КАБЕЛСКИ ДИСТРИБУТИВНИ СИСТЕМИ - ОПТИЧКА КАБЕЛСКА МРЕЖА
I Z33T home page I страници на македонски јазик I
Миле Кокотов (2010)
ОПТИЧКА КАБЕЛСКА МРЕЖА
Оптичката кабелска мрежа во еден современ оптичко-коаксијален кабелски дистрибутивен систем (HFC) се користи за пренос на сигналите помеѓу главната станица и повеќе определени точки, односно јазли, во населени места каде што се поставуваат потстаници или оптички нодови.
Главна предност на оптичката мрежа во однос на коаксијалната мрежа е тоа што оптичката мрежа има многу помало слабеење на пренесуваните сигнали и многу помали пречки и шумови.
Како „носител“ на корисните информации и RF сигнали се употребува модулиран (светлински) ласерски зрак.
За пренесување на ласерскиот зрак се користи оптички кабел (оптичко влакно).
Светлинскиот зрак исто како и RF сигналите кои се пренесуваат преку коаксијалната кабелска мрежа имаат иста природа, односно и светлинските бранови и радио-фреквенциските бранови претставуваат електромагнетни бранови. Разликата е во фреквенцијата, односно брановата должина.
Радио фреквенциските сигнали кои се користат за пренесување на корисни информации во коаксијалната кабелска мрежа имаат фреквенција од 5 до 862 MHz (бранова должина од 60 m до 0,35 m).
Светлинските (ласерски) зраци кои се користат во оптичката мрежа спаѓаат во инфрацрвената невидлива светлина и имаат фреквенција од 229,007633 THz = 229.007.633 MHz (бранова должина од 1310 nm) и 193,548387 THz = 193.548.387 MHz (бранова должина од 1550 nm). Од практична гледна точка, многу е полесно именувањето со брановата должина отколку со фреквенцијата.
Значи, светлинските ласерски зраци кои се употребуваат за пренос на информации во оптичката мрежа имаат 270 илјади до 20 милиони пати повисока фреквенција и исто толку помала бранова должина во однос на RF сигналите во класичната коаксијална кабелска мрежа.
Главни предности на оптичката кабелска мрежа во однос на електричната RF коаксијална кабелска дистрибутивна мрежа се:
Коаксијалните кабли кои се користат во КДС имаат слабеење од 65,6 dB/km (за кабел QR-540), 130 dB/km (за кабел RG-11) и 200 dB/km (за кабел RG-6)
Оптичките кабли имаат слабеење од околу 0,33 dB/km (за 1310 nm технологија) и 0,23 dB/km (за 1550 nm технологија)
Бидејќи слабеењето на оптичките кабли е многу помало, пренесуваните сигнали може да се пренесат на многу поголеми растојанија без да има потреба од засилувачи.
Историја на развојот, и основи на оптичката телекомуникациска технологија
Светлинските зраци можат да патуваат на огромна далечина и пак да бидат препознатливи. Кога навечер ќе погледнеме кон ѕвезденото небо, можеме да видиме светлина генерирана од илјадници ѕвезди кои се милијарди и милијарди километри оддалечени од нас. Сепак, нашите очи, без било какво зголемување или засилување, можат да ја видат светлината од поединечни ѕвезди. Иако светлинските зраци патувале илјадници години (со брзина на светлината од 300.000 километри во секунда), пред да дојдат до нас, тие сепак сѐ уште се видливи.
Уште многу одамна било познато дека светлината може да се насочува и движи во внатрешноста на свиткана стаклена прачка. Во средината на 19-от век физичарот John Tyndall демонстрирал дека светлината може да се насочи патувајќи низ млаз вода во свиткано црево.
Употреба на светлински зраци за комуникација преку „тенко свиткано стаклено влакно“ за прв пат е патентирана 1934 година од страна на американската телекомуникациска компанија АТ&Т. Развојот на технологијата и интензивните истражувања на механизмите за користење на светлински зраци преку стаклено оптичко влакно довеле до голем напредок. Во годините помеѓу 1968 и 1970, благодарение на многу лабораториски испитувања и експериментирање, слабеењето на стакленото оптичко влакно е намалено од преку 1000 dB/km на помалку од 20 dB/km.
