Transmisia Datelor de Internet Prin Cablu Si Fibră Optică
Cuprins:
Capitolul 1: – Introducere -……………………………….………………………….. pag. 5
1.1 Scopul lucrării…………………………………………………….…. ……………..pag. 6
1.2 Termeni utilizați …………………………………………………………………….pag. 7
1.3 Generalități privind internetul prin CATV………………………….………………..pag. 8
1.3.1 Informați generale………………………………………………………….pag. 8
1.3.2 CATV………………………………………………………………………pag. 11
1.3.3 Legătura la Internet utilizatorilor prin intermediul rețelei CATV…………pag. 12
Capitolul 2:- Cablul coaxial -…………………………………………… ……………pag. 14
2.1 Informații generale…………………………………………………… …………….pag. 15
2.1.1 Configurarea conductoarelor…………………………………………………pag. 15
2.1.2 Funcția …………………………………………………………….. ……..pag. 15
2.1.3 Materiale……………………………………………………………………pag. 15
2.1.4 Protecția suplimentară……………………………………………………..pag. 16
2.1.5 Dimensiuni…………………………………………………………………pag. 17
2.2 Rezistența în curent continuu (DC)…………………………………… …………… pag. 17
2.3 Modelul RF și efectul “skin”………………………………………….. ……………pag. 18
Capitolul 3:- Modemul de cablu -………………………………….………………….pag. 20
3.1 Componența unui modem de cablu…………………………….…… ………………pag. 21
3.1.1 Tunerul………………………………………………………….…………pag. 24
3.1.2 Modulatorul………………………………………………………… …….. pag. 25
3.1.3 Demodulatorul……………………………………………………… ………pag. 25
3.1.4 Microprocesorul……………………………………………………..……..pag. 25
3.1.5 MAC-ul……………………………………………………………… ……..pag. 26
Capitolul 4:- Conceptul DOCSIS -……………………………………… ……………pag. 27
4.1 Stream-urile…………………………………………………………… ……………pag. 28
4.1.1 Upstream…………………………………………………………….. ……pag. 28
4.1.1.1 Conceptul Upstream………………………………………… ….pag. 28
4.1.1.2 Formatul datelor Upstream……………….………………… ….pag. 30
4.1.2 Downstream………………………………….…………… ………………pag. 30
4.1.2.1 Conceptul Downstream………..……………….………………..pag. 30
4.1.2.2 Formatul datelor Downstream………………….………………..pag. 31
4.2 DOCSIS……………………………………………………………….. …………….pag. 32
4.2.1 DOCSIS – Prezentare generală …..………………………………… ……pag. 32
4.2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS…………………………. …….pag. 32
4.2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu………………………… …….pag. 33
4.2.4 Standardele DVB/DAVIC și MCNS/DOCSIS……………………… ……pag. 35
4.2.5 Avantaje DOCSIS…………………………………………………… ……pag. 38
Capitolul 5:- Rețeaua de fibră optică…………………………………………………pag. 39
5.1. Caracteristici generale ale sistemelor prin fibră optică …………………………….pag. 40
5.1.1 Bazele transmisiei în sistemele bazate pe fibră optică ……………………pag. 44
5.1.2 Construcția fibrei optice …………………………………………………..pag. 45
5.1.3 Tipuri de fibră optică ………………………………………………………pag. 47
5.1.4 Construcția cablului de fibră optică ………………………………………pag. 49
5.1.5 Transmițătoare optice ………………………………………………………pag. 51
5.1.6 Receptoare optice …………………………………………………………pag. 56
5.1.7 Materiale și tehnologii pentru obținerea fibrelor optice………………………….pag. 58
5.1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice ………………………………………pag. 60
5.1.9 Proprietăți ale fibrei optice ………………………………………………..pag. 63
5.1.10 Proiectarea unui sitem bazat pe fibră optică ……………………………..pag. 75
5.1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibră optică ……………………………..pag. 76
Capitolul 6:- Parte aplicativă – ………………………………………………………..pag. 78
6.1 Exemple de programe pentru manipularea modemurilor de cablu DOCSIS …………pag. 79
Capitolul 7:- Concluzii – ………………………………………………………………pag. 86
Bibliografie………………………………………………………………… ……………pag. 87
=== l ===
Cuprins:
Capitolul 1: – Introducere -……………………………….………………………….. pag. 5
1.1 Scopul lucrării…………………………………………………….…. ……………..pag. 6
1.2 Termeni utilizați …………………………………………………………………….pag. 7
1.3 Generalități privind internetul prin CATV………………………….………………..pag. 8
1.3.1 Informați generale………………………………………………………….pag. 8
1.3.2 CATV………………………………………………………………………pag. 11
1.3.3 Legătura la Internet utilizatorilor prin intermediul rețelei CATV…………pag. 12
Capitolul 2:- Cablul coaxial -…………………………………………… ……………pag. 14
2.1 Informații generale…………………………………………………… …………….pag. 15
2.1.1 Configurarea conductoarelor…………………………………………………pag. 15
2.1.2 Funcția …………………………………………………………….. ……..pag. 15
2.1.3 Materiale……………………………………………………………………pag. 15
2.1.4 Protecția suplimentară……………………………………………………..pag. 16
2.1.5 Dimensiuni…………………………………………………………………pag. 17
2.2 Rezistența în curent continuu (DC)…………………………………… …………… pag. 17
2.3 Modelul RF și efectul “skin”………………………………………….. ……………pag. 18
Capitolul 3:- Modemul de cablu -………………………………….………………….pag. 20
3.1 Componența unui modem de cablu…………………………….…… ………………pag. 21
3.1.1 Tunerul………………………………………………………….…………pag. 24
3.1.2 Modulatorul………………………………………………………… …….. pag. 25
3.1.3 Demodulatorul……………………………………………………… ………pag. 25
3.1.4 Microprocesorul……………………………………………………..……..pag. 25
3.1.5 MAC-ul……………………………………………………………… ……..pag. 26
Capitolul 4:- Conceptul DOCSIS -……………………………………… ……………pag. 27
4.1 Stream-urile…………………………………………………………… ……………pag. 28
4.1.1 Upstream…………………………………………………………….. ……pag. 28
4.1.1.1 Conceptul Upstream………………………………………… ….pag. 28
4.1.1.2 Formatul datelor Upstream……………….………………… ….pag. 30
4.1.2 Downstream………………………………….…………… ………………pag. 30
4.1.2.1 Conceptul Downstream………..……………….………………..pag. 30
4.1.2.2 Formatul datelor Downstream………………….………………..pag. 31
4.2 DOCSIS……………………………………………………………….. …………….pag. 32
4.2.1 DOCSIS – Prezentare generală …..………………………………… ……pag. 32
4.2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS…………………………. …….pag. 32
4.2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu………………………… …….pag. 33
4.2.4 Standardele DVB/DAVIC și MCNS/DOCSIS……………………… ……pag. 35
4.2.5 Avantaje DOCSIS…………………………………………………… ……pag. 38
Capitolul 5:- Rețeaua de fibră optică…………………………………………………pag. 39
5.1. Caracteristici generale ale sistemelor prin fibră optică …………………………….pag. 40
5.1.1 Bazele transmisiei în sistemele bazate pe fibră optică ……………………pag. 44
5.1.2 Construcția fibrei optice …………………………………………………..pag. 45
5.1.3 Tipuri de fibră optică ………………………………………………………pag. 47
5.1.4 Construcția cablului de fibră optică ………………………………………pag. 49
5.1.5 Transmițătoare optice ………………………………………………………pag. 51
5.1.6 Receptoare optice …………………………………………………………pag. 56
5.1.7 Materiale și tehnologii pentru obținerea fibrelor optice………………………….pag. 58
5.1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice ………………………………………pag. 60
5.1.9 Proprietăți ale fibrei optice ………………………………………………..pag. 63
5.1.10 Proiectarea unui sitem bazat pe fibră optică ……………………………..pag. 75
5.1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibră optică ……………………………..pag. 76
Capitolul 6:- Parte aplicativă – ………………………………………………………..pag. 78
6.1 Exemple de programe pentru manipularea modemurilor de cablu DOCSIS …………pag. 79
Capitolul 7:- Concluzii – ………………………………………………………………pag. 86
Bibliografie………………………………………………………………… ……………pag. 87
CAPITOLUL 1
– INTRODUCERE –
Scopul lucrării
Termeni utilizați
Generalități privind Internetul prin CATV
Informații generale
CATV
Legătura la Internet prin intermediul rețelei CATV
Scopul lucrării
Dacă într-o rețea de distribuție a televiziunii prin cablu informația circulă doar de la stație spre utilizator, și anume programele TV, în cazul oferirii serviciului de conectare la Internet lucrurile sunt puțin diferite.
În cazul conectării la Internet, utilizatorul poate, prin intermediul calculatorului, să comunice cu oricine este conectat la această rețea.
Orice comunicare presupune o cerere de informație și o livrare de informație. De exemplu: un utilizator cere de la o anumită adresă de Internet un anumit document și acesta îi va fi livrat la adresa indicată de el. Deci exită o informație care circulă de la utilizator la adresa de pe Internet, și alta care circulă de la adresa de pe Internet la utilizator.
Din Headend legătura la Internet se realizează prin intermediul unui echipament numit CMTS (Cable Modems Terminal Sistem), care asigură comunicarea modemurilor între ele sau cu utilizatorii de Internet.
Modemul este echipamentul care permite conectarea calculatorului utilizatorului la Internet prin intermediul rețelei.
Cu alte cuvinte, legătura între utilizator și Internet se face prin intermediul ansablului alcătuit din CMTS și modem.
Pentru că Internetul să poată fi accesibil tuturor categoriilro mentionate mai sus, a fost necesară o îmbunătățire a rețelelor de transmitere, a modului de transmitere și a altor parametrii la apariția unor servicii mult mai performante și totodată mult mai ușor de utilizat. Un astfel de serviciu este și Internetul transmis prin CATV de fibră optică.
Scopul acestei lucrări este de a prezenta serviciul de Internet prin CATV în detaliu: componența unei astfel de structuri, funcționalitatea sistemului, modul de reglare și optimizare astfel încât rezultatele obținute să fie la parametrii maximi.
De aceea, un serviciu devenit indispensabil în zilele noastre, si anume conectarea la Internet, trebuie să aibă soluții de dezvoltare continue, soluții care să permită conexiuni cu viteze ridicate, parametrii tehnici utilizați la capacitate maximă, etc.
Termeni utilizați
CATV – Cable TV System: poate fi coaxial sau HFC (Hybrid Fiber Coax)
Modemul de cablu (CM) – dispozitiv pentru transmiterea datelor prin intermediul unei rețele de cablu TV.
Downstream – transferul de date de la CMTS la modemurile de cablu.
Channel – o combinație specifică de frecvență și lungime de bandă. Utilizat în serviciile de televiziune la canalele TV si ca downstream pentru modemuri de cablu.
CMTS – Cable Modem Termination System: Dispozitiv central pentru conectarea unei rețele de cablu TV la o rețea de date cum ar fi Internetul. De obicei este plasat la capătul final al sistemului de cablu TV.
CPE – Customer Permises Equipment: Folosit la descrierea PC-ului și/sau a altui echipament pe care clientul vrea să-l conecteze la modemul de cablu.
DHCP – Dyinamic Host Configuration Protocol: acest protocol creează un mecanism pentru alocarea adreselor IP dinamic astfel încât adresele pot fi reutilizate. Adesea utilizat pentru managerierea adreselor IP a tuturor modemurilor de cablu.
DOCSIS – Data Over Cable Service Interface Specification: Cel mai răspândit modem de cablu standard. Definește caracteristicile tehnice specifice atât pentru modemuri de cablu cât și pentru CMTS.
Downstream frequency – Frecvența utilizată pentru transmiterea datelor de la CMTS la modeurile de cablu. De obicei este situată intre42/65 – 850 MHz.
Headend – Punct central de distribuție pentru sistemul CATV. Semnalele video sunt primite aici din sateliti sau alte surse, frecventa este convertita canalelor corespunzătoare, combinate cu semnalele locale și redistribuită la un HFC plant. Headend-ul se află de obicei unde se află și CMTS-ul.
HFC – Hybrid fiber-coaxial (cable network): Vechile sisteme CATV foloseau numai cabluri coaxiale. Sistemele moderne folosesc fiber transport de la headend la un nod optic aflat în vecinătate pentru a reduce perturbațiile din sistem. Cablurile coaxiale merg de la nod la subscriver. Fiber plant-ul este, în general, în configurație stelară cu toate nodurile optice terminate în headend.
MCNS – Multimedia Cable Network System Parteners Ltd. A creat DOCSIS standard pentru modemuri de cablu.
MSO – Multiple Service Operator: Distribuitor de servicii de cablu tv care, de asemenea, distribuie alte servicii ca: date și/sau telefonie vocala.
QAM – Quadrature Amplitude Modulation: O metodă de modulare a semnalelor digitale folosind atât codarea prin amplitudine cât și prin fază. Folosit pentru downstream dar și pentru upstream.
QPSK – Quadre Phase-Shift Keying: O metodă de modulare a semnalelor folosind patru faye pentru a coda doi biți digitali pe faza shift.
Ranging – Proces de ajustare automată a nivelelor și timpului offsets a modemurilor individuale pentru a se asigura că burst-urile provenite de la modemuri diferite se poziționează în sloturile de timp corespunzătoare și că sunt recepționate la același nivel de putere în CMTS.
SID – Service ID: Folosit în sandardul DOCSIS. Este folosit de asemenea în scopul lărgirii de bandă a upstream-ului alocat și a managerierii class-of-service.
SU – Subscriber Unit: Un alt tremen pentru modemul de cablu.
Upstream – Transferul de date de la CM la CMTS
Upstream Frequency – Frecvență utilizată pentru transmiterea datelor de la CM la CMTS, se află în zona 5-42 MHz pentru sistemele americane și 5-65 pentru cele europene.
Generalități privind internetul prin cablu TV
Infromații generale
Conectarea prin cablu necesită instalarea unui cablu coaxial de către compania de cablu sau folosirea celui deja existent pentru recepționarea programelor TV. Semnalele pentru TV și cele pentru modem nu se interferează pentru că se folosesc frecvențe diferite și în plus se instalează un filtru special pentru protejarea semnalelor TV. Pe cablu coaxial se instalează un despărțitor („splitter”) care desprate semnalul venit prin cablu, calculatorul având posibilitatea de a fi în altă cameră decat receptorul TV.
Cablul coaxial care vine la PC se conectează la modemul special pentru cablu. Acest modem nu este asemănător cu modemul pentru telefonie ci este mai curând asemănător cu o placă de rețea. Conectarea prin cablu diferă de cea prin telefonie prin faptul că ea este o legătură permanentă cu rețeaua de cablu și nu poate fi închisă.
Pentru a înțelege mai bine ofertele companiilor de cablu, trebuie lămurită mai întâi diferența între unitățile de măsură folosite pentru viteza unei conexiuni și pentru mărimea traficului printr-o conexiune, deoarece aceste unități de măsură care se scriu aproape identic nu sunt egale. Viteza unei conexiuni se măsoară în kolobits/sec (scris prescurtat kb/s sau kbps) sau megabits/sec (scris perescurtat mb/s sau mbps). Traficul se măsoară însă în kilobytes/sec (scris prescurtat KB/s) sau megabytes/sec (scris prescurtat MB/s). 1Byte(octet) = 8 bits (biți). O viteză de 4mbits/s (4mbps) definește un trafic de 500KB/s și nu de 4MB/s. Deci un fișier de 4MB (mărimea fișierelor și capacitatea mediilor de stocare se măsoară în Bytes) nu se descarcă în 1 secundă, ci în 8 secunde. O viteză de 56 kbps (specifică modem-ului de dial-up) implică un trafic de 7 KB/s (56 kbps/8). Confuzia dintre aceste unități de măsură: kilobit și kilobyte (kolooctet), care sunt scrise prescurtat kb și KB este întreținută de responsabilii cu marketingul la companiile producătoare de modemuri. Lucrurile stau similar și în cazul unităților de măsură numite megabit și megabyte.
Viteza conexiunii este variabilă în funcție de compania de cablu. Multe companii impun restricții de viteză din considerente tehnice sau financiare. În general se spune că viteza conexiunii prin cablu poate fi de 100 de ori mai mare decât a conexiunii printr-un modem dial-up de 28,8 kbps, dar viteza reală nu atinge decât rareori un asemenea nivel (2,8 mbps). Viteza variază, teoretic, între 128 kbps și 30 mbps petru descărcare („download”), fiind mai mică (dar tot de ordinul sutelor de kbps – respectiv, unitaților de mbps) pentru încărcare („upload”).
Modemurile speciale pentru cablu costă mai mult decât cele clasice și de cele mai multe ori sunt închiriate de către companiile de cablu, prețul închirierii intrând în tariful total al abonamentului. Această practică nu este un cadou al companiilor de cablu, cum s-ar putea crede. Modemurile închiriate sunt reglate dinainte în așa fel încât să nu depășească o anumită viteză de conectare și să contabilizeze cu exactitate traficul prin ele. Unii utilizatori care cunosc puțină tehnică sau consultă site-urile web specializate, pot însă să-și configureze modemurile în așa fel încât conexiunea să atingă o viteză care să depășească viteza propusă de companiile de cablu.
