Что такое оптический приемник

Оптический приёмник.

в Интернет 28.05.2020 0 25 Просмотров

Оптический приёмник, иногда называемый оптоволоконным приемником, является компонентом оптоволоконной сети. Роль приемника заключается в преобразовании световых импульсов, которые передаются по оптическим волокнам, в электрические сигналы. Как только информация преобразуется в электричество, она может быть прочитана электронным устройством, например компьютером, которое подключено к сети.
Оптический приемник является важным компонентом в оптоволоконной сети. В волоконной оптике свет используется для передачи информации между электронными устройствами, такими как два компьютера в сети. Кабели, которые обычно изготавливаются из высокоотражающего кварцевого стекла, используются для передачи световых импульсов. Свет падает вниз по полой трубке из кварца, пока не достигнет оптического приемника на другом конце.

Информация, передаваемая по оптоволоконному кабелю, имеет форму световых импульсов. Эти импульсы преобразуются в электрическую информацию оптическим приемником. Это устройство переводит импульсы света в серию единиц и нулей, называемых двоичным кодом. Затем компьютеры могут преобразовать эти длинные нити в процессы, наблюдаемые на компьютерных мониторах.

Импульсы света проходят через оптоволоконные кабели, пока не достигнут фотодиода на оптическом приемнике. Фотодиод изготовлен из материала, который может терять электроны при попадании фотона на определенную длину волны. Когда фотодиод поражается энергией света, электроны высвобождаются. Эти электроны создают очень маленькие электрические заряды, которые затем должен усилить оптический приемник. После усиления сигнала его можно преобразовать в электрическую информацию в виде потока цифровых единиц и нулей.

Оптические импульсы, посылаемые по оптоволоконному кабелю, могут сильно различаться по уровням энергии. Материал, из которого сделан фотодиод, определяет, в каком диапазоне уровней энергии он может преобразовываться в электричество. Например, кремниевые фотодиоды могут принимать информацию, распространяющуюся между 190 и 1100 длинами волн электромагнитного спектра (нм). Сульфид свинца может получать информацию только от фотонов с энергией, достаточной для перемещения между 1000 и 3500 нм.

Оптические приемники могут превращать только оптическую информацию в электрическую информацию. Подобное устройство, называемое оптическим передатчиком, используется для превращения электрической информации в свет. Существует также устройство, называемое оптическим приемопередатчиком, которое может принимать и передавать оптическую и электрическую информацию, свободно перемещаясь между ними.

Источник

Сети кабельного телевидения для самых маленьких. Часть 7: Оптические приёмники

Граница между оптической средой и коаксиальным кабелем — оптический приёмник. В этой статье рассмотрим их конструкцию и настройки.

Задача оптического приёмника — перенос сигнала из оптической среды в электрическую. В самом простом виде это можно сделать при помощи пассивного устройства, подкупающего своей незатейливостью:

Чтобы быть уверенным в качестве доставляемого сигнала при архитектуре FTTB требуется использовать более сложные устройства:

Приёмники, встречающиеся в нашей сети: Vector Lambda, Telmor MOB и отечественный Planar.

От своего пассивного младшего собрата все они отличаются более сложной схемотехникой, включающей в себя фильтры и усилители, благодаря чему можно быть спокойным за сигнал, добегающий до абонента. Рассмотрим их поближе:

Оптический приёмник Telmor имеет внутри панель с изображением структурной схемы. Такая схема типична для ОП.

Все активные ОП содержат в себе усилительный каскад, который так же обеспечивает возможность регулирования наклона и уровня выходного сигнала.

Управление оптическими приёмниками

Для настройки параметров сигнала, а так же изменения и контроля встроенных сервисных функций внутри самих приёмников обычно присутствуют простые органы управления. У MOBа, показанного на фото выше это отдельная плата, которая опционально устанавливается в корпус. Также, как альтернатива, предлагается использование быстросъёмной платы, устанавливаемой лишь на время настройки в порты на основной плате. На практике это не очень удобно, конечно.

Панель управления позволяет устанавливать значения входного аттенюатора (при увеличении которого выходящий сигнал снижается соответственно коэффициенту усиления), включать или выключать (а так же устанавливать фиксированные значения) АРУ, устанавливать параметры наклона и настраивать ethernet интерфейс.