По неколку години, со уште подоброто разбирање на механизмите на слабеење на ласерската светлина преку оптичко влакно, драстично се намалило слабеењето дури до 0,25 dB/km.
Развојот на производниот процес за производство на оптички кабли довел до сѐ поголема, масовна употреба на оптички кабли за потребите на телкомуникациите.
Оптичкото влакно всушност претставува едно многу тенко влакно изработено од стакло (потенко од влакното на косата).
Во некои литератури, оптичкото влакно уште се нарекува „светловод“, а оптичката технологија се нарекува „светловодна технологија“.
Светлинскиот (ласерскиот) зрак лесно се движи низ оптичкиот кабел според принципот познат како тотална внатрешна рефлексија. Кога влезниот агол на светлинскиот зрак е поголем од определена критична вредност, зракот не може да излезе надвор од стакленото јадро, туку се одбива од границата помеѓу јадрото (core) и јадрената обвивка (cladding), назад во стакленото јадро на влакното.
Јадрото на оптичкото влакно е изработено од чисто стакло. Обвивката (cladding) на јадрото е направена исто така од стакло, но специјално изработено така што брзината на светлината во обвивката е помала отколку брзината на светлината во јадрото на оптичкото влакно (индексот на прекршување на светлината е помал во обвивката отколку во јадрото). Разликата во материјалите предизвикува светлинскиот зрак да се одбива назад во јадрото кога ќе наиде на границата помеѓу јадрото и обвивката. Оваа појава се нарекува тотална внатрешна рефлексија и претставува основен принцип за примена на оптичките влакна и оптичката технологија во телекомуникациите.
Патот на светлинскиот зрак во оптичкото влакно се нарекува Мод (mode). Мултимод (multimode) означува повеќе патишта (во зависност од влезниот агол) на светлинските зраци внатре во јадрото на оптичкото влакно.
Постојат два вида на оптички влакна или кабли:
Мултимодни оптички влакна (Multimode optical fibers)
На почетокот од развојот на оптичката технологија, се употребувало мултимодното оптичко влакно. Дијаметарот на стакленото јадро (core) кај мултимодното влакно изнесува 62,5µm (микро метар = милионити дел од метарот). Дијаметарот на стаклената обвивка (Cladding) на јадрото на влакното изнесува 125µm. Како извор на светлински зраци кај мултимодното оптичко влакно се употребува релативно евтина LED (лед диода).
Максималното растојание кое може да се постигне со мултимодно оптичко влакно изнесува неколку километри.
Бидејќи дијаметарот на јадрото на мултимодното оптичко влакно е релативно голем, светлинските зраци емитувани од лед диодата истовремено навлегуваат во јадрото на мултимодното оптичко влакно под разни агли.
Зраците кои навлегле под разни агли во јадрото на оптичкото влакно, на својот пат низ влакното ќе се одбиваат повеќекратно од ѕидовите на јадрото, додека зраците кои навлегле директно под 90° во однос на напречниот пресек на влакното, нема да се одбиваат или многу малку ќе се одбиваат и ќе патуваат паралелно низ јадрото на оптичкото влакно. Кога зраците ќе пристигнат на другиот крај од оптичкото влакно (во оптичкиот приемник) најнапред ќе пристигнат зраците кои патувале паралелно со јадрото, односно без одбивање, бидејќи изминуваат најкраток пат. Зраците пак кои се одбивале повеќекратно патувајќи низ јадрото, ќе пристигнат со помало или поголемо задоцнување.
Колку е поголема должината на оптичкото влакно, толку поголема временска разлика ќе има при пристигнувањето на одбиените и „правите“ зраци на крајот од влакното. Велиме дека на крајот од влакното, светлинските зраци доаѓаат временски дисперзирани и амплитудно ослабени. Ова е главен ограничувачки фактор за постигнување на поголеми растојанија со примена на мултимодни оптички влакна (види ја сликата подолу).
