Протокол CSMA/CDПротокол CSMA / CD втілив у собі ідеї перерахованих вище алгоритмів і додав важливий елемент - дозвіл колізій. Оскільки колізія руйнує всі передані в момент її виникнення кадри, то й немає сенсу станціям продовжувати подальшу передачу своїх кадрів, коли незабаром вони (станції) виявили колізії. В іншому випадку, значною була б втрата часу при передачі довгих кадрів. Тому для своєчасного виявлення колізії станція прослуховує середу на всьому протязі власної передачі.Основні правила алгоритму CSMA / CD для передавальної станції. Передача кадра: 1. Станція, що збирається передавати, прослуховує середу, і передає, якщо середовище вільна. В іншому випадку (тобто якщо середовище зайнята), переходить до кроку 2. При передачі декількох кадрів підряд станція витримує певну паузу між посилками кадрів - міжкадровий інтервал, причому після кожної такої паузи перед відправкою наступного кадру станція знову прослуховує середу (повернення на початок кроку 1); 2. Якщо середовище зайнята, станція продовжує прослуховувати середу до тих пір, поки середовище не стане вільною, і потім відразу ж починає передачу; 3. Кожна станція, ведуча передачу, прослуховує середу, і, у разі виявлення колізії не припиняє відразу ж передачу, а спочатку передає короткий спеціальний сигнал колізії - jam-сигнал, інформуючи інші станції про колізії, і припиняє передачу; 4. Після передачі jam-сигналу станція замовкає і чекає деяке довільне час відповідно до правила бінарної експоненційної затримки, а потім повертається до кроку 1.Межкадровый интервал IFG (interframe gap) составляет 9,6 мкс, (12 байт). С одной стороны, он необходим для того, чтобы принимающая станция могла корректно завершить прием кадра. Кроме этого, если бы станция передавала кадры непрерывно, она бы полностью захватила канал и, тем самым, лишила другие станции возможности передачи. Jam-сигнал (jamming - дослівно глушіння). Передача jam-сигналу гарантує, що жоден кадр не буде втрачений, бо всі вузли, які передавали кадри до виникнення колізії, прийнявши jam-сигнал, перервуть свої передачі й замовкнуть в очікуванні нової спроби передати кадри. Jam-сигнал повинен бути достатньої довжини, щоб він дійшов до самих віддалених станцій колізійного домену з урахуванням додаткової затримки SF (safety margin) на можливих повторювачах. Колізійних домен (collision domain) - безліч всіх станцій у мережі, одночасна передача будь-якої пари з яких призводить до колізії.На рис. 1.2. проілюстрований процес виявлення колізії стосовно до топології'' шина''. У момент часу t0 вузол А починає передачу, природно прослуховуючи свій же передається сигнал. У момент часу t1, коли кадр майже дійшов до вузла B, цей вузол, не знаючи про те, що вже йде передача, сам починає передавати. У момент часу t2 = t1 + , вузол У виявляє колізію (збільшується постійна складова електричного сигналу в прослуховується лінії). Після цього вузол У передає jam-сигнал і припиняє передачу. У момент часу t3 сигнал колізії доходить до вузла А, після чого А також передає jam-сигнал і припиняє передачу.