Челябинский ОП Planar имеет понятный индикатор уровня оптического сигнала, а настройки осуществляются по-простому: крутилкой и сменой вставок, изменяющих характеристики усилительного каскада. В откидывающейся крышке расположен блок питания.

А выполненный в дизайне «технопорно» ОП Vector Lambda имеет двухразрядный экран и всего три кнопки.

Чтобы отличать положительные значения от отрицательных, этот ОП отображает отрицательные значения всеми сегментами, а положительный ноль и +1 показывает высотой в половину экрана. При значениях более +1,9 просто пишет «HI».

Такие органы управления удобны при оперативной настройке на объекте, но для возможности удалённого мониторинга и управления почти все приёмники имеют порт ethernet. Вебинтерфейс позволяет контролировать и изменять параметры, а для интеграции с системами мониторинга поддерживается опрос по SNMP.

Тут мы видим ту же типичную структурную схему ОП, на которой имеется возможность изменения параметров АРУ и аттенюатора. А вот наклон у этого ОП устанавливается лишь джамперами на плате и имеет три фиксированных положения.

Рядом со схемой отображаются важные для контроля параметры: уровни входящего и выходного сигналов, а так же значения напряжений, получаемых от встроенного блока питания. 99% выходов из строя таких ОП происходят после ухудшения этих напряжений, так что их стоит мониторить для предотвращения аварий.

Под словом Transponder тут имеется ввиду IP интерфейс и эта вкладка содержит настройки адреса, маски и шлюза — ничего интересного.

Бонус: эфирный телеприём

Это не относится к тематике серии, но я лишь в двух словах расскажу о эфирном приёме ТВ. Почему сейчас? Да просто если рассматривать сеть многоквартирного дома, то именно от источника сигнала в коаксиальной распредсети зависит будет ли сеть кабельной или эфирной.

При отсутствии оптоволокна с сигналом КТВ вместо ОП может быть установлен приёмник эфирного вещания, например Terra MA201:

К вводным портам приёмника подключаются несколько антенн (обычно три), каждая из которых обеспечивает приём своего диапазона частот.

Собственно, с переходом на цифровое телевещание в этом отпадает необходимость, так как цифровые мультиплексы вещаются в одном диапазоне.

Для каждой из антенн можно настроить чувствительность для снижения шума, а так же при необходимости подать дистанционное питание на встроенный в антенну усилитель. Далее сигнал проходит усилительный каскад и суммируется. Возможность регулировки выходного уровня сводится к отключению ступеней каскада, а регулировка наклона не предусмотрена вовсе: получить нужную форму спектра можно регулировками чувствительности каждой антенны в отдельности. А если за таким приёмником лежат километры коаксиального кабеля, то с затуханием в нём борются уже установкой и настройкой усилителей, таких же, как и на кабельной сети.

При желании можно комбинировать источники сигнала: собрать в одну сеть и кабельный, и эфирный, а заодно ещё и спутниковый сигнал. Это делается при помощи мультисвитчей — устройств, позволяющих суммировать и распределять сигналы с разных источников.

Источник

Наглядный обзор оптических передатчиков

Часто у знакомых системных администраторов, не сталкивавшихся раньше с оптическим волокном, возникают вопросы, как и какое оборудование необходимо для организации соединения. Немного почитав, становится понятно, что нужен оптический трансивер. В этой обзорной статье я напишу основные характеристики оптических модулей для приема/передачи информации, расскажу основные моменты, связанные с их использованием, и приложу много наглядных изображений с ними. Осторожно, под катом много трафика, делал кучу своих собственных фотографий.

Что и зачем

Сегодня практически любое сетевое оборудование для передачи данных в сетях Ethernet, предоставляющее возможность подключения через оптическое волокно, имеет оптические порты. В них устанавливаются оптические модули, в которые уже может подключаться волокно. В каждый модуль встроен оптический передатчик (лазер) и приемник (фотоприемник). При классической передаче данных с их использованием предполагается использовать два оптических волокна — одно для приема, другое для передачи. На изображении снизу представлен коммутатор с оптическими портами и установленными модулями.

