Передача видеосигнала по волоконно-оптической сети: очень важные нюансы.

Передача видеосигнала по волоконно-оптической сети: очень важные нюансы.

Преимущества применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) очевидны. Разумеется, сигнал с камер видеонаблюдения, особенно мегапиксельных с IP-выходом в рамках комплексных охранных систем как наиболее объемный, целесообразно передавать по ВОЛС. Однако при реальном проектировании и построении ВОЛС существует немало тонкостей. Проектировщикам систем видеонаблюдения известно, что в связи с потерями во время прохождения сигнала по сети разрешающая способность системы будет ухудшаться от блока к блоку. Поэтому нужно выбирать камеры с разрешением выше или таким же, как и у видеорегистратора (ни в коем случае не ниже!). Монитор, наоборот, рекомендуется выбирать с разрешением не выше, чем у видеорегистратора.
Потери в передающем тракте снижает и контраст видеоизображения, особенно важный при работе при низкой освещенности (контраст – количество градаций яркости (полутонов), которыми будет прорисован объект).
При этом если речь идет об удаленном наблюдателе, расположенном в нескольких километрах или десятках километрах от видеокамер и пункта наблюдения с установленным видеорегистраторм или сервером, то влияние передающего тракта на сигнал может быть значительным. Обсуждению ряда актуальных и ранее малообсуждаемых вопросов построения передающих оптических сетей посвящена эта статья.

Общее описание ВОЛС
В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света как основного источника информации. Свет гораздо проще передать на дальние расстояния с меньшими потерями, чем электрический ток. Кроме того, он значительно меньше подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. Оптические линии сами не являются источниками электрических шумов.
По оптоволокну происходит передача электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, соответствующего частотам 1014-1015 Гц, что обеспечивает очень высокую пропускную способность и быстродействие.
Высокая помехозащищенность ВОЛС обусловлена тем, что в природе и промышленности фактически отсутствуют источники электрического и магнитного поля напряженности, которые способны изменить условия распространения светового импульса в оптоволокне. Помимо этого чаще всего оптические кабели не содержат металлических элементов, поэтому проблем, связанных с разностью потенциалов этажей и зданий, с блуждающими токами в почве и т. п., не возникает. Волоконно-оптические системы имеют почти полную электрическую изоляцию, не страшатся повышенной влажности, не требуют оборудования, защищающего их от утечек, пробоев и короткого замыкания. Полупроводниковые приемники и передатчики света обладают достаточно высокой стабильностью.
Известно, что с наименьшими потерями свет распространяется по воздуху и в стекле. Например, современные волокна имеют затухание, равное 0,2 дБ/км, что дает на длине 100 м затухание 0,02дБ. На этой же длине современный высококачественный электрический симметричный кабель имеет затухание около 20 дБ, т. е. в 1000 раз большее.
Изначально ВОЛС применялись в военно-промышленном комплексе. Всем современным успехам ВОЛС обязаны активному развитию вооружений в середине и в конце прошлого века. Невосприимчивость ВОЛС к электромагнитным наводкам и высокая скорость передачи информации обусловили их применение в системах связи между контрольно-измерительными и командными комплексами, в состав которых входили ЭВМ. По зарубежным данным 80-х гг., около 5000 отдельных ВОЛС общей длиной 150 км между компьютерами использовались в составе командного комплекса ракетной системы МХ, обеспечивая передачу информации со скоростью 3,2 Мбит/с [1].
Разумеется по ВОЛС невозможно передать напряжение питания для устройств, работающих по технологии PoE, для ВОЛС применяется сложное и дорогое активное оптоэлектронное оборудование, технология производства оптических кабелей и трансиверов сложнее и дороже, работа с ВОЛС обуславливает повышенные требования к квалификации и культуре производственного персонала. При работе с ВОЛС необходимо принимать во внимание старение оптоволокна под действием влаги и жесткого гамма-излучения.
Структурная схема волоконо-оптической линии связи приведена на рис. 1.