Marea problemă a rețelelor de cablu este că o data cu creșterea numărului de utilizatori scade viteza de conectare, pentru că lățimea de bandă se împarte la numărul de utilizatori activi la un moment dat, în rețea. De aceea se apelează la diverse trucuri, cum ar fi: limitarea vitezelor de descărcare („download”) și încărcare („upload”) de date sau limitarea traficului de date la un anumit număr de MB pe lună, scopul final fiind de a nu scade prea mult viteza de conectare.
Procesul de impunere a unei limite de viteză pentru o conexiune se numește în engleză „capping” și se poate traduce în limba română (conform dicționarului) prin „a pune capac”. În consecință, procesul invers se numește „uncapping” (scoaterea capacului). Înlăturarea limitării de vitezî are implicați legale (posibilitatea de excludere din rețeaua de cablu dacă abonatul care o practică a fost prins) și morale (orice creștere de viteză a unui abonat se reflectă, în general, într-o scădere de viteză a conexiunilor celorlalți abonați).
Trebuie menționat și faptul că furnizorii de internet prin cablu monitorizează viteza conexiunii pentru fiecare abonat și intervin ori de câte ori se observă o modificare suspectă a acesteia. Din această cauză, scoaterea capacului (dacă este posibilă) nu poate fi folosită decât pentru perioade scurte.
Posibilitatea de modificare a limitării de viteză a fost pusă în evidență la unele tipuri de modemuri de cablu.
O metodă perfect legală (și în același timp morală) de îmbunătățire a conexiunii prin cablu este optimiyarea conexiunii cu ajutorul unor modificări făcute în registrul Windows („Windows Registry”). [www03]
CATV
Oferind viteze bune de trafic metropolitan, soluția are totuși două potențiale inconveniente (în special pentru utilizatorii din mediul de afaceri):
în rețele insuficient administrate, poate crea probleme cu securitatea și confidențialitatea datelor, utiliizatorii dintr-o subrețea CATV funcționând aproximativ ca într-un LAN.
viteza depinde de încadrarea subrețelei/nodului (viteza individuală scade odată cu creșterea numărului de abonați conectați într-un nod).
Rețelele de cablu TV au fost proiectate să transporte semnal analogic cu ajutorul FDM (Frequency Division Multiplexing). Pentru a furniza servicii de transmisie de date printr-o rețea CATV, de obicei se alocă frecvența unui canal de televiziune (în gama 50-750MHz) pentru traficul „incoming” (spre utilizator) iar un alt canal (în gama 5-42MHz) este folosit pentru traficul „outgoing” (dinspre utilizator). Se folosește un CMTS (Cable Modem Termination System) care comunică prin aceste canale cu modemurile de la abonați și transformă semnalele în pachete IP, creind astfel un LAN (Local Area Network) virtual.
Modemurile se conectează la rețeaua clientului printr-o intefață standard 10BaseT-Ethernet.
Un canal TV downstream de 6 MHz poate transporta până la 27 Mbps folosind tehnologii de modulare în amplitudine. Canalele upstream pot transporta între 500 Kbps și 10Mbps, în funcție de spectrul de bandă alocat de operator, folosind tehnologii de modulare.
Lățimile de bandă down și up sunt partajate între abonații dintr-o subrețea (de la câteva zeci de utilizatori până la max. 2000).
Un utilizator oarecare de modem de cablu poate obție viteze de acces local de la 128Kbps până la 1 Mbps sau mai mult, în funcție de arhitectura rețelei de cablu și de încărcare (numărul de abonați în subrețea).
Problema securității datelor este parțial rezolvată prin implementarea DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) în modemurile de cablu. DOCSIS include suport pentru facilități cum ar fi autentificarea și filtrarea de pachete IP.
Legătura la Internet prin intermediul rețelei de CATV
Ceea ce ne interesează pe noi este comunicarea între CMTS și modem. CMTS-ul trimite datele către modem prin intermediul canalului de downstream, care este un canal digital de 6MHz iar datele sunt modulate QPSK. Acesta se află în spectrul canalelor TV adică de la 50 la 860 MHz.
Modemul trimite date către CMTS prin intermediul unui canal de lărgine 1.8MHz în banda de la 5-45MHz.
La instalarea unui modem trebuie avute în vedere două aspecte:
Atenuarea de scară între modem și ieșirea amplificatorului, datorită distribuției pasive (pierderi pe cablu).
Având în vedere că CMTS-ul va primi date de la toate modemurile pe rând, el va dicta fiecărui modem cu ce nivel să emită astfel că la el semnalul de la orice modem va ajunge cu același nivel. De fapt CMTS-ul îi va spune fiecărui modem ce atenuare să introducă pentru ca să primească semnal de același nivel de la toate modemurile.
2. Cel de-al doilea lucru important ce trebuie avut în vedere la instalarea unui modem, este nivelul semnalului de downstream, adică al semnalului care este emis de către CMTS către modem și care este transmis împreună cu canalele TV pe frecvența de 418MHz, și care trebuie să fie cuprins între 55-65dBµV, ideal ar fi la 60dBµV.
În ceea ce privește distribuția din locuința utilizatorului, situația se prezintă ca și cazul în care are mai mult de un televizor, este de dorit dintr-un distribuitor o ieșire să meargă la modem iar din cealaltă ieșire să se facă distribuția în locuintă (fig. 1.2).
Fig.1.2.
Se dorește această arhitectură pentru ca în cazul în care unul din receptoarele de televiziune emite semnale nedorite către stație pe calea de revers, aceste semnale să poată fi rejectate prin filtru ce nu lasă să treacă prin el semnale de frecvență mai mică de 45MHz, pus pe ieșirea de distribuito pe care nu este modem, astfel acest filtru va bloca transmiterea către stație a semnalelor parazite emise de către televizoare, pe calea de revers.
Capitolul 2
– Cablul coaxial –
2.1 Informații generale
2.1.1 Configurarea conductoarelor
2.1.2 Funcția
2.1.3 Materiale
2.1.4 Protecția suplimentară
2.1.5 Dimensiuni
2.2 Rezistență în curent continuu (DC)
2.3 Modelul RF și efectul “skin”
2.1 Informații generale
2.1.1 Configurarea conductoarelor
Semnalele într-un sistem CATV sunt transmise prin cabluri coaxiale. Un cablu coaxial constă dintr-un fir, numit conductor central, înconjurat de un tub metalic, numit husa (înveliș) sau conductor extern și un material numit dielectric, între conductorul central și husa (înveliș). Numim acest tip de cablu “coaxial “ pentru că cei doi conductori au aceeasi axa. [Ghe 03 ]
2.1.2 Funcția
Conductorul central transmite semnale RF și, în unele cazuri, curent alternativ. Conductorul extern este bază atât pentru semnale RF cât și pentru curent alternativ. Previne ieșirea sau intrarea radiațiilor RF în/din cablu. Dielectricul izolează conductorul central de cel extern.
2.1.3 Materiale
Conductorul central este făcut de obicei din aluminiu cu un strat subțire extern din cupru. Un asemenea conductor este numit conductor central din “aluminiu îmbrăcat în cupru”. Conductoare centrale din cupru solid sunt deja disponibile însă sunt mai rar folosite din cauza prețului mai ridicat a cuprului solid.
-15-
Aluminiul solid, cu toate că este mai ieftin, nu are proprietăți conductive adecvate (în special pentru semnale RF de frecvențe înalte) pentru a fi folosit ca un conductor central.Configurația aluminiu îmbrăcat în cupru oferă avantajele amândurora după cum vom vedea mai în detaliu în secțiunea “Model RF si efectul ‘Skin’ “. Pentru tărie, oțelul îmbrăcat în aluminiu este deseori folosit ca și conductor central în cabluri “drop”, cabluri cu diametru mic care fac conexiunea finală la locuința utilizatorului.
În cazul cablurilor coaxiale cu diametru mai mare, husa este făcută din aluminiu solid. În cazul cablurilor “drop”, husa este facută din aluminiu sau cupru împletit. În unele cazuri, conductorul extern va fi format dintr-o împletitură cu proprietăți conductive pusă peste un strat conductiv din aluminiu-polipropilen și un alt strat plasat peste împletitură.
Materialul dielectric poate fi de mai multe tipuri. Polietilen solid, polietilen injectat cu nitrogen, și aerul sunt cele mai des folosite materiale dielectrice. Când este folosit aerul ca și dielectric, discuri din plastic țin conductorul central pe loc, prevenind nu numai contactul dintre cei doi conductori, totodată păstrând distanța corectă între ei.
Polietilen injectat cu nitrogen este cel mai des folosit dielectric în zilele noastre.
2.1.4 Protecția suplimentară
Unele tipuri de cabluri coaxiale sunt construite cu o protecție suplimentară împotriva pagubelor mecanice și coroziunii (ruginirii). Pentru a fi protejate împotriva pagubelor mecanice (de exemplu, rozătoare, echipament de săpat), unele cabluri au o husa suplimentara numită “scut”.
Pentru a fi protejate împotriva ruginirii, unele cabluri au un înveliș din plastic pe exterior. Unele cabluri învelite conțin un lichid lipicios , numit “flooding compound”, între înveliș și conductorul extern. În cazul în care husa se strică, “flooding compound”-ul coagulează când este expus aerului și “vindecă” porțiunea stricată a husei, astfel menținându-se protecția împotriva ruginirii.
Unele cabluri sunt construite cu un fir metalic suplimentar în afara husei externe. Acest fir suplimentar, numit un fir “mesager”, oferă tărie mecanică cablului.
Multe combinații a acestor măsuri protectoare sunt oferite de fabricanții de cabluri.
2.1.5 Dimensiuni
Cablurile coaxiale din husa solidă se găsesc în mărimile: 1.25”, 1”, 7/8”, 3/4’, 5/8”, ½”, și 4.12”. Mărimile indică diametrul exterior al husei.
Cabluri coaxiale cu husă împletită au mărimile: 3.13” (RG-11), 2.12” (RG-6), și 1.77” (RG-59). Dimensiunile date reprezintă diametrul exeterior al husei împletite.
Cabluri “drop” sunt adesea identificate prin modele RG-11, RG-6, și RG-59, mai rar prin dimensiuni.
Cu cât este mai larg conductorul exterior, cu atât mai larg este conductorul interior. După cum vom vedea în modelul RF a cabului coaxial, relația între diametrele conductoarelor interioare și exterioare este foarte importantă pentru buna funcționare a cablului, la fel și calitatea izolatoare o dielectricului. [Ghe 03 ]
Times Fiber Communications T10 Drop Cable (TFC)
2.2 Rezistența în curent continuu (DC)
Cu toate că de obicei se neglijează rezistența firelor, în multe circuite unde firele sunt scurte și frecvențele mici, nu putem considera cablul coaxial un conductor perfect, așa cum este folosit într-un sistem CATV. Cablul coaxial este evaluat după rezistența-per-lungime în curent continuu.
Dacă cunoști rezistența-per-lungime a unui anume tip de cablu, atunci poți găsi rezistența câmpului acelui cablu, înmulțind rezistența-per-lungime cu lungimea acelui câmp.
Producătorii afișează rezistența-per-lungime în curent continuu pentru conductorul central separat, pentru conductorul extern separat, și pentru bucla care se formează scurt-circuitând acești doi conductori.
Cu cât este mai lung câmpul cablului, cu atât mai mare este rezistența sa. Cu cât este mai lung diametrul cablului, cu atât mai mică este rezistenta- per- lungime a sa.
2.3 Modelul RF și efectul “skin”
Pentru curent continuu, conductorul central și extern a unui cablu coaxial pot fi considerați ca și rezistențe. Și cu rezistențe se poate lucra ușor. Felul cum un cablu coaxial reacționează la curent alternativ nu este deloc o chestiune simplă. De fapt, multe din complexitățile tehnice ale industriei CATV sunt in legătură directă cu reacția complicată a cablului coaxial asupra curentului alternativ, mai ales la frecvențe înalte.
De reținut că toate semnalele RF sunt curenți alternativi.
În general, un conductor sau un alt element al circuitului poate reprezenta nu doar rezistențe, ci poate avea chiar proprietăți inductive și capacitive.
Acum, inductanța și capacitanța pot inhiba curgerea curentului alternativ. Răspunsul inductanței la curentul altenativ este numit “reactanță inductivă” și este reprezentat prin simbolul XL; răspunsul capacității la curent alternativ este numit “reactanță capacitivă” și este reprezentat prin simbolul XC.
Atât rectanța inductivă cât și reactanța capacitivă variază dupa frecevența f. Oricum, reactanța inductivă crește cu creșterea frecvenței, iar reactanța capacitivă scade când frecvența urcă.
Dacă frecvența este 0, f = 0, putem afla cum se comportă o bobină și o capacitate în curent continuu (frecvența în curent continuu este 0).
O bobină nu are reactanță în curent continuu, și de-aceea se comportă ca un circuit deschis în curent continuu. Dar, atunci când crește frecvența, reactanța capacitivă devine tot mai mică. Cu cât urcăm în frecvență, cu atât mai mult capacitatea arată ca un scurt-circuit în curent alternativ.
Combinația între rectanța inductivă, rectanța capacitivă, și o rezistență obișnuită se numește “impedanța” conductorului sau elementul circuit. Folosim litera Z pentru a reprezenta impedanța. Z=R+j(XL-XC).
“j”-ul (j este egal cu radical din –1) arată că impedanța este un numar “complex”. Noi nu ne vom ocupa cu numere complexe. Este de ajuns să știm că: prin matematică “complexă” este mult mai simplu să urmărim relația dintre tensiune și curent pentru circuite alimentate cu curent alternativ.
Acum că am introdus noțiunile de impedanță și reactanță, suntem într-o poziție foarte bună să înțelegem unele lucruri importante despre cablul coaxial. Ne vom uita la un model de cablu coaxial care explică: (1) de ce raspunde diferit la frecvențe diferite, și (2) de ce putem spune că un anumit câmp al cablului are o rezistență de, 2 ohmi, și mai spunem că este un cablu de 75 ohmi.
Suntem obișnuiți de a face aproximarea unui conductor ideal. De exemplu, când desenăm un circuit simplu ca și cel din figura 2, presupunem de obicei că firele care leagă bateria de rezistor sunt conductoare “ideale”, adică, conductoarele nu au rezistență. Cu cât firele sunt mai scurte și frecvențele mai mici, cu atât mai bună va fi aproximarea. De cele mai multe ori este o aproximare satisfacătoare.
CAPITOLUL 3
– MODEMUL DE CABLU –
Componența unui modem
Tunerul
Modulatorul
Demodulatorul
Microprocesorul
MAC-ul
Componența unui modem
Modemurile de cablu pot fi de două tipuri: interne și externe. În unele cazuri modemul de cablu poate face parte din set-top cable box, necesitând doar o tastatură și un mouse pentru a se putea realiza accesul la internet. De fapt, dacă sistemul de cablu a fost upgradat la cablu digital, set-top boxul va fi capabil să se conecteze la Internet indiferent dacă se primește sau nu accesul la Internet prin conexiunea CATV (fig. 2.1).
Fig.2.1
Toate modemurile de cablu contin cateva componente de baza (fig 2.2):
Un tuner
Un demodulator
Un modulator
Un dispozitiv media access control (MAC)
O interfata
Un microprocesor
Fig.2.2 – Modemul de cablu
Modemurile de cablu sunt diferite, dar arhitectura de bază este mai mult sau mai puțin ca cea prezentată în figura de mai sus. Componentele majore vor fi prezentate în cele ce urmeaza. Multe alte companii lucrează în domeniu dar nu sunt atât de cunoscute sau produc componente strict pentru uzul personal.[www 01]
Tuner
Tuner-ul se conecteaza direct la outlet-ul CATV. În mod normal este folosit un tuner cu un diplexor încorporat pentru a distribui atât semnale upstream cât și downstream prin același tuner. Tuner-ul trebuie să aibă o calitate destul de bună pentru a putea primi semnalele digitale modulate QAM.
Companii ca ALPS, Sharp, Temicsi, Panasonic sunt cele mai bune producatoare de tunere.
Un nou concept de tuner de silicon este în lucru. Acesta este practic un tuner pe un cip, și se asteaptp o scădere apreciabilă a costurilor de producție comparative cu modulul unui tuner convențional.
Demodulator
În direcția recepționării semnalul IF este necesar un demodulator. Demodulatorul este de obicei constituit dintr-un convertor A/D, demodulator QAM-64/256, sincronizator MPEG și un corector Reed Solomon al erorilor.
Liderul în producție este Broadcom cu un demodulator cip simplu. Alte companii sunt: Stanford Telecom cu o combinație de demodulator cu un burst modulator, dar și SGS Thomson VLSI Technologies, LSI Logic și Fujitsu.
Demodulatorul, ca și componentă, este cerut atât într-un cablu modem cât și într-un set-top box digital.
Burst modulator
În direcția transmiterii, un burst modulator alimentează un tuner. Burst modulator-ul face codarea Reed Solomon pentru fiecare burst, modularea QPSK/QAM-16 pe frecvența selectată și conversia D/A.
Semnalul output este alimentat de un driver cu nivele variabile output, astfel încât nivelul semnalului poate fi ajustat să compenseze pierderile necunoscute de pe cablu.
Burst modulator-ul este unic pentru modemurile de cablu așa că puține componente sunt valabile aici. Broadcom conduce grupul producatorilor cu Stanford Telecom, Analog Devices, SGS Thomson și alții.
MAC
Un mecanism Media Access Control stă între partea receptoare și cea transmițătoare. Acesta poate fi implementat în hardware sau poate fi împărțit între hardware și software. MAC-ul poate fi mult mai complex în comparație cu un MAC Ethernet, și în realitate nici un MAC nu este capabil să se descurce cu toate funcțiile de bază fără a avea un microprocesor “help”.