Исто така и излезниот сигнал многу повеќе се деформира кај мултимодното влакно, па и веројатноста за грешка при декодирањето е поголема (се зголемува BER – bit error rate)
Мономодни оптички влакна (single-mode optical fibers)
Со понатамошниот напредок на технологијата, развиено е мономодно (single-mode) оптичко влакно. Дијаметарот на стакленото јадро (core) кај мономодното оптичко влакно е многу помал во однос на мултимодното влакно и изнесува 8 до 10 µm. Дијаметарот на стаклената обвивка (Cladding) на јадрото на влакното изнесува 125 µm (исто како и кај мултимодните оптички влакна). Околу стаклената обвивка, има заштитен слој во вид на заштитна обвивка со дијаметар од околу 250 µm. Овој надворешен слој обично е обоен за да може лесно да се идентификува оптичкото влакно, бидејќи во еден оптички кабел може да има многу оптички влакна.
Како извор на светлински зраци кај мономодното оптичко влакно се употребува ласер, односно ласерска диода. Ласерските зраци со помош на леќи многу лесно можат да се направат паралелни. Паралелниот и многу мал дијаметар на ласерскиот зрак овозможува речиси целокупната енергија на зракот да навлезе под прав агол во однос на напречниот пресек на јадрото на оптичкото влакно, така што зракот патува низ јадрото без да се одбива, а слабеењето е минимално.
Растојанието кое може да се постигне со употреба на мономодно оптичко влакно и ласерски зраци како носител на корисни информации, изнесува повеќе десетици километри без да има потреба за засилување или регенерација. Ова е многукратно повеќе во однос на мултимодните оптички влакна.
Па зошто тогаш се користат мултимодните влакна, кога имаат многу полоши карактеристики во однос на мономодните влакна?
Во прашање е цената. Во технолошкиот процес многу е поедноставно (а со тоа и поевтино) да се произведува влакно со поголем пресек на јадрото. Покрај тоа, во поголемо јадро е многу полесно да се „уфрли“ светлина од изворот, па и предавателите се поевтини бидејќи светлосниот сноп на изворот не мора да биде толку фокусиран како во случајот на користењето на мономодното влакно. Така, севкупниот систем базиран на мултимодното влакно е поевтин и таквите системи денеска се употребуваат кај локалните компјутерски мрежи со релативни кратки растојанија. Исто така мултимодните оптички влакна се применуваат и за пренос на аудио и видео сигнали во домовите, помеѓу аудио-видео уредите за слушање на музика и гледање на видео.
Од друга страна, кога е потребно да се премостат поголеми растојанија, за професионалните телекомуникациски потреби се употребуваат мономодните оптички влакна, и тоа најчесто 8/125.
Слабеење на сигналите пренесувани низ оптичкото влакно
Слабеењето на оптичкото влакно зависи од фреквенцијата, односно брановата должина на ласерскиот зрак што го користиме како носител за пренос на корисни информации. На сликата подолу се забележува дека слабеењето на сигналот не е линеарно како во коаксијалните кабли.
Слабеењето е релативно големо околу 800 nm и забрзано опаѓа со зголемувањето на брановата должина сѐ додека не го достигне минимумот за бранова должина околу 1310 nm. Со понатамошно зголемување на брановата должина, слабеењето пак започнува да расте и достигнува максимум за бранова должина околу 1383 nm. Потоа слабеењето пак нагло опаѓа и ја достигнува својата најниска вредност за бранова должина од околу 1550 nm.
Овие два минимуми на слабеењето на оптичкото влакно се нарекуваат „прозори“ со најмало слабеење. Вториот „прозор“ е за бранова должина од 1310 nm а третиот „прозор“ е за бранова должина од 1550 nm. Постои и прв „прозор“ за бранова должина од 850 nm за апликации со мултимодни оптички влакна во кои како извор на светлина најчесто се употребуваат LED-диоди.
