|
 До недавнего времени традиционным средством передачи видеосигнала сигнала в системах видеонаблюдения являлись коаксиальный кабель и витая пара. Но основным их недостатком являются присущие им сопротивление и емкость, которые ограничивают дальность передачи сигнала. Волоконная оптика предлагает элегантное и экономически выгодное решение. Использование светового луча для передачи сигнала, широкая полоса пропускания позволяют передавать сигнал высокого качества на значительные расстояния без использования усилителей и повторителей.
Основными преимущества использования волоконной оптики являются:
- более широкая полоса пропускания (от 100 МГц до 1 ГГц), чем у медного кабеля (от 3 до 20 МГЦ);
- невосприимчивость к электрическим помехам, отсутствие "земляных петель";
- низкие потери при передаче сигнала, ослабление сигнала составляет около 1,5 дБ/км (для коаксиального кабеля RG59 – 30 дБ/км для сигнала 10 мГц);
- не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях;
- увеличение дальности передачи;
- хорошее качество передаваемого сигнала;
- оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.
Принцип работы оптоволоконной линии
Волоконная оптика - технология, в которой в качестве носителя информации используется свет; и не важно, о каком типе информации идет речь - аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.
В простейшем варианте исполнения оптоволоконная линия связи состоит из трех компонентов:
- волоконно-оптического передатчика для преобразования входного электрического сигнала от источника (например, камеры) в модулированный световой сигнал;
- оптоволоконной линии, по которой световой сигнал передается на приемник;
- волоконно-оптического приемника, восстанавливающего электрический сигнал, обычно идентичный сигналу источника.
Источником распространяемого по оптическим кабелям света является светодиод (LED) (или полупроводниковый лазер - LD), а кодирование информации осуществляется двухуровневым изменением интенсивности света (0-1). На другом конце кабеля принимающий детектор преобразует световые сигналы в электрические. Волоконная оптика опирается на особый эффект — преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом. Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы — из-за эффекта полного отражения (рис.1). Таким образом, транспортируемый сигнал "идет" внутри замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника.
Остальные элементы кабеля - лишь способ предохранить хрупкое волокно от повреждений внешней средой различной агрессивности.
Рис. 1 Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения
Особенности передачи видеосигналов, данных и звука по оптическому волокну
Аналоговая передача
В простейших передатчиках видеосигнала используется амплитудная модуляция (AM): интенсивность излучаемого света меняется пропорционально изменению амплитуды видеосигнала. Для получения более устойчивого результата, охвата большего расстояния, достижения лучшего соотношения сигнал/шум применяется частотная модуляция (FM).
Мультиплексирование видеосигналов.
Мультиплексоры в волоконной оптике объединяют несколько сигналов (видео и аудиоинформация, тревожные контакты датчиков, сигналы управления камерами) в один, используя один волоконный кабель для одновременной передачи нескольких сигналов режиме реального времени.
Частотно-модулированное частотное мультиплексирование (FM-FDM - freguency-modulated frequency division multiplexing) позволяет передавать до 16 видеоизображений по одному волокну (рис.2).
Рис. 2 FM-FDM мультиплексирование
Недостаток этого способа - широкая полоса сигнала и, как следствие, небольшое расстояние. Для достижения двунаправленно и передачи по одному волокну необходимо, чтобы передатчики на разных концах волокна работали на волнах разной длины, например на 850 нм и на 1300 нм соответственно. К каждому концу волокна подсоединяется разветвитель на оптическом мультиплексоре с разделением длин волн (WDM - wavelength division multiplexer), который обеспечивает возможность каждого приемника получать от находящегося на противоположном конце волокна передатчика свет только с нужной длиной волны (например, 850 нм). Нежелательные отражения от передатчика на ближнем конце оказываются в "неправильном" диапазоне (т.е. 1300 нм) и соответственно отсекаются.
При использовании WDM можно передавать несколько сигналов в одном направлении. Например, применяя комбинацию AM и FM а также WDM на 850 и 1300 нм, без особых проблем обеспечивается передача 4 видеосигналов в одном направлении. Но им присущи все недостатки аналоговых систем: неустойчивость частот, широкая полоса сигнала и, как следствие, небольшая рабочая дистанция.
Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование (AVSB-FDM, amplitude vestigial sideband modulation, frequency division multiplexing) - еще один тип устройств чрезвычайно привлекательных для передачи видеосигналов. Устройство позволяет передавать до 80 каналов.
В видеонаблюдении чаще используются устройства FM-FDM, позволяющие передавать больше сигналов по одному кабелю. WDM - тип мультиплексирования, который особенно целесообразен для PTZ или пультов управления с матричным коммутатором. Видеосигналы передаются по раздельным оптоволоконным кабелям (один кабель на телекамеру), и только один кабель использует WDM для передачи управляющих данных в противоположном направлении.
Цифровая передача
При использовании оцифровки видеосигнала достигаются неплохие результаты. В простейшем случае видео оцифровывается с дискретностью 10 бит (при этом качество удовлетворяет требованиям вещательного качества) или 8 бит (что более чем достаточно для стандартных задач CCTV). При разрешении 520 - 640 ТВЛ отношение сигнал/шум не хуже 60 дБ. В этом случае никакой вид сжатия не используется.
Более узкая полоса открывает большие возможности по передаче нескольких сигналов по одному волокну.
DWDM-системы (Dense Wave Division Multiplexing) обеспечили увеличение скорости передачи по одному волокну до терабитных величин. В основу системы DWDM положен принцип волнового мультиплексирования с фиксированной сеткой длин волн с "шагом" 10 нм.
CWDM (coarse wavelength division multiplexer) – упрощенный вариант DWDM. Разделение каналов является неплотным (грубым, coarse). В настоящее время выпускаются CWDM-системы с 16 каналами (в диапазоне волн от 1310 до 1610 нм) с "шагом" 20 нм.
Последние реализованные технологии позволяют передавать по многомодовому волокну 16 видеоизображений в режиме реального времени (480 ТВЛ), дуплексный канал данных (512 кбит/с) и 4 релейных контакта.
Возможности передачи большого количества видеосигналов и дополнительной информации по минимальному количеству оптических волокон – ценная способность, особенно для систем видеонаблюдения с большой протяженностью. В других случаях, где для применения систем необходима меньшая протяженность и большая разбросанность камер, преимущества не так очевидны, и тогда, в первую очередь, следует рассмотреть использование отдельной волоконной линии для каждого видеосигнала отдельно.
Устройство оптоволоконного кабеля
Сердечник (Core) (обычно из стекла, реже - пластик) используется для передачи светового сигнала. Внешний диаметр отражающей оболочки унифицирован для всех типов кабелей и составляет 125±2 мкм. В этот размер входит и 2 - 3 мкм слой лака, который служит защитой от влаги и связанной с ней коррозии. Первичную механическую прочность и гибкость рассматриваемой конструкции придает защитное покрытие из эпоксиакриолата, часто называемое буфером. Для удобства монтажа его окрашивают в разные цвета. Толщина покрытия составляет 250±15 мкм. Кроме этого, для лучшей защиты волокна и более удобного монтажа разъемов часто применяются конструкции с вторичным буфером диаметром 900 мкм, который без зазора уложен на первичный (рис.3).
Рис. 3 Строение оптоволоконного кабеля
Физические параметры оптических волокон.
Все распространенные типы волокон характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.
Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий. Затухание характеризует потерю мощности передаваемого сигнала на заданном расстоянии, и измеряется в дБ/км, где Децибел - логарифмическое выражение отношения мощности, выходящей из источника Р1, к мощности, входящей в приемник Р2, дБ = 10*log(P1/P2). Потери в 3 дБ означают, что половина мощности потеряна. Потеря 10 дБ означает, что только 1/10 мощности источника доходит до приемника, потери 90%. Волоконно-оптические линии, как правило, способны нормально функционировать при потерях в 30 дБ (прием всего 1/1000 мощности).
Есть два принципиально различных физических механизма, вызывающих данный эффект.
Потери на поглощение. Связаны с преобразованием одного вида энергии в другой. Электромагнитная волна определенной длины вызывает в некоторых химических элементах изменение орбит электронов, что, в свою очередь, ведет к нагреву волокна. Естественно, что процесс поглощение волны тем меньше, чем меньше ее длина, и чем чище материал волокна.