Оптический передатчик (optical transmitter) и оптический приемник (optical reciever) выделены пунктирной линией. В точке 1 световой сигнал возникает, в точке 2 световой сигнал исчезает.
При этом передатчик и приемник объединяют конструктивно в одно устройство – приемопередатчик или трансивер (transciever), – имееющее два оптических адаптера для присоединения двух оптоволокон. Именно поэтому сетевая карточка компьютера имеет на выходе адаптер для двух оптоволокон: по одному свет входит в карточку, по другому выходит из нее.
На схеме обозначены:
ИИ – источник информации
ПК – преобразователь кода
И – излучатель света
СУ – согласующее устройство (оптическое)
К – коннектор оптический
ВОК – волоконно-оптический кабель
ОМ – оптическая муфта кабеля
ФД – фотодиод
РС – регенератор сигала
ПИ – приемник информации
Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь, интерпретирует свет как информацию.
Электрический сигнал поступает на вход оптического передатчика и модулирует интенсивность выходного сигнала излучателя.
Оптический сигнал распространяется по волоконному световоду и поступает на вход оптического приемника, который осуществляет его демодуляцию и восстанавливает исходный электрический сигнал.
Для обеспечения нормальной эксплуатации оптический передатчик и приемник снабжаются розетками оптических разъемов.
Расстояния между трансиверами на оптической линии находятся в обратно пропорциональной зависимости от скорости передачи информации (рис. 2).

