Возникающее в результате спонтанной рекомбинации излучение светодиодов является некогерентным, спектр его существенно шире (50 нм), чем у лазеров, что снижает предельную полосу пропускания до 2 ГГц/км. Спонтанное время жизни значительно больше, чем индуцированное, поэтому светоизлучающие диоды являются менее быстродействующими приборами. Кроме того, невысокие мощности излучения (менее 50 мВт) не позволяют использовать их в ВОЛС длиной более нескольких километров. Зато светодиоды выгодно отличаются от лазеров простотой технологии изготовления, низкой стоимостью и более длительным сроком службы (более 106 ч) вследствие менее напряженного режима работы.
Полупроводниковые лазеры характеризуются узкой Линнеи излучения (0,1—З нм), повышенной мощностью излучения и частотой модуляции (порядка 0,5 Вт и 2 ГГц), малым временем нарастания импульса (менее 1 нс) ив 10 раз большей эффективностью преобразования, чем у светодиодов. Срок службы, достигающий примерно 11 лет, достаточен для их практической эксплуатации.
Функция фотодетектора в ВОСПИ состоит в преобразовании оптического сигнала в электрический, который затем усиливается и обрабатывается в электронных схемах. ФД должны иметь высокую чувствительность в рабочих спектральных диапазонах, минимальные шумы, достаточное для данной системы быстродействие и линейность отклика, высокую надежность. Полнее всего этим требованиям отвечают полупроводниковые p-i-n-ФД и лавинные ФД (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами и электронными схемами. Материалами для них служат Si, Ge, гетероструктуры
ETHERNET
В волоконно-оптическом варианте ETHERNET реализация топологии “звезды” облегчается с помощью проходного или отражательного оптического разветвителя. Такая пассивная “звезда” свободна от проблем отражений и согласования нагрузок, присущих коаксиальным системам. Выгоды в случае оптического разветвителя следующие:
— минимальное количество соединителей между всеми узлами, обычно 0, 2 или 4 в зависимости от использования сварки;
— возрастание оптического затухания только на 3,0—4,5 дБ при удвоении числа узлов.
Если в сети с оптическим разветвителем поврежден или отключен один из кабелей, то это повлияет только на узел, подключенный к этому кабелю. Если в коаксиальной кабельной сети повреждена или отключена любая ее часть, то возникающие отражения сигнала обычно приводят к постоянному сигналу столкновений и делают остальную систему абсолютно бесполезной до тех пор, пока поврежденный кабель не будет определен и отремонтирован. К тому же типовая волоконно-оптическая сеть имеет намного меньше активных частей как источников вероятных отказов, чем коаксиальная.
Основой для построения волоконно-оптической сети ETHERNET могут служить следующие электронные и электронно-оптические компоненты и устройства:
— контроллер сети;
— повторитель;
— оптический модем;
— оптоэлектронный трансивер;
— оптоэлектронный концентратор.
Контроллер сети и повторитель — устройства, на которых лежит функция реализации протокола взаимодействия станций сети согласно стандарту ISO 8802.3.
Оптический модем — электронно-оптическое устройство сопряжения контроллера и повторителя с волоконно-оптической средой передачи в соответствии с п. 9.9 стандарта ISO 8802.3.
Оптоэлектронный трансивер — электронно-оптическое устройство сопряжения коаксиального сегмента 10BASE2, соответствующего разделу 10 стандарта 8802.3, с волоконно-оптической средой.
Оптоэлектронный концентратор — активное устройство, представляющее собой функциональный оптоэлектронный аналог коаксиальной (кабельной) среды передачи данных. Помимо доставки до абонентов пакетов данных оптоэлектронные концентраторы могут выполнять еще ряд функций:
— восстановление временных соотношений передаваемых потоков;
— восстановление полного формата сообщения;
— генерация в волоконно-оптическую среду служебных сигналов.
В зависимости от стратегической линии, проводимой каждым отдельным предприятием, концентраторы могут содержать модули сопряжения с коаксиальным кабелем спецификации 10BASE2 и интерфейсом AUI. Отечественными производителями электронной и оптоэлектронной аппаратуры освоена вся номенклатура перечисленных устройств.
Могут использоваться варианты как с чисто электронным контроллером с последующим преобразованием сигнала в оптический, так и специализированные контроллеры с оптическим входом/выходом. Последние отечественной промышленностью пока не выпускаются. Оптические модемы сети ETHERNET выполняются в соответствии со стандартом ISO 8802.3 FOIRL и подключаются к контроллеру или повторителю через интерфейс AUI с помощью электрического кабеля длиной до 50 м. Модемы выпускаются в двух исполнениях:
— в виде самостоятельного модуля, питание которого производится от контроллера;
— ячейки, устанавливаемой в слот ПЭВМ с питанием от внутренних источников вторичных напряжений компьютера.
Первый вариант может использоваться с ЭВМ, отличными по конструкции и внутренней организации от ПЭВМ IBM PC. Второй вариант предпочтительней, когда сеть должна иметь минимально возможный уровень собственного электромагнитного излучения или абонентам представляется неудобным существование внешних (по отношению к компьютерам рабочих станций) устройств. Принципы функционирования обоих вариантов идентичны.
В настоящее время потребители в подавляющем большинстве случаев отдают предпочтение импортным электронным контроллерам. При этом отечественные производители электронно-оптической техники находят сферу применения своим изделиям именно в части сопряжения импортного электронного оборудования с волоконно-оптическим трактом передачи данных.
Трансивер своим электрическим входом/выходом подключается к коаксиальному сегменту “тонкого” (10BASE2) ETHERNET и производит физическое и логическое сопряжение с двухсветоводной линией передачи данных. Логическое наполнение трансивера может выходить за рамки функции сопряжения двух сред передачи и включать в себя ряд операций, присущих повторителям сети, таких как отдельная отработка конфликтов в каждой из сред, генерация JAM сигнала и др.
Примеры организация каналов по ВОЛС: Ethernet
Схема 1. Организация каналов Gigabit Ethernet и Ethernet 10Base-T в топологии «точка–точка» по оптической линии связи (ВОЛС)
Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1GB
Интерфейсы: Ethernet, Gigabit Ethernet, E1
• Модификации ГМ-1GB поддерживают работу в топологиях «точка–точка» и «точка–две точки».
• Возможность передачи двух независимых потоков Gigabit Ethernet.
• Тип оптического волокна и дальность связи определяются установленным SFP-модулем.
Схема 2. Организация каналов Gigabit Ethernet в топологии «кольцо»
по оптической линии связи
Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1GL
Интерфейсы: Gigabit Ethernet, Ethernet, E1
• Модификации ГМ-1GL поддерживают работу в любых топологиях, включая «кольцо».
• Поддержка резервирования.
• Тип оптического волокна и дальность связи определяются установленным SFP-модулем.
Схема 3. Организация канала FastEthernet по оптической линии связи
Применяемое оборудование: Мультиплексор Zelax ГМ-1-ЛхУ
Интерфейсы: FastEthernet,E1, V.35, RS-232
• Дальность связи до 120 км по одному или двум оптическим волокнам с возможностью резервирования.
• Встроенный трехпортовый коммутатор Ethernet.
• Интуитивно понятное управление через Telnet, Web или управляющий порт.
Медиаконвертеры
Медиаконвертеры делают возможным использование оптоволокна при необходимости и внедрение нового оборудования в существующую кабельную инфраструктуру. Они могут обеспечить беспрепятственное совмещение меди и оптоволокна, а также внедрение различных оптических сетей в сети предприятия LAN.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 198; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!