Pentru cablurile modem DOCSIS, companiile Broadcom si Libit (acum Texas Instruments) sunt cunoscute ca producătoare a MAC ASIC standard. Connexant are de asemenea pe piață un MAC care se leagă mai mult de software pentru a rezolva diferite funcții și se presupune că-i dă mai multă flexibilitate. Alte companii sunt cunoscute că lucrează la diferite cipuri MAC atât pentru DOCSIS cât și pentru DVB/DAVIC având diferite partiții pentru hardware și software.
Câțiva producători de cabluri modem și-au creat chiar propriul MAC încercând să fie mai competitivi sau să-și diferențieze produsele.
Interface
Datele care trec prin MAC merg în interfața computerului prin CM, fie ea Ethernet, USB, PCI bus sau oricare alta.
CPU
Microprocesorul nu este arătat explicit în diagramă dar pentru cablurile modem externe un CPU este necesar. Câteva lucrări sunt făcute de cablurile modem bazate pe procesări care folosesc procesorul afferent din PC sau MAC pentru a face toate procesările necesare (sau aproape toate). Este asemănător cu modul în care modemurile telefoniei analog (WinModem) se leagă de procesorul PC pentru a procesa.
Pentru cablurile modem externe având o interfață Ethernet, Motorola împreună cu Power PC au creat o serie de microprocesoare foarte populare , dar sunt folosite și altele avand o arhitectură bazată pe RISC.
Tunerul
Tunerul se conectează la outlet-ul cablului, câteodată împreună cu un splitter care separă canalul de date pentru internet de cel de programe CATV. Câtă vreme datele de internet vin printr-un canal nefolosit pe cablu, tunerul doar primește semnalul digital modulat și îl redirecționează spre demodulator.
În unele cazuri tuner-ul conține un diplexer, care permite acestuia să folosească un set de frecvențe, în general cuprinse între 42-850 MHz, pentru traficul downstream și a unui alt set de frecvențe, cuprinse între 5-42 MHz, pentru datele upstream. Alte sisteme, în special cele care au o capacitate limitată pentru canale, vor folosi tuner-ul modemului de cablu pentru datele downstream și un modem conectat prin dial-up pentru traficul upstream. In ambele cazuri după ce tuner-ul primește un semnal îl redirecționează spre demodulator. [www 04]
Modulatorul
În modemurile de cablu care folosesc sistemul de cablu pentru traficul upstream, modulatorul este folosit pentru convertirea datelor rețelelor de computere digitale în semnale de transmisie în domeniul frecvenței radio. Această componenta este numita burst modulator, din cauza iregularității traficului dintre utilizator și internet și consistă din 3 parti:
– O secțiune pentru inserarea informațiilor folosite la corectarea erorilor la capătul receptor;
-Un modulator QAM ;
-Un convertor digital analogic D/A ;
Demodulatorul
Cele mai multe demodulatoare au 4 funcții: Un demodulator QAM preia semnalul frecvenței radio care are informații codate prin variația atât a amplitudinii cât și a fazei undă și le transformă într-un semnal simplu care poate fi procesat de un convertor analog sau digital (A/D); [www 04]
Convertorul A/D preia semnalul, care variază în voltaj, și îl transformă într-o serie digitală de la 1 secunda pana la 0 secunde.
Un modul de corectare a erorilor cerceteaza ca informațiile primite să fie într-un standard cunoscut , astfel încât problemele de transmisie să fie găsite și rezolvate.
Microprocesorul
Rolul microprocesorului depinde într-o oarecare măsură de menirea modemului de cablu de a face parte dintr-o structură mai largă de calculatoare sau de a distribui accesul la internet fără suportul altor calculatoare. Microprocesorului intern îi sunt atribuite multe din funcțiile MAC-ului. [www 04]
În sistemele în care modemul de cablu este singura unitate necesară pentru accesul la internet, microprocesorul preia și mai multe funcții.
MAC-ul
MAC-ul este amplasat pe porțiunea din modemul de cablu dintre upstream și downstream și acționează ca o interfață, între porțiunile hardware și software, a diferitelor protocoale de rețea. Toate dispozitivele rețelei conțin MAC-uri, dar în unele cazuri task-urile sunt mult mai complexe decat acelea ale unor interfețe card de rețea.
Din aceste motive, în majoritatea cazurilor unele funcții ale MAC-ului vor fi preluate de către CPU (central processing unit), fie de CPU-ul din modemul de cablu, fie de CPU-ul sistemului utilizatorului.
Caracteristici:
– Calibreaza nivelul TX;
– Calibreaza referința de timp;
– Alocă frecvența Upstream și rata datelor;
– Alocă slot-urile de timp (lungimea de bandă Upstream);
– Rulează atât pe modemurile de cablu cât și pe Head-end;
– Foarte asemănător cu un protocol satelit;
Mecanismul MAC este implementat în hardware sau în combinație de hardware și software. Scopul principal al MAC-ului este să împartă resursele într-un mod rezonabil. Atât CMTS-urile cât și modemurile de cablu implementează protocoale care să facă compensarea diferitelor pierderi pe cablu. Este esențial ca burst-urile upstream-ului de la toate modemurile de cablu să fie primite în Head-end la același nivel. Daca 2 modemuri de cablu transmit în același timp, dar unul este mult mai slab ca celalalt, CMTS-ul va recepționa doar semnalul puternic,presupunând că totul e în ordine. [www 04]
Capitolul 4
– Conceptul DOCSIS –
4.1 Stream-urile
4.1.1 Upstream
4.1.1.1 Conceptul Upstream
4.1.1.2 Formatul datelor Upstream
4.1.2 Downstream
4.1.2.1 Conceptul Downstream
4.1.2.2 Formatul datelor Downstream
4.2 DOCSIS
4.2.1 DOCSIS – Prezentare generală
4.2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS
4.2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu
4.2.4 Standardele DVB/DAVIC și MCNS/DOCSIS
4.2.5 Avantaje DOCSIS
4.1 Stream-urile
Când o companie de cablu oferă acces la internet prin cablu TV, informațiile de internet pot folosi același cablu datorită faptului că sistemul CM alocă datele downstream, datele trimise dinspre internet spre calculatoare, pe un canal de 6 MHz. Pe cablu datele seamănă cu un canal TV. Astfel datele downstream ocupă acelașsi spațiu pe cablu ca și un canal TV. Datele upstream, informații de la utilizatori spre internet necesită chiar mai puțină lungime de bandă pe cablu (doar 2 Mhz), datorită faptului că majoritatea utilizatorilor downloadează mai multe informații decât uploadează. [www 04]
Datorită datelor upstream și downstream sistemul de televiziune prin cablu necesita 2 tipuri de echipament: Modemul de cablu la utilizator și CMTS-ul la terminația distribuitorului de cablu. Între aceste două tipuri de echipament toată rețeaua de calculatoare, securitatea și managementul accesului la internet, se află sub control.
4.1.1 Upstream
4.1.1.1 Conceptul Upstream
-Frecvența:5-65 MHz(5-42 MHz)
-Lungimea de bandă:2 MHz
-Modularea QPSK sau 16-QAM
-Rata datelor 3 Mbit/s (~400 Kb/s)
-Transmiterea în timeslot a bursts-urilor de date(TDM)
Upstream este termenul folosit pentru semnalul transmis de modemul de cablu. Mai multe modemuri pot transmite pe aceeași frecvență.
Frecvența tipică este 5-65 MHz sau 5-42 MHz. Lungimea de bandă a unui canal poate fi de 2 MHz sau 3 Mbit/s QPSK.
Formele modulării sunt QPSK(2 biti/symbol) și 16-QAM(4 biți/symbol), ultima fiind mai rapidă dar și mult mai sensibilă.
Un downstream este de obicei împerecheat cu un numar de canale upstream pentru a putea dobandi o balanță a datelor pe lungimea de bandă cerută.
Fiecare modem transmite bursts-uri în timeslot-uri care pot fi marcate sau rezervate.
Slot-uri rezervate:
Un slot rezervat este un slot de timp care este este rezervat la un modem de cablu specific. Nici unui alt modem de cablu nu-i este permis să transmită în acel slot de timp.
CMTS-ul(Head-End-ul) alocă slot-urile de timp la diferite modemuri de cablu printr-un algoritm al lungimii de bandă.
Slot-urile rezervate sunt de obicei folosite pentru transmisii lungi de date.
Slot-urile accesibile:
Slot-urile de timp marcate ca accesibile slot-uri, oferă posibilitatea de a transmite tuturor modemurilor de cablu. Dacă două modemuri de cablu se hotarasc să transmită în acelaș slot de timp, pachetele se intercalează și datele se pierd. CMTS-ul va semnala atunci că nici o dată nu a fost primită astfel încât modemurile de cablu să încerce din nou în alt timp (aleator).
Slot-urile accesibile sunt de obicei folosite pentru o transmisie scurtă de date.
Slot-urile de gradare:
Datorită distanței fizice dintre CMTS și modemul de cablu întarzierea variază foarte mult și poate fi de rangul milisecundelor. Pentru a compensa acest lucru toate modemurile de cablu “angajează” un protocol “de gradare” care efectiv mișca înainte sau înapoi “ceasul” individual al CM-ului pentru a compensa această întârziere.
Pentru a realiza aceasta, un numar de slot-uri de timp consecutive (de obicei 3) sunt așezate alăturat. Modemul de cablu este programat să încerce să transmită ceasului local să facă o corectură, având o valoare pozitivă sau negativă.
Alt scop al slotului de gradare este să facă toate modemurile de cablu să transmită la un nivel al puterii astfel încât informațiile să sosească la CMTS la același nivel. Acest lucru este esențial pentru detectarea coliziunilor dar și pentru obținerea performanței optime a demodulatorului upstream din CMTS. Variația atenuantă de la modemul de cablu la CMTS poate atinge mai mult de 15 dB. [Cic 00],[www 01]
4.1.1.2 Formatul datelor Upstream
-Corectarea Reed-Solomon a erorilor;
-18 sloturi de timp pe 3 ms(DVB/DAVIC);
-Sloturi de timp rezervate pentru date mai lungi;
-Sloturi accesibile pentru date mai mici(inițiere);
-Sloturile de gradare: 3 ;
Datele Upstream sunt aranjate în burst-uri scurte. Standardele DVB/DAVIC necesită o lungime fixă a burst-ului, iar standardele MCNS o lungime variabilă a acestora.
Pentru DVB/DAVIC există un cuvant unic reprezentat pe 32 de biți de date. Fară cuvântul unic demodulatorul ar putea ușor să înceapă demodularea diferitelor semnale perturbate(zgomote). Astfel ar fi toate ocupate la sosirea datelor reale. De asemenea cuvantul unic distribuie resincronizarea la fiecare burst. Dacă cele 2 semnale sunt la fel de puternice, CMTS-ul va știi ca a avut loc o coliziune.
Caracteristici:
-Compensarea diferitelor întârzieri pe cablu. Dimensiunea rețelei CATV implică întârzieri mari de rangul milisecundelor.
-Alocarea frecvențelor la modemurile de cablu. Modemul de cablu primește informația de la Downstream și strânge informații despre unde și cum să răspundă.
-Alocă slot-urile de timp pentru Upstream.
4.1.2 Downstream
4.1.2.1 Conceptul Downstream
-Frecvența este 65-850 MHz;
-Lungimea de bandă 6 MHz(USA) sau 8 MHz(Europa);
-Modularea 64-QAM(sau 256-QAM);
-Rata de transfer a datelor:27-56 Mbit/s (4-7 Mbyte/s);
-Un stream continuu al datelor;
-Este primit de toate modemurile;
Downstream este termenul folosit pentru semnalul recepționat de modemul de cablu. Caracteristicile electrice sunt arătate în tabelul de mai jos. A se nota că cele mai multe rețele CATV din Europa au o lungime de bandă a canalelor TV de 8 MHz, pe când rețelele CATV din USA au doar 6 MHz.
Șirul transferului de date depinde de modularea și de lungimea de bandă în felul următor:
Notă: Un transfer al simbolului de 6.9Msym/s este folosit pe o lungime de bandă de 8 MHz și 5.2Msym/s pe o lungime de 6 MHz, în calculele anterioare. Șirul ratei-bit este cumva mai mare decât rata efectivă a datelor din cauza corectării erorilor, a framing-ului și a altor over-head-uri.
Din moment ce datele downstream sunt recepționate de toate modemurile de cablu lungimea totală de bandă este împărțită de către toate modemurile active din sistem. Aceasta este similară cu un Ethernet numai că lungimea de bandă pierdută de Ethernet este mult mai mare. Fiecare modem de cablu filtrează datele necesare din stream-ul datelor. [Cic 00] ,[www 01]
4.1.2.2 Formatul datelor Downstream
-Corectarea Reed-Solomon a erorilor;
-Corectează 6 erori in 204 bytes;
-Mesaje MAC;
-Celule ATM(DVB/DAVIC);
-Date adresate unuia, mai multor sau tuturor modemurilor de cable;
Datele Downstream sunt în concordanță cu specificația MPEG-TS. Acesta are un format bloc simplu 188/204 bytes la începutul fiecărui bloc având un singur bit sync fixat. Algoritmul de corectare a erorilor Reed-Solomon reduce mărimea blocului de la 204 bytes la 188 bytes, lăsând 187 de bytes pentru MPEG.
4.2 DOCSIS
4.2.1 DOCSIS – Prezentare generală
DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) definește necesitatea unei interfețe a modemului de cablu ce este implicat în distribuția datelor la o viteză ridicată prin sistemele rețelelor de cablu TV. Acest proiect asigură echipamentele modemului de cablu suplimentat cu viteza superioara.
Beneficiile operatorilor de cablu:
• Operatorii de cablu pot distribui o multitudine de servicii având o valoare ridicată printr-o conexiune la internet “permanenta”, inclusiv telefonie, jocuri interactive, video-conferinte, etc. Produsele DOCSIS sunt standarde dar variante îmbunătățite se pot vinde la prețuri mult ridicate.
• Consumatorii au astfel posibilitatea să obțină conectări la internet la un preț foarte mic și într-un timp foarte scurt. [www 02]
4.2.2 Nivelurile definite de standardul DOCSIS
Specificațiile interfeței DOCSIS au permis dezvoltarea sistemelor de transmisie de date prin cablu pentru transferul transparent bidirecțional al traficului IP (Internet Protocol) între terminalul principal și abonați prin intermediul cablului coaxial.
Sistemul este format dintr-un CMTS aflat la terminalul principal, un mediu coaxial sau HFC, și un modem de cablu aflat la abonat compatibil cu DOCSIS –niveluri definite care suportă interoperabilitatea și evoluția capabilității caracteristicilor de a permite viitoare servicii.
Nivelurile definite de DOCSIS sunt urmatoarele:
– nivelul de rețea IP;
– nivelul legătură de date care include:
– nivelul controlului logic al legăturii conform cu standardul Ethernet;
-nivelul securității legăturii pentru confidențialitate, autorizare și identificare;
– nivelul MAC (Media Access Control) pentru operații care suportă unități de protocol de date (Protocol Data Units – PDU) cu lungimi variabile și următoarele caracteristici:
• controlul conținutului și al transmisiei CMTS-ului;
• unitate de minisloturi către upstream;
• eficiența lărgimii de bandă de-a lungul pachetelor de lungime variabilă;
• extensie pentru viitorul suport ATM (Asynchronous Transfer Mode – mod de transfer asincron) sau alte tipuri de PDU.
– nivelul fizic care include:
convergența nivelului downstream conform MPEG-2;
subnivelul PMD (Physical Media Dependent) pentru: downstream bazat pe ITU-T anexa B cu 64 sau 256 modulație cuadratică în amplitudine (Quadrature amplitude modulation – QAM), concatenarea corecției de erori (forward error correction – FEC) Reed-Solomon si Trellis;
Nivelul fizic DOCSIS permite o flexibilitate considerabilă pentru a asigura o calitate bună a transmisiei care poate fi atinsă prin rețelele de cablu de calitate diferita. [Cic 00]
4.2.3 Semnale DOCSIS ale modemului de cablu
Aceasta secțiune conține informații despre caracteristicile electrice ale semnalelor downstream și upstreamdin sistemele CM definite de DAVIC și DOCSIS.
QPSK(Quaternary Phase Shift Keying): Datele ce trebuiesc transmise sunt grupate în blocuri de 2 biti care pot avea 4 valori diferite(00 01 10 11). Aceste blocuri sunt transmise prin împărțirea fazei în 4 stări. Astfel rata semnalelor este jumatate din rata transmisiei.
16-QAM (16-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele ce trebuiesc transmise sunt grupate în blocuri de câte 4 biți care pot avea 16 valori diferite. Atât faza cât și amplitudianea transmiterii poate lua oricare dintre aceste valori. Rata semnalelor este astfel un sfert din rata transmisiei.
64-QAM (64-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele care trebuiesc transmise sunt grupate în blocuri de cate 6 biți care pot avea 64 de valori diferite. Atât faza cât și amplitudinea pot lua una dintre aceste valori. Rata semnalelor reprezinta o șesime din rata transmisiei.