Вот об этих маленьких электронных штуковинах дальше и пойдет речь.

Виды оптических модулей

Периодически возникают вопросы, какой же оптический приемопередатчик нужен в конкретной ситуации. Если перед глазами оказывается прайслист какой-либо, то просто разбегаются глаза от обилия всевозможных наименований. Попробую прояснить, что же значат различные буквы и цифры в названии модулей и что же из них вам может понадобиться. Оптические модули различаются формфактором (GBIC, SFP, X2. ), типом технологии («прямые», CWDM, WDM, DWDM. ), мощностью (в дицебелах), разъемами (FC, LC, SC).

Различные формфакторы

В первую очередь модули различаются своими формфакторами. Немного расскажу про различные варианты.

GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Очень часто применялся при передачи через многомодовые волокна. Сейчас же практически не используется в силу своих размеров. У меня осталась одна старая циска 3500, еще без поддержки CEF, в которой можно воспользоваться данными модулями. На изображении снизу два GBIC-модуля 1000Base-LX и 1000Base-T:

Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Наверно самый распространенный на сегодняшний день формат, гораздо удобнее в силу меньших размеров. Такой формфактор позволил значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Благодаря таким размерам стало возможно реализовать до 52 оптических портов на одной железке в один юнит. Используется для передачи данных на скоростях 100Mbits, 1000Mbits. На изображении снизу коммутатор с оптическими портами и пара модулей 1000Base-LX и 1000Base-T.

Enhanced Small Form-factor Pluggable. Имеют идеентичный SFP размер. Схожий размер позволил сделать оборудование с портами, поддерживающими обычные SFP и SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10GBase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Малые размеры придали некоторые особенности — для дальнобойных модулей бывают случаи слишком сильного нагрева. Поэтому для передачи более чем на 80 км таких модулей пока нет. На картинке снизу два модуля SFP+ — CWDM и обычный 10GEBase-LR:

10 Gigabit Small Form Factor Pluggable. Также, как и SFP+, используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Но в отличии от предыдущих, немного шире. Увеличенный размер позволил использовать их для прострела на большие расстояние по стравнению с SFP+. Снизу дополнительная плата для Huawei с установленными XFP и пара таких модулей.

XENPAK

Модули, используемые преимущественно в оборудовании Cisco. Используются для передачи данных на скоростях 10 Gbits. Сейчас уже изредка можно найти им применение, изредка можно встретить в старых линейках маршрутизаторов. Также такие модули бывают для подключения медного провода 10GBase-CX4. К сожалению, у меня нашелся лишь один XENPAK-модуль 10GEBase-LR и старая Cisco-вская плата WS-X6704-10GE под них.

Дальнейшее развитие модулей формата XENPAK. Часто в разъемы X2 можно установить модуль TwinGig, в который уже можно установить два модуля SFP… Это нужно в случае, если на оборудовании нет 1GE оптических портов. В основном X2-формфактор использует Cisco. В продаже существуют адаптеры X2-SFP+ (XENPACK-to-SFP+). Интересно, что такой комплект (адаптер+SFP+ модуль) выходит дешевле одного X2 модуля.
К сожалению, на руках у меня нашелся только адаптер, но чтобы понять, как выглядят эти модули и какого они размера этого вполне хватит. На рисунке снизу адаптер X2-SFP+ со вставленным SFP+ модулем.

Но если кому интересно, вот здесь можно посмотреть больше картинок и возможностей этого разъема.

Да, я не затрагивал относительно новые формфакторы (QSFP, QSFP+, CFP). На текущий момент они еще не очень распространены.

Различные стандарты

С использованием спектрального уплотнения

Описанные выше оптические модули передают сигнал в основном на длине волны 1310 нм или 1550 нм на двух волокнах (одно для передачи, другое для приема). Они имеют широкополосный фотоприемник (принимают все) и лазер, излучающий на определенной длине волны (грубо конечно). Но имеется возможность использовать уплотнение по длине волны. Это дает возможность использовать меньшее количество волокон для организации нескольких каналов тем самым увеличивая пропускную способность одного волокна.

