Transmisión de señal de vídeo a través de una red de fibra óptica : matices muy importantes.
Las ventajas de utilizar líneas de comunicación de fibra óptica (FOCL) son obvias. Por supuesto, es recomendable transmitir la señal de las cámaras CCTV, especialmente las de megapíxeles con salida IP dentro de sistemas de seguridad complejos como las más voluminosas, a través de líneas de fibra óptica. Sin embargo, en el diseño y construcción reales de líneas de fibra óptica, existen muchas sutilezas. Los diseñadores de sistemas de videovigilancia saben que debido a las pérdidas durante la transmisión de la señal a través de la red, la resolución del sistema se deteriorará de un bloque a otro. Por lo tanto, es necesario elegir cámaras con una resolución superior o igual a la del DVR (¡en ningún caso inferior!). Por el contrario, se recomienda elegir un monitor con una resolución no superior a la del DVR.
Las pérdidas en la ruta de transmisión también se reducen gracias al contraste de la imagen de vídeo, que es especialmente importante cuando se trabaja con poca luz (el contraste es el número de gradaciones de brillo (medios tonos) con las que se dibujará el objeto).
Además, si hablamos de un observador remoto ubicado a varios kilómetros o decenas de kilómetros de las cámaras de video y un punto de observación con una grabadora o servidor de video instalado, entonces la influencia de la ruta de transmisión en la señal puede ser significativa. Este artículo está dedicado a la discusión de una serie de cuestiones relevantes y poco discutidas anteriormente sobre la construcción de redes de transmisión óptica.
Descripción general de las líneas de comunicación de fibra óptica
Las tecnologías de fibra óptica se basan en el principio de utilizar la luz como principal fuente de información. La luz es mucho más fácil de transmitir a largas distancias con menos pérdidas que la corriente eléctrica. Además, es mucho menos susceptible a los efectos de los campos electromagnéticos y es capaz de transmitir muchos más datos. Las líneas ópticas en sí mismas no son fuentes de ruido eléctrico.
La fibra óptica transmite radiación electromagnética en el rango de longitud de onda óptica correspondiente a frecuencias de 1014-1015 Hz, lo que proporciona un rendimiento y un rendimiento muy altos.
La alta inmunidad al ruido de las líneas de fibra óptica se debe al hecho de que en la naturaleza y la industria prácticamente no existen fuentes de intensidad de campo eléctrico y magnético que puedan cambiar las condiciones de propagación de un pulso de luz en una fibra óptica. Además, la mayoría de las veces los cables ópticos no contienen elementos metálicos, por lo que no surgen problemas asociados con diferencias de potencial entre pisos y edificios, corrientes parásitas en el suelo, etc. Los sistemas de fibra óptica tienen un aislamiento eléctrico casi completo, no se ven afectados por la alta humedad y no requieren equipos que los protejan de fugas, averías y cortocircuitos. Los receptores y transmisores de luz semiconductores tienen una estabilidad bastante alta.
Se sabe que la luz viaja a través del aire y del vidrio con pérdidas mínimas. Por ejemplo, las fibras modernas tienen una atenuación de 0,2 dB/km, lo que da una atenuación de 0,02 dB en una longitud de 100 m. A la misma longitud, un cable eléctrico simétrico moderno de alta calidad tiene una atenuación de aproximadamente 20 dB, es decir, 1000 veces mayor.
Inicialmente, las líneas de comunicación de fibra óptica se utilizaban en el complejo militar-industrial. Todos los éxitos modernos de las líneas de comunicación de fibra óptica se deben al desarrollo activo de armas a mediados y finales del siglo pasado. La inmunidad de las líneas de fibra óptica a las interferencias electromagnéticas y la alta velocidad de transferencia de información determinaron su uso en sistemas de comunicación entre complejos de control, medición y comando, que incluían computadoras. Según datos extranjeros de los años 1980, como parte del complejo de mando del sistema de misiles MX se utilizaban unas 5.000 líneas individuales de fibra óptica con una longitud total de 150 km entre ordenadores, que permitían la transmisión de información a una velocidad de 3,2 Mbit/s [ 1].