256-QAM (256-level Quadrature Amplitude Modulation): Datele care trebuiesc transmise sunt grupate în blocuri de câte 8 biți care pot avea 256 de valori diferite. Atât faza cât și amplitudinea pot lua una dintre aceste valori. Rata semnalelor reprezinta o optime din rata transmisiei. [Ghe 03 ]
Caracteristici:
Următoarele caracteristici reprezintă o mică parte din descrierea completa a unui semnal DOCSIS. Vor fi prezentate doar acele caracteristici care au o directă legatură cu sistemul de calcul al lungimii de bandă sau a nivelelor semnalului.
Lungimile de bandă și ratele de transmisie Upstream:
Lungimile de bandă și ratele de transmisie Downstream:
Rata transmisiei reprezintă rata la care binary digits sunt transportati. Rata transmiterii informației utile totdeauna va fi mai mică decât aceste măsurători deoarece exista pe semnal biți overhead. Aceștia reprezintă pentru Downstream aproximativ 10% iar pentru Upstream 15%.
4.2.4 Standardele DVB/DAVIC și MCNS/DOCSIS
DVB și DAVIC
DVB (the Digital Video Broadcasting Project), este o organizație constituită pentru dezvoltarea globală a standardelor televiziunii digitale. Această organizație a fost implicată în mod activ în dezvoltarea standardelor specifice transmiterii audio, video și transmiterea datelor prin cablu.
DAVIC (Digital Audio Visual Council) este o organizație creată în vederea dezvoltării standardelor transmiterii interactive a datelor prin modemuri de cablu și set-top boxes. La fel ca și DVB, această organizație a lucrat la aceste standarde ani la rand.
Aceste standarde au fost adoptate cu succes de corporații internaționale majore și asigură transmiterea interactivă a servicilor prin set-top boxes la fel ca și transmiterea datelor la o viteza mareprin modemuri de cablu.
MCNS și DOCSIS
MCNS, este un consorțiu predominând în operatori de servicii prin cablu nord-americani . A fost creat pentru dezvoltarea unor standarde rapide și sigure de transmitere a datelor prin rețele de cablu. În America de Nord standardele DOCSIS/MCNS au fost dezvoltate pentru o precizie mai mare a operațiilor pe cablu. Ca și rezultat au apărut standarde și produse potrivite pentru transmiterea datelor prin modemurile de cablu (Ex: Traficul IP mai exact). Cu toate acestea recent s-a constatat că mulți utilizatori folosesc și standardele DAVIC.
Este important pentru un dispozitiv de recepție să fie flexibil și să suporte recepții simultane de date și video. DAVIC suportă acest mecanism prin folosirea uni canal “ieșit din bandă". Astfel se permite utilizatorilor să folosească serviciile de internet fără a se afecta partea video. De exemplu, folosind un canal “ieșit din bandă" DAVIC asigură o cale prin care clientul recepționează separat transmisia video și cea a datelor.
Pentru obținrea acelorași rezultate folosind DOCSIS, producătorii set-top boxes trebuie să instaleze două demodulatoare QAM fără o suplimentare a costurilor.
În cazul aplicațiilor asupra modemului de cablu, costul și arhitectura modemurilor de cablu DVB-DAVIC cât și a modemurilor de cablu DOCSIS sunt echivalente.
Diferențe tehnice:
Cele două standarde DVB/DAVIC și DOCSIS/MCNS utilizate în distribuția datelor spre Set-Top Box-uri sau a modemurilor de cablu diferă prin eficiența lor și anume, dacă pentru Set-Top Box-uri o eficiență mai mare o are DVB/DAVIC , pentru sistemele cu modem de cablu PC mai puternic este DOCSIS/MCNS. Iată și câteva aspecte de ordin tehnic ce fac diferența între cele 2 standarde:
Modularea Downstream
DVB/DAVIC
• QPSK (pentru canale “ieșite din bandă”);
• 16, 64, și 256 QAM (MPEG-2 transport) pentru canalele din banda;
DOCSIS
• 64 și 256 QAM (MPEG-2 transport);
Modularea Upstream
DVB/DAVIC
• QPSK
DOCSIS
• QPSK si 16 QAM
Moduri de acces:
• DVB/DAVIC suportă rezervarea și fixarea ratei de acces pe un bit pe același canal;
• DOCSIS nu suporta fixarea ratei de acces pe un bit;
Capacitati de fragmentare
• DVB/DAVIC suportă lungimi de fragmentare variabile ce permit o flexibilitate ridicată pentru a suporta diferite calități ale serviciilor;
• DOCSIS nu suportă un mecanism de fragmentare, ajungându-se astfel la probleme când transmisiile vocale sau serviciile cu întârziere sensibilă sunt transportate împreună cu datele pe același canal upstream.
Concluzii
Ambele standarde pot fi folosite pentru comunicarea bi-directională a traficului IP fie spre set-top box-uri fie spre modemuri de cablu. Pentru canalele downstream “ieșite din bandă” DVB este superior, atâta vreme cât DOCSIS nu are definită o soluție pentru acest spațiu. Pentru modemuri de cablu și pentru canale de date QAM spre set-top box-uri cele două standarde sunt echivalente la nivel tehnic. Alegerea DVB/DOCSIS se face în funcție de factori ca: disponibilitate, factori economici, etc.
4.2.5 Avantaje DOCSIS
• banda de up-stream de până la 30Mbs și banda de down-stream de până la 40Mbs. Aceasta înseamnă în primul rând trafic foarte mare în ambele sensuri (internet-abonat, abonat-internet), fapt care permite realizarea unor servicii de bandă largă de mare viteză (conferința audio-video, telefonie, internet de mare viteză).
• folosindu-se tehnologia DOCSIS scade și influența zgomotului și perturbațiilor din rețea asupra datelor transportate între terminale, fapt care permite legarea rapidă a echipamentelor CMTS- modemuri de cablu.
Calitatea echipamentelor este cea mai bună de pe piață în domeniu, cei mai mari operatori de cablu din lume trecând foarte repede la aceasta tehnologie capabilă, și fără îndoială, de mare perspectivă.
Capitolul 5
– Rețeaua de fibră optică –
5.1 Caracteristici generale ale sistemului prin firbră optică
5.1.1 Bazele transmisiei în sistemele bazate pe fibră optică
5.1.2 Construcția fibrei optice
5.1.3 Tipuri de fibră optică
5.1.4 Construcția cablului de fibră optică
5.1.5 Transmițătoare optice
5.1.6 Receptoare optice
5.1.7 Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice
5.1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice
5.1.9 Proprietăți ale fibrei optice
5.1.10 Proiectarea unui sistem bazat pe fibră optică
5.1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibră optică
5.1. Caracteristici generale ale sistemelor prin fibră optică
Epoca tehnologică în care trăim astaza este rezultatul a multe invenții ingenioase și descoperiri, dar cea care este probabil responsabilă pentru această evoluție, este abilitatea noastră de a transmite informația și mediul pe care îl folosim pentru aceasta. Progresând de la cablul de cupru de acum un secol, până la cablul de fibră optică de astaza, abilitatea crescândă de a transmite informația, mai repede și pe distanțe mai mari, a extins granițele dezvoltării tehnologice în toate domeniile.
Astaza cablurile de fibră optică cu pierderi mici (low-loss fiber optic cable) oferă lățime de bandă aproape nelimitată și avantaje unice față de toate mediile de transmisie precedente.
În termeni simpli, cablajul de fibră optică este descris ca un mediu pentru transportarea informației de la un punct la altul sub formă de lumină. Spre deosebire de transmisia prin cupru, transportul prin firbră optică un este de natură electrică.
Informația în rețeaua optică este transportată cu ajutorul luminii prin cable de fibră optică.
Din punctul de vedere al opticii, pentru a obține informații despre un obiect trebuie îndeplinite cel puțin trei condiții și anume:
a) obiectul să fie luminos, adică să emită lumină direct sau indirect ;
b) lumina care provine de la obiect să fie transmisă către locul unde se face detecția fără pierderi prea mari ;
c) cantitatea de lumină care ajunge la locul de detecție să fie suficient de mare. Observăm că mediul prin care se transmite informația optică este de importanță esențială pentru ca semnalul optic transmis să nu fie “mutilat” sau distorsionat ;
Metodele clasice, bazate pe folosirea lămpilor cu incandescență, nu numai că sunt greoaie și implică iluminări mici, dar prezintă și riscuri datorită folosirii conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăți sunt eliminate dacă iluminarea se face din afară prin intermediul unei fibre optice subțiri.
Această posibilitate este faciliată de natura electromagnetică a luminii, frecvența undelor luminoase fiind mult mai mare decât cea a undelor radio. Într-un context mai general fibrele optice reprezintă un domeniu al opticii integrate, iar progresele care vor fi obținute în cadrul opticii integrate vor depinde foarte mult de progresele ce se vor realiza în domeniul fibrelor optice.
Ca domeniu al opticii, care a apărut exclusiv din necesități practice dintre cele mai diverse, fibrele optice au cunoscut o dezvoltare rapidă după anul 1950 ca rezultat al obținerii primelor fibre optice cu performanțe ridicate. Principiul de funcționare al fibrelor optice este asemănător, din multe puncte de vedere, cu principiul de transmitere a luminii printr-o baghetă de sticlă transparentă. Teoretic, lumina poate fi transmisă printr-o astfel de bachetă de sticlă optică, dacă indicele de refracție al sticlei este mai mare decât indicele de refracției al aerului. Din punct de vedere practic însă, neomogenitățile de compoziție și de prelucrare, precum și impuritățile de pe suprafața materialului implică piederi foarte mari de lumină de-a lungul parcursului luminii. Pe de altă parte, natura electromagnetică a radiației luminoase arată că pot apărea pierderi de lumină și fenomene parazite care limitează drastic posibilitățile de folosire practică a fibrelor optice.
Fibrele optice sunt ghiduri de lumină folosite pentru transmiterea informațiilor cu piederi mici de energie dintr-un loc în alt loc. Vom analiza transmiterea radiației luminoase prin fibrele optice din punctul de vedere al opticii geometrice și din punctul de vedere al opticii ondulatorii.
Fibra optică simplă
Prin fibră optică simplă înțelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, cu secțiunea transversală circular simetrică și indicele de refracție constant sau radial variabil, separat de un alt material cu indicele de refracție constant și mai mic, pentru ca la suprafața de separare să se producă reflexia totală a radiației luminoase, fără pierderi. Tehnologia de obținere a fibrelor optice este prezentată de Tader și Spulber (1985).
Fibra optică simplă are deja multiple aplicații practice. Ea poate fi folosită ca aparatură de dimensiuni mici în cele mai diverse dispozitive. De asemenea, ea este folosită pentru transportul energiei radiative în scopuri de încălzire locală a materialelor. De exemplu, în cuplaj cu o lampă incandescentă de 100W fibra optică simplă s-a folosit pentru sudarea conexiunilor din dispozitivele electronice.
CABLURI DIN FIBRE OPTICE
Deși fibra optică simplă are o mare flexibilitate, datorită faptului că energia și cantitatea de informație transmise prin fibră sunt limitate, se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple.
Cablurile de fibre optice sunt de două feluri:
Cabluri necoerente sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci când semnalul transmis de o fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului; în astfel de cabluri nu este importantă poziția relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul;
Cabluri coerente, folosite în special pentru transmiterea imaginilor; la asemenea cabluri poziția relativă a diferitelor fibre simple care intră în componența acestora este de importanță vitală.
CABLURILE NECOERENTE
Funcția primară a cablurilor necoerente este de a transmite lumina dintr-un loc în alt loc. Avantajele lor față de alte dispozitive optice care pot îndeplini același rol sunt flexibilitatea, eficiența ridicată, compactitatea și posibilitatea de modelare a secțiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii după drumuri complicate fără să fie necesară folosirea oglinzilor sau a prismelor. Eficiența ridicată poate avea valori mai mari decât unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atât forma secțiunii transversale a unui fascicul luminos cât și numărul de fascicule transmise; un singur fascicul de lumină poate fi divizat în mai multe fascicule de lumină separate, sau mai multe fascicule de lumină pot fi combinate într-un singur fascicul de lumină.
Diametrul fibrelor optice de sticlă folosite pentru alcătuirea cablurilor poate ajunge până la 0,15mm fără ca flexibilitatea cablului să se reducă prea mult. Dacă se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi de cca 1,5mm. Prin curbarea (îndoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitări duc la micșorarea transmitanței cablului. În cazul cablurilor de sticlă transmitanța se stabilizează la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mică decât cea inițială după aproximativ 100 de solicitări, pe când la cablurile din fibre de material plastic transmitanța continuă să se reducă cu creșterea numărului de solicitări.
Temperatura până la care se folosesc cablurile de sticlă depinde de materialul stratului protector și de materialul folosit pentru unirea fibrelor și poate fi de până la 4ooºC, iar temperatura maximă la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusă de materialul plastic folosit pentru obținerea fibrelor.
CABLURILE COERENTE
Deoarece fiecare fibră optică simplă, componentă a cablului, poate transporta o anumită cantitate de energie, corespunzătoare unui anumit element de suprafață a obiectului, independent și fără influența fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc în altul.
Fibra optică este extrasă din furnal pe un tambur, având însă grija de a poziționa spirele succesive ale elicoidului unele lângă altele fără să se suprapună. După ce s-a obținut lățimea dorită, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numărul straturilor depinzând de numărul de fibre care trebuie sa alcătuiască cablul. După ce s-a realizat numărul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obținerea unor fibre mai subțiri de cca 20 μm, motiv pentru care se procedează la reîncălzirea cablului și întinderea sa obținându-se fibre cu diametre de cca 5 μm.
Datorită grosimii finite a materialului învelișului protector, o anumită cantitate de energie se pierde. Împrăștierile din miezul fibrei și la suprafața fibrelor duc de asemenea la pierderi de energie. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibră în alta. În cazul cablurilor nocerente aceasta duce, în cel mai rău caz, la micșorarea fluxului luminos. În cazul cablurilor coerente însă trecerea luminii dintr-o fibră în alta este însoșită de micșorarea contrastului din imaginea finală, motiv pentru care fibrele se acoperă cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticlă.
În general, cele două tipuri de cabluri optice, coerente și necoerente, prezintă aceleași proprietăți optice, deși din anumite puncte de vedere pot apărea deosebiri. De exemplu, folosirea izolației pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibră optică în ,alta face ca apertura numerică a cablurilor optice coerente să fie mai mică din cauza creșterii atenuării razelor de lumină mai înclinate față de axă. În plus, de interes deosebit devine funcția de propagare efectivă.
Izolația dintre fibre nu este perfectă, încât de aceea, în fibre poate apărea lumină parazită. Când iluminarea suprafeței de intrare a cablului se menține în conul de lumină cu semiunghiul la vârf i<imax, lumina parazită se poate datora uneia din următoarele cauze:
pătrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei;
abaterea de la reflexia internă totală;
împrăștierea luminii în fibră sau la suprafața ei;
curbarea cablului.
Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni include punctele întunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte și deformările imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor în cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axială determină o deplasare laterală a imaginii.
5.1.1 Bazele transmisiei în sistemele bazate pe fibră optică
Într-un sistem bazat pe fibră optică, informația (voce, date sau video) este transmita prin fibră în următorul fel: odată codate în semnale electrice, acestea sunt convertite în semnale luminoase care parcurg fibra până ajung la un detector care transformă semnalele luminoase înapoi în semnale celectrice care sunt apoi decodate în informație sub formă de voce, date sau video. Un sistem de transmisie prin fibră optică punc-la-punct (point-to-point) constă din trei elemente de bază: transmițătorul optic, cablul de fibră optică și receptorul optic.
Fig.5.1 – Sistem bazat pe fibră optică
5.1.2 Construcția fibrei optice
Vă puteți gândi la fibra optică la fel ca și la un conductor de lumină. Componentele din interiorul unei fibre optice folosesc materialele cu indici de refracție diferiți pentru a ghida lumin. O fibră optică este alcătuită dupa cum se arată în figura 5.2, din:
O fibră optică are următoarele părți (vezi fig. 5.2)
miezul (core) – centrul subțire al fibrei pe unde circulă lumina;
învelișul (cladding) – materialul optic din afară care înconjoară miezul și reflectă lumină înapoi în el;
învelișul extern (buffer coating) – înveliș de plastic care protejează fibra de stricăciuni și umezeală.
Fig. 5.2 – Componența fibrei o ptice
Core (miezul) este regiunea centrală a unei fibre optice prin care „călătorește” lumina și prin care este transportată informația. După standardele telecomunicațiilor, mărimea miezlui folosit astăzi este de 8.3 µm (single mode), 50 µm (multimode), 65.5 µm (multimode). [2]
Miezul are un indice de refracție scăzut și este mediul de lumină primar.
Un fir de păr are aproximativ 70 µm.
Cladding (manta) înconjoară miezul (core). Mantaua este de asemenea făcută din sticlă dar are un indice de refracție mai scăzut decât miezul. Acesta face ca lumina să se reflecte în manta și să rămână conținut în miez.Diametrul acestuia este de 125 µm.
Miezul și mantaua sunt fabricate împreună ca o singură bucată de sticlă din siliciu cu mici diferențe de compoziție și nu pot fi separate una de alta. Sticla nu are o gaură în miez și este complet solidă peste tot.
Coating (învelișul extern) este învelișul extern și protejează mecanic fibra. De obicei este fabricat din plastic și protejează fibra de umezeală și distrugere. De obicei învelișul extern este un acril tratat cu lumină ultravilotă (UV) aplicat în timpul procesului de fabricare pentru a proteja fibra. În timpul procesului de instalare, învelișul este înlăturat de pe manta pentru a permite terminarea unui sistem de transmisie optic. Mărimea standard este de 250 µm sau 900 µm.