Слабеењето на сигналите со бранови должини од вториот и третиот „прозор“ е екстремно мало. Типични оптички кабли со добар квалитет кои се употребуваат во КДС имаат слабеење од 0,33 dB/km за бранова должина од 1310 nm. Слабеењето е дури уште помало за бранова должина од 1550 nm и изнесува само 0,23 dB/km.
Токму овие две бранови должини (1310 nm и 1550 nm) се употребуваат во телекомуникациите за пренос на корисни информации преку оптичките кабли, а како извор на светлина се користат ласерски диоди.
Помеѓу двата екстремни минимуми на слабеење на оптичкото влакно за сигнали со бранови должини од 1310 и 1550 nm, постои едно подрачје со релативно големо слабеење (висока апсорпција) за бранова должина околу 1380nm. Ова слабеење е познато под името „воден пик“ поради апсорпцијата од хидроксилните јони.
Со развојот на технологијата на производство на оптички влакна, слабеењето кое го предизвикува „водениот пик“ е многу намалено. Денес има оптички кабли кај кои „водениот пик“ е комплетно елиминиран. Ова може да се види на следнава слика:
Деградација на сигналите пренесувани низ оптичкото влакно
Максималната должина на која може да се пренесе сигнал преку оптичко влакно без да има потреба од регенерација или засилување на сигналот зависи од повеќе фактори.
Најважен фактор, секако е слабеењето на сигналот минувајќи низ оптичкото влакно и ова слабеење го разгледавме погоре.
Други битни фактори кои влијаат врз деградацијата на сигналот и со тоа го ограничуваат растојанието на кое може да се пренесе квалитетен сигнал се:
а) Мултимодната дисперзија на сигналот која ја разгледавме погоре кога стануваше збор за мултимодни оптички влакна;
б) Хроматска дисперзија (Chromatic Dispersion)
Оваа дисперзија се јавува како резултат на различното време на пристигнување на сигнали со различни бранови должини на крајот од влакното. Различните бранови должини на ласерската светлина патуваат со различна брзина низ оптичкото влакно (подолгата бранова должина патува побрзо низ оптичкото влакно). Како и кај мултимодната дисперзија, хроматската дисперзија е директно зависна од должината на оптичкото влакно.
Хроматската дисперзија предизвикува да пулсот на светлина (сигналот) на крајот од оптичкото влакно е поширок отколку што бил на влезот (слично како кај мултимодната дисперзија само многу помалку изразен)
Хроматската дисперзија е особено важна во телекомуникациските примени бидејќи во оптичките влакна може истовремено да се емитуваат ласерски зраци со повеќе бранови должини (wavelength multiplexing), како на пример: WWDM–wide wavelength division multiplexing, CWDM–coarse wavelength division multiplexing, или DWDM–dense wavelength division multiplex.
За да ја разбереме подобро хроматската дисперзија на ласерските зраци со повеќе бранови должини, ќе ја споредиме со општопознатата хроматска дисперзија на видливата бела сончева светлина која се разложува (дисперзира) кога ќе помине преку стаклена призма. Ова разложување е како резултат на различниот агол на прекршување на светлината со различна бранова должина, бидејќи различни бои на светлината имаат различна бранова должина. Хроматската дисперзија на видливата светлина која се прекршува при премин преку стаклена призма е прикажана на следнава слика:
в) Поларизациска дисперзија (PMD – polarization mode dispersion)
Како што видовме порано, кај мултимодните оптички влакна, беше изразена деградацијата на сигналот предизвикана од мултимодната дисперзија, предизвикана од различното време на пристигнување на сигналите со различен агол, на крајот од влакното. Слично на тоа, само многу помалку изразена, кај мономодните оптички влакна постои деградација на сигналот предизвикана од поларизациска дисперзија.
Светлината пренесувана преку мономодно оптичко влакно може да се разгледува како два одделни поларизирани сигнали (поларизациски модови) секој сигнал со своето електрично поле зафаќа меѓусебен агол од 90° во однос на подолжната оска на влакното.