Такие модули работают в паре, с одной стороны сигнал передается на длине волны 1310 нм, с другой 1550 нм. Это позволяет вместо двух волокон для организации одного канала использовать одно. Приемник на таких модулях так и остается широкополосным. Бывают как для 1GE, так и для 10GE. Снизу фотографии пары WDM-модулей с различными разъемами для подключения патчкордов LC и SC.

В большинстве случаев предпочтительнее использовать WDM-модули для малых расстояний. Их цена не очень большая (по 1 тыс рублей за модуль против 500 рублей за обычный). Причина — вы экономите целое волокно, на нем можно будет потом еще один такой же канал прогнать. Хотя конечно есть и другие способы экономии волокон.

Дальнейшее продолжение технологии WDM. С ее использованием можно добиться до 8 дуплексных каналов по одному волокну. Для этих целей используются CWDM-мультиплексоры (пассивные устройства с призмой внутри, позволяющей делить сигнал по цветам с шагом 20нм в диапазоне от 1270нм до 1610нм). Для этого также используют специальные CWDM-модули, в простонародье их называют «цветные», они передают сигнал на определенной длине волны. В то же время приемник на них широкополосный. Кроме того, такие оптические модули часто делают для передачи на большие расстояние (до 160 км). На рисунке ниже представлен малый комплект CWDM-SFP, на котором с использованием мультиплексоров можно поднять 2GE на одном волокне.

Как можно заметить, дужки у всех разные. В зависимости от длины волны модуль имеет свою раскраску. К сожалению, у всех производителей они разные.

Здесь появляется понятие оптический бюджет. Правда его расчет выходит за рамки этой статьи. В кратце, чем больше доступных портов, тем больше вы сможете смультиплексировать каналов, тем больше будет затухание. Кроме того, различные длины волн дают различные затухания на 1 километр передаваемого сигнала. А еще нужно учитывать тип волокна…

Можно много писать о методиках подбора таких модулей, о пересечении длин волн, о нежелательных длинах, о ADD/DROP-модулях. Но это отдельная тема.

Разъемы

Это то место, куда вы будете подключать оптический патчкорд. На оптических модулях сейчас используются преимущественно два типа раъемов — SC и LC. Грубо и жаргонно — большой и мелкий квадраты. Понятно, что имея в наличии патчкорд с разъемом SC, вы не подсоедините его к разъему LC. Нужно либо менять патчкорд, либо ставить переходник-адаптер. В большинстве случаев SFP-модули имеют разъем LC, в то время как X2/XENPAK — SC. Выше на изображениях уже были модули с различными разъемами.

Оптические патчкорды, они же оптические шнуры. Нас будут интересовать следующие характеристики: дуплекс/симплекс (количество волокон), полировка (сейчас это UPC-синие или APC-зеленые), разъем (SC, LC, FC), многомодовость и длина. Конечно, важна еще и толщина сердцевины волокна, но сейчас на многомодовые обычные шнуры используют стандартную толщину. Снизу я представил изображение с различными видами концов патчкордов.

В основном вы будете встречать следующее обозначение шнуров — ШО-2SM-SC/UPC-SC/UPC-3.0. Это расшифровывается следующим образом: Шнур Оптический Дуплексный Одномодовый (Single-Mode) с разъемами SC и полировкой UPC с одной стороны и SC-UPC с другой длиной 3.0 метра. Соответственно, например, ШО-SM-LC/APC-SC/APC-15.0 — одномодовый дуплексный шнур с разъемами LC-LC и гравировкой APC длиной 15 метров.

Неоторые особенности

Оптические модули — активное оборудование, они потребяют электроэнергию и выделяют тепло. Это следует учитывать при подключении оборудования к электросети. Также коммутатор, заполненный мощными модулями под завязку может потребовать дополнительного охлаждения.

Не стоит забывать, что в оптические модули встроены лазеры, и с ними необходимо соблюдать некоторую технику безопасности. Конечно в большинстве случаев никакой угрозы они не предоставляют в силу слабой мощности, но бывали случаи, дальнобойные мощные 10GE модули могут вполне выжечь сетчатку глаза или оставить ожог, если использовать палец в качестве аттюниатора.