На рисунке приведена зависимость расстояния, на которое передается информция от скорости ее передачи при использовании кабеля с потерями 2,7 дБ/км и светоизлучающего диода с длиной волны излучения 0,84 мкм и спектральной шириной линии 0,03 мкм:
1 – световод со ступенчатым профилем
2 – световод с градиентным профилем
Уменьшение затухания в кабеле и усовершенствование системы ввода приводит к увеличению длины передачи. Необходимо правильное соединение фотоприемника со световодом, сводящее до минимума потери на отражение, например с использованием «просветляющего» слоя между торцом светодиода и окном фотоприемника.
Оптоэлектронные приборы для ВОЛС
Построение ВОЛС в современном виде стало возможно благодаря колоссальному прорыву в развитии полупроводниковой оптоэлектроники начиная с 60-х гг. прошлого века.
Если говорить об источниках светового излучения, то необходимо отметить создание полупроводниковых лазеров поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором. Это длинноволновые VCSEL-лазеры (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), являющиеся прекрасной альтернативой более дорогостоящим традиционным торцевым (edge-emitting) лазерам Фабри-Перо и лазерам с распределенной обратной связью (Distributed Feed Back – DFB).
Лазеры DFB и Фабри-Перо часто требуют специальных оптических элементов (coupling) для ввода в волокно формируемого ими луча с эллиптическим профилем и широкой диаграммой направленности (wide divergence), что усложняет сборку оптических систем и увеличивает их стоимость.
Полупроводниковые лазеры VCSEL формируют луч с узкой диаграммой направленности (low divergence) и симметричным профилем.
Лазер VCSEL имеет резонатор, расположенный перпендикулярно плоскости подложки, это облегчает тестирование лазеров в процессе производства, а в результате снижается стоимость их сборки. В настоящее время его себестоимость составляет около .
В 80-е гг. Томский НИИПП разработал серию светодиодов для диапазона 0, 85 мкм и 1,3 мкм в корпусах, представляющих розетку унифицированного оптического разъема. Эти диоды характеризуются быстродействием 8–15 нс, прямые токи – до 50 мА, высокую линейность ватт-амперной характеристики, диаметр излучающей площадки – 200 мкм, вводимую в оптическое волокно мощность – 0,02–0,5 Вт.
Физико-технический институт им. Иоффе разработал одномодовые и многомодовые лазеры с длиной волны 1,3 мкм с высокой мощностью при небольших токах накачки с малой шириной огибающей спектра. Для одномодовых лазеров вводимая в оптоволокно мощность составляла 0,5–10 мВт при токах накачки 30–250 мА и ширине огибающей спектра 10–15 нм. Многомодовые лазеры с длиной волны излучения 1,3 мкм обеспечивали вводимую мощность излучения до 50 мВт при токах накачки до 600 мА.
Для применения в рефлектометрах разработаны быстродействующие пикосекундные лазеры с длиной волны 0,8 мкм и 1,3 мкм, обеспечивающие длительность импульса излучения 6–30 пс при мощности излучения до 500 мВт. Созданный в ФИАН одномодовый лазер с длиной волны 1,3 мкм обеспечивал мощность излучения, вводимую в оптический модуль оптоволокна 1,5 мВт при рабочем токе 80 мА. Модуль имел плоскую конструкцию, малые размеры, обеспечивал вывод излучения через отрезок одномодового оптоволокна [2].
Наиболее часто применяемым полупроводниковым материалом для источников света для ВОЛС является твердый раствор Ga 1-x Al x As, перекрывающий диапазон излучения 0,63–0,94 мкм. Полупроводниковые светоизлучающие диоды на основ Ga 1-x Al x As обладают, как правило, небольшой мощностью излучения, позволяющей вводить в волокно оптическую мощность до 1мВт и в зависимости от состава имеют ширину линии излучения 2540 нм и срок службы 105–106 часов. Полупроводниковые лазеры с двойной гетероструктурой на основе арсенида галлия генерируют излучение в диапазоне длин волн 0,83–0,94 мкм. Смещение полосы необходимо, чтобы длина волны излучения лазера не совпадала с полосой поглощения гидроксильной группы OH световода [3].
Серьезным недостатком полупроводниковых лазеров (и не только отечественных) является малая наработка на отказ (долговечность) и деградация характеристик – снижение мощности в процессе эксплуатации.
Если говорить о приемниках оптического излучения – фотодиодах, то технология их производства была также отточена в рамках ВПК. Головным институтом по разработке фотоприемников являлся НИИ прикладной физики (НИИПФ). Эпитаксиальные структуры для фотоприемников по заказу НИИПФ выращивали в «Гиредмете» Минцветмета [2].
Обычно в волоконно-оптических линиях связи в качестве фотоприемников используются лавинные и p-i-n фотодиоды. Фотоприемники для ВОЛС должны быть широкополосными, иметь высокое значение произведения ширины полосы на коэффициент лавинного умножения, иметь низкий уровень избыточного шума (для ЛД), быть быстродействующими, иметь малую емкость, малый темновой ток, быть стабильными к внешним воздействиям, иметь максимальную чувствительность на длине волны излучателя и большой срок службы, а также обеспечивать возможность согласования с последующим каскадом усилителя.
Выполнение этих противоречивых требований позволило создать серию фотодиодов в корпусах, удобных для соединения с ВОЛС со следующими параметрами:
кремниевые p-i-n фотодиоды – токовая чувствительность 0,4–0,5 А/Вт, длины волн – 0,85 мкм, быстродействие – 1–10 нс, темновой ток – 2–10 нА при рабочем напряжении 5В (24 В);
p-i-n фотодиоды на основе гетероструктур InGaAsP/InP с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, токовой чувствительностью 0,6–0,9 А/Вт, быстродействием 0,07–0,3 нс, темновым током 0,1–5 нА при рабочем напряжении 5–10 В;
германиевые лавинные фотодиоды с рабочими длинами волн 1,3 мкм и 1,55 мкм с токовой чувствительностью 6014 А/Вт, плотностью шумового тока (5–10) 10-12 А/Гц -1/2 , быстродействием 0,1–0.6 нс, емкостью 0,6-2 пФ при рабочем напряжении 30–100 В;
фотоприемные устройства с p-i-n FET с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, полосой пропускания 170–700МГц, чувствительностью от -36 до 43 дБм.
Итак, к началу 90-х гг. у нас в стране была создана необходимая оптоэлектронная элементная база для создания ВОЛС. Разработки были внедрены в серийное производство и нашли применение при производстве отечественной аппаратуры для ВОЛС, локальных сетей, кабельного телевидения и других линий связи [2].

