Что такое оптоволоконный кабель
Для передачи данных сегодня широко используются оптоволоконные кабели. В некоторых областях IT они полностью вытеснили традиционные линии связи на основе металлических проводников. Особенно эффективны оптические линии там, где большие объёмы данных надо передавать на большие расстояния.
Физические основы работы оптоволокна
В основе физических принципов работы оптического волокна лежит принцип полного отражения. Если взять две среды с различными коэффициентами преломления n1 и n2, причем n2 Устройство оптического волокна
На этом принципе построено оптическое волокно. Оно состоит из двух коаксиальных слоев с разной оптической плотностью.
Если в открытый торец волокна попадает световой луч под углом, большим угла светового отражения, он будет отражаться от границы контакта двух сред с разным коэффициентом преломления полностью, с малым затуханием при каждом «скачке».
Внешняя часть оптоволокна изготавливается из пластика. Внутренняя может также быть выполнена из прозрачного пластика, тогда его можно гнуть под достаточно большими углами (даже сворачивать в кольцо, и свет, попавший внутрь, все равно пройдет от одного торца до другого с затуханием, зависящим от оптических свойств пластика и длины световода). Для магистральных кабелей, где гибкость не так важна, внутреннюю жилу обычно делают из стекла. Так уменьшается затухание, уменьшается стоимость световода, но он становится чувствительным к изгибам.
Для увеличения пропускной способности оптической линии волокно выпускают в двухмодовом или многомодовом исполнении. Для этого сечение сердечника увеличивают до 50 мкм или 62,5 мкм (против 10 мкм у одномодового). Через такой световод одновременно может передаваться два или более сигналов.
Такое построение оптической линии передачи имеет определенные недостатки. Один из них – световая дисперсия, вызванная разным маршрутом прохождения каждого сигнала. С ней научились бороться, выполняя сердечник с градиентным (меняющимся от середины к краям) коэффициентом преломления. За счет этого маршруты разных лучей корректируются.
Кабели с многомодовыми волокнами применяются большей частью для локальных сетей (в пределах одного здания, одного предприятия и т.п.), а с одномодовыми – для магистральных линий.
Устройство оптоволоконной линии
По ВОЛС передается световой сигнал, создаваемый светодиодом или лазером. В передающем устройстве формируется электрический сигнал. Конечному прибору также нужен сигнал в виде электрических импульсов. Поэтому потребуется дважды преобразовать исходные данные. Упрощенная схема оптоволоконной линии показана на рисунке.
Сигнал от передающего устройства преобразовывается в световые импульсы и передается по оптической линии. Мощность излучателей на передающей стороне имеет ограничения, поэтому на линиях большой протяженности через определенные промежутки ставятся устройства, компенсирующие затухание – оптические усилители, регенераторы или повторители. На приемной стороне стоит другой преобразователь, который трансформирует оптический сигнал в электрический.
Конструкция оптического кабеля
Для организации волоконно-оптической линии отдельные волокна используются в составе оптического кабеля. Его конструкция зависит от назначения линии передач и способа прокладки, но в целом он содержит несколько оптоволокон с индивидуальным защитным покрытием (от царапин и механических повреждений). Такая защита обычно выполняется в два слоя – сначала оболочка из компаунда, а сверху — дополнительное покрытие из пластика или лака. Волокна заключаются в общую оболочку (подобно обычным электрическим кабелям), которая определяет область применения кабеля и выбирается с учетом внешних воздействий, которым будет подвергаться линия в процессе эксплуатации.
При прокладке в кабельных лотках существует проблема защиты линий от грызунов. В этом случае надо выбирать кабель, внешняя оболочка которого усилена стальной лентой или проволочной броней. Также в качестве защиты от повреждения используются стеклонити.
Если кабель прокладывается в трубе, усиленная оболочка не нужна. Металлическая трубка надежно защищает от зубов мышей и крыс. Внешнюю оболочку можно выполнить облегченной. Так удобнее затягивать кабель внутри трубы.
Если предстоит прокладывать линию в грунте, защиту выполняют в виде проволочной брони, защищенной от коррозии, или стеклопластиковых прутьев. Здесь обеспечивается высокая стойкость не только на сдавливание, но и на растягивание.
Если кабель надо прокладывать на участках моря, через реки и прочие водные преграды, по болотистому грунту и т.п., применяется дополнительная защита из алюмополимерной ленты. Так осуществляется сохранность от проникновения воды.