Por supuesto, es imposible transmitir la tensión de alimentación de los dispositivos que utilizan tecnología PoE a través de líneas de fibra óptica; para las líneas de fibra óptica se utilizan equipos optoelectrónicos activos complejos y costosos; la tecnología de producción de cables ópticos y transceptores es más compleja y costosa; ; trabajar con líneas de fibra óptica impone mayores exigencias a la cualificación y la cultura del personal de producción. Cuando se trabaja con enlaces de fibra óptica, es necesario tener en cuenta el envejecimiento de la fibra óptica bajo la influencia de la humedad y la intensa radiación gamma.
El diagrama de bloques de una línea de comunicación de fibra óptica se muestra en la Fig. 1.
El transmisor óptico y el receptor óptico están resaltados con una línea de puntos. En el punto 1 aparece la señal luminosa, en el punto 2 la señal luminosa desaparece.
En este caso, el transmisor y el receptor se combinan estructuralmente en un dispositivo, un transceptor o transceptor, que tiene dos adaptadores ópticos para conectar dos fibras ópticas. Es por eso que la tarjeta de red de la computadora tiene un adaptador en la salida para dos fibras ópticas: la luz entra a la tarjeta por un lado y sale por el otro.
El diagrama muestra:
AI — fuente de información
PC — convertidor de código
I — emisor de luz
SU — dispositivo de adaptación (óptico)
K — conector óptico
FOC — cable de fibra óptica
OM — acoplamiento de cable óptico
FD — fotodiodo
RS — regenerador de señal
PI — receptor de información
El emisor convierte la información en una onda de luz y el destinatario, al recibirla, interpreta a su vez la luz como información.
La señal eléctrica ingresa por la entrada del transmisor óptico y modula la intensidad de la señal de salida del emisor.
La señal óptica se propaga a lo largo de la fibra óptica y entra en la entrada del receptor óptico, que la demodula y restablece la señal eléctrica original.
Para garantizar un funcionamiento normal, el transmisor y el receptor ópticos están equipados con conectores ópticos.
Las distancias entre transceptores en una línea óptica son inversamente proporcionales a la velocidad de transmisión de información (Fig. 2).
La figura muestra la dependencia de la distancia a la que se transmite la información de su velocidad de transmisión cuando se utiliza un cable con una pérdida de 2,7 dB/km y un diodo emisor de luz con una longitud de onda de radiación de 0,84 μm y un ancho de línea espectral de 0,03 μm. :
1 – guía de luz con perfil escalonado
2 – guía de luz con perfil degradado
Reducir la atenuación en el cable y mejorar el sistema de entrada conduce a un aumento de la longitud de transmisión. Es necesario conectar correctamente el fotodetector a la guía de luz, minimizando las pérdidas por reflexión, por ejemplo, utilizando una capa “antirreflectante” entre el extremo del LED y la ventana del fotodetector.
Dispositivos optoelectrónicos para líneas de fibra óptica
La construcción de líneas de fibra óptica en su forma moderna fue posible gracias a un avance colosal en el desarrollo de la optoelectrónica de semiconductores a partir de los años 60. el siglo pasado.
Si hablamos de fuentes de radiación luminosa, cabe destacar la creación de láseres semiconductores emisores de superficie con un resonador de cavidad vertical. Se trata de láseres VCSEL (láser de emisión de superficie de cavidad vertical) de longitud de onda larga, que son una excelente alternativa a los láseres Fabry-Perot de emisión de bordes tradicionales más caros y a los láseres de retroalimentación distribuida (DFB).
Los láseres DFB y Fabry-Perot requieren a menudo elementos ópticos especiales (acoplamiento) para introducir en la fibra el haz que forman con perfil elíptico y amplia divergencia, lo que complica el montaje de los sistemas ópticos y aumenta su coste.
Los láseres semiconductores VCSEL producen un haz con un patrón de directividad estrecho (baja divergencia) y un perfil simétrico.
El láser VCSEL tiene un resonador ubicado perpendicular al plano del sustrato, esto facilita la prueba de los láseres durante la producción y, como resultado, se reduce el costo de su ensamblaje. Actualmente su costo es de aprox.
