FB
MÓJ KOSZYK
Mój koszyk jest pusty

Światłowody

Trochę teorii

Bilans mocy linii światłowodowej
Najważniejszym zadaniem podczas projektowania linii światłowodowej jest określenie maksymalnego zasięgu transmisji toru optycznego, czyli przeprowadzenie bilansu mocy linii światłowodowej. Bilans mocy to zestawienie wartości mocy na wejściu toru optycznego, strat i wzmocnień sygnału w linii światłowodowej. Dzięki temu możliwe będzie optymalne dobranie parametrów urządzeń nadawczych i odbiorczych w celu zapewnienia poprawnej transmisji sygnału.
Do przeprowadzenia bilansu mocy niezbędne jest omówienia wartości decybela (dB) i decybela odniesionego do miliwata (dBm) ponieważ tłumienie światłowodu czy czułość fotodetektorów podaje się właśnie w tych jednostkach.
Decybel jest jednostką logarytmiczną używaną przy porównywaniu wielkości z których jedna jest poziomem odniesienia. Dla światłowodów jest to stosunek mocy na wejściu do mocy na wyjściu linii światłowodowej. Natomiast decybele w odniesieniu do miliwata to stosunek wartości mocy wejściowej do 1 mW. Równania do obliczenia mocy w dB i dBm:
gdzie:
P1 - moc wejściowa
P2 - moc wyjściowa
gdzie:
P1 - moc wejściowa