Рис. 1.2. Виявлення колізії в шині при використанні схеми CSMA / CD стандарту Ethernet За стандартом Ethernet вузол не може передавати дуже короткі кадри, або, іншими словами, вести дуже короткі передачі. Навіть якщо поле даних заповнено не до кінця, то з'являється спеціальне додаткове поле, подовжує кадр до мінімальної довжини 64 байта без урахування преамбули. Час каналу ST (slot time) - це мінімальний час, протягом якого вузол зобов'язаний вести передачу, займати канал. Це відповідає передачі кадру мінімально допустимого розміру, прийнятого стандартом Ethernet IEEE 802.3. Час каналу пов'язано з максимально допустимим відстанню між вузлами мережі - діаметром колізійного домену. Припустимо, що в наведеному вище прикладі реалізується найгірший сценарій, коли станції А і В віддалені один від одного на максимальну відстань. Час поширення сигналу від А до В позначимо через tp. Вузол А починає передавати в нульовий момент часу. Вузол У починає передавати в момент часу t1 = tp + після початку своєї передачі. Вузол Аі виявляє колізію через інтервал. Для того, щоб кадр, іспущенний А,виявляє колізію в момент часу t3 = 2tp - не був загублений, необхідно, щоб вузол А не припиняв вести передачу до цього моменту, так як тоді, виявивши колізію, вузол А буде знати, що його кадр не дійшов, і спробує передавати його повторно. В іншому випадку кадр буде втрачено. Максимальний час, через яке з моменту початку передачі вузол А ще може виявити колізію, одно 2tp - це час називається затримкою на подвійному пробігу RTD (round-trip delay). У більш загальному випадку, RTD визначає сумарну затримку, пов'язану як із затримкою через кінцевої довжини сегментів, так і з затримкою, що виникає при обробці кадрів на фізичному рівні проміжних повторювачів і кінцевих вузлів мережі. Далі зручно використовувати також іншу одиницю виміру часу: бітове час BT (bit time). Час 1 BT відповідає часу, необхідного для передачі одного біта, тобто 0,1 мкс при швидкості 10 Мбіт / с. Стандартом Ethernet регламентовані такі правила виявлення колізій кінцевим вузлом мережі:Узел А должен обнаружить коллизию до того, как передаст свой 512-й бит, включая биты преамбулы; Вузол А повинен припинити передачу раніше, ніж буде переданий кадр мінімальної довжини - передано 576 біт (512 біт після обмежувача початку кадрів SFD); Перекриття між передачами вузлів А і В - бітовий інтервал, починаючи з моменту передачі першого біта преамбули вузлом А і закінчуючи прийомом вузлом А останнього біта, испущенного вузлом У, - повинно бути менше, ніж 575 BT. Остання умова для мережі Ethernet є найбільш важливим, оскільки, його виконання веде до виконання і перших двох. Це третя умова задає обмеження на діаметр мережі. Стосовно до затримки на подвійному пробігу RTD третя умова можна сформулювати у вигляді: RTD <575 BT. При передачі великих кадрів, наприклад 1500 байт, колізія, якщо вона взагалі виникне, виявляється практично на самому початку передачі, не пізніше перших 64 переданих байт (якщо колізія не виникла в цей час, то пізніше вона вже не виникне, оскільки всі станції прослуховують лінію і, «чуючи» передачу мовчатимуть). Так як jam-сигнал значно коротше повного розміру кадру, то при використанні алгоритму CSMA / CD кількість вхолосту витраченої ємності каналу скорочується до часу, необхідного на виявлення колізії. Раннє виявлення колізій призводить до більш ефективного використання каналу. Пізніше виявлення колізій, властиве більш протяжним мереж, коли діаметр колізійного домену становить кілька кілометрів, знижує ефективність роботи мережі.
Рис. 1.3. Алгоритми доступу за методом CSMA / CD
На рис. 1.3. представлені алгоритми прийому і передачі даних в одному з вузлів при CSMA / CD.
Серед детермінованих методів переважають маркерні методи доступу. Маркерний метод - метод доступу до середовища передачі даних в ЛВС, заснований на передачі повноважень передавальної станції за допомогою спеціального інформаційного об'єкта, званого маркером. Під повноваженням розуміється право ініціювати певні дії, динамічно надані об'єкту, наприклад станції даних в інформаційній мережі. Застосовується ряд різновидів маркерних методів доступу. Наприклад, в естафетному методі передача маркера виконується в порядку черговості; в способі селекторної опитування (квантірованной передачі) сервер опитує станції і передає повноваження однієї з тих станцій, які готові до передачі. У кільцевих однорангових мережах широко застосовується тактируемого маркерний доступ, при якому маркер циркулює по кільцю і використовується станціями для передачі своїх даних.