En los años 80 Tomsk NIIPP ha desarrollado una serie de LED para el rango de 0,85 micrones y 1,3 micrones en paquetes que representan un zócalo de un conector óptico unificado. Estos diodos se caracterizan por una velocidad de 8 a 15 ns, corrientes directas de hasta 50 mA, alta linealidad de la característica de vatios-amperios, el diámetro del área de emisión es de 200 μm y la potencia introducida en la fibra óptica es de 0,02 –0,5W.
Instituto Físico-Técnico que lleva el nombre. Ioffe desarrolló láseres monomodo y multimodo con una longitud de onda de 1,3 μm con alta potencia a bajas corrientes de bombeo y un ancho de envolvente espectral pequeño. Para los láseres monomodo, la potencia introducida en la fibra óptica fue de 0,5 a 10 mW con corrientes de bombeo de 30 a 250 mA y un ancho de envolvente espectral de 10 a 15 nm. Los láseres multimodo con una longitud de onda de radiación de 1,3 μm proporcionaron una potencia de entrada de hasta 50 mW con corrientes de bombeo de hasta 600 mA.
Para su uso en reflectómetros, se han desarrollado láseres de picosegundos de alta velocidad con longitudes de onda de 0,8 μm y 1,3 μm, que proporcionan una duración del pulso de radiación de 6 a 30 ps con una potencia de radiación de hasta 500 mW. Un láser monomodo con una longitud de onda de 1,3 μm creado en el Instituto de Física Lebedev proporcionó una entrada de potencia de radiación al módulo de fibra óptica de 1,5 mW con una corriente operativa de 80 mA. El módulo tenía un diseño plano, pequeñas dimensiones y proporcionaba salida de radiación a través de una sección de fibra óptica monomodo [2].
El material semiconductor más utilizado para fuentes de luz para enlaces de fibra óptica es la solución sólida Ga 1-x Al x As, que cubre el rango de emisión de 0,63 a 0,94 μm. Los diodos emisores de luz semiconductores basados en Ga 1-x Al x As suelen tener una potencia de radiación baja, lo que permite introducir en la fibra una potencia óptica de hasta 1 mW y, dependiendo de la composición, tienen un ancho de línea de emisión. de 2540 nm y una vida útil de 105 a 106 horas. Los láseres semiconductores con una doble heteroestructura basada en arseniuro de galio generan radiación en el rango de longitud de onda de 0,83 a 0,94 µm. El desplazamiento de banda es necesario para que la longitud de onda de la radiación láser no coincida con la banda de absorción del grupo hidroxilo OH de la guía de luz [3].
Una grave desventaja de los láseres semiconductores (y no solo de los domésticos) es su bajo tiempo entre fallas (durabilidad) y degradación de las características: una disminución de la potencia durante el funcionamiento.
Si hablamos de receptores de radiación óptica, fotodiodos, la tecnología para su producción también se perfeccionó en el marco del complejo militar-industrial. El instituto líder en el desarrollo de fotodetectores fue el Instituto de Investigación de Física Aplicada (NIIPF). En el «Giredmet» del Ministerio de Tsvetmet [2] se cultivaron estructuras epitaxiales para fotodetectores encargadas por el NIIPF.
Normalmente, los fotodiodos de avalancha y p-i-n se utilizan como fotodetectores en líneas de comunicación de fibra óptica. Los fotodetectores para líneas de fibra óptica deben ser de banda ancha, tener un valor alto del producto del ancho de banda y el factor de multiplicación de avalancha, tener un nivel bajo de exceso de ruido (para LD), ser rápidos, tener una capacitancia baja, una corriente oscura baja, ser estable a las influencias externas, tener la máxima sensibilidad en la longitud de las ondas del emisor y una larga vida útil, además de brindar la capacidad de adaptarse a la etapa amplificadora posterior.
