Światłowody w CCTV

Choć od kilku lat nie nastąpiły rewolucyjne zmiany w dziedzinie światłowodów w CCTV, obserwujemy znaczny wzrost zainteresowania tymi zagadnieniami wśród instalatorów. Przedstawimy zastosowania światłowodów w TV przemysłowej na poziomie elementarnym, bez zagłębiania się w zagadnienia teoretyczne. Zamieściłem tu podstawowe informacje dotyczące specyfiki światłowodowego przesyłu informacji, konstrukcji światłowodów, połączeń, podstawowym sposobom modulacji strumienia świetlnego, budżetowi optycznemu oraz przykładom jego obliczania. Moją intencją jest maksymalne "upraktycznienie" treści artykułu, pozwalające na samodzielne zaprojektowanie i realizację światłowodowego toru przesyłu wizji i danych o niezbyt złożonym poziomie skomplikowania przez średnio zaawansowanego instalatora.

Rynek światłowodów
Choć światłowody są znane i stosowane od dawna, gwałtowny rozwój tej dziedziny telekomunikacji obserwujemy od kilkunastu lat. Obecnie zapotrzebowanie na światłowody jest tak duże, że znacząco wzrosły ich ceny. Ta sytuacja wynikła z gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na zaawansowane usługi telekomunikacyjne, również z powodu niesamowitego upowszechnienia internetu. Podobna sytuacja ma miejsce na rynku przetworników optoelektronicznych i specjalizowanych układów scalonych. Jednocześnie daje się zauważyć przyrost liczby producentów oferujących podzespoły optoelektroniczne, a także wytwórców urządzeń światłowodowych. Jestem przekonany, że ten boom w technice światłowodowej jest zjawiskiem trwałym. W dającej się przewidzieć przyszłości, miedź zostanie wyparta przez światłowody, szczególnie w torach szerokopasmowych, i to niezależnie od również niezwykle dynamicznie rozwijającego się rynku szerokopasmowych usług bezprzewodowych. Tak więc nieodległa jest chwila, kiedy do mieszkania, firmy, instytucji dotrze jednym światłowodem kompleksowa usługa telekomunikacyjna, dostarczająca wielu interaktywnych kanałów telewizji cyfrowej, internet, telefonię, opomiarowanie zużycia energii i... kto wie, co jeszcze. To naprawdę nieodległa przyszłość!

Podstawowe informacje o światłowodach
Światłowody mieszczą się w grupie przewodowych mediów transmisyjnych, aczkolwiek podobieństwo to dotyczy wyłącznie konstrukcji mechanicznej. Typowym przedstawicielem przewodowych mediów transmisyjnych jest powszechnie stosowany drut