1.3 Структуровані кабельні системи (СКС) 1.3.1 Хронологія розвитку стандартів СКС
До 1984 року будівлі проектувалися практично без урахування тих телекомунікаційних сервісів, які повинні були згодом функціонувати в них. З'являлися додатки передачі даних вимагали застосування специфічних типів кабельних продуктів. Система IBM S/3X працювала на твінаксіальних кабелях 100 0м, a Ethernet - на коаксіальних 50 0м. У той час як місцеві телефонні компанії мали можливість монтувати свої кабельні системи для додатків передачі мови на стадії будівництва будівлі, фахівці з установки систем передачі даних отримували доступ на об'єкт вже після того, як він був заселений. Інфраструктура піддавалася переробкам, найчастіше за рахунок великих додаткових витрат, і до незадоволення кінцевого користувача. У цей період мовні кабельні системи мали мінімальну структуру. Типова система в комерційному будинку будувалася на основі неекранованої кручений пари, НВП (Unshielded Twisted Pair, UTP) з робітниками характеристиками, придатними лише для передачі мови, і мала конфігурацію "зірка". Кількість пар, що приходять в ключові точки варіювався від 1 до 25. Максимальні відстані передачі сигналів і кількість кросових комутаційних вузлів визначалися постачальником сервісу або виготовлювачем активного обладнання. Ранні типи кабельних систем, що застосовувалися для передачі даних в 60-ті роки, грунтувалися, як правило, на передачі незбалансованого сигналу по кабелю "вита пара" між хост-комп'ютерами і терміналами. Такий тип кабельної системи годився тільки для низькошвидкісних комунікацій, і, у міру того, як швидкості передачі росли, обмеження, пов'язані з технологією передачі незбалансованого сигналу по кабелях "вита пара", стали занадто очевидними. У середині 70-х років компанія IBM почала виробництво мейнфреймів, які використовували коаксіальний кабель з опором 93 0м. Створення кількома роками пізніше пристрою, часто званого "балун" (BALUN - BALanced / UNbalanced), дозволило використовувати активне обладнання з коаксіальними інтерфейсами в кабельних системах на основі витої пари. Адаптер типу "балун" здійснює конвертацію незбалансованого сигналу, переданого по коаксіальної середовищі, в збалансований сигнал, який може поширюватися по кабелях "вита пара". Після виникнення технології Ethernet спочатку 80-х років, коаксіальний кабель з опором 50 0м почав заповнювати комерційні будівлі. У міру розширення популярності Ethernet, провідні виробники, такі як Cabletron і Bay Networks (колишня Synoptics), почали пропонувати мережні інтерфейсні карти з модульними роз'ємами замість коаксіальних конекторів. Ця високошвидкісна технологія (10BASE-T) вимагала застосування першокласного кабелю "вита пара", оптимізованого для передачі даних, який пізніше був класифікований як UTP категорії 3. У середині 80-х років компанія IBM розробила технологію Token Ring, визначивши як передавальної середовища двухпарная екранований кабель "вита пара" (ЕВП) 150 0м (Shielded Twisted Pair, STP). Однак, у міру розширення застосування кручений пари в мережевих додатках передачі даних, як альтернатива STP була введена у вживання UTP як передавальної середовища для додатків Token Ring 4 і 16 Мбіт / с. Протягом цього періоду користувачі були поставлені перед вибором кількох типів передавальних середовищ, які включали в себе UTP, STP, коаксиал, твінаксіал, подвійний коаксиал і оптичне волокно. Коннектори, що використовувалися з перерахованими вище кабелями - модульні роз'єми, універсальні конектори передачі даних (UDC), BNC, твінакс, DB9, DB15, DB25 і різноманітні оптичні конектори. При придбанні кінцевим користувачем обладнання у нового виробника або при установці нової системи стара система зазвичай повністю була приречена на заміну. Замість вилучення непотрібних тепер кабелів з телекомунікаційних трас, вони часто залишалися на своєму місці і нова кабельна система прокладалася поверх старої. Найчастіше старі кабельні траси ставали настільки захаращеними, що доводилося створювати нові. Для задоволення зростаючого попиту на телекомунікаційні кабельні системи, які могли підтримувати різні додатки, виробники створювали кабельні системи, які підтримували мовні програми та специфічні додатки передачі даних. Незважаючи на появу таких тенденцій, кінцеві користувачі все ще були