El cumplimiento de estos requisitos contradictorios hizo posible crear una serie de fotodiodos en paquetes convenientes para la conexión a líneas de fibra óptica con los siguientes parámetros:
fotodiodos de silicio — sensibilidad de corriente 0,4–0,5 A/W, longitud de onda — 0,85 micrones , velocidad – 1–10 ns, corriente oscura – 2–10 nA a una tensión de funcionamiento de 5 V (24 V);
Fotodiodos p-i-n basados en heteroestructuras InGaAsP/InP con longitudes de onda operativas de 1,3 y 1,55 µm, sensibilidad de corriente de 0,6 a 0,9 A/W, velocidad de 0,07 a 0,3 ns, corriente oscura de 0,1 a 5 nA a una tensión de funcionamiento de 5 a 10 V;
Fotodiodos de avalancha de germanio con longitudes de onda operativas de 1,3 µm y 1,55 µm con sensibilidad de corriente 6014 A/W, densidad de corriente de ruido (5–10) 10-12 A/Hz -1/2, velocidad 0,1–0,6 ns, con una capacidad de 0,6 -2 pF a una tensión de funcionamiento de 30 a 100 V;
Dispositivos fotodetectores con p-i-n FET con longitudes de onda operativas de 1,3 y 1,55 micras, ancho de banda 170–700 MHz, sensibilidad de -36 a 43 dBm.
Entonces, a principios de los 90. En nuestro país se ha creado la base de elementos optoelectrónicos necesaria para la creación de líneas de comunicación de fibra óptica. Los desarrollos se introdujeron en la producción en masa y encontraron aplicación en la producción de equipos domésticos para líneas de fibra óptica, redes locales, televisión por cable y otras líneas de comunicación [2].
Guías de luz de fibra
Las fibras deben proporcionar una baja atenuación, no distorsionar la forma, composición espectral y distribución modal de la señal luminosa transmitida, sus parámetros no deben depender de la temperatura, humedad, tensión mecánica y corrosión química, y las pérdidas por radiación no deben depender del radio de curvatura de la fibra. guía de luz y debe ser mínima. Las guías de luz están hechas de vidrio de silicato con aditivos TiO2, Al2 O3, GeO2, P2 O5 y su superficie está recubierta con una película de polímero (a veces se utilizan guías de luz de plástico) para protegerlas contra daños mecánicos, influencias químicas y humedad.
La apertura numérica y el ángulo máximo de entrada de radiación están relacionados por la dependencia NA = sin El tamaño numérico de la fibra está determinado por el perfil del índice de refracción, el tipo y la concentración de aditivos dopantes y para fibras con un cambio gradual en el índice de refracción desde la periferia al eje es igual a:
NA = (nc2 – no2) 1/2
Aumentar la diferencia nc – no mejora las condiciones para introducir radiación en la fibra, pero al mismo tiempo aumenta la dispersión, lo que conduce a un ensanchamiento del pulso.
La dispersión se manifiesta en el desenfoque de la señal óptica con el tiempo. La dispersión es el principal factor que limita el ancho de banda de una guía de luz. La dispersión puede ser intermodal, que surge debido a la superposición de los frentes de dos pulsos adyacentes entre sí, y cromática, que surge debido al hecho de que las ondas más cortas se propagan más rápido en la guía de ondas y también debido a la densidad desigual del núcleo. debido a las propiedades espectrales de la fuente de radiación.
La dispersión intermodo es más significativa en las fibras multimodo; la dispersión cromática pasa a primer plano en las fibras monomodo. En este caso, la dispersión intermodo y cromática, estimada por el coeficiente de banda ancha, determina diferentes dimensiones de estos coeficientes para fibras multimodo y monomodo.
Para fibras multimodo, el ancho de banda se mide en MHz*km. De la definición de ancho de banda queda claro que la dispersión impone restricciones en el rango de transmisión y la frecuencia superior de las señales transmitidas. En este caso, el significado físico de la banda de paso es la frecuencia máxima de modulación de la señal transmitida para una longitud de línea de 1 km. Es decir, si en la columna se indica el coeficiente de banda ancha para un tipo específico de cable multimodo > 200, esto significa que una frecuencia de no más de 200 MHz se transmite completamente a una distancia de 1 km. Si la dispersión aumenta linealmente con la distancia, entonces el ancho de banda es inversamente proporcional a la distancia.