Волоконные световоды
Световоды должны обеспечивать малое затухание, не искажать форму, спектральный состав и распределение мод проходящего светового сигнала, их параметры не должны зависеть от температуры, влажности, механических напряжений и химической коррозии, а потери на излучение не должны зависеть от радиуса изгиба световода и должны быть минимальными. Световоды изготавливают из силикатных стекол с присадками TiO2 , Al2 O3 , GeO2 , P2 O5 с покрытием их поверхности полимерной пленкой (иногда применяют пластиковые световоды) для защиты от механических повреждений, химических воздействий и влаги.
Числовая аппретура и максимальный угол ввода излучения связаны между собой зависимостью NA = sin  Числовая аппретура световода определяется профилем показателя преломления, типом и концентрацией легирующих добавок и для волокон со ступенчатым от периферии к оси изменением показателем преломления равна:
NA = (nc2 – no2) 1/2
Увеличение разности nc – no улучшает условия ввода излучения в световод, но одновременно увеличивает дисперсию, что ведет к уширению импульса.
Дисперсия проявляется в размывании во времени оптического сигнала. Дисперсия является основным фактором, ограничивающим ширину полосы пропускания световода. Дисперсия бывает межмодовая, возникающая из-за наложения фронтов двух соседних импульсов друг на друга, и хроматическая, возникающая из-за того, что более короткие волны распространяются в волноводе быстрее, и из-за неравномерности плотности сердечника, а также из-за спектральных свойств источника излучения.
Межмодовая дисперсия наиболее значительна в многомодовых световодах, хроматическая дисперсия выходит на первый план в одномодовых световодах. При этом межмодовая и хроматическая дисперсия, оцениваемые коэффициентом широкополосности, обуславливают разные размерности этих коэффициентов для многомодовых и одномодовых световодов.
Для многомодовых световодов полоса пропускания измеряется в МГц*км. Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничения на дальность передачи и верхнюю частоту передаваемых сигналов. При этом физический смысл полосы пропускания – максимальная частота модуляции передаваемого сигнала при длине линии 1 км. То есть если в графе коэффициент широкополосности указано для конкретного типа многомодового кабеля > 200, то это означает, что частота не более 200 МГц полноценно передается на расстояние 1 км. Если дисперсия линейно растет с ростом расстояния, то полоса пропускания обратно пропорционально зависит от расстояния.
Для одномодовых световодов параметр дисперсии учитывает ее зависимость от спектральных свойств источника излучения, поэтому его размерность указывается в пс/нм х км (дифференциальная задержка (пс), на центральную длину волны источника (нм) и на длину измеряемого участка (км). Так как волноводная дисперсия зависит от профиля показателя преломления, то, варьируя этим параметром, для одномодовых световодов можно на заранее заданной длине волны или же в определенной спектральной полосе получить нулевую или близкую к нулевой дисперсию.
Затухание в световодах зависит от наличия примесей (особенно металлов переходной группы и ионов OH — ), неоднородности границы между сердцевиной и оболочкой, флуктуации состава и плотности.
Согласно международному стандарту ISO/IEC 11801:2008 (E) оптический канал для передачи разделен на несколько классов:
класс OF-300: от 300 метров
класс OF-500: от 500 метров
класс OF-2000: от 2 км
Числовое значение, указанное в названии класса, определяет минимальную длину канала в метрах, на которую канал этого класса гарантированно поддерживает соответствующее приложение, если канал создан в соответствии с требованиями указанного стандарта.
Класс OF-500 обеспечивает работу приложения Gigabit Ethernet 1000Base-LX по многомодовому волокну OМ1, OМ2 и OМ3 до 500 метров при затухании 2,35 дБ на длине волны 1300 нм.
Высший класс OF-2000 обеспечивает работу приложений, в том числе протокола Gigabit Ethernet 1000Base-LX по одномодовому волокну OS1 до 2000 метров при затухании 4,56 дБ на длине волны 1310 нм .
Пример расчета для приложения OF-500, реализованного на многомодовом волокне с излучателем, работающим на длине волны 850 нм:
1,5 дБ (3 сочленения для подключения оборудования) + 500 м х 3,5 дБ/1000 м = 3,25 дБ
Правильно спроектированная структурированная кабельная система способна обеспечить гарантированную работу любого активного оборудования, в том числе коммутаторов.
Стандарт ISO/IEC 11801:2008 (E) опирается на средние характеристики изделий, выпускаемых современной отраслевой промышленностью.
Однако при практической реализации структурированных кабельных систем часто оказывается, что качество кабелей высокое и длины линий и каналов не достигают предельных. Что в отличии от симметричных кабелей приводит к парадоксальному результату – коммутаторы, передающие видеосигнал, нормально не работают (затухание пренебрежимо мало). Отсутствие затухания может приводить к засветке фотоприемника, а при худшем стечении обстоятельств и к полному его отказу. В таком случае в канал необходимо включить пассивный аттенюатор с необходимым коэффициентом ослабления. Реальные значения потерь не известны до окончания монтажа оптического тракта, так как они определяются качеством его инсталляции.
Длины волн излучения, на которых происходит передача сигнала в ВОЛС

На рис. 3 приведена спектральная зависимость коэффициента затухания реальных световодов с учетом всех потерь. Видно, что работа по волоконно-оптическим кабелям эффективна не на всех длинах волн, а только на определенных участках спектра, где достигаются минимальные потери.
Области минимальных потерь получили названия окон прозрачности. Для кварцевых световодов практический интерес представляют три окна прозрачности. Чаще всего это три длины – 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Затухание для промышленных оптоволокон составляют: от 2 до 3 дБ/км (850 нм); от 0,4 до 1 дБ/км (1300 нм); от 0,2 до 0,3 дБ/км (1500 нм). Характеристики полупроводниковых излучателей и фотоприемников оптимизированы для работы в этих окнах.