Потери на рассеяние. Причина снижения мощности сигнала в этом случае - означает выход части светового потока из волновода. Обусловлено это неоднородностями показателя преломления материалов. И с уменьшением длины волны потери рассеивания возрастают.
Рис. 4 Окна прозрачности оптических волокон
В теории, лучших показателей общего затухания можно достичь на пересечении кривых поглощения и рассеивания. Реальность несколько сложнее, и связана с химическим составом среды. В кварцевых волокнах (SiO2) кремний и кислород проявляют активность на определенной длине волны, и существенно ухудшают прозрачность материала в двух окрестностях.
В итоге образуются три окна прозрачности (рис.4), в рамках которых затухание имеет наименьшее значение. Самые распространенные значения длины волны:
0.85 мкм;
1.3 мкм;
1.55 мкм.
Именно под такие диапазоны разработаны специальные гетеролазеры, на которых основываются современные ВОЛС (волоконно-оптические системы связи).
Оптический бюджет.
Каждый компонент оптоволоконной линии имеет свою величину оптических потерь. Допустимые потери оптического сигнала на всём пути от передатчика до приемника часто называют оптическим бюджетом. Рассчитывается он на основании информации, предоставленной производителем оборудования.
Упрощенно расчет оптического бюджета можно представить в виде следующей схемы (рис.5).
Рис. 5 Оптический бюджет
Оптические потери складываются из потерь, происходящих в каждом элементе между передатчиком и приемником (затухание в волокне, потери на стыковке с источником, сращивание волокон, потери на коннекторах).
Потери на инжектирование возникают при вводе излучения от источника в волокно и зависят в основном от диаметра сердечника. Потери на сплайсах, местах сварки при их наличии в линии должны быть включены подобно потерям на коннекторах.
Так же рекомендуется учитывать, что мощность лазера (светодиода) несколько уменьшается с течением времени. Обычно на ремонт и старение эмиттера отводится от 3 до 6 дБ.
Когда эти потери в суммарном виде превосходят "оптический бюджет", передача сигнала становится невозможной. При расчете системы лучше всего апеллировать к наихудшим значениям. В данном случае под системой мы понимаем передатчик (с его выходной мощностью излучения), приемник (с его параметром "чувствительность"; их разница, более понятна для понимания, и есть "оптический бюджет"), и все пассивные компоненты между ними.
Дисперсия.
Важным параметром оптического волокна является дисперсия. Он означает рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: межмодовая, материальная и межчастотная.
Межмодовая дисперсия обусловлена неидеальностью современных источников света, которые испускают волны в нескольких направлениях, и далее они проходят по разным траекториям (иначе говоря - будут иметь разные моды). Как следствие, лучи достигнут приемника в разные моменты времени.
Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны. Если распределение плотности волокна будет неравномерным, то волны, проходящие путь по разным траекториям, будут иметь разные скорости распространения. И, соответственно, попадать в приемник в разное время.
Межчастотная дисперсия. Источники излучения не идеальны и испускают волны различной длины. В кварцевом стекле более короткие волны распространяются быстрее и достигают конца световода в разные моменты времени.
Все виды дисперсии отрицательно влияют на пропускную способность оптоволоконного канала. Так как в настоящее время используются только цифровые способы передачи информации, то световой сигнал поступает с передатчика импульсами. И чем сильнее размыт по времени импульс на выходе (эффект дисперсии), тем сложнее его правильный прием. Иначе говоря, дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
При оценке пользуются термином "полоса пропускания", который понимается как величина, обратная к уширению импульса при его прохождении по оптическому волокну расстояния в 1 км. Измеряется полоса пропускания в МГц/км.
Потери, вызванные затуханием и дисперсией, равномерно распределяются по всей длине кабеля
Одномодовые и многомодовые оптические волокна
Несмотря на огромное разнообразие оптоволоконных кабелей, волокна в них практически одинаковы. По типу конструкции (по размеру серцевины) оптические волокна делятся на одномодовые (ОМ) и многомодовые (ММ) (рис. 6).
Рис. 6 Одномодовые и многомодовые оптические волокна
У многомодового волокна диаметр сердечника (обычно 50 или 62,5 мкм) почти на два порядка больше, чем длина световой волны. Это означает, что свет может распространяться в волокне по нескольким независимым путям (модам). И так как разные моды имеют разную длину, то сигнал на приемнике будет заметно "размазан" по времени. Из-за этого тип ступенчатых волокон (вариант 1), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.