Para fibras monomodo, el parámetro de dispersión tiene en cuenta su dependencia de las propiedades espectrales de la fuente de radiación, por lo que su dimensión se indica en ps/nm x km (retardo diferencial (ps), por longitud de onda central de la fuente (nm) y por longitud de la sección medida (km). Dado que la dispersión de la guía de onda depende del perfil del índice de refracción, al variar este parámetro, para fibras monomodo es posible obtener una dispersión nula o cercana a cero a una longitud de onda predeterminada o en una longitud de onda predeterminada. determinada banda espectral.La atenuación en las fibras depende de la presencia de impurezas (especialmente metales del grupo de transición e iones OH—), heterogeneidad de la interfaz entre el núcleo y el revestimiento, fluctuaciones en la composición y densidad.
Según la norma internacional ISO/IEC 11801:2008 (E), el canal de transmisión óptica se divide en varias clases:
clase OF-300: a partir de 300 metros
clase OF-500: desde 500 metros
Clase OF-2000: desde 2 km
El valor numérico especificado en el nombre de la clase define la longitud mínima del canal en metros que se garantiza que un canal de esta clase soportará la aplicación correspondiente si el canal se construye de acuerdo con los requisitos de la norma especificada.
La clase OF-500 permite aplicaciones Gigabit Ethernet 1000Base-LX sobre fibra multimodo OM1, OM2 y OM3 hasta 500 metros con una atenuación de 2,35 dB a 1300 nm.
El OF-2000 de gama alta admite aplicaciones que incluyen Gigabit Ethernet 1000Base-LX sobre fibra monomodo OS1 hasta 2000 metros con una atenuación de 4,56 dB a 1310 nm.
Ejemplo de cálculo para la aplicación OF-500 implementada en fibra multimodo con un emisor operando a una longitud de onda de 850 nm:
1,5 dB (3 conexiones de equipo) + 500 m x 3,5 dB/1000 m = 3,25 dB
A correctamente El sistema de cableado estructurado diseñado puede garantizar el funcionamiento garantizado de cualquier equipo activo, incluidos los interruptores.
La norma ISO/IEC 11801:2008 (E) se basa en las características promedio de los productos producidos por la industria actual.
Sin embargo, en la implementación práctica de sistemas de cableado estructurado, a menudo resulta que la calidad de los cables es alta y las longitudes de líneas y canales no alcanzan el máximo. Lo que, a diferencia de los cables simétricos, conduce a un resultado paradójico: los interruptores que transmiten señales de vídeo no funcionan normalmente (la atenuación es insignificante). La ausencia de atenuación puede provocar la exposición del fotodetector a la luz y, en el peor de los casos, su fallo total. En este caso, es necesario incluir en el canal un atenuador pasivo con el coeficiente de atenuación requerido. Los valores reales de pérdidas no se conocen hasta que se completa la instalación del camino óptico, ya que están determinados por la calidad de su instalación.
Longitudes de onda de radiación a las que se transmite la señal al enlace de fibra óptica
En la figura. La Figura 3 muestra la dependencia espectral del coeficiente de atenuación de fibras reales teniendo en cuenta todas las pérdidas. Se puede observar que el funcionamiento a través de cables de fibra óptica no es eficaz en todas las longitudes de onda, sino sólo en determinadas partes del espectro donde se consiguen pérdidas mínimas.
Las áreas de pérdida mínima se denominan ventanas de transparencia. En el caso de guías de luz de cuarzo, resultan de interés práctico tres ventanas de transparencia. En la mayoría de los casos, se trata de tres longitudes: 850 nm, 1300 nm y 1500 nm. La atenuación para fibras ópticas industriales es: de 2 a 3 dB/km (850 nm); de 0,4 a 1 dB/km (1300 nm); de 0,2 a 0,3 dB/km (1500 nm). Las características de los emisores semiconductores y fotodetectores están optimizadas para su funcionamiento en estas ventanas.
Principales tipos de guías de luz modernas
La fibra monomodo de dispersión desplazada DSF (Disperrsion — Shifted Fiber) se caracteriza por una longitud de onda en la que la dispersión se vuelve 0, igual a 1550 nm.
Esta longitud de onda ( = 1550 nm) se denomina longitud de onda de dispersión cero. Este efecto se logra gracias a un índice de refracción especialmente seleccionado a lo largo del diámetro del núcleo, ya que la dispersión depende del perfil del índice de refracción.