Современные оптические модули имеют функцию DDM (Digital Diagnostics Monitoring) — в них встроен ряд сенсоров, через которые можно определить текущее значение некоторых параметров. Смотрится это через интерфейс оборудования, в которое установлен модуль. Самые важные параметры для вас — текущие принимаемая мощность и температура.

Ряд производителей сетевого оборудования запрещают использовать сторонние модули в их оборудовании. По крайней мере раньше Cisco не давала их запускать, они в ней просто не работали. Сейчас же в узких кругах известны команды, открывающие возможность использовать сторонние устройства, да и Cisco стала не так трепетно относиться к этому вопросу. Впрочем, при желании любые модули можно перепрошить, в продаже имеются специальные программаторы.

Порт на оборудовании (в большинстве случаев) загорается, если на модуль приходит сигнал достаточной мощности. Если соединить два двухволоконных модуля одинарным патчкордом (просто прием с передачей), с одной стороны порт загорится, но работать при этом ничего не будет.

Да, мощность может быть не только слабой. Если сигнал приходит слишком сильный, можно сжечь фотоприемник. Обычно это относится к дальнобойными мощным модулям с дистанцией > 80 км. Для уменьшения мощности используют специальные аттенюаторы. Хотя если делаем в лабораторных условиях, можно просто намотать пару витков патчкорда на какую-нибудь ручку или карандаш.

Источник

Оптические передатчики и приемники для средств связи

Рассмотерны схемы простых оптических передатчиков для светотелефонов (фототелефонов) с использованием простых ламп накаливания, а также ИК-диодов.

Простые оптические передатчики

Элементы для схемы передатчика светотелефона с модуляцией луча видимого света, рисунке 1 (а) :

Настройка выполняется так: переменным резистором RЗ устанавливается рабочая точка выходною транзистора (ОУ, Т1, Т2). Ток покоя, протекающий через этот транзистор задает начальную интенсивность свечения лампы. Значительный начальный ток необходим для компенсации инерционных свойств лампы накаливания.

Именно из-за инерционных свойств лампы, вызывающих искажения сигнала, глубина модуляции не может быть значительной ток покоя не достигает нуля. Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость). С целью ограничения искажений сигнала этот уровень обычно составляет всего нескольких процентов.

Величина начального тока и величина R7 зависят от типа используемой лампочки. Величина начального тока выбирается с учетом изменения тока модуляции. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника.

Это означает, что линия, вдоль которой осуществляется излучение, должна быть направлена на датчик приемника. Датчик же должен быть направлен на источник и ориентирован так, чтобы сигнал был максимален.

В данном устройстве возможно использование современных светоизлучающих диодов, обеспечивающих сравнительно высокую яркость излучения. Частотные свойства, надежность и экономичность у элементов этого класса значительно лучше, чем у ламп накаливания. Для достижения большей мощности излучения и дальности передачи возможно одновременное использование нескольких светодиодов.

Для повышения мощности излучения (и дальности), достижения экономичности (КПД) данных устройств связи целесообразно вместо чисто аналогового модулирующего сигнала использовать импульсную модуляцию, например, широтно-импульсную. Одним из вариантов такого решения может быть, например, использование усилителей класса D, к выходу которых можно подсоединить светодиоды. Учитывая повышенный коэффициент искажений, что характерно для усилителей класса D, в приемниках необходимо предусмотреть соответствующее фильтрование сигналов.

К сожалению, электромагнитное излучение видимой части спектра обладает рядом свойств, снижающих привлекательность его использования в подобных устройствах. Это и низкая прозрачность многих передающих сред, иногда недостаточная скрытность луча, слабая способность к отражению от препятствий и т.д.

Во многих случаях хорошей альтернативой может служить инфракрасное излучение.

Используя светоизлучающие диоды инфракрасной части диапазона. удается создать значительное число устройств, облегчающих и украшающих жизнь. Достаточно вспомнить хотя бы пульты дистанционною управления бытовыми устройствами, например, телевизорами, видеомагнитофонами и т.д. На основе аналогичных свето- и фотодиодов можно сконструировать устройства оптической связи.

