Типы линий связи. Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные кабели состоят из тонких гибких стеклянных волокон, по которым распространяются световые сигналы. Имеют сердцевин, стеклянную оболочку.

1. одномодовые используются на небольших расстояниях (до 500 м),

2. многомодовые используется на длинных дистанциях.

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света — от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая — до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания — от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток — сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. Выполнение же некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

Методы аналоговой модуляции

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Рассмотрим на примере потенциального кодирования, где 1 - потенциал высокого уровня, 0 - нулевого.

При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.

При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой — f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0, 90, 180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Методы цифровой модуляции

Требования к методам цифрового кодирования:

1. наименьшая ширина спектра сигнала при одинаковой битовой скорости;

2. обеспечение синхронизации между передатчиком и приемником;

3. способность распознавать ошибки;

4. низкая стоимость реализации (минимизировать мощность передатчика)

5. обеспечивать устойчивость к шумам

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Эти требования являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый метод кодирования обладает своими преимуществами и недостатками.

Методы цифрового кодирования.

1. Потенциальные (для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются).

a. Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ).

Прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации (при больших последовательностях подряд идущих 1 или 0 приемник из-за разницы частот может пропускать или считывать лишний бит). В чистом виде этот метод в сетях не используется.

Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко

отличающихся потенциалов).

Основная гармоника f0 имеет достаточно низкую частоту (равную N/2 Гц, что приводит к узкому спектру.

b. Биполярный AMI (Bipolar Alternate Mark Inversion).

Используется три уровня потенциала: логический ноль — нулевой потенциал, логическая единица — попеременно положительный и отрицательный. Самосинхронизация только при последовательностях единиц. С нулями такая же проблема, как и в NRZ. AMI предоставляет некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов: нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса.

c. Потенциальный код с инверсией при единице (NRZI).

Похож на AMI, но имеет два уровня потенциала вместо трех. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала — свет и темнота.

2. Импульсные (двоичные данные представляются импульсами определенной полярности либо перепадом потенциала определенного направления).

a. Биполярный импульсный код.

Каждый импульс длится половину такта. Отличные самосинхронизирующие свойства, но постоянная составляющая, может присутствовать (например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей). Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

b. Манчестерский код.

Применяется в сетях Ethernet и Token Ring.

Используется два уровня сигнала.

Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами.

c. 2B1Q.

Используется четыре уровня сигнала. Каждые два бита передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния. Требует большей мощности передатчика.