Основные типы современных световодов
Одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF (Disperrsion – Shifted Fiber) характеризуется длиной волны, на которой дисперсия обращается в 0, равной 1550 нм.
Эта длина волны (  = 1550 нм) называется длиной волны нулевой дисперсии. Этот эффект достигается за счёт специально подобранного коэффициента преломления по диаметру жилы, так как дисперсия зависит от профиля показателя преломления.
Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. В результате в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Рабочая длина волны берется близкой к 1550 нм. К потребности в DSF привела разработка лазеров с длиной волны излучения 1550 нм. Однако с появлением широкополосных усилителей и волнового мультиплексирования хроматическая дисперсия этих волокон стала вносить нежелательные эффекты в целостность многоволновых импульсов.
Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber), в отличие от DSF, оптимизировано для передачи не одной, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей полностью оптических сетей – сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала. В волокне NZDSF поддерживается ограниченный коэффициент хроматической дисперсии в оптическом диапазоне 1530–1625 нм.

Классификация волоконно-оптических сетей
Ввиду того что волоконно-оптические системы – достаточно молодая отрасль техники, а широчайшее распространение они получили в последние несколько лет, существует несколько стандартов, описывающих их. Скажем несколько слов о некоторых особенностях существующей стандартизации.
Международный стандарт ISO/IEC 11801:2008 (E) рассматривает ВОЛС как структурированную кабельную систему и предполагает, что в ней применяются кабели, соединительное оборудование и шнуры, которые удовлетворяют этому стандарту. Выполнение рекомендаций этого стандарта гарантирует, что этому стандарту будет соответствовать и сама ВОЛС, передавая приложения с определенными характеристиками.
Локальные сети, применяемые для передачи видеосигналов, в частности по ВОЛС, описываются технологией Ethernet. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Стандарт IEEE 802.3ае определен для такой прогрессивной оптической среды будущего, как поддержание скорости передачи данных 10 Гбит/сек для оптических волокон различных типов. Этот новый стандарт предлагает простой способ модернизации для магистралей стандарта Gigabit Ethernet и обеспечивает соединение LAN сmAN и WAN. Окончательно стандарт IEEE 802.3ae был принят 27 июня 2002 г. Таким образом, технология и стандарт 10 Gigabit Ethernet получили безоговорочное одобрение экспертов и широкое промышленное признание, в частности, для систем видеонаблюдения, для интенсивного обмена с устройствами памяти, особенно с учетом совершенствования оборудования и снижения его стоимости для 10G Ethernet. Кроме того, использование оборудования 10G Ethernet с пониженным энергопотреблением может значительно сократить затраты на электроэнергию [4].
Раздел ITU-T Международного союза электросвязи (International Telecommunications Union) посвящен рекомендациям в области волоконно-оптической связи, в нем регламентированы параметры оптических волокон, в том числе самых современных.
Таким образом, наиболее приспособленные для передачи видеосигналов волоконно-оптические сети имеют много особенностей. Следовательно, выбор передающей аппаратуры, например активных коммутаторов, для передачи видеосигнала необходимо производить либо с учетом имеющейся СКС на объекте, либо с учетом территориальной протяженности объекта и правил проектирования структурированной кабельной системы на ВОЛС.

ЛИТЕРАТУРА 1. Aviation Week and Space Technology, 1980, № 19 Волоконно-оптическая техника:современное состояние и перспективы. Под редакцией Дмитриева С. А., Слепова Н. Н. М.: «Волоконно-оптическая техника», 2005. 576 с. Радиационная стойкость в оптоэлектронике. Под ред. Средина В. Г.. Воениздат, 1987, 166 с. Сети и системы связи, №8 (170). 27.08.2008, стр. 34.