Один из вариантов схемы передатчика светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения приведен на рисунке 1 (б). Схема и ее настройка во многом аналогичны предыдущей схеме оптического передатчика (рисунок 1, а) с модуляцией луча видимого света.

Элементы для схемы передатчика для светотелефона (фототелефона) с модуляцией инфракрасного излучения (рисунок 1, б) :

Переменным резистором RЗ устанавливается рабочая точка выходного транзистора. Ток покоя транзистора задает начальный ток и интенсивность потока (свечения) излучающего диода в отсутствии сигнала. Величина начального тока выбирается с учетом изменения тока модуляции.

Глубина модуляции (громкость) устанавливается с помощью резистора R1 (громкость) и значительно выше, чем в предыдущем случае: ток через диод от максимального уровня уменьшается практически до нуля. Для нормальной эксплуатации и достижения максимальной дальности связи, как и в предыдущем случае, необходимо выполнить взаимную ориентацию излучающего элемента передатчика и датчика приемника.

Схемы оптических приемников

Элементы для схемы приемника на рисунке 2, а:

На рисунке 2 (а) представлен вариант схемы оптического приемника на ИС 548УН1А. Эта интегральная схема содержит в своем составе два малошумящих ОУ, требующих для своей работы однополярное питание напряжением 9В-30В. Приведенный оптический приемник может быть использован в составе фотоприемопередатчика как для света видимого диапазона, так и для инфракрасного излучения.

На рисунке 2 (б) представлен вариант схемы оптического приемника на ОУ широкого применения. Особенностью данной схемы является использование в первом каскаде полевого транзистора. Это позволило достичь высокого уровня соотношения сигнал/шум и необходимого высокого входного сопротивления усилителя даже при использовании ОУ невысокого качества, обладающих низким входным сопротивлением. Приведенное устройство также может быть использовано в составе фотоприемопередатчика как для света видимого диапазона, так и для инфракрасного излучения.

Элементы для схемы приемника на рисунке 2 (6):

Оптический переадтчик с ШИМ-модуляцией

Как уже отмечалось, использованием широтно-импульсной модуляции можно повысить среднюю мощность излучения, КПД и, как следствие, дальность связи.

На рисунке 3 приведена схема передатчика, использующего широтно-импульсную модуляцию излучения инфракрасного светодиода.

Рис.3. Схема передатчика с широтно-импульсной модуляцией инфракрасного излучения ИФ-светодиода.

Элементы для схемы передатчика на рисунке 3 :

В оптическом приемнике, рассчитанным на работу с передатчиком, использующим широтно-импульсную модуляцию, для повышения качества передачи необходимо предусмотреть фильтрацию высокочастотных (ВЧ) составляющих, которые всегда содержатся в импульсном сигнале (в его спектре). В крайнем случае, выделение из импульсного сигнала среднего значения напряжения и фильтрация ВЧ-составляющих может осуществляться непосредственно в телефоне или в динамической головке приемника.

Заключение

Однако яркость передаваемого луча видимого и инфракрасного света может изменяться не только за счет модуляции, осуществляемой передатчиком. На яркость луча оказывает влияние среда, в которой распространяется несущий информацию луч. Свойства среды могут изменяться (туман, пыль, мелкие и крупные препятствия, и т.д.).

Кроме того, как уже отмечалось ранее, инфракрасный луч хорошо отражается от препятствий (это зависит от их свойств). При этом интенсивность отраженного луча, конечно, всегда ниже прямого.

Из всего сказанного ясно, что АМ-модуляция, схемная реализация которой достаточно проста, не обеспечивает высокого уровня помехозащищенности и качества.

ЧМ-модуляция позволяет придать связной аппаратуре новые потребительские свойства. Так; например, для случая инфракрасного излучения теряется разниц между прямым и отраженным лучом. Однако для корректной работы таких устройств связи необходимо, чтобы интенсивность принимаемого луча была выше граничной.

Качество передачи от замены прямого луча на отраженный не изменяется, т.к., следует напомнить, информация передается изменением частоты. Это позволяет в помещениях не очень заботиться о взаимной ориентации передатчика и приемника.

При эксплуатации устройств, использующих оптические и индукционные методы передачи информации, не требуется каких-либо разрешений.

Источник