W celu dobrania odpowiednich parametrów urządzeń nadawczo-odbiorczych na linii między urządzeniami końcowymi należy oszacować :
Pnad1 – Podb1 < Ps - Pz + Pm
Pnad2 – Podb2 > Ps - Pz + Pm
gdzie:
  • (Pnad1; Pnad2) to zakres poziomu mocy optycznej na wejściu linii światłowodowej wyrażony w dBm. Pnad1 to maksymalna moc nadajnika, Pnad2 to minimalna moc nadajnika.
  • (Podb1; Podb2) to zakres czułości fotodetektora wyrażona w dBm. Podb1 to maksymalna czułość odbiornika, Podb2 to minimalna czułość odbiornika.
  • Ps to całkowite straty linii światłowodowej, czyli tłumienie wprowadzanie przez światłowód, złącza optyczne, spawy światłowodowe wyrażone w dB.
  • Pz to całkowite wzmocnienie wprowadzane przez wzmacniacze optyczne wyrażone w dB.
  • Pm to margines bezpieczeństwa uwzględniający starzenie się elementów nadawczo-odbiorczych, wpływ temperatury na urządzenia elektroniczne i elektrooptyczne, straty mocy na zgięciach światłowodów itp. wyrażony w dB. Wartość marginesu mocy przyjmuje się w granicach od 3 do 6 dB.
Projektant znając rozmieszczenie systemu optycznego i zastosowane w nim komponenty jest w stanie obliczyć straty mocy sygnału w każdym punkcie tego systemu. Najlepiej widać to na przedstawionym poniżej przykładzie systemu:
Przykładowy schemat linii światłowodowej gdzie:
N - Nadajnik
W - Wzmacniacz
O - Odbiornik
Z - Złącze
S - Spaw
W skład linii światłowodowej poza nadajnikiem (N) i odbiornikiem (O) optycznym wchodzi wzmacniacz optyczny (W) oraz 4 złącza optyczne (Z) i 5 spawów (S). W poniższej tabeli dla każdego elementu zostało przedstawione tłumienie bądź wzmocnienie wprowadzane do linii światłowodowej. Posiadając te wartości można odpowiednio dobrać czułość odbiornika:
Moc nadajnika:
Tłumienie złączy:
Tłumienie spawu:
Wzmocnienie wzmacniacza:
Tłumienie światłowodu:
3dBm
0,15dB
0,15dB
10dB
0,2dB/km
UWAGA!! Obliczenia zostały przeprowadzone dla III okna transmisyjnego (tłumienie 0,2dB/km).
Całkowite straty linii światłowodowej zależne są od długości transmisji, ilości i tłumienia spoin światłowodowych oraz złączy. Całkowite tłumienie wprowadzane przez światłowód to suma:
tłumienia wprowadzonego przez światłowód:
tłumienia wprowadzonego przez złącza:
tłumienia wprowadzonego przez spawy światłowodowe:
(30km+50km) x 0,2dB/km = 16dB
4 x 0,15dB = 0,60dB
5 x 0,15dB = 0,75dB
Ps = 16dB + 0,60dB + 0,75dB = 17,35dB
Całkowite wzmocnienie toru światłowodowego w tym wypadku jest równe wzmocnieniu wprowadzonym przez wzmacniacz optyczny (W).
Pz = 10dB
Podczas projektowania systemu powinny zostać uwzględnione skutki starzenia się elementów toru optycznego (typowo od 1dB - 3dB) oraz wpływ temperatury na urządzenia elektroniczne i elektrooptyczne (typowo +/- 2dB). Standardowo margines bezpieczeństwa przyjmuje się w granicach 6dB.
Pm = 6dB
Aby dobrać czułość odbiornika na końcu toru optycznego wystarczy przekształcić i rozwiązać równanie:
Pnad – Podb < Ps - Pz + Pm
Podb > Pnad – Ps + Pz - Pm
Podb > 3dBm - 17,35dB +10dB – 6dB
Podb > -10,35dB
Zastosowany odbiornik powinien posiadać czułość powyżej -10,35 dBm.
Przykład projektowania toru optycznego z wykorzystaniem urządzeń ULTIMODE
Do przykładowego toru optycznego zostały użyte urządzenia serii ULTIMODE – media konwerter ULTIMODE M-403M L11041. Media konwertery serii ULTIMODE to niezawodne urządzenia pozwalające na przesyłanie sygnału Fast Ethernet w dwóch jednomodowych włóknach światłowodowych na dużą odległość - aż 40 km. Media konwerter posiada dwa złącza SC służące do nadawania (Tx) bądź odbierania sygnału (Rx). Sygnał optyczny jest transmitowany i odbierany w II oknie transmisyjnym - 1310 nm.
Media konwerter ULTIMODE M-403M - dwa włókna jednomodowe do 40 km
Media konwerterów M-403M L11041.
Media konwertery ULTIMODE są szeroko stosowane przy przesyłaniu sygnału ethernetowego na duże odległości oraz w miejscach narażonych na trudne warunki atmosferyczne. Włókna światłowodowe zapewniają pełną izolację oraz odporność na zakłócenia występujące na drodze przesyłowej. Media konwertery ULTIMODE M-403M L11041 są głównie wykorzystywane do łączenia osiedlowych sieci LAN oraz rozproszonych budynków jednej korporacji.
Media konwerter ULTIMODE M-403M - dwa włókna jednomodowe do 40 kmMedia konwerter ULTIMODE M-403M - dwa włókna jednomodowe do 40 kmSwitch TP-Link TL-SF1008D 8 portów
Schemat wykorzystania media konwerterów L11041.
Posiadając podstawowe parametry urządzeń jak moc nadajnika i czułość odbiornika można obliczyć maksymalną odległość transmisji przez światłowód jednomodowy.
Niezbędne parametry do obliczeń:
Moc nadajnika (Pnad1 ... Pnad2)
Czułość odbiornika (Podb1 ... Podb2)
-5 ....... 0 dBm
-25 ... -7 dBm
Dodatkowe założenia:
  • Tłumienie toru światłowodowego na złączach i spoinach można w tym przypadku przyjąć 1dB.
  • Tłumienie jednostkowe włókna światłowodowego jednomodowego wynosi 0,33 - 0,42 dB/km dla długości fali 1310nm w zależności od zastosowanego włókna. Do obliczeń zostało przyjęte tłumienie 0,4 dB/km.
  • Margines bezpieczeństwa został przyjęty na poziomie 5 dB.
  • Sygnał optycznie w linii światłowodowej nie jest regenerowany.
Dla minimalnej mocy nadajnika odległość na jaką może zostać przesłany sygnał w II oknie transmisyjnym wynosi:
(Pnad1 - Podb1 - Pm - Ps)/0,4 = (-5 + 25 - 5 - 1)/0,4 = 35 km

Dla maksymalnej mocy nadajnika:
(Pnad2 - Podb1 - Pm - Ps)/0,4 = (0 + 25 - 5 - 1)/0,4 = 47,5 km
Przy podanych założeniach transmisja przez światłowód jednomodowy może przebiegać na odległość min 35 km.
Moc nadawania uwarunkowana jest od temperatury pracy oraz zjawiska starzenia się diody laserowej. W przypadku wszystkich urządzeń optycznych serii ULTIMODE czas życia diody laserowej (MTBF) wynosi minimalne 100 000 godzin czyli ponad 11 lat.