Овие два поларизациски модови, патувајќи низ јадрото на оптичкото влакно се одбиваат од границата со јадрената обвивка и пак се враќаат во јадрото сѐ до другиот крај на влакното каде се наоѓа оптичкиот приемник. Бидејќи структурата на јадрото не е идеално кружно-цилиндрична (идеално не постои), одбивајќи се од границата на јадрото, овие два поларизациски модови ќе изминат различен пат кога ќе пристигнат на крајот од влакното.
Ова е предизвикано и од нееднаквоста во структурата на јадрото на оптичкото влакно кое, иако е изработено од многу чисто стакло, сепак, атомската структура не може да биде перфектно еднаква во сите делови на јадрото.
Исто така, сплајсуваните оптички влакна, конекторите и слично придонесуваат за неперфектноста на структурата низ која се движат различно поларизираните модови на сигналот.
Иако постои, дисторзијата (изобличувањето) на сигналот предизвикана од поларизациската дисперзија (PMD) не претставува голем проблем бидејќи обично, другите фактори кои влијаат на деградацијата на сигналот се многу поизразени.
Поларизациската дисперзија во комбинација со хроматската дисперзија, ако се доволно изразени (голема должина на оптичкото влакно) можат да предизвикаат временско-зависно комбинирано интермодулациско изобличување од втор ред (CSO) кај амплитудно модулираните ласерски сигнали при пренесување на видео каналите во КДС. Зголеменото комбинирано изобличување од втор ред се манифестира со дијагонални коси линии преку сликата кои се движат преку целиот екран.
Од друга страна, кај дигитално емитуваните пулсни сигнали поларизациската дисперзија исто како и хроматската дисперзија предизвикува ширината на импулсниот сигнал на крајот од оптичкото влакно да биде поширока отколку на почетокот. Тоа пак води до зголемување на грешките при детекцијата на дигиталните импулсни сигнали (висок BER – bit error rate) при пренос на големи брзини, односно голем пропусен опсег, така што директно го ограничува пропусниот опсег на дигиталните сигнали.
г) Слабеење во зависност од свиткување (bending)
Генерално, постојат два видови на слабеење поради свиткување. Микросвиткување (microbending) и макросвиткување (macrobending)
Микросвиткувањето е предизвикано од микроскопски мали отстапувања од идеалната геометрија на стакленото јадро на оптичкото влакно. (асиметрија и микроскопски мали разлики на дијаметарот на јадрото на оптичкото влакно) Овие микроскопски мали отстапувања се предизвикани од производниот процес или од механички стресови на материјалот од кој е изработено јадрото на оптичкото влакно (под дејство на надворешен притисок, истегнување или усукување).
Макросвиткувањето е она свиткување на оптичкото влакно чиј дијаметар се мери во центиметри.
Колку радиусот на свиткување на оптичкото влакно е помал, поголем износ на светлина ќе „истече“ или „побегне“ од јадрото преку јадрената обвивка и тоа ќе предизвика слабеење на сигналот. Затоа треба да се внимава оптичките влакна да не се свиткуваат под остар агол.
Слабеењето на сигналот поради свиткување на оптичкото влакно е поизразено на брановата должина од 1550 nm, отколку на 1310 nm.
На пример, 100 намотки на оптичко влакно околу пластична цевка со дијаметар од 75mm, ќе предизвика слабеење од 0,05dB/1310nm и 0,1dB/1550nm.
Само една намотка на оптичко влакно околу пластична цевка со дијаметар од 32 mm, ќе предизвика слабеење од 0,5dB/1550 nm.
Слабеењето е незабележливо ако дијаметарот на свиткување на оптичкото влакно е поголем од 10 cm.