TRANSMIȚĂTORUL OPTIC convertește informația – cum ar fi vocea, date sau video, codate în semnale electrice – în semnale luminoase. Transmițătorul optic primește un semnal electric modulat și îl convertește într-un semnal luminos modulat, după care trimite semnalul luminos în cablu de fibră optică.
Tranmițătorul convertește un semnal electric analog sau digital într-un semnal optic corespondent. Sursa unui semnal optic poate să fie un LED (Light Emmiting Diode) sau o diodă LASER. Cele mai folosite lungimi de undă pentru transmițătoare sunt 850, 1310 și 1550 nanometri [2]. Toate trei benzile au o lățime de bandă de 25000 până la 30 000 GHz [5]
CANALUL DE FIBRĂ OPTICĂ este mediul care transportă semnalul. Cablul de fibră optică constă din una sau mai multe fibre de sticlă, care se comportă ca ghid de undă (waveguides) pentru semnalul optic. Cablul de fibră optică este asemănător cu cablul electric în construcție, dar oferă protecție specială pentru fibra optică din el. Pentru sisteme care necesită transmisii pe distanțe de mai mulți kilometri sau unde două sau mai multe cabluri de fibră optică se unesc, se folosește un conector optic.
RECEPTORUL OPTIC este cel care primaste semanlul luminos și îl convertiste la loc în semnal modulat, adică convertiste semnalul optic înapoi în replica semnalului electric original. Detectorul semnalului optic este fie o fotodiodo de tip PIN sau o fotodiodo de tip avlanșă.
5.1.3 Tipuri de fibră optică
Constructiv, sunt două tipuri de fibră optică care se folosesc astaza: step index și gradet index. Lumina se propagă diferit prin aceste două tipuri de fibre, ca în figura de mai jos.
Fig.5.3 – Fibra optică de tip step index și graded index
După cum este arătat în Figura 5.3, fibra step index constă dintr-un miez de sticlă cu indice de refracție mic înconjurat de o manta cu un indice de refracție și mai mic. Aceasă diferență între indicii de refracție face ca lumina să balanseze (bounce) între interfața miez/manta de-a lungul întregii fibre.
La fibra graded index este folosit un singur tip de sticlă care însă e tratat în așa fel încât indexul de refracție descrește gradual după cum se mărește distanța de la miez. Rezultatul acestei construcții este că lumina se îndoaie continuu către centrul fibrei aproape la fel ca o lentilă continuă.
Fibra optică este caracterizată în funcție de dimensiunile miezului și ale mantalei, care sunt date în microni. În acest moment sunt trei mărimi pentru uz general deși există și alte mărimi care sunt folosite pentru aplicații speciale. Acestea sunt 50/125 și 62,5/125 la fibra multimode și 8-10/125 la fibra single-mode. Cele de 50 și 62.5 microni sunt folosite cu LED-uri și sunt folosite de obicei pentru lungimi mici și medii în transmisii point-to-point. Miezul de 8-10 microni este folosit cu LD-uri și este folosit adesea pentru telecomunicații la mare distanță. [2]
Odată ce lumina intră în fibra optică ea călătorește sub forma unui modul. Pot fi de a unul până la sute de module depinzând de tipul de fibră. Fiecare modul transportă o porție din lumina de la semnalul de intrare. În general numărul de module într-o fibră este o funcție a relației dintre diametrul miezului, apertura numerică și lungimea de undă.
Fibrele optice sunt de două feluri:
– fibre simple (single-mode) – folosite să transmiți un semnal pe fibră (folosite la tefoane și cablu TV);
– fibre multiple (multi-mode) – folosite să transmiți mai multe semnale pe aceeași fibră (folosite la rețelele de calculatoare). (fig. 5.4)
Ambele tipuri au rol de transmisie pentru lumină, dar operează în moduri direfite, au caracteristici diferite și sunt folosite la aplicații diferite.
Fig.5.4 – Fibra optică multimode și single-mode
Single-mode (SM) au miezul foarte subțire (cam 3,5∙10-4 inci sau 9 microni în diametru) și transmit lumină laser inflaroșu. Permite doar unui singur modul de lumină să străbată fibra. De obicei mărimea miezului este de 8.3 µm. Din cauză că miezul este așa mic, lumina conținută în aceasta este forțată să călătorească în linie dreaptă. Fibra single-mode, în general, are o capacitatea mai mare de a transporta informația (lățime de bandă) și poate transporta informația pe distanțe mai mari. De asemenea, aceasta este mai scumpă decât fibra multimode. Este folosită în aplicații unde sunt necesare pierderi scăzute de semnal și rate de date mari, pentru rute mari unde spațiul dintre repetoare/amplificatoare trebuie maximizat.
Fibra multimode permite mai multe module de lumină. Au miezul mai mare (cam 2,5∙10-3 inci sau 62,5 microni în diametru) și transmit lumină inflaroșie de la o diodă luminoasă (LED). Unele fibre optice sunt făcute din plastic. Acestea au un miez mai mare (0,04 inci sau 1 mm diametrul) și transmit lumină roșie din LED-uri.
Dimensiunile obișnuite sunt de 50 µm și 62.5 µm. În fibre cu miezul de această dimensiune lumina călătorește pe o cale mai lată ceea ce permite luminii să se segmenteze în mai multe căi, sau module multiple (multimode). Modularea ratelor de până la 200 Mbs este posibilă cu acest tip de fibră și pentru distanțe scurte. Unde costul electronicii este concentrat masiv, costul primar al sistemului nu se bazează pe cablu. În asemenea cazuri fibra multimode este mai economică deoarece poate fi folosită cu conectori ieftini și transmițătoare LED, asftel încât se ajunge la un cost total al sistemului mai mic.
Proiectarea tuturor fibrelor este un compromis deoarece producătorii nu știu exact cum vor fi folosite în practică. [4]
5.1.4 Construcția cablului de fibră optică
Cablurile de fibră optică sunt de toate mărimile și formele. La fel ca și cablul coaxial, construcția este în funcție de aplicația pentru care este dorită. La fel are aceeași aparență și feeling.
Fig. 5.5 – Cablu de fibră optică
În figura 5.5 este prezentată o schemă a cablului de fibră optică.
Fibra optică are un înveliș care este folosit în general pentru protecție în timpul procesului de fabricație. Apoi fibra este închisă într-un tup de PVC central care permite fibrei să se îndoaie mai ales atunci când este trecută pe lângă colțuri sau când sunt trase prin contacte.
În jurul tubului este un strat de kevlar care absoarbe șocurile la instalare. În sfârșit un înveliș exterior din PVC nu permite umezelii să intre în interior.
Cablu este ideal pentru aplicații inter-clădiri unde nu este necesară rigiditatea. Pe lângă cablul „basic” există o varietate de cabluri pentru orice aplicație, pentru îngropare directă, armat, rezistent la eroziune cu înveliș exterior din oțel, cablu rezistent la temperaturi, arial ADSS, arial OPGW.
Există cabluri multi-fibră codate color. [2]
Există încă două tipuri de fibră – fibră cu miez cu diametrul foarte mare făcut din silica și fibră făcută complet din plastic – nu sunt folosite, în general, pentru transmisii de date.
Fibra silica este folosită în aplicațiile care implică lasere de putere mare și senzori, cum ar fi în chirurgia medicală cu laser.
Fibrele din plastic sunt folositoare pentru legături de date foarte scurte într-un echipament deoarece pot fi folosite cu LED-uri ieftine. Un exemplu, poate fi un sistem de izolare pentru folosire ca parte a unei surse de putere de voltaj înalt sau o legătură de date între DF-ul unui copiator și restul copiatorului.
5.1.5 Transmițătoare optice
Transmițătoarele optice de bază convertesc semnalul electric de intrare în lumină modulată pentru transmisia prin fibră optică. Depinzând de natura acestui semnal, lumina modulată rezultată poate fi pornită și oprită sau poate fi variată liniar în intensitate între două nivele predeterminate.
Pentru transmisia semnalului optic, acesta este modulat în cablu de fibră optică sub formă de impulsuri de lumină. Semnalul este generat prin pornirea și oprirea sursei de lumină. Ideal semnalul ar trebui să fie sub formă de „valuri pătrate” (square wave) dar în realitate arată ca un „val sinusoidal” (sine wave) (fig.5.6).
Fig. 5.6 – Semnale optice
Deși modularea sursei de lumină poate fi făcută direct pornind și oprind sursa de lumină în configurațiile cu rate mari de date (multiple de Gbps) și distanțe mai mari de câțiva km modularea este de obicei făcută în exteriorul sursei de lumină. Sursa de lumină este ținută la o putere constantă și un fel de mecanism de închidere lasă să treacă sau blochează, alternativ, semnalul luminos (fig. 5.7).
Fig.5.7 – Modularea semnalului optic
Cele mai întâlnite dispozitive folosite ca sursă de lumină la transmițătoarele optice sunt LED (light emmiting diode) și LD (laser diode). Într-un sistem bazat pe fibră optică aceste dispozitive sunt amplasate într-un pachet care permite unei fibre optice să fie plasată ăn proximitatea regiunii de emitere a luminii pentru a absorbi cât mai multă lumină posibil în fibră. În unele cazuri emițătorul este prevăzut cu o lentilă sferică pentru a colecta și concentra „fiecare strop” de lumină în fibră iar în alte cazuri fibra este răsucită direct pe suprafața emițătorului.
LED-urile sunt surse de lumină mai răspândite și relativ ieftine. În general, au putere mică și sunt folosite unde distanța nu este critică (de exemplu între aparatele din camera calculatorului unde distanța este mai mică de câteva sute de metri)
Diodele laser sunt mai scumpe decât LED-urile și sunt folosite de obicei în aplicații single-mode de înaltă performanță pe distanțe mult mai mari. Pot fi folosite ca surse de lumină și în sisteme multimode dacă e necesar.
Tabelul de mai jos prezintă o comparație între LED-uri și LD-uri. [2]
Sursele de lumină emit impulsuri de lungimi de undă diferite. O lungime de undă se notează cu lambda (λ). Termenii λ și lungime de undă sunt deseori folosiți simultan. În practică echipamentele optice suportă rate de date de până la 10Gbs. Deși lungimile de undă sunt infraroșii și de aceea invizibile ochiului, sunt adesea numite „culori”.
Transmițătoarele sunt construite să emită lumină pe una dintre următoarele serii de lungimi de undă: 850, 1310 sau 1550 nanometri.
LED-urile pot emite lumină atât pe 850 cât și pe 1310 nanometri și au modularea frecvenței de 200 MHz sau mai puțin. Un laser obișnuit transmite pe 1310 sau pe 1550 nm și are capacități de modulare mai mari de 1 Ghz. [4]
LED-urile au relativ o suprafață de emisie mai mare și deci nu sunt la fel de bune surse de lumină ca LD-urile. Totuși, ele sunt folosite pe scară largă pentru distanțe de tranmisie de la mici la moderate pentru că sunt mult mai economice aproape liniare în termeni de lumină ieșită versus temperatură ambientală de operare. LD-urile pe de altă parte au suprafață de emisie foarte mică și pot „pompa” mult mai multă putere luminoasă în fibră decât LED-urile. LD-urile sunt de asemenea liniare în termeni de lumină ieșită versus curent electric de intrare dar spre deosebire de LED-uri nu sunt stabile peste o gamă largă de temperaturi de operare și necesită circuistică mai elaborată pentru a ajunge la o stabilitate acceptabilă. În plus costul lor le face în primul rând folositoare pentru aplicații care necesită transmisii de semnale pe distanțe mari.
LED-urile și LD-urile operează în spectrul electromagnetic infraroșu deci lumina este de obicei invizibilă ochiului uman.
Lungimile de undă la care operează sunt alese pentru a fi compatibile cu cele mai scăzute lungimi de undă de pierdere ale transmisiei ale fibrei de sticlă și cele mai ridicate sensibilități a fotodiodelor. LED-urile și LD-urile sunt modulate, după cum am mai arătat, în unul din cele două moduri: pornit – oprit (On – Off) sau liniar.
Fig. 5.8 – Circuistica LED și LD
Figura 5.8 arată circuisitica simplificată pentru a ajunge la fiecare metodă de modulare cu un LED sau LD.
În figura A un tranzistor este folosit pentru a comuta LED-ul sau LD-ul în pozițiile pornit – oprit în pas cu un semnal digital de intrare. Acest semnal poate fi convertit din aproape orice format digital cu circuistica corespunzătoare conducerii de bază corecte pentru tranzistor. Viteza generală totală este determinată de circuistica și de viteza corespunzătoare LED-ului sau LD-ului. Folosită în această manieră se obțin viteze de câteva sute de megaherzi (MHz) pentru LED-uri și mii de MHz pentru LD-uri. Circuistica pentru stabilizarea temperaturii pentru LD a fost omisă din exemplu pentru simplitate. LED-uri nu necesită în mod normal stabilizarea temperaturii.
Modularea liniară a unui LED sau LD este realizată de circuitul amplificator operațional din figura B. Intrarea inversată este folosită pentru aprovizionarea conducerii modulatoare a LED-ului sau LD-ului în timp ce intrarea neinversată aprovizionează referința DC. La fel a fost omis circuitul pentru stabilizarea temperaturii la LD pentru simplitate. [2]
Modularea digitală on/off a unui LED sau LD poate lua mai multe forme. Cea mai simplă după cum am văzut este lumina aprinsă (on) pentru “1” logic și lumina stinsă (off) pentru “0” logic. Celelalte două forme cunoscute sunt pulse width modulation (modularea lățimii pulsului) și pulse rate modulation (modularea ratei pulsului). Un șir constant de pulsuri este produs cu o lățime însemnând “1” logic și cu altă lățime “0” logic. În cel de-al doilea pulsurile sunt de aceeași lățime dar rata pulsului se schimbă pentru a diferenția între “1” și “0” logic.
Fig. 5.9 – Modularea ca funcție de lumină emisă
Modularea în format analog poate lua diferite forme. Cea mai simplă este modularea intensității unde luminozitatea unui Led este variată în pas cu variațiile semnalului transmis. În alte metode un purtător RF este întâi modulat în frecvență cu alt semnal sau, în unele cazuri, mai mulți purtători RF sunt modulați separat cu semnale separate apoi sunt combinați și transmiși ca o formă de undă complexă. Figura 5.9 arată tote metodele de modulare ca funcție de lumină ieșită emisă.
Frecvența echivalentă de operare a luminii, care este radiație electromagnetică este extrem de ridicată de ordinul a 1 000 000 GHz. Lățimea de bandă de ieșire a luminii produse de LED și LD este destul de largă. Din păcate tehnologia de astăzi un permite lățimii de bandă să fie folosită în mod selectiv la fel ca și frecvențele radio convenționale. De fapt, întreaga lățime de bandă optică este pornită și oprită. Totuși, cu timpul, cercetătorii vor trece peste acest obstacol și transmisiile coerente (coherent transmissions), după cum sunt numite, vor deveni direcția înspre care va evolua fibra optică.
5.1.6 Receptoare optice
La celălalt capăt al cablului de fibră optică, pornind de la transmițător, se află receptorul care folosește un detector foto pentru a converti semnalele luminoase care vin prin cablu în semnale electrice. Lungimea de undă a receptorului trebuie să se potrivească cu cea a transmițătorului.
Caracteristicile importante ale receptoarelor sunt performanțele sistemului care sunt Bit Error Rate (VER) (Rata biților eronați) pentru sistemele digitale iar pentru cele analogice Signal to Noise Ratio (SNR) (rata semnal-zgomot). Mai există saturarea și sensibilitatea.
Rata biților eronați (VER) este numărul de erori care au loc între transmițător și receptor, un număr tipic fiind 10-9 care înseamnă o eroare la fiecare 1 miliard de biți transmiși.
Saturarea arată puterea maximă receptată care poate fi acceptată. Dacă este primită prea multă putere, rezultatul este o distorsiune a semnalului, care duce la o performanță slabă.
Sensibilitatea este puterea minimă care trebuie primită la un semnal care sosește. Un semnal pera slab poate cauza biți citiți eronat sau deloc sau o rată semnal-zgomot mică (SNR).
Receptorul optic de bază convertește lumina modulată, care vine de la fibra optică, înapoi într-o replică a semnalului original aplicat transmiățătorului.
Detectorul acestei lumini modulate este de obicei o fotodiodă de tip PIN sau avalanșă. Acest detector este montat într-un conector similar folosit pentru LED sau LD. Fotodiodele au de obicei o suprafață senzitivă de detecție mare care poate fi până la câteva sute de microni în diametru. Aceasta relaxează nevoia pentru precauții speciale la centrarea fibrei în conectorul receptor și face alinierea mai puțin critică decât la transmițătoarele optice.
Deoarece cantitatea de lumină care există la ieșirea dintr-o fibră este destul de redusă, receptoarele optice au amplificare. Din această cauză, pentru orice sistem, e important să se folosească fibră de mărimea potrivită. Altfel se poate ajunge la supraîncărcarea receptorului optic. Dacă, de exemplu, o pereche transmițător/receptor proiectate pentru fibră single-mode ar fi folosite cu fibră multimode, cantitatea mare de lumină prezentă la ieșirea fibrei ar încărca receptorul și ar cauza un semnal distorsionat la ieșire. La fel, dacă o pereche transmițător/receptor proiectate pentru fibră multimode ar fi folosite cu fibră single-mode la receptor ar ajunge prea puțină lumină, rezultatul fiind un semnal la ieșire cu exces de zgomot sau un ar fi semnal deloc. Singurul caz în care un astfel de receptor care un se potrivește ar putea fi considerat, este atunci când fibra este cu exces de pierderi astfel încât un extra de 5 până la 15dB de lumină cuplat la o fibră multimode printr-o sursă de lumină pentru single-mode este singura șansă de obținere a unei operații bune. Totuși acesta este un caz extrem și un este recomandat în mod normal.