Градиентное волокно (вариант 2), имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.
В результате более длинные траектории компенсируются большей скоростью. При удачном подборе параметров, можно свести к минимуму разницу во времени распространения. Соответственно, межмодовая дисперсия градиентного волокна будет намного меньше, чем у волокна с постоянной плотностью сердечника.
Однако, как бы не были сбалансированы градиентные многомодовые волокна, полностью устранить эту проблему можно только при использовании волокон, имеющих достаточно малый диаметр сердечника. В которых, при соответствующей длине волны, будет распространяться один единственный луч.
Реально распространено волокно с диаметром сердечника 8 микрон, что достаточно близко к обычно используемой длине волны 1,3 мкм. Межчастотная дисперсия при неидеальном источнике излучения остается, но ее влияние на передачу сигнала в сотни раз меньше, чем межмодовой или материальной. Соответственно, и пропускная способность одномодового кабеля намного больше, чем многомодового.
Разновидности оптоволоконных кабелей
По назначению, волоконно-оптические кабеля (ВОК) можно разделить на:
- монтажные (соединительные). Используются для механической коммутации и подключения аппаратуры;
- объектовые. Используются для высокоскоростных соединений внутри строений. Как правило, в них используются покрытие, слабо распространяющее горение, выделяющих малое количество дыма, и не содержащее галогенов (LSF/OH - low smoke and fume zero halogen);
- городские, зоновые. Соединяют здания, районы, города области. Обычно сети, построенные с их использованием, имеют протяженность от 1-2 до 100 км.
- магистральные. Предназначены для передачи информационных потоков на большие расстояния. Для этого используются кабеля с очень качественными оптическими волокнами. По месту прокладки:
- по подземным коммуникациям телефонных и других служб;
- предназначенные для прокладки в грунте. Усиленная броня, защита от грызунов.
- подвесные (на столбах освещения, трубостойках, контактных опорах железных дорог, опорах ЛЭП, и т.п.). Длина пролета может доходить до 450 м.
- подводные.
Типовые характеристики современных кабелей для внешней прокладки:
- внешний диаметр - 10-20 мм;
- температурный диапазон монтажа - от -10°С до +50°С;
- температурный диапазон эксплуатации - от -40°С до +60°С;
- минимальный радиус изгиба при прокладке - 15 внешних диаметров;
- минимальный радиус изгиба при эксплуатации - 20 внешних диаметров;
- максимально допустимое усилие на растяжение - 2500-10000 Н;
- максимально допустимое усилие на сдавливание - 2000-4000 Н;
Соединение оптических волокон. Разъемы
При монтаже линий ВОЛС их необходимо соединять. Именно сложность этого процесса для световодов из кварцевого стекла является основным сдерживающим фактором оптоволоконной технологии.
Непрофессионалам доступно только соединение кабелей, не имеющих особых требований по качеству. Серьезные работы по монтажу требуют наличия дорогостоящего оборудования и высоко квалифицированного персонала.
Для создания междомовой разводки "последней мили" особых сложностей уже не возникает. Работы доступны специалистам без серьезной подготовки (или вообще без нее).
Существуют несколько видов соединений. Нужно принципиально разделить сростки (неразъемные соединения), и оптические разъемы.
На небольших расстояниях (до нескольких километров) сростки не желательны и их следует избегать. Основной на сегодня способ их создания - сварка электрическим разрядом (рис. 7).
Рис. 7 Принцип сварки оптического волокна.
Такое соединение надежно, долговечно и вносит очень малое затухание в оптический тракт. Но для сварки нужно дорогостоящее оборудование и сравнительно высокая квалификация оператора. Это вызвано необходимостью высокоточного совмещения концов волокон перед сваркой, и соблюдения стабильных параметров электрической дуги. Кроме этого, нужно обеспечить ровные (и перпендикулярные оси волокна) торцы (сколы) свариваемых волокон, что само по себе является достаточно сложно. Поэтому, выполнение таких работ "от случая к случаю" своими силами не рационально, и проще пользоваться услугами специалистов. Так же подобный способ часто используется для оконечивания кабелей путем сварки волокон кабеля с небольшими отрезками гибких кабелей с уже установленными разъемами (pig tаil). Но с распространением клеевых соединений, сварка применяется все реже.