Интересна практична апликација која ја користи осетливоста на оптичкото влакно при свиткување е (нерефлектирачка) терминацијата на крајот на оптичкото влакно. Исто како и кај коаксијалните кабли, неопходно е правилна терминација на крајот од оптичкото влакно. Ако тоа не се направи, свтлината во влакното ќе се рефлектира наназад во влакното, ќе направи деструктивна интерференција со дојдовниот светлински сигнал и ќе предизвика изобличување на корисниот сигнал. Една едноставна оптичка терминација на крајот од влакното, може да се направи со една или две намотки на оптичкото влакно со дијаметар од околу 1cm (10mm). Оваа апликација ќе ја намали рефлексијата на помалку од -40dB !
д) Stimulated Brillouin Scattering (SBS)
Ако јачината на монохроматската ласерска светлина (моќноста на ласерот) што се емитува во оптичкото влакно се зголемува, излезната моќност од оптичкиот приемник на другата страна од влакното се зголемува пропорционално сѐ додека не се достигне една определена гранична вредност. Над таа гранична вредност, приманата моќност од оптичкиот приемник останува релативно константна, но енергијата која се рефлектира назад во оптичкото влакно драматично се зголемува. Како резултат на тоа, односот сигнал/шум и сигнал/изобличување се намалуваат, односно деградираат. Овој феномен е познат под името Stimulated Brillouin Scattering (SBS). Дел од енергијата која се рефлектира назад во оптичкото влакно кога ќе дојде до изворот, пак се рефлектира наназад кон приемникот. Двојнорефлектираниот сигнал има различна произволна фаза и амплитуда и се измешува со оригиналниот сигнал. Како резултат на оваа интеракција (интерференција) во приемникот се прима и оригиналниот сигнал и двојнорефлектираниот сигнал што предизвикува зголемување на шумот.
Шумот предизвикан од „SBS“ зависи од геометријата на оптичкото влакно, слабеењето на сигналот во влакното, должината на влакното, како и од моќноста на оптичкиот предавател (трансмитер).
Денес се произведуваат специјални оптички влакна (DS - dispersion-shifted optic fibers) кај кои оваа појава не е толку изразена. Ова е прикажано на следнава слика:
Сопствено фазно модулирање на сигналот и интеракција со дисперзијата (Selff-Phase Modulation Interacting with Dispersion) или скратено: SPM – self-phase modulation
Ова е уште една појава која го деградира сигналот во оптичките влакна и која директно зависи од моќноста на оптичкиот предавател (трансмитер)
Оваа појава ги зголемува комбинираните изобличувања од втор ред (CSO – composite second order distortion) на сигналите преку оптичкиот линк.
Односот сигнал/шум, односно носител/шум (carrier/noise) ќе биде деградиран во случаите кога:
Влошувањето на односот сигнал/шум (C/CSO) поради појавата на сопствено фазно модулирање на сигналот кој минува низ оптичкото влакно, во зависност од моќноста на оптичкиот сигнал е прикажано на следнава слика:
Графикот важи за должина на оптичкото влакно од 50 km, ласерски зрак со бранова должина од 1550 nm, модулиран со 77 RF аналогни сигнали, при оптички индекс на модулација од 2,5% и 3,4%.
Зависноста на односот сигнал/шум (C/CSO) од должината на оптичкото влакно при фиксно ниво на оптичка моќ од +18 dBm е прикажана на следнва слика. Притоа, оптичкиот сигнал е засилен по првите 50 km и пуштен низ уште едно оптичко влакно со должина од 50 km:
Со 1310-нанометарската технологија во идеални услови може да се пренесе квалитетен сигнал (без преголем шум и изобличување) на растојание од околу 25 до 30 километри.
Со 1550-нанометарската технологија во идеални услови може да се пренесе квалитетен сигнал (без преголем шум и изобличување) на растојание од околу 50 до 55 километри.
За поголеми растојанија се употребуваат оптички предаватели со релативно помала излезна моќност, а по извесно растојание, оптичкиот сигнал се засилува со EDFA оптички засилувачи.
Елементи на оптичката кабелска дистрибутивна мрежа
I Z33T home page I страници на македонски јазик I