Ca și în cazul transmițătoarelor, receptoarele optice sunt atât analogice cât și digitale. Ambele tipuri au de obicei o fază de preamplificare de tip analog, urmat fie de o fază de ieșire de tip analog sau digital (depinzând de tipul de receptor).
Fig. 5.10 – Receptor optic analog
Figura 5.10 este diagrama funționabilă a unui receptor optic analog simple. Prima fază este un aplificator operacional conectat ca și convertir curent-voltaj. Acest pas ia puțin curent de la fotodiodo și îl convertiste în voltaj folosind de obicei gama minivolt. Următorul pas este o simplă operație de amplificare a voltajului. Aici semnalul este ridicat la nivelul dorit la ieșire. [2]
Fig.5.11 – Receptor optic digital
În figura 5.11 este diagrama funcțională a unui receptor optic digital simple. Ca și în cazul celui analog, prima fază e cea de conversie corent-voltaj. Ieșirea intră într-un comparator de voltaj care produce un semnal de ieșire digital curat cu o creștere rapidă, nivelul de întrerupător este folosit pentru a atinge punctul pe semnalul analog unde comparatorul se schimbă. Acesta permite simetria dorită la semnalul digital recuperat.
Pași adiționali sunt adăugați adesea la receptoarele optice pentru a furniza drivere pentru cabluri coaxiale, convertoare de protocol sau pentru a găzdui alte funcții petnru a reproduce semnalul original cât mai exact posibil.
Este de notat că, deși cablul de fibră optică este imun la toate formele de interfață, receptorul electronic nu este. Din această cauză, precauțiile normale, cum ar fi împământarea sau shielding, ar trebui luate când folosim componentele electronice pentru fibra optică.
5.1.7 Materiale si tehnologii pentru obtinerea fibrelor optice
Indiferent de compziti a aleasa , materialul dielectric utilizat pentru obtinerea fibrelor optice trebuie ssa raspunda urmatoarelor cerinte:
sa aiba transparenta cat mai buna la lungimea de unda a semnalului luminos folosit;
sa posede stabilitate chimica cat mai buna in timp ;
sa fie usor prelucrabil in toate fazele procesului tehnologic;
Materialele cu ce ami larga utilizare se pot grupa in trei categorii:
– bioxid de siliciu pur si amestecuri ale acestuia cu alti oxizi in cantitati mici , denumiti si dupanti ;
– sticle multi compozite ;
– materiale palstice.
Daca se are in vedere gradul de prelucrare a materialelor mentionate mai sus, este evidenta superioritatea polimerilor, care nu necesita temperaturi de lucru prea inalte.Cu toate ca utilizarea materialelor plastice nu numai pt invelisul optic, ci si pentru miez est eun subiect interesant de cercetat si experimentat, caracteristicile optice net inferioare in raport cu cele ale sticlei le recomanda numai pentru transmisii la distante mici, unde atenuare a semnalului optic de-a lungul fibrei are o importanta secundara.
Atat bioxidul de siliciu pur, cat si sticla multicompozitac au structura amorfa, sunt antizotrope si si se trag in fire din stare lichida la temperaturi inalte . Racirea rapida a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile si omogene ,in pofida tranzitiei printr-un domeniu termic in care este posibila aparitia cu totul nedorita a cristalelor.
Dezavantajele utilizarii sticlelor cu continut inalt de bioxid de siliciu se pot rezuma dupa cum urmeaza: in fazele de depunere de material si de tragerea fibrei vitezele sunt mici, iar procesele se desfasoara la temperaturi inalte, la care controlul geometriei preformei si al fibrei este dificil de realizat. Aceste dezavantaje sunt compensateinsa din plin de calitatea net superioara a fibrelor ptice obtinute prin oricare dintre cele cateva variante ale tehnoogiei depunerii chimice din faza de vapori.
Tehnologii de obtinere a fibrelor optice din sticle multicompozite
Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizand o gama larga de materiale, cu conditia de a se asigura proprietatile optice necesare si prelucrabilitatea ceruta de procesul de fabricatie.
Un alt aspect care are o influenta deosebita asupra performantelor fibrei optice est ecel legat de prezenta impuritatilorin compozitia materialului de baza. Faptul ca fibrele optice din sticle multicompozite prezinta valori mai ridicate ale atenuari decat celecu continut inalt de bioxid de siliciu se datoreaza prezentei in compoziti e a impuritatilor si, in special, a ionilor metalelor de tranzitie, care determina benzi de absorbtie considerabile in spectrul vizibil si infrarosu, chiar pentru valori foarte scazute ale concentratiei.Valuarea atenuarii la diferite lungimi de unda depinde de concentratia in impuritati, de gradul lor de oxidare si de compozitia sticlei in care se gasesc.Tabelul de mai jos prezinta cresterea atenuarii determinata de o marire cu o parte de milion a concentratiei in impuritati pentru trei tipuri de sticle si lungimea de unda de 850nm a fasciculului optic.
5.1.8 Tehnologia de montaj a fibrei optice
Conectorii optici sunt modalitățile prin care cablul de fibră optică este de obicei conectat la echipamente periferice sau la alte fibre. Aceștia sunt similari cu cei electrici în funcție și ca aspect exterior însă sunt mecanisme de mare precizie. În operare, conectorul centrează fibra astfel încât miezul de “adunare” al luminii să fie în linie cu sursa de lumină (sau cu altă fibră) cu toleranțe de câteva zeci de mii dintr-un inch. Deoarece mărimea miezului este de obicei de 50 microni (0,002 inch), nevoia de asemenea toleranțe extreme este de înțeles. Există mai multe tipuri de conectori optici care se folosesc astăzi. Conectorul SMA care a fost dezvoltat înainte de invenția fibrei single-mode, a fost cel mai popular tip de conector până recent. În figura 5.12 sunt reprezentate părțile componente ale acestui conector.
Fig.5.12 – Conector SMA
Cel mai popular tip de conector multimode folosit astăzi este conectorul ST. Construit inițial de către AT&T pentru aplicații în telecomunicații, acest conector folosește un tip de încuietoare de tip twist care conferă pierderi mai scăzute decît la SMA. O pereche de conectori ST mate vor avea mai puțin de 1 dB (20%) pierderi și nu neceistă bucșă de aliniere sau alte mecanisme similare. Includerea unei agățătoare anti rotație asigură că în orice moment conectorul e mat, fibrele întorcându-se întotdeauna la aceeași poziție de rotație asigurând o performanță constantă și uniformă. [2]
Conectorii ST există și pentru fibrele multimode cât si pentru cele single-mode diferența constând în general în toleranțe totale. Conectorii ST multimode se vor comporta normal doar cu fibre multimode. Conectorii ST single-mode, mai scumpi, sunt potriviți și pentru single-mode cât și pentru multimode.
Fig. 5.13 – Conector ST
Procedura de instalare pentru conectorul ST este similară cu cea a conectorului STM și necesită aproximativ același timp. Figura 5.13 prezintă conector ST.
Deși conectorii optici pot fi folosiți pentru a conecta cablurile de fibră optică împreună, există și alte metode de conectare care au pierderi mai mici. Două dintre cele mai cunoscute sunt lipirea mecanică și lipirea prin fuziune. Ambele sunt capabile de pierderi în gama de 0,15 dB (5%) până la 0,1 dB (2%).
La lipirea mecanică, capetele celor două bucăți de fibră sunt curățate și dezvelite și apoi unite și aliniate folosindu-se un asamblor mecanic. Se folosește un gel la punctul de contact pentru a reduce reflecția luminii și a menține pierderile la minim. Capetele fibrei sunt ținute împreună prin compresie sau fricțiune, ansamblul de lipire având un mecanism de închidere astfel încât fibrele să rămână aliniate.
O lipire prin fuziune implică topirea împreună a capetelor celor două bucăți de fibră. Rezultatul este o fibră continuă fără nici o întrerupere. Acest tip de lipire necesită un echipament de lipire foarte scump, însă poate fi efectuat foarte repede, astfel încât costul devine rezonabil pentru cantități mari. Deoarece lipirile prin fuziune sunt fragile există dispozitive mecanice care să le protejeze.
5.1.9 Proprietăți ale fibrei optice
Lumina călătorește în fibra optică prin miez folosind principiul reflecției interne totale.
Reflecția internă totală este atunci când un semnal luminos călătorind printr-un material se lovește de un material diferit și se reflectă înapoi în primul material fără să aibe loc pierderi de lumină (vezi figura de mai jos).
Din moment ce miezul (core) și mantaua (cladding) sunt construite din compoziții diferite de sticlă, lumina intrată în miez este reținută în limitele miezului deoarece se reflectă înapoi de fiecare dată când lovește mantaua. Pentru ca să se producă reflecția internă totală, indicele de refracție al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al mantalei.
Indicele de refracție
Indicele de refracție indică un mod de a măsura viteza luminii printr-un material. Indicele de refracție este calculat prin împărțirea vitezei luminii în vid (aprox. 300 000 km/s) la viteza luminii prin alt material diferit.
Prin definiție indicele de refracție al vidului este 1. Valoarea tipică pentru mantaua unei fibre optice este 1,46. Valoarea pentru miezul fibrei optice este de 1,48. Cu cât indicele de refracție este mai mare cu atât circulă mai încet lumina prin acel mediu. Un fapt interesant este că în apă indicele de refracție este de 1,33 iar în aer de 1,0003.
Unghiul de admisie
Pentru a fi siguri că semnalul luminos se reflectă și călătorește corect prin miez, lumina trebuie să intre în acesta sub un unghi de admisie. Mărimea acestui unghi este o funcție a diferenței dintre indicele de refracție al miezului și cel al mantalei. Mai simplu spus unghiul de admisie este suprafața înclinată sub care lumina intră pentru a “sări” prin fibră sau să călătorească între miez și manta.
Pierderile în fibră optică
Pe lângă pierderile care au loc când se cuplează la fibră un LED sau LD, există pierderi care au loc atunci când lumina trece prin fibră.
Miezul unei fibrei optice este făcut din sticlă ultra pură cu pierderi mici. Având în vedere că lumina trebuie să treacă prin mii de metri sau mai mult, sticla trebuie să fie foarte pură. Pentru a aprecia puritatea sticlei, considerați sticla de la geamuri. Credem că aceasta este curată deoarece permite luminii să treacă liberă prin ea, însă aceasta numai din cauză că are doar câțiva milimetri grosime. În contrast cu aceasta marginile sticlei de la ferestre par verzi și aproape opace. În acest caz lumina trece doar prin câțiva metri. Închipuiți-vă cum ar fi să treacă prin câteva mii de metri și câtă lumină ar trece!
În general fibra optică are pierderi de până la 6 dB/km (60% până la 75% pierderi pe km) la o lungime de undă de 850 nm. Când lungimea de undă este schimbată la 1310 nm, pierderea scade până la 3-4 dB (50% – 60%) pe kilometru. La 1550 nm este și mai scăzută. Fibrele premium au pierderi de 3 dB (50%) pe kilometru la 850 nm și 1 dB (20%) pe kilometru la 1310 nm. Pierderi de 0,5 dB (10%) pe kilometru sunt comune la fibra pemium de 1550 nm. Acestea sunt în general rezultatul împrăștierii luminii și absorbției luminii de către impuritățile din sticlă.
Altă sursă a pierderii din fibră este îndoirea excesivă din cauza căreia lumina părăsește miezul fibrei. Cu cât este mai mic unghiul de îndoire cu atât pierderile sunt mai mari. Din cauza aceasta îndoirea de-a lungul cablului de fibră optică trebuie să aibă o rază de îndoire de cel puțin un inch.
Lățimea de bandă la fibra optică
Toți factorii de atenuare de mai sus au ca efect o atenuare simplă independentă de lățimea de bandă. O pierdere de 3 dB, înseamnă că 50% din lumină va fi pierdută indiferent dacă e modulată la 10 Hz sau la 100 Hz. Există totuși o limitare actuală a lățimii de bandă măsurată în MHz/km. Figura 5.14 prezintă modul în care are loc pierderea.
Fig.5.14 – Atenuarea la trecerea luminii prin fibra optică
O rază de lumină care intră în fibră relativ drept sau sub un unghi mic (M1) are o cale mai scurtă prin fibră decât lumina care intră sub un unghi apropiat de unghiul de acceptanță maximă (M2). Ca rezultat, diferite raze de lumină ajung la capătul fibrei la timpi diferiți chiar dacă sursa originală este același LED sau LD. Acesta produce un efect de ,,murdărire" sau nesiguranță unde se află începutul și sfârșitul pulsului la capătul fibrei – ceea ce duce la o limitare a frecvenței maxime care poate fi transmisă. Cu cât sunt mai puține module cu atât e mai mare lățimea de bandă a fibrei. Prin micșorarea miezului fibrei se obține un număr redus de module. Fibra single-mode, cu un miez de 8-10 microni în diametru are o lățime de bandă mult mai mare deoarece permite doar câtorva module de lumină să se propage prin miez. Fibrele cu un diametru al miezului mai mare, cum sunt cele de 50 sau 62,5 microni permit mai multor module să se propage și de aceea se numesc fibre multimode.
Lățimea de bandă tipică pentru fibrele comune are o plajă de la câțiva MHz pe kilometru pentru fibrele multimode standard și ajungând la mii de MHz pe kilometru pentru fibrele singlemode. Cu cât crește lungimea fibrei cu atât lățimea de bandă descrește proporțional. De exemplu, un cablu de fibră optică care suporta o lățime de bandă de 500 Hz pe o distanță de un kilometru, va suporta 250 MHz pe 2 km și 100 MHz pe 5 km. [4]
Deoarece fibra single-mode are o așa lățime de bandă mare factorul "reducerea lățimii de bandă ca funcție de lungime" nu reprezintă o problemă reala la folosirea acestui tip de fibră. Totuși aceasta trebuie considerată la folosirea fibrei multimode deoarece lățimea de bandă maximă cade adesea în plaja semnalelor folosite la sistemele punct-la punct.
Factorii de limitare a fibrei optice
Urmatoarea secțiune va sublinia unii dintre factorii de limitare a fibrei optice. În practică acești factori se combină pentru a limita distanța și rata biților care poate fi suportată de un sistem cu fibră optică deoarece fac dificilă pentru receptor distingerea între 1 și 0.
Fibrele optice sunt destul de clare (curate) dar nu perfect clare. Pot exista impurități și limitări de construcție care vor restrânge proprietățile transmisiei optice.
După cum am văzut mai sus, din cauză că mantaua nu absoarbe lumina de la miez, unda de lumină poate călători distanțe mari. Totuși, o parte din semnalul luminos se degradează în fibră, de cele mai multe ori din cauza impurităților din sticlă. Procentul cu care semnalul se degradează depinde de puritatea sticlei și de lungimea de undă a luminii transmise (de exemplu, 850 nm – 60% până la 75% pe km; 13l0 nm – 50% pana la 60% pe km; 1550 nm – nu este mai mare de 50% pe km). Unele dintre fibrele premium au o degradare a semnalului mai mică – mai puțin de l0%pe km la 1550 nm. [4]
În plus, multe dintre proprietățile de proiectare ale fibrei sunt bazate pe capabilități1e și limitările tebnologiei moștenite de la sursa de lumină de la timpul respectiv. De exemplu, odată LED-urile erau bune pentru fibrele multimode de 850 nm. Laserele de viteză mare la 1310 nm au nevoie de atenuare și dispersie mică în fibră. Ratele mari de date mai au încă nevoie de evoluție în 1550 nm. Atenuarea și dispersia sunt discutate mai departe.
Efecte liniare vs Efecte neliniare
Din cauza creșterii ratei datelor prin fibra optică, lungimii transmisiilor, numărului lungimilor de unda și a nivelelor de putere optică, au aparut efectele neliniare. În zilele timpurii ale fibrei optice, cele mai mari griji erau atenuarea fibrei și câteodată dispersia. Aceste probleme pot fi ușor reparate folosindu-se o varietate de ocoliri a dispersiei și tehnici de anulare.
Efectele neliniare au devenit vizibile odată cu specializarea aplicațiilor cum ar fi instalațiile subacvatice. Unele dintre aceste efecte – importante de știut la design-ul unui sistem pe fibre optice – includ: simulated Brillouin scattering (SBS), simulated Raman scattering (SRS), four wave mixing (FWM), self-phase modulation (SPM), cross-phase modulation (XPM) și intermodulation (rillxing).
Efectele neliniare limitează cantitatea de date care pot fi transmise pe o singură fibră optică. Constructorii de sisteme trebuie să fie atenți la aceste limitări și la pașii care trebuie făcuți pentru a minimiza efectele nelinearității fibrelor.
Mai întâi vom vorbi despre efectele liniare care depind de lungimea fibrei. Efectele liniare includ atenuarea și dispersia.
Atenuarea
Atenuarea este pierderea puterii optice atunci când lumina calătorește prin fibră, rezultând un semnal care este prea slab. Este măsurată în decibelilkm (dB/km). Pe o distanță dată, o fibra cu o atenuare mai mică va permite să ajungă la receptor mai multă putere decât la o fibră cu atenuare mai mare.