Este cambio se logra debido al perfil especial del índice de refracción de la fibra. Como resultado, la fibra de dispersión desplazada proporciona el mejor rendimiento en términos de dispersión y pérdida mínimas. La longitud de onda operativa se considera cercana a 1550 nm. La necesidad del DSF surgió del desarrollo de láseres con una longitud de onda de radiación de 1550 nm. Sin embargo, con la llegada de los amplificadores de banda ancha y la multiplexación de longitudes de onda, la dispersión cromática de estas fibras comenzó a introducir efectos indeseables en la integridad de los pulsos de múltiples longitudes de onda.
La fibra monomodo con dispersión distinta de cero NZDSF (fibra desplazada de dispersión no nula), a diferencia de DSF, está optimizada para transmitir no una, sino varias longitudes de onda a la vez (señal de onda multiplexada) y puede usarse de manera más efectiva en la construcción de redes troncales. de redes totalmente ópticas: redes , en cuyos nodos no se produce ninguna conversión optoelectrónica durante la propagación de una señal óptica. La fibra NZDSF mantiene un coeficiente de dispersión cromática limitado en el rango óptico de 1530 a 1625 nm.
Clasificación de las redes de fibra óptica
Debido a que los sistemas de fibra óptica son una rama de la tecnología bastante joven y se han generalizado en los últimos años, existen varias normas que los describen. Digamos algunas palabras sobre algunas de las características de la estandarización existente.
La norma internacional ISO/IEC 11801:2008 (E) considera las líneas de comunicación de fibra óptica como un sistema de cableado estructurado y asume que utiliza cables, equipos de conexión y cordones que cumplen con esta norma. El cumplimiento de las recomendaciones de esta norma asegura que la propia línea de fibra óptica cumplirá con esta norma, transmitiendo aplicaciones con determinadas características.
Las redes locales utilizadas para la transmisión de señales de vídeo, en particular a través de cables de fibra óptica, se denominan tecnología Ethernet. Ethernet se describe principalmente mediante los estándares del grupo IEEE 802.3. El estándar IEEE 802.3ae está definido para el entorno óptico avanzado del futuro, como el soporte de velocidades de datos de 10 Gbps para varios tipos de fibras ópticas. Este nuevo estándar ofrece una ruta de actualización sencilla para redes troncales Gigabit Ethernet y proporciona conectividad LAN a mAN y WAN. El estándar IEEE 802.3ae fue finalmente adoptado el 27 de junio de 2002. Así, la tecnología y el estándar 10 Gigabit Ethernet recibieron la aprobación incondicional de los expertos y una amplia aceptación industrial, en particular para los sistemas de videovigilancia, para el intercambio intensivo con dispositivos de memoria, especialmente teniendo en cuenta cuenta la mejora de los equipos y la reducción de su coste para Ethernet 10G. Además, el uso de equipos Ethernet 10G de bajo consumo puede reducir significativamente los costos de energía [4].
La sección UIT-T de la Unión Internacional de Telecomunicaciones está dedicada a recomendaciones en el campo de las comunicaciones por fibra óptica; regula los parámetros de las fibras ópticas, incluidas las más modernas.
Por tanto, las redes de fibra óptica más adecuadas para transmitir señales de vídeo tienen muchas características. En consecuencia, la elección del equipo de transmisión, por ejemplo conmutadores activos, para transmitir una señal de video debe realizarse teniendo en cuenta el SCS existente en la instalación o teniendo en cuenta la extensión territorial de la instalación y las reglas para diseñar un cable estructurado. Sistema en líneas de fibra óptica.
LITERATURA 1. Semana de la Aviación y la Tecnología Espacial, 1980, nº 19 Tecnología de fibra óptica: situación actual y perspectivas. Editado por Dmitriev S. A., Slepov N. N. M.: “Fiber Optical Technology”, 2005. 576 p. Resistencia a la radiación en optoelectrónica. Ed. Sredina V.G.. Voenizdat, 1987, 166 p. Redes y sistemas de comunicación, N° 8 (170). 27/08/2008, pág. 34.