змушені робити вибір серед безлічі кабельних систем від різних виробників. У деяких випадках була можлива сумісність, в інших її не було. Відсутність однорідності і універсальності змусило промисловість до розробки стандартів, які б гарантували сумісність між продукцією різних виробників. Для задоволення цієї вимоги в 1985 році Асоціація електронної промисловості (ЕIА) і Асоціація телекомунікаційної промисловості (ТIА) організували роботу технічних комітетів для розробки однорідного сімейства стандартів телекомунікаційних кабельних систем. Ці комітети працювали більше 6-ти років в напрямку розробки перших упорядкованих стандартів телекомунікаційного каблирования, телекомунікаційних трас і приміщень. Розроблені стандарти набули поширення в багатьох країнах і були вироблені додаткові специфікації до розділів з адміністрування, системам заземлення, а також універсальні категорії кабельних продуктів і відповідних конекторів для середовища UTP / STP 100 0м. Робота над стандартами кабельних систем була продовжена новим виданням стандарту ANSI/TIA/EIA-568-A і знаходяться в даний час на стадії публікації стандартом ANSI/TIA/EIA-568-B, а також випуском міжнародного стандарту універсальної кабельної системи ISO / IEC 11801 і європейського стандарту універсальної кабельної системи CENELEC EN 50173. До 1991 року законодавцями в телекомунікаційних кабельних системах були компанії-виробники комп'ютерної техніки. Кінцеві користувачі часто опинялися в неприємному становищі через суперечили одна одній вимог окремих виробників за робочим характеристикам систем і були змушені платити великі суми за монтаж, настройку і експлуатацію приватних систем. Промисловість засобів телекомунікацій визнавала необхідність створення економічною, ефективною кабельної системи, яка могла б підтримувати найбільш можливо широкий спектр додатків і устаткування. ЕIА, ТIА і представницький консорціум провідних телекомунікаційних компаній почали спільну роботу зі створення стандарту на телекомунікаційні кабельні системи комерційних будівель ANSI/EIA/TIA-568-1991 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard). Додаткові нормативні документи, що описують вимоги та правила з проектування та монтажу телекомунікаційних кабельних трас і приміщень, адміністрування систем, специфікації кабельних компонентів і комутаційного обладнання, були випущені слідом за ним. Стандарт ANSI/EIA/TIA-568-1991 був переглянутий у 1995 році і в даний час носить назву ANSI/TIA/EIA-568-A. Метою зазначених стандартів є опис структурованого каблирования - телекомунікаційної кабельної системи, яка може віртуально підтримувати будь-які додатки передачі мови, зображення і даних за бажанням кінцевого користувача. В даний час у міру того, як все більша кількість користувачів переходять до застосування відкритих систем, яке випускається активне обладнання проектується на основі положення, що кабельна частина інформаційної інфраструктури відповідає вимогам стандартів, тобто є гарантовано надійної і здатної забезпечувати певні робочі характеристики. До різним ризикам, які є наслідком нестандартних кабельних систем, можна віднести наступні - мережеві робочі характеристики нижче визначених стандартами, підвищена вартість внесення змін в систему і нездатність системи підтримувати нові технології. У міру поширення принципів структурованого каблирования вартість встановлюваного мережевого обладнання падала, а ефективність передачі даних росла з експоненціальною залежністю. Телекомунікаційна інфраструктура переросла в доступний інструмент бізнесу з широкими можливостями. Структурована кабельна система (СКС) є основоположною базою протягом усього часу існування інформаційної мережі. Це основа, від якої залежить функціонування всіх ділових додатків. Правильно спроектована, змонтована кабельна система знижує витрати будь-якої організації на всіх фазах свого життя. За даними статистики недосконалі кабельні системи є причиною до 70% всіх простоїв інформаційної мережі. Монтуючи СКС, створену відповідно до положень стандартів, можна ефективно усувати значну частку часу простоїв. Незважаючи на те, що кабельна система, як правило, існує довше більшості інших мережевих компонентів, її вартість становить невелику частину загальних інвестицій в інформаційну мережу. Таким чином, використання структурованої кабельної систем є дуже переконливим способом інвестування в продуктивність будь-якої організації або компанії. Кабельна система є компонентом мережі з самим тривалим часом життя, довше якого існує тільки каркас будівлі. Кабельна система, створена на основі стандартів, гарантує довгострокове функціонування мережі та підтримку численних додатків, забезпечуючи віддачу від інвестицій на всьому протязі її існування. 1.3.2 Вита пара