Atenuarea în decibeli este dată de urmatoarea formulă:
Atenuarea (dB) = 10 log10 (puterea transmisă / puterea receptată)
De exemplu, un factor de două pierderi dă o atenuare de 10 log102 = 3 dB.[5]
Coeficientul de atenuare este rata pierderii puterii optice pe lungimea fibrei, de obicei masurată în dB/km la o lungime de undă specifică; cu cât este mai mic numărul cu atât este mai bună atenuarea fibrei. Lungimile de undă pentru fibra multimode sunt de obicei 850 și 1300 nm; fibrele single-mode au lungimi de undă de 1310 și 1550 nm.
Chiar dacă sistemele optice cu pierderi mici sunt întotdeauna de dorit, este posibil să se piardă o porțiune mare din puterea semnalului inițial fără probleme semnificative. O pierdere de 50% din puterea inițială este egala cu o pierdere de 30 dB. De fiecare dată când fibrele sunt unite între ele vor fi anumite pierderi. Pierderile pentru îmbinarea termică (fusion splicing) și pentru îmbinarea mecanică (mechanical splicing) sunt de obicei de 0,2 sau mai puțin.
Îmbinarea termică este o îmbinare permanentă produsă prin aplicarea unei temperaturi suficient de mari pentru a topi capetele fibrelor optice, formând astfel o fibră optică continuă.
Îmbinarea mecanică este îmbinarea a două fibre prin metode mecanice permanente sau temporare pentru a avea un semnal continu.
Atenuarea poate fi cauzată de diverși factori dar este în general de 2 tipuri: intrisecă și extrinsecă.
Atenuarea intrisecă are loc din cauza a ceva ce este în fibră sau lângă aceasta. Este cauzată de impuritățile din sticlă din timpul procesului de fabricare. Deși fabricarea este precisă nu se pot elimina total impuritățile, dar totuși tehnologiile avansate au cauzat o scădere dramatică a atenuării.
Daca semnalul luminos lovește o impuritate în fibră se pot întampla 2 lucruri: lumina ori va fi difuzată (scatter) sau va fi absorbită.
Difuzia este pierderea semnalului luminos din miezul fibrei cauzată de impurități sau schimbări în indicele de refracție al fibrei. Lumina este redirecționată din cauza proprietăților moleculare ale fibrei rezultate în urma defectului în manta sau este pierdută la joncțiuni sau reflectată înapoi la sursă.
Difuzia rayleigh este cauza majoritară (aprox 96%) în atenuarea din fibra optică. Lumina călătorește prin miez și interacționează cu atomii din sticlă. Dacă undele de lumină intră în coliziune elastică cu atomii, lumina este difuzată. Acest tip de difuzie este deci rezultatul acestor coliziuni elastice între raza de lumină și atomii din fibră. Dacă lumina difuzată menține un unghi care suportă călătoria inainte prin miez nu are loc atenuarea. Dacă lumina este difuzată sub un unghi care nu suportă inaintarea, lumina este redirecționată afară din miez și are loc atenuarea.
O parte din lumina difuzată este reflectată inapoi către sursa de lumină. Aceasta este o proprietate care este folosită in Oprima Time Domain Reflectometer (OTDR) pentru a testa fibrele. Același principiu se aplică și la analiza pierderilor asociate cu evenimente asociate fibre cum sunt îmbinările.
Absorbția este al doilea tip de atenuare intrisecă in fibre. Lumina este absorbită din cauza proprietăților chimice sau a impurităților naturale din sticlă. Spre deosebire de difuzie absorbția poate fi limitată prin controlul cantității de impurități din timpul procesului de fabricare. Absorbția contează in 3-5% din atenuarea fibrei.
Cea mai mare problemă pe care o are orice fibră optică constă in pierderile de un fel sau altul. Asemenea pierderi, cum ar fi absorbția unei părți din energia luminoasă de sticlă insași, nu poate fi ocolită.
Atenuarea extrinsecă poate fi cauzată de două mecanisme externe: macrobending și microbending. Amâudouă cauzează o reducere a puterii optice.
Macrobending
Dacă se impune o indoire a fibrei optice, aceasta indoire va afecta indexul de refracție și unghiul de admisie al razei de lumină in acea regiune. Ca rezultat, lumina care traversează miezul se poate refracta in exterior și au loc pierderi. Pierderea este, in general, reversibilă odată ce indoitura este corectată.
Pentru a preveni fenomenul de macrobending, toate fibrele optice (și cablurile de fibre optice) au specificată o rază de indoire minimă care nu ar trebui depășită. Este o restricție despre cât de mult poate fi indoită o fibră optică până să ridice probleme in performanță optică sau mecanică. Regula pentru raza de îndoire este de 1 1/2 pentru fibra single-mode goală; de 10 ori diametrul exterior al cablului pentru cablul ne-armat și de 15 ori diametrul extern al cablului pentru cablul armat.
Microbending
A doua cauză extrinsecă a atenuării este microbending, care este o distorsiune la scară, in general un indicator al presiunii pe fibră. Microbending este legat de temperatură, forțe de tragere și de presare. La fel ca și macrobending, acesta va cauza o reducere a puterii optice în sticlă. Microbending este localizat precis și de aeeea poate să nu fie bine vizibil la o inspecție. La fibra goală poate fi reversibilă însă în procesul de cablare, nu.
Saturarea, este inversă atenuării și înseamnă că semnalul este prea puternic. Deși saturarea nu este un factor de limitare în același sens ca și atenuarea și dispersia, trebuie totuși luat în considerare la proiectarea unui sistem cu fibră optică. Dacă semnalul e prea puternic, receptorul poate fi suprasaturat ceea ce poate duce la erori la date sau imposibilitatea de a detecta semnalul. În această situație este necesar să adaugăm atenuatori în sistem pentru a aduce semnalul la un nivel acceptabil.
Dispersia este imprăștierea semnalului luminos care traversează fibra optică și este cauza limitării lățimii de bandă în fibra optică. Deoarece impulsurile se împrăștie ele tind să se suprapună și nu mai sunt detectate de receptor valorile de 1 și 0. Impulsurile luminoase lansate prea aproape unele de altele (rate mari de date) care se împrăștie prea mult (dispersie mare) au ca rezultat erori și pierderi de informație.
Dispersia limitează cât de repede, ce cantitate de informații poate fi transmisă prin fibra optică. Problema de bază cauzată de efectul de dispersie este că se limitează ratele la care datele pot fi transmise prin fibra optică. Dacă amplitudinea luminii este modulată la o rată prea mare, dispersia tinde să limiteze schimbările astfel încât lumina este de aproape o amplitudine constantă la capătul depărtat al fibrei. Rezultatul este că modularea nu este indescifrabilă și toate datele se pierd.
Tipurile majore de dispersie sunt: dispersia modală, dispersia cromatică și dispersia prin polarizare (PMD).
Dispersia este calculată în picosecunde/nanometru și depinde de lungimea de undă și de lungimea fibrei.
Dispersia modală (numită și distorsiune multimode) este cauzată de lungimile diferitelor căi optice într-o fibră multimode; diferite module traversează fibra pe diferite căi.
Fig. 5.15 – Dispersia modală la fibra optică
De exemplu, în figura 5.15 lumina intră sub diferite unghiuri și urmează căile m0 și m1 și fiecare cale are lungime diferită și deci ajunge la timpuri diferite.
Fibrele multimode au diametrul miezului de 50-62.5 microni. Toleranța este mai mică și deci construcția este mai ușoară. Îmbinarea și conectorii sunt mai ușor de folosit. De obicei folosite pentru distanțe sub 2 km (rate de date diferite).
Prin construcția diametrului miezului ca o funcție de lungimea de undă și indicii de refracție ai miezului și mantalei, unda poate fi constrânsă să ducă doar un singur modul al semnalului laser.
Fibre1e single-mode au diametrul miezului de 8-11 microni. Fibra single-mode nu are disperisie modală (cu cât diametrul este mai mare cu atât poate suporta mai multe moduri de propagare și deci efectul de dispersie modală va fi mai pronunțat. Pe de altă parte dacă avem miezul destul de mic putem bloca toate modurile în afara celui principal, minimizând acest efect).
Dispersia cromatică este cauzată de diferite1e întârzieri ale diferitelor lungimi de undă ale luminii prin fibra optică. Dispersia cromatică are loc ca rezultatul paletei de lungimi de undă din sursa de lumină. Lumina de la lasere și LED-uri constă dintr-o paletă de lungimi de undă (laserele nu emit o singură lungime de undă). Fiecare dintre aceste lungimi de undă călătoresc cu o mică diferență de viteză (diferite lungimi de undă de lumină călătoresc cu viteze diferite într-un
mediu dat). La distanță acest lucru poate duce la împrăștierea impulsului de lumină în timp.
Exemple de calculare a dispersiei:
Cum afectează o dispersie cromatică o legătură OC84 cu laser la +/- 1 nm linie spectrală? Bit period = 416 ps
2nm spectral band * 5 ps/nm/km = 10ps/km
Rezultat: rise/fall time este 25% din bit period pentru 10 km
OC192 cu 0,005 nm spectral width Bit period = 104 ps
0,005 nm spectral band *5 ps/nm/km = 0,025 pslkm
25% rise time dupa 100 km
Cu cât este mai fin laserul cu atât scad efectele dispersiei cromatice.[5]
Dispersia prin polarizare (PMD) este o proprietate a tuturor mediilor optice. Este cauzată de diferența dintre vitezele luminii de propagare în principala polarizare ortogonală a mediului de transmisie.
În esență componenta "electrică" și ,,magnetică" a luminii se propagă prin fibră cu diferite viteze. Se pare că sunt cauzate de inconsistențele din fibră însă nu se știe sigur. De obicei se intersectează la rate de date de peste 2,4 Gbps. Se masoară în ps/sqrt(km).
La fel ca și dispersia cromatică, PMD face ca impulsurile transmise să se împrăștie astfel încât modurile de polarizare ajung la destinație după timpi diferiți. Pentru rate mari de date acesta poate duce la erori la nivel de bit la receptor sau limitează sensibilitatea receptorului.
Efecte neliniare
Efectele neliniare limitează cantitatea de date care poate fi transmisă pe o singură fibră optică. Proiectanții de sisteme trebuie să fie atenți la aceste limitări și la pașii ce trebuie făcuți pentru a minimiza efectele acestora. Efectele neliniare include: difuzia stimulată Brillouin (SBS), difuzia stimulată Raman, multiplexarea a 4 unde, modularea în propria fază, modulare cu fază încrucișată și intermodularea.
Compensarea efectelor limitărilor fibrei optice
O parte cheie în implementarea unui sistem bazat pe fibra optică este înțelegerea a ceea ce este nevoie să faci într-un sistem pentru a manevra atenuarea, saturarea și dispersia. Odată cu avansul tehnologic și cu faptul că se suportă rate mari de biți, acești factori au devenit tot mai importanti deoarece impulsurile de lumină se apropie unul de altul în timp și sunt mai dificil de diferențiat de către receptor. Sistemul trebuie proiectat pentru a compensa aceste caracteristici ale fibrei optice.
Unele dintre dispozitivele folosite pentru compensarea efectelor liniare și neliniare necesită conversia semnalului optic în electric și apoi înapoi în optic (numite OEO, regeneratoare de semnal optic-electric-optic). Acesta este scump în termeni de eficiență.
Amplificarea
Un amplificator este folosit pentru a mări puterea unui semnal optic care a fost degradat din cauza atenuării. Amplificarea poate fi făcută fără a converti semnalul în semnal electric (nu necesită conversie OEO).
Rețelele optice de tip regional, metro și Long-Haul au nevoie de obicei de un tip de amplificare sau regenerare în puncte intermediare pentru a compensa pierderile din cablul de fibră optică. Pentru rețele regionale și metro amplificarea oferă un boost de putere suficient semnalului. Pentru distanțe mai mari de câteva sute de km, semnalul optic va avea nevoie de ceea ce se numește cele 3 R-uri (,,3 R's"): Re-timing (verifica și compensează), Re-sharping (compensează atenuarea și/sau dispersia, ascute "ochiul"), Re-generation (decodează complet și recreează fluxul digital de biți.
În esență amplificarea înlatură atenuarea, dar introduce alte probleme. De exemplu când amplificatorul oferă un boost nivelului semnalului, ofera un boost și nivelului de zgomot și în plus adaugă și el zgomot, micșorând astfel SNR (Signaf to Noise Ratio). Aceasta limitează numărul de amplificatoare care pot fi înlănțuite împreună.
Compensarea dispersiei
Pentru a menține integritatea semnalului și înlăturarea efectelor dispersiei sunt necesare unele tipuri de compensare a dispersiei. Este posibil și de cele mai multe ori suficient să cumpărăm un cablu care controlează dispersia ("dispersion managed cable"). Acest cablu include fibra cu caracteristici pentru compensarea dispersiei de-a lungul cablului, eliminând nevoia unei compensări externe a dispersiei.
Pentru aplicațiile în care folosim fibra single-mode avem diferite soluții.
Dispersia cromatică este suma dispersiilor undelor ghidate (+, depinde de raza miezului și apertura numerică a fibrei precum și de lungimea de undă) și dispersia materialului ( – , depinde de materialul fibrei). Construcția fibrei poate varia cantitatea dispersiei undelor ghidate pentru a înlatura dispersia materialului la o lungime de undă dorită. Acest tip de fibră se numește Zero Dispersion-Shifted Fiber (ZDSF).
Efectele neliniare sunt amortizate de dispersia, deci, shiftăm (mutăm) punctul zero al dispersiei un pic peste lungimea de undă cu care se operează. Acest tip de fibră se numește Non – Zero Dispersion shifted fiber (NZ-DSF).
Dispersia poate fi pozitivă sau negativă. Dispersia negativă poate contracara efectele fibrei normale. Acest tip de fibră se numește Dispersion Compensating Fiber (DCF) [4].
Regenerarea
Când amplificarea sau compensarea dispersiei sunt insuficiente pentru a restaura semnalul la un nivel în specificațiile sistemului, este necesară procesarea semnalului – 3R's. Din păcate din punct de vedere al performanței, 3R's este scump deoarece semnalul trebuie convertit din optic în electric pentru procesare și apoi reconvertit în optic pentru a continua transmisia.
Acest proces consumă timp. Este preferată amplificarea când aceasta este suficientă, pentru că poate fi realizată fără conversia OEO.
Astazi, de obicei, regenerarea este necesară pentru distanțe de peste 50 mile (80 km).
Lansarea luminii
Odată ce transmițătorul a convertit semnalul de intrare electric in forma modulată a luminii care este dorită, lumina trebuie "lansată" în fibra optică.
După cum am mai menționat sunt două metode prin care lumina este cuplată la fibra optică. Una este pigtailing, adica înfășurarea fibrei in jurul sursei de lumină. Cealaltă este plasarea capătului fibrei în proximitatea LED-ului sau LD-ului. Cantitatea de lumină care va intra în fibră este o funcție a următorilor factori: intensitatea LED-ului sau LD-ului, suprafața de emisie a luminii (aria), unghiul de admisie al fibrei, pierderile din cauza reflecției și difuziei.
Intensitatea unui LED sau LD este in funcție de construcția sa și este de obicei specificată in termeni de putere totală de ieșire. Uneori aceasta este dată de puterea actuala care este "predată" intr-un anumit tip de fibră. Ceilalți factori fiind egali, cu cât puterea LED-ului sau LD-ului este mai mare cu atât este lumina "lansată" mai puternic in fibră.
Aria (suprafața). Cantitatea de lumină "lansată" în fibră este o funcție de aria suprafeței de emitere a luminii comparată cu aria miezului fibrei care acceptă lumina. Cu cât această rată e mai mică cu atât mai multă lumină e lansată în fibră.
Unghiul de admisie al fibrei este exprimat în termeni de apertură numerică. Apertura numerică (NA) este definită ca sinus din jumătatea unghiului de admisie al fibrei. Valorile tipice pentru NA sunt 0,1 până la 0,4 care corespund unghiurilor de admisie de 11 până la 46 grade. Fibrele optice vor transmite numai lumina care intră sub un unghi care este egal cu sau mai mic decât unghiul de admisie pentru un anumit tip de fibră.
Alte pierderi. În afară de obstrucții opace pe suprafața fibrei, mai este pierderea datorată reflexiei de la intrarea și ieșirea fibrei. Această pierdere este numită pierderea fresnell și este egală cu aproximativ 4% pentru fiecare tranziție între aer și sticlă. Există gel special pentru cuplare care poate fi aplicat între suprafețele de sticlă pentru a reduce pierderea când eset necesar.
5.1.10 Proiectarea unui sistem bazat pe fibră optică
La proiectarea unui sistem cu fibră optică, trebuie luați în considerare mai mulți factori – care contribuie la scopul final, acela de a asigura că suficientă lumină ajunge la receptor. Fără o cantitate de lumină suficientă, întregul sistem nu va funcționa corespunzător. Figura de mai jos identifică mulți dintre acești factori.
Fig. 5.16 – Sistem cu fibră optică
Urmatoarea procedură pas-cu-pas trebuie urmată pentru proiectarea unui sistem cu fibră optică.
1. Determinarea combinației corecte de transmițător/receptor optic bazată pe semnalul care va fi transmis (analog, digital, audio, video, RS-232, RS-422, RS-485, etc.).
2. Determinarea puterii de operare (AC, DC, etc.).
3. Determinarea modificărilor speciale (dacă e cazul) necesare (impedanța, lățimi de bandă, conectori speciali, mărimea specială a fibrei).