Второй способ создания неразъемных соединений - механический или с использованием специальных соединителей (сплайсов). Первоначальное назначение этой технологии - быстрое временное соединение, используемое для восстановления работоспособности линии в случае разрыва. Волокна закрепляются в механическом кондукторе, и специальными винтами сближаются друг c другом. Для хорошего оптического контакта в месте стыка используется специальный гель с похожими на кварцевое стекло оптическими свойствами.
Но этот способ не получил широкого распространения и достаточно редко применяется.
Разъемные соединения. Если предел дальности действия высокоскоростных электропроводных линий на основе витой пары зависит от разъемов, то в оптоволоконных системах вносимые ими дополнительные потери достаточно малы. Затухание в них оставляет около 0,2 - 0,3 дБ. Поэтому возможно создавать линии передачи без использования активного оборудования, коммутируя волокна на обычных разъемах. Особенно заметны преимущества такого подхода на небольших по протяженности, но разветвленных линиях.
Основные функции разъемов заключаются в фиксации волокна в центрирующей системе (соединителе) и защите волокна от механических и климатических воздействий.
Основные требования к разъемам:
- внесение минимального затухания и обратного отражения сигнала;
- минимальные габариты и масса при высокой прочности;
- долговременная работа без ухудшения параметров;
- простота установки на кабель (волокно);
- простота подключения и отключения.
Известно несколько десятков типов разъемов. Основная идея всех вариантов конструкций - точно совместить оси волокон, и плотно прижать их торцы друг к другу (создать контакт) (рис. 8).
Рис. 8 Принцип действия оптоволоконного разъема контактного типа
Основная масса разъемов выпускается по симметричной схеме, когда для соединения разъемов используется специальный элемент - coupler (соединитель). Сначала волокно закрепляется и центрируется в наконечнике разъема, а затем уже сами наконечники центрируются в соединителе.
Таким образом на сигнал влияют следующие факторы:
- внутренние потери, вызванные допусками на геометрические размеры световодов. Это эксцентриситет и эллиптичность сердцевины, разность диаметров (особенно при соединении волокон разного типа);
- внешние потери, которые зависят от качества изготовления разъемов. Возникают из-за радиального, углового смещения наконечников, непараллельности торцевых поверхностей волокон, воздушного промежутка между ними (френелевские потери);
- обратное отражение. Возникает из-за наличия воздушного промежутка (френелевское отражение светового потока в обратном направлении на границе стекло-воздух-стекло). Согласно стандарта TIA/EIA-568А, нормируется коэффициент обратного отражения (отношение мощности отраженного светового потока к мощности падающего). Он должен быть не хуже -26 дБ для одномодовых разъемов, и не хуже -20 дБ для многомодовых;
- загрязнение, которое, в свою очередь, может вызвать как внешние потери, так и обратное отражение. Самое широкое распространение получили разъемы ST и SC, весьма похожие по своим параметрам (затухание 0,2 - 0,3 дБ) (рис. 9).
Рис. 9 ST и SC разъемы оптических волокон.
ST (straight tip connector) (прямой разъем) или, неофициально Stick-and-Twist (вставь и поверни). Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2,5 мм с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно разъемам BNC, использующимся для коаксиального кабеля).
Разъемы ST - самый дешевый и распространенный тип. Он немного лучше, чем SC, приспособлен к тяжелым условиям эксплуатации благодаря простой и прочной металлической конструкции (допускает больше возможностей для применения грубой физической силы).
Основные недостатки: сложность маркировки, трудоемкость подключения, и невозможность создания дуплексной вилки.
SC (subscriber connector) (абонентский разъем), или, неофициально Stick-and-Click (вставь и защелкни). В основе такой же, как в ST, керамический наконечник диаметром 2,5 мм. Но основное отличие - легкий пластмассовый корпус, хорошо защищающий наконечник, и обеспечивающий плавное подключение и отключение одним линейным движением. Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа, и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам.
Дополнительно нужно отметить еще два типа разъемов:
FC - очень похож на ST, но с резьбовой фиксацией.
LC - новый "миниатюрный" разъем, конструктивно идентичный SC.
|