В ідеальному випадку лінія передачі являє собою, як мінімум, два провідника, розділених діелектричним матеріалом і мають рівномірний зазор на всьому своєму протязі. До двом лідерів прикладається збалансоване напруга рівне по амплітуді і протилежне по фазі. У кожному провіднику течуть рівні за величиною і протилежні за напрямом струми. Токи виробляють концентричні магнітні поля оточуючі кожен із провідників. Напруженість магнітного поля посилюється у проміжку між провідниками і зменшується в просторі, де концентричні поля знаходяться за межами обох провідників. Струми в кожному з провідників рівні за величиною і протилежні за напрямком, що веде до зменшення загальної енергії, що накопичується в результуючому магнітному полі. Будь-яка зміна струмів генерує напруга на кожному провіднику з результуючим електричним полем з напрямком вектора, обмежуючим магнітне поле і підтримуючим постійний струм. Характеристичний імпеданс відповідає вхідному импедансу однорідної лінії передачі нескінченної довжини тобто лінії передачі граничної довжини, терминированной навантаженням зі значенням її власного характеристичного імпедансу. У загальному випадку, характеристичний імпеданс - це комплексне число з резистивної і реактивної компонентами. Він є функцією частоти переданого сигналу і не залежить від довжини лінії. При дуже високих частотах характеристичний імпеданс асимптотично прагне до фіксованого Резистивна опору. Наприклад, коаксіальні кабелі мають імпедансом 50 або 75 0м на високих частотах. Типове значення імпедансу для кабелів "вита пара" - 100 0м при частотах понад 1 МГц. Загасання сигналу - це відношення в децибелах (дБ) потужності вхідного сигналу до потужності сигналу на виході при відповідності імпедансів джерела і навантаження характеристическому импедансу кабелю. Значення вхідної потужності може бути отримано шляхом вимірювання потужності при безпосередньому підключенні навантаження до джерела без проходження сигналу по кабелю. У випадках, коли в місцях терминирования імпеданс не ідеально відповідають один одному, ставлення вхідний потужності до вихідний носить назву внесених втрат або внесеного загасання. Перехідне загасання на ближньому кінці (Near End Crosstalk, NEXT) - параметр, що характеризує загасання сигналу перешкоди, наведеної сигналом, який проходить по одній парі провідників, на іншу, розташовану поблизу. Вимірюється в дБ. Чим вище значення NEXT, тим краще ізоляція перешкод між двома парами провідників. Зворотні втрати (втрати при відображенні). Коли імпеданс кабелю і навантаження не співпадає, сигнал, що поширюється по кабелю, частково буде відображатися в точці інтерфейсу кабель-навантаження. Потужність відбитого сигналу носить назву втрат при відображенні або зворотних втрат. Чим краще сумісність імпедансів, тим менше відбивана потужність і тим нижче зворотні втрати. Тимчасова затримка розповсюдження сигналу. Сигнал, що поширюється від вхідної точки до вихідний, приходить з тимчасовою затримкою, величина якої є відношенням довжини кабелю до швидкості поширення сигналу V в передавальної середовищі. У випадку ідеальної лінії передачі, що складається з двох провідників у вакуумі, швидкість поширення сигналу дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі с. На практиці швидкість поширення сигналу в кабелі залежить від властивостей діелектричних матеріалів, оточуючих провідники. Відношення сигнал-шум (SNR) - це співвідношення між рівнем прийнятого сигналу і рівнем прийнятого шуму, причому рівень сигналу повинен значно перевершувати рівень шуму для забезпечення прийнятних умов передачі. Ставлення загасання до перехідному загасанню (ACR). Співвідношення між сигналом і шумом може бути виражене у формі відносини загасання до перехідному загасанню (ACR). ACR - це різниця між ослабленим сигналом на виході і шкідливим наведеною сигналом ("шумом") NEXT.