4. Calcularea pierderii optice totale (în dB) în sistem prin adăugarea pierderilor cablului, lipirilor conectorilor. Acești parametri sunt disponibili la producătorul echipamentelor optice și a fibrei optice.
5. Compararea pierderii obținute cu pierderea permisă de receptor. Pentru a fi siguri se adaugă un factor de siguranță de cel puțin 3 dB pentru întregul sistem .
6. Verificarea dacă lațimea de bandă este adecvată pentru trecerea semnalului dorit. Dacă aceste calcule arată că lățimea de bandă este inadecvată pentru transmiterea semnalului pe distanța necesară, va fi necesară selectarea unei alte combinații de transmițător/receptor (lungime de undă) sau alegerea unei fibre premium cu pierderi mai mici [4].
5.1.11 Avantajele sistemelor bazate pe fibră optică
Sistemele de transmisie prin fibră optică – un transmițător și un receptor pentru fibră optică, conectate printr-un cablu de fibră optică – oferă o gamă largă de avantaje, beneficii pe care tradiționalele fire de cupru sau cablu coaxial un le oferă. Acestea includ:
– abilitatea de a transporta mai multă informație și de a o preda cu mai mare fidelitate decât firul de cupru sau cablul coaxial;
– cablul de fibră optică poate suporta rate de date mult mai mari, si pe distanțe mai mari, decât cablul coaxial, făcându-l ideal pentru transmisii seriale de date digitale;
– fibra optică este total imună la virtual toate tipurile de interfețe, incluzând fulgerul si nu conduce electricitatea. De aceea poate fi în contact drect cu echipament și linii de electricitate cu voltaj mare. De asemenea, nu poate să creeze circuite închise cu masa (ground loops) de nici un fel;
– deoarece fibra de bază este făcută din sticlă u se va coroda si un este afectată de majoritatea chimicalelor. Poate fi îngropată direct în toate tipurile de sol sau expusă la cele mai corozive atmosfere în uzine chimice fără o grijă semnificativă,
– deoarece singurul purtător prin fibră este lumina un există posibilitatea unei scântei de la un fir rupt. Chiar si în cele ai explozive (inflamabile) atmosfere nu este pericol de foc, și nici pericol de electrocutare a personalului care repară fibrele stricate;
– cablurile de fibră optică sunt virtual neafectate de condițiile atmosferice, putând fi lăsate direct pe stâlpii telefonici sau cabluri existente fără grija pentru semnal;
– un cablu de fibră optică, chiar si cel care conține mai multe fibre, este de obicei mult mai mic si mai ușor decât un cablu coaxial sau un fir cu aceeași capacitate de transport. Este ușor de mânuit și de instalat, și folosește mai puțin spațiu în conducte (poate fi instalat fără conducte);
– cablul de fibră optică este ideal pentru sisteme de comunicații sigure (securizate) pentru că este foarte dificil de interceptat dar foarte ușor de monitorizat. În plus un produce absolut nici o radiație electrică.[2]
CAPITOLUL 6
– PARTE APLICATIVĂ –
Exemple de programe pt. Manipularea modemurilor de cablu DOCSIS
Exemple de programe pentru manipularea modemurilor de cablu DOCSIS
Programele urmatoare sunt exemple aplicative în manipularea modemurilor de cablu DOCSIS care generează un fișier binar din fișierele text cu setări specificate de DOCSIS radio interface. Se pot specifica până la 16 ClassOfService în fișierele de configurare. Doar un statement BPI Baseline Privacy poate fi specificat. In principiu programul un verifica numărul de statements ClassOfService dar se pot produce efecte adverse, cum ar fi resetarea CMTS-urilor sau al modemurilor. Specificația BPI arată că setările BPI un trebuie să fie prezente dacă un este activat Privacy.
Există o multitudine de parametrii care pot fi controlați prin funcța “snmp” ca de exemplu numele fișierului de bootare, parametrii care se introduc în fișierul de configurare text din exemple ca apoi să fie compilați în fișierul “bin” din care modemul citaste configurarea după ce îl extrage de pe Server.
Exemplul 1:
Main
{
DsPacketClass
{
ClassifierRef 255;
ClassifierId 65535;
ServiceFlowRef 65535;
ServiceFlowId 2147483647;
RulePriority 255;
ActivationState 1;
IpPacketClassifier
{
IpTos 0x00ffff;
IpProto 234;
IpSrcAddr 10.1.2.3;
IpSrcMask 255.255.0.0;
IpDstAddr 10.5.2.5;
IpDstMask 255.255.0.0;
SrcPortStart 80;
SrcPortEnd 81;
DstPortStart 500;
DstPortEnd 501;
}
}
UsPacketClass
{
ClassifierRef 253;
ClassifierId 65533;
ServiceFlowRef 65533;
ServiceFlowId 2147483645;
RulePriority 255;
ActivationState 1;
LLCPacketClassifier
{
DstMacAddress 00:00:de:ad:be:ef/00:00:ff:ff:ff:ff;
SrcMacAddress 00:a0:a0:a0:a0:a0;
EtherType 0x030303;
}
}
DsServiceFlow
{
DsServiceFlowRef 65535;
DsServiceFlowId 2147483647;
TrafficPriority 6;
MaxRateSustained 3421234;
MaxTrafficBurst 564343;
MaxDsLatency 7856345;
}
UsServiceFlow
{
UsServiceFlowRef 65533;
UsServiceFlowId 2147483645;
TrafficPriority 6;
MaxRateSustained 3421234;
MaxTrafficBurst 564343;
SchedulingType 3;
MaxConcatenatedBurst 34534;
ToleratedGrantJitter 4653512;
}
NetworkAccess 1;
DownstreamFrequency 123000000;
UpstreamChannelId 1;
ClassOfService
{
ClassID 1;
MaxRateDown 512000;
MaxRateUp 64000;
PriorityUp 3;
GuaranteedUp 32000;
MaxBurstUp 254;
}
BaselinePrivacy
{
AuthTimeout 10;
ReAuthTimeout 10;
AuthGraceTime 600;
OperTimeout 10;
ReKeyTimeout 10;
TEKGraceTime 600;
AuthRejectTimeout 9;
SAMapWaitTimeout 1;
SAMapMaxRetries 4;
}
ModemCapabilities
{
ConcatenationSupport 1;
ModemDocsisVersion 1;
FragmentationSupport 1;
PHSSupport 1;
IGMPSupport 1;
BaselinePrivacySupport 1;
DownstreamSAIDSupport 15;
UpstreamSIDSupport 10;
DCCSupport 1;
}
DocsisTwoEnable 1;
GenericTLV TlvCode 16 TlvLength 4 TlvValue 0xc0a8fe43; /* └¿■C */
SnmpV3Kickstart
{
SnmpV3SecurityName "2adfla6";
}
SnmpV3TrapReceiver
{
SnmpV3TrapRxIP 10.0.1.253;
SnmpV3TrapRxPort 56790;
SnmpV3TrapRxType 2;
SnmpV3TrapRxTimeout 500;
SnmpV3TrapRxRetries 3;
SnmpV3TrapRxSecurityName "2adfla6";
SnmpV3TrapRxFilterOID .1.3.6.1;
}
SnmpWriteControl .1.3.6.1 1;
SnmpMibObject sysContact.0 String "[anonimizat]" ;
SnmpMibObject sysName.0 String "DCM105 test" ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDefault.0 Integer 1; /* discard */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.1 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.1 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.1 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.1 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.1 Integer 2; /* false */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.1 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.1 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.1 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.1 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.1 Integer 1 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.1 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.2 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.2 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.2 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.2 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.2 Integer 2; /* false */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.2 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.2 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.2 IPAddress 10.1.1.1 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.2 IPAddress 255.255.255.255 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.2 Integer 6 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.2 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.3 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.3 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.3 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.3 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.3 Integer 2; /* false */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.3 IPAddress 10.1.1.1 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.3 IPAddress 255.255.255.255 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.3 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.3 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.3 Integer 6 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.3 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.4 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.4 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.4 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.4 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.4 Integer 1; /* true */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.4 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.4 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.4 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.4 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.4 Integer 17 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.4 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.5 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.5 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.5 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.5 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.5 Integer 2; /* false */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.5 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.5 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.5 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.5 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.5 Integer 17 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.5 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.6 Integer 6; /* destroy */
SnmpMibObject docsDevFilterIpControl.6 Integer 2; /* accept */
SnmpMibObject docsDevFilterIpIfIndex.6 Integer 0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDirection.6 Integer 3; /* both */
SnmpMibObject docsDevFilterIpBroadcast.6 Integer 2; /* false */
SnmpMibObject docsDevFilterIpSaddr.6 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSmask.6 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDaddr.6 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDmask.6 IPAddress 0.0.0.0 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpProtocol.6 Integer 6 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSourcePortLow.6 Integer 53 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpSourcePortHigh.6 Integer 53 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDestPortLow.6 Integer 53 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpDestPortHigh.6 Integer 53 ;
SnmpMibObject docsDevFilterIpStatus.6 Integer 4; /* createAndGo */
SnmpMibObject ifSpeed.1 Gauge32 50000 ;
SnmpMibObject docsIfUpChannelSlotSize.1 Gauge32 1234166 ;
SnmpMibObject docsIfCmStatusResets.1 Counter32 120431235 ;
SnmpMibObject enterprises.19.20.21.22.23.24 Integer -3 ;
SnmpMibObject enterprises.19.20.21.22.23.24 Integer -1 ;
SnmpMibObject enterprises.19.30.31.32.33.34 HexString 0x98ffc00ffc00fffff000000000000000 ;
SnmpMibObject enterprises.19.30.1.1.25.1.3.5 Gauge 250000000 ;
SnmpMibObject enterprises.19.1.2.3.4.5.6.0 TimeTicks 120431235 ;
SwUpgradeFilename "example.bin";
SwUpgradeServer 10.1.1.1;
SubMgmtControl 0xff0000;
SubMgmtFilters 100,200,500,1024;
CpeMacAddress 00:00:de:ad:be:ef;
TftpModemAddress 10.11.12.13;
TftpTimestamp 2000000000;
DsChannelList {
SingleDsChannel {
SingleDsTimeout 200;
SingleDsFrequency 456000000;
}
DsFreqRange {
DsFreqRangeTimeout 23456;
DsFreqRangeStart 326000000;
DsFreqRangeEnd 678000000;
DsFreqRangeStepSize 345000;
}
DefaultScanTimeout 1800;
}
SnmpMibObject enterprises.1.2.3.4 String "aaaaaaaaabbbaaaaaaaaaaaaaabcdefghijklmnoprstuvwzabcdefghijklmnoprstuvwyzabcdefghijklmnoprstxxxxxxxaaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaxaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa" ;
SnmpMibObject enterprises.1.2.3.0 String "aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabcdefg" ;
SnmpMibObject pktcMtaDevEnabled.0 Integer 1; /* true */
SnmpMibObject pktcMtaDevRealmOrgName.'CABLE' String "CABLE" ;
VendorSpecific
{
VendorIdentifier 0x00b0d0;
GenericTLV TlvCode 69 TlvStringZero "alskjfaslkdjfaslkjaslkfjasfjq[woieqrupworiqupworiqijalkjsalfkjaslkjfasjfaslkfjasfjasjajsflkjaslkjfalskjfoiqjoilashgkfashgkajshgfakshgfkashgfakjsafkjsafkhgfkajgsdfkajsfkasgfkajsgdfkajsgfkajsfkajsfkajsgakfsgfakjshdgfaksjgafqowiuqyoiwuryqoiwuohlafbds";
}
VendorSpecific
{
VendorIdentifier 0x00b0d0;
GenericTLV TlvCode 69 TlvStringZero "abcdw3452627";
}
VendorSpecific
{
VendorIdentifier 0x00b0d0;
GenericTLV TlvCode 69 TlvString "alskjfaslkdjfaslkjaslkfjasfjq[woieqrupworiqupworiqijalkjsalfkjaslkjfasjfaslkfjasfjasjajsflkjaslkjfalskjfoiqjoilashgkfashgkajshgfakshgfkashgfakjsafkjsafkhgfkajgsdfkajsfkasgfkajsgdfkajsgfkajsfkajsfkajsgakfsgfakjshdgfaksjgafqowiuqyoiwuryqoiwuohlafbds";
}
VendorSpecific
{
VendorIdentifier 0x00b0d0;
GenericTLV TlvCode 69 TlvString "abcdw3452627";
}
ManufacturerCVC "testmanufacturercvc.der";
CoSignerCVC "testcosignercvc.der";
MaxCPE 127;
}
Exemplul 2:
Main { /* this is a comment */
DownstreamFrequency 123000000;
UpstreamChannelId 1;
/* this is a comment */
NetworkAccess 1;
ClassOfService {
ClassID 1;
MaxRateDown 512000;
MaxRateUp 64000;
PriorityUp 3 ;
GuaranteedUp 32000;
MaxBurstUp 1700;
PrivacyEnable 1;
}
ClassOfService {
ClassID 2;
MaxRateDown 576760;
MaxRateUp 65323;
PriorityUp 3;
GuaranteedUp 32000;
MaxBurstUp 254;
PrivacyEnable 1;
}
BaselinePrivacy { /* ONLY if PrivacyEnable == 1 ! */
AuthTimeout 10;
ReAuthTimeout 10;
AuthGraceTime 600;
OperTimeout 10;
ReKeyTimeout 10;
TEKGraceTime 600;
AuthRejectTimeout 9;
}
SnmpMibObject sysContact.0 String "[anonimizat]";
SnmpMibObject sysName.0 String "DCM105 test";
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.3.0 Integer 1; /* Default discard */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.3.1 Integer 1;/* IpControl/1 discard */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.4.1 Integer 0;/* IpIfIndex/1 both */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.5.1 Integer 3;/* IpDirection/1 both */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.6.1 Integer 2;/* IpBroadcast/1 false */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.7.1 IPAddress 1.2.3.45; /* SAddr */
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.8.1 IPAddress 255.128.0.0;/*Smask*/
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.9.1 IPAddress 5.6.7.8; /*DAddr*/
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.10.1 IPAddress 255.255.0.0; /*DMask*/
SnmpMibObject .1.3.6.1.3.83.1.6.4.1.2.1 Integer 4;/* IpStatus/1 cAndGo */
SnmpWriteControl .1.3.6 1;
/* Row 1 */
MaxCPE 3;
SwUpgradeFilename "example.bin"; /* Replace with your filename */
SwUpgradeServer 10.1.1.1; /* Replace with your TFTP server */
CpeMacAddress 00:00:de:ad:be:ef; /* Replace with your CPE Mac address */
}
CAPITOLUL 7
– CONCLUZII –
Rețelele optice rotate joacă un rol important în rețelele de date. Capacitatea uriașă pe care o oferă, împreună cu celelalte avantaje ale fibrei optice, fac din rețelele optice o alegere atractivă pentru noile generații de rețele.
Deoarece crește cererea pentru lățime de bandă, ca urmare a dezvoltării Internetului, trecerea la rețelele optice este ținta noilor tehnologii. În acest moment aproape jumătate de milliard de oameni au acces la Internet și îl folosesc în mod regulat. Word wide web găzduiește peste 2 miliarde de pagini web și potrivit estimărilor în fiecare zi sunt încărcate mai mult de 3 milioane de pagini noi.
În ultima decadă capacitatea de transmisie a fibrei optice a crescut cu un factor de 200 datorită dezvoltării tehnologice. Din cauza imensului potențial de lățime de bandă al acestei tehnologii, de 50THz sau mai mare, există extraordinare posibilități pentru aplicațiile viitoare ale fibrei optice. Serviciile broadband sunt deja prezente în locuințele noastre, incluzând date audio și în special video. Aceste servicii permit o mare varietate de tipuri de comunicații interactive pentru clienți și afaceri, aducând la realitate rețelele video interactive, cumpărăturile interactive de acasă și chiar învățatul interactive la distanță. S-a ajuns la conceptual de fiber-to-the-home (FTTH) care permite ca video la cerere (video on demand) să devină o realitate.
În această lucrare am evidențiat avantajele rețelelor de fibră optica si transmisia de date pe cablu coaxial TV si fibră optica.
Bibliografie:
[Cic 00] – Walter Ciciora,James Farmer,David Large,(2000), Modem Cable Television Technology – Video, Voice and Data Communication , Morgan Kaufmann Publisher, Inc. San Francisco, California
[Ghe 03 ] – Teodor Ghenghiu, Dan Cazacu, Ovidiu Calancea, Traian Roșu,(2003), Proiect Tehnic: Sistem de Distributie prin Cablu, UPC Romania
[www 01] – Rolf V. Ostergaard , The Cable Modem Reference Guide ,www.Cable-Modems.org
[www 02] – Cable Labs…Revolutionizing Cable Technology , www.Cablemodem.com
[www 03] – Alexandru Bogdan Munteanu , (2002-2005) , Muntealb , www.muntealb.com
[www 04] – How stuff works , (1998-2005) , www.howstuffworks.com
[1] – http://www.fiber-optics.info
[2] – http://www.commspecial.com – Introduction to fiber optics – communication specialis, inc
[3] – http://vega.unitbv.ro/%7Eandonie/Cartea%20de%20algoritmi/cap6.htm
[4] – http://www.sura.org – SURAOptical Networking Cookbook October 2002
[5] – Andrew S. Tanenbaum, “Computer Networks, Fourth Edition”, Prentice Hall, 2003
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Transmisia Datelor de Internet Prin Cablu Si Fibră Optică (ID: 148820)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.