Также многие кабели внутри общей оболочки содержат:
- армирующие стержни, служащие для придания конструкции большей прочности при внешних механических воздействиях и при тепловом удлинении линии;
- заполнители – пластиковые нити, заполняющие пустые области между волокнами и другими элементами;
- силовые стержни (их назначение – увеличивать нагрузку на разрыв).
В больших по длине пролетах линии подвешивается на тросе, но существуют самонесущие кабели. Несущий металлический трос встраивается непосредственно в оболочку.
В качестве отдельного типа волоконно-оптической линии надо упомянуть оптический патч корд. Этот кабель содержит одно или два волокна (одномодовых или двухмодовых), заключенных в общую оболочку. С обеих сторон шнур оснащается коннекторами для подключения. Такие кабели имеют небольшую длину и предназначены для соединения оборудования на небольшом расстоянии или прокладки внутришкафных коммуникаций.
Достоинства и недостатки оптических кабелей
К несомненным плюсам оптических кабелей, определившим широкое распространение таких линий связи, относятся:
- высокая помехозащищенность – на световой сигнал не оказывает воздействие бытовое и промышленное электромагнитное излучение, да и сама линия не излучает (это затрудняет несанкционированный доступ к передаваемой информации и не создает проблем электромагнитной совместимости);
- полная гальваническая развязка между приёмной и передающей стороной;
- малый уровень затухания – намного меньше, чем у проводных линий;
- длительный срок службы;
- большая пропускная способность.
В современных реалиях имеет значение также то, что кабель не привлекает похитителей металла.
Источник
Лекция 1. Физическая среда передачи данных
Лекция 1. Физическая среда передачи данных
Физическая среда передачи данных
Физическая среда является основой, на которой строятся физические средства соединения. Сопряжение с физическими средствами соединения посредством физической среды обеспечивает Физический уровень. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц. На физическом уровне находится носитель, по которому передаются данные. Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии. Хотя физические кабели являются наиболее распространенными носителями для сетевых коммуникаций, беспроводные технологии все более внедряются благодаря их способности связывать глобальные сети.
На физическом уровне для физических кабелей определяются механические и электрические (оптические) свойства среды передачи, которые включают:
- тип кабелей и разъемов; разводку контактов в разъемах; схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.
Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей посредством процедуры передачи данных по каналу. В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
Кабели связи, линии связи, каналы связи
Для организации связи в сетях используются следующие понятия:
- кабели связи; линии связи; каналы связи.
Кабель связи — это длинномерное изделие электротехнической промышленности. Из кабелей связи и других элементов (монтаж, крепеж, кожухи и т. д.) строят линии связи. Прокладка линии внутри здания задача достаточно серьезная. Длина линий связи колеблется от десятков метров до десятков тысяч километров. В любую более-менее серьезную линию связи кроме кабелей входят: траншеи, колодцы, муфты, переходы через реки, море и океаны, а также грозозащита (равно как и другие виды защиты) линий. Очень сложны охрана, эксплуатация, ремонт линий связи; содержание кабелей связи под избыточным давлением, профилактика (в снег, дождь, на ветру, в траншее и в колодце, в реке и на дне моря). Большую сложность представляют собой юридические вопросы, включающие согласование прокладки линий связи, особенно в городе. Вот чем линия (связи) отличается от кабеля. Называть кабель связи линией — все равно что асфальт, еще в кузове самосвала, именовать готовой автострадой. Разница примерно такая же.
По уже построенным линиям организуют каналы связи. Причем если линию, как правило, строят и сдают сразу всю, то каналы связи вводят постепенно. Уже по линии можно дать связь, но такое использование крайне дорогостоящих сооружений очень неэффективно. Поэтому применяют аппаратуру каналообразования (или, как раньше говорили, уплотнение линии). По каждой электрической цепи, состоящей из двух проводов, обеспечивают связь не одной паре абонентов (или компьютеров), а сотням или тысячам: по одной коаксиальной паре в междугородном кабеле может быть образовано до 10800 каналов тональной частоты (0,3 – 3,4 КГц) или почти столько же цифровых, с пропускной способностью 64 Кбит/с.
При наличии кабелей связи создаются линии связи, а уже по линиям связи создаются каналы связи. Линии связи и каналы связи заводятся на узлы связи. Линии, каналы и узлы образуют первичные сети связи.
Типы кабелей и структурированные кабельные системы
В качестве среды передачи данных используются различные виды кабелей: коаксиальный кабель, кабель на основе экранированной и неэкранированной витой пары и оптоволоконный кабель. Наиболее популярным видом среды передачи данных на небольшие расстояния (до 100 м) становится неэкранированная витая пара, которая включена практически во все современные стандарты и технологии локальных сетей и обеспечивает пропускную способность до 100 Мб/с (на кабелях категории 5). Оптоволоконный кабель широко применяется как для построения локальных связей, так и для образования магистралей глобальных сетей. Оптоволоконный кабель может обеспечить очень высокую пропускную способность канала (до нескольких Гб/с) и передачу на значительные расстояния (до нескольких десятков километров без промежуточного усиления сигнала).
В качестве среды передачи данных в вычислительных сетях используются также электромагнитные волны различных частот – КВ, УКВ, СВЧ. Однако пока в локальных сетях радиосвязь используется только в тех случаях, когда оказывается невозможной прокладка кабеля, например, в зданиях. Это объясняется недостаточной надежностью сетевых технологий, построенных на использовании электромагнитного излучения. Для построения глобальных каналов этот вид среды передачи данных используется шире – на нем построены спутниковые каналы связи и наземные радиорелейные каналы, работающие в зонах прямой видимости в СВЧ диапазонах.
Очень важно правильно построить фундамент сети – кабельную систему. В последнее время в качестве такой надежной основы все чаще используется структурированная кабельная система.
Структурированная кабельная система (Structured Cabling System – SCS) – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные, легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.
Преимущества структурированной кабельной системы.
- Универсальность. Структурированная кабельная система при продуманной организации может стать единой средой для передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети. Увеличение срока службы. Срок старения хорошо структурированной кабельной системы может составлять 8-10 лет. Уменьшение стоимости добавления новых пользователей и изменения их мест размещения. Стоимость кабельной системы в основном определяется не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Возможность легкого расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко наращивать, позволяя легко и ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование, удовлетворяющее растущим требованиям к системам коммуникаций. Обеспечение более эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей. Надежность. Структурированная кабельная система имеет повышенную надежность, поскольку обычно производство всех ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмой-производителем.
Кабельные системы
Выделяют два больших класса кабелей: электрические и оптические, которые принципиально различаются по способу передачи по ним сигнала.
Отличительная особенность оптоволоконных систем – высокая стоимость как самого кабеля (по сравнению с медным), так и специализированных установочных элементов (розеток, разъемов, соединителей и т. п.). Правда, главный вклад в стоимость сети вносит цена активного сетевого оборудования для оптоволоконных сетей.
Оптоволоконные сети применяются для горизонтальных высокоскоростных каналов, а также все чаще стали применяться для вертикальных каналов связи (межэтажных соединений).
Оптоволоконные кабели в будущем смогут составить реальную конкуренцию медным высокочастотным, поскольку стоимость производства медных кабелей снижаться не будет, ведь для него нужна очень чистая медь, запасов которой на земле гораздо меньше, чем кварцевого песка, из которого производят оптоволокно.
Основные поставщики оптоволоконного кабеля для России – Mohawk/CDT, Lucent Technologies и AMP.
Существует несколько различных типов кабелей, используемых в современных сетях. Ниже приведены наиболее часто используемые типы кабелей. Множество разновидностей медных кабелей составляют класс электрических кабелей, используемых как для прокладки телефонных сетей, так и для инсталляции ЛВС. По внутреннему строению различают кабели на витой паре и коаксиальные кабели.
Кабель типа «витая пара» (twisted pair)
Витой парой называется кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводов уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю, а экранированные витые пары еще более увеличивают степень помехозащищенности сигналов.
Кабель типа «витая пара» используется во многих сетевых технологиях, включая Ethernet, ARCNet и IBM Token Ring.
Кабели на витой паре подразделяются на: неэкранированные (UTP – Unshielded Twisted Pair) и экранированные медные кабели. Последние подразделяются на две разновидности: с экранированием каждой пары и общим экраном (STP – Shielded Twisted Pair) и с одним только общим экраном (FTP – Foiled Twisted Pair). Наличие или отсутствие экрана у кабеля вовсе не означает наличия или отсутствия защиты передаваемых данных, а говорит лишь о различных подходах к подавлению помех. Отсутствие экрана делает неэкранированные кабели более гибкими и устойчивыми к изломам. Кроме того, они не требуют дорогостоящего контура заземления для эксплуатации в нормальном режиме, как экранированные. Неэкранированные кабели идеально подходят для прокладки в помещениях внутри офисов, а экранированные лучше использовать для установки в местах с особыми условиями эксплуатации, например, рядом с очень сильными источниками электромагнитных излучений, которых в офисах обычно нет.
Кабели классифицируются по категории, указанным в таблице 6.1. Основанием для отнесения кабеля к одной из категорий служит максимальная частота передаваемого по нему сигнала.
Источник