1.3.3 Волоконно-оптичний кабель
Волоконно-оптичні комунікації мають ряд переваг в порівнянні з електронними системами, що використовують передавальні середовища на металевій основі. У волоконно-оптичних системах передані сигнали не спотворюються жодної з форм зовнішніх електронних, магнітних або радіочастотних перешкод. Таким чином, оптичні кабелі повністю несприйнятливі до перешкод, що викликається блискавками або джерелами високої напруги. Більше того, оптичне волокно на випускає випромінювання, що робить його ідеальним для відповідності вимогам сучасних стандартів до комп'ютерних програм. Внаслідок того, що оптичні сигнали не вимагають наявності системи заземлення, передавач і приймач електрично ізольовані один від одного і вільні від проблем, пов'язаних з виникненням паразитних струмових петель. За відсутності зсуву потенціалів у системі заземлення між двома терміналами, що виключає іскріння або електричні розряди, волоконна оптика стає все більш кращим вибором для реалізації багатьох програм, коли вимогою є безпечна робота в детонуючих або займистих середовищах. Цифрові обчислювальні системи, телефонія та відео-мовленнєві системи вимагають нових напрямів для поліпшення передавальних характеристик. Велика ширина спектра оптичного кабелю означає підвищення ємності каналу. Крім того, більш довгі відрізки кабелю вимагають меншої кількості репітерів, оскільки волоконно-оптичні кабелі мають надзвичайно низькими рівнями загасання. Це властивість ідеально підходить для широкомовних і телекомунікаційних систем. У порівнянні з звичайними коаксіальними кабелями з рівною пропускною здатністю, менший діаметр і вага волоконно-оптичних кабелів означає порівняно легший монтаж, особливо в заповнених трасах. 300 метрів одноволоконного кабелю важать близько 2,5 кг. 300 метрів аналогічного коаксіального кабелю важать 32 кг - приблизно в 13 разів більше. Електронні методи підслуховування засновані на електромагнітному моніторингу. Волоконно-оптичні системи несприйнятливі до подібній техніці. Для зняття даних до них потрібно підключитися фізично, що знижує рівень сигналу і підвищує рівень помилок - обидва явища легко і швидко виявляються.
1.3.4 Основні елементи оптичного волокна Ядро. Ядро - светопередающая частина волокна, що виготовляється або з скла, або з пластику. Чим більше діаметр ядра, тим більша кількість світла може бути передане по волокну. Демпфер. Призначення демпфера - забезпечення нижчого коефіцієнта заломлення на кордоні з ядром для переотраженія світла в ядро таким чином, щоб світлові хвилі поширювалися по волокну. Оболонка. Оболонки зазвичай бувають багатошаровими, виготовляються із пластику для забезпечення міцності волокна, поглинання ударів і забезпечення додаткового захисту волокна від впливу навколишнього середовища. Такі буферні оболонки мають товщину від 250 до 900 мкм. Розмір волокна у випадку визначається за зовнішніми діаметрам його ядра, демпфера і оболонки. Наприклад, 50/125/250 - характеристика волокна з діаметром ядра 50 мкм, діаметром демпфера 125 мкм і діаметром оболонки 250 мкм. Оболонка завжди видаляється при з'єднанні або терминировании волокон. Тип волокна ідентифікується за типом шляхів, або так званих "мод", прохідних світлом в ядрі волокна. Існує два основних типи волокна - багатомодове і одномодовое. Ядра багатомодових волокон можуть володіти ступінчастим або градієнтним показниками заломлення. Багатомодове волокно зі ступінчастим показником заломлення отримало свою назву від різкої, ступінчастою, різниці між показниками заломлення ядра і демпфера. У більш поширеному багатомодового волокна з градієнтним показником заломлення промені світла також поширюються у волокні по численних шляхах. На відміну від волокна із ступінчастим показником заломлення, ядро з градієнтним показником містить численні верстви скла, кожен з яких має більш низьким показником заломлення в порівнянні з попереднім шаром по мірі віддалення від осі волокна. Результатом формування такого градієнта показника заломлення є те, що промені світла прискорюються в зовнішніх шарах і їх час поширення у волокні порівнюється з часом поширення променів, що проходять за більш коротким шляхах ближче до осі волокна. Таким чином, волокно з градієнтним показником заломлення вирівнює час поширення різних мод так, що дані по волокну можуть бути передані на більш далекі відстані і на більш високих швидкостях до того моменту, коли імпульси світла почнуть перекриватися і ставати нерозрізненними на стороні приймача. Волокна з градієнтним показником представлені на ринку з діаметрами ядра 50, 62,5 і 100 мкм. Одномодове волокно, на відміну від многомодового, дозволяє поширюватися тільки одному променю або моді світла в ядрі. Це усуває будь-яке спотворення, що викликається перекриттям імпульсів. Діаметр ядра одномодового волокна надзвичайно малий - приблизно 5 -10 мкм. Одномодове волокно володіє більш високою пропускною здатністю, ніж будь-який з багатомодових типів. Наприклад, підводні морські телекомунікаційні кабелі можуть нести 60000 мовних каналів по одній парі одномодових волокон.
а) Градієнтне багатомодове волокно б) Східчасте багатомодове волокно
в) Східчасте одномодове волокно Рис.1.4. Типи оптичних волокон
Таблиця 1.1. Стандарти оптичних волокон і області їх застосування
Власні втрати оптичного волокна. Світло є електромагнітної хвилею. Швидкість світла зменшується при поширенні по прозорим матеріалами в порівнянні з швидкістю поширення світла у вакуумі. Хвилі інфрачервоного діапазону також поширюються різна по оптичного волокна. Тому затухання, або втрати оптичної потужності, повинні вимірюватися на специфічних довжинах хвиль для кожного типу волокна. Довжини хвиль вимірюються в нанометрів (нм). Втрати оптичної потужності на різних довжинах хвиль відбуваються в оптичному волокні внаслідок поглинання, відбиття і розсіювання. Ці втрати залежать від пройденого відстані і конкретного виду волокна, його розміру, робочої частоти і показника заломлення. Величина втрат оптичної потужності внаслідок поглинання і розсіяння світла на певній довжині хвилі виражається в децибелах оптичної потужності на кілометр (дБ / км). Волокна оптимізовані для роботи на певних довжинах хвиль. Наприклад, можна досягти втрат в 1 дБ / км для багатомодового волокна 50/125 мкм на довжині хвилі 1300 нм, і менш 3 дБ / км (50%-е втрати потужності) для того ж волокна на 850 нм. Ці два хвильових регіону, - 850 і 1300 нм, є областями найбільш часто обумовленими для робочих характеристик оптичних волокон і використовуються сучасними комерційними приймачами і передавачами. Крім того, одномодові волокна оптимізовані для роботи в регіоні 1550 нм. У коаксильного кабелі чим більше частота, тим більше зменшується амплітуда сигналу зі збільшенням відстані, і це явище називається загасанням. Частота для оптичного волокна постійна доти, поки вона не досягне межі діапазону робочих частот. Таким чином, оптичні втрати пропорційні тільки віддалі. Таке загасання у волокні викликано поглинанням і розсіюванням світлових хвиль на неоднорідностях, викликаних хімічними забрудненнями, і на молекулярній структурі матеріалу волокна. Ці мікрооб'єкти в волокні поглинають або розсіюють оптичне випромінювання, воно не потрапляє в ядро і втрачається. Загасання у волокні специфицируется виробником для певних довжин хвиль: наприклад, З дБ / км для довжини хвилі 850 нм. Це робиться тому, що втрати волокна змінюються зі зміною довжини хвилі. Втрати на микроизгибах. Без спеціального захисту оптичне волокно схильне втрат оптичної потужності внаслідок микроизгибов. Мікровигини - це мікроскопічні спотворення волокна, що викликаються зовнішніми силами, які призводять до втрати оптичної потужності з ядра. Для запобігання виникнення микроизгибов застосовуються різні типи захисту волокна. Волокна із ступінчастим показником щодо стійкіші до втрат на микроизгибах, ніж волокна з градієнтним показником. Смуга пропускання (ширина спектру) - це міра здатності волокна передавати певні обсяги інформації в одиницю часу. Чим ширше смуга, тим вище інформаційна ємність волокна. Смуга виражається в МГц-км. Наприклад, по волокну з смугою 200 МГц-км можна передавати дані з частотою 200 МГц на відстані до 1 км або з частотою 100 МГц на відстані до 2 км. Завдяки порівняно великий смузі пропускання, волокна можуть передавати значні обсяги інформації. Одне волокно з градієнтним показником заломлення може з легкістю передавати 500 мільйонів біт інформації в секунду. Тим не менше, для всіх типів волокон існують обмеження ширини смуги, що залежать від властивостей волокна і типу використовуваного джерела оптичної потужності. Для точного відтворення переданих по волокну даних світлові імпульси повинні поширюватися роздільно один від одного, маючи чітко помітну форму і межімпульсних проміжки. Однак промені, що несуть кожен з імпульсів, проходять різними шляхами всередині многомодового волокна. Для волокон із ступінчастим показником заломлення промені, проходячи зигзагоподібно по волокну під різними кутами, досягають приймача в різний час. Ця відмінність у часі прибуття імпульсів в точку прийому призводить до того, що імпульси на виході лінії спотворюються і накладаються один на одного. Це так зване модальне розсіювання, або модальна дисперсія, або уширение світлового імпульсу обмежує можливу для передачі частоту, так як детектор не може визначити, де закінчується один імпульс і починається наступний. Різниця в часах проходження найшвидшою і повільною мод світла, що входять у волокно в один і той же час і проходять 1 км, може бути всього лише 1 -3 нс, однак така модальна дисперсія тягне за собою обмеження по швидкості в системах, що працюють на великих відстанях. Удваивание відстані подвоює ефект дисперсії. Модальна дисперсія часто виражається в наносекундах на кілометр, наприклад, 30 нс / км. Також вона може бути виражена і в частотній формі, наприклад 200 МГц-км. Це означає, що волокно або система будуть ефективно працювати в межах частот до 200 МГц, перш ніж розсіювання почне позначатися на пропускній спроможності на відстанях більше одного кілометра. Ця ж система зможе передавати сигнал з частотою 100 МГц на відстань у два кілометри. Дисперсія робить багатомодове волокно зі ступінчастим показником заломлення найменш ефективним по ширині смуги серед усіх трьох типів волокна. Тому воно використовується на більш коротких ділянках і низьких частотах передачі. Типовим значенням ширини смуги ступеневої волокна є 20 МГц-км. Розміри ядра одномодового волокна малі - від 8 до 10 мкм, що дозволяє проходити по волокну тільки одному променю світла. Так як модальна дисперсія в даному випадку повністю відсутня, смуга пропускання у такого волокна набагато більше, ніж у багатомодового, що дозволяє досягати робочих частот понад декілька сотень гігагерц на кілометр (ГГц-км). Оптичні волокна мають ще одним різновидом дисперсії, що виникає внаслідок того, що різні довжини хвиль поширюються в середовищі з різною швидкістю. Таку "спектральну дисперсію" можна спостерігати, коли білий світ розпадається на сім кольорів веселки, проходячи через скляну призму. Хвилі, що представляють різні кольори, рухаються в середовищі з різною швидкістю, що призводить до різниці в траєкторіях поширення променів. Якби оптичний джерело волоконної системи випромінював світло однієї частоти, спектральна дисперсія або матеріальна дисперсія (або хроматична дисперсія, як її ще часто називають) була б усунена. У дійсності, абсолютно монохроматичних джерел світла не існує. Лазери мають певним, хоча і дуже невеликим, уширением спектру випромінюваного світла. У джерел світла на основі LED (напівпровідникові світлодіоди) спектральний діапазон в 20 разів ширше ніж у лазера, і спектральна дисперсія, у свою, чергу набагато вище. Дисперсія в скляному волокні мінімальна у регіоні близько 1300 нм, дозволяючи одномодовим волокнам мати значну смугу на даній довжині хвилі. Одномодове волокно зазвичай використовується з лазерними джерелами завдяки своїй високій спектральної чистоті. Для забезпечення ефективного функціонування таких систем потрібні прецизійні конектори і муфти. Завдяки своїм низьким втратам і високим пропускним характеристикам, одномодові волокна, як правило, є найкращим і, як правило, єдиним вибором для монтажу протяжних високошвидкісних ліній, таких як міжміські телекомунікаційні системи. Між одномодовим волокном і волокном зі ступінчастим показником заломлення розташовуються волокна з градієнтним показником заломлення. Для зменшення ефекту модальної дисперсії промені в таких волокнах поступово перенаправляються назад до осі ядра. Волокна з градієнтним показником заломлення мають набагато більшу смугу, ніж волокна із ступінчастим показником заломлення. По волокну з градієнтним показником заломлення з смугою 600 МГц-км можна передавати сигнал з модуляцією 20 МГц на відстань до 30 км. Вартість такого скляного волокна є однією з найнижчих. Малі втрати потужності переданого сигналу плюс велика смуга дозволяють використовувати його для монтажу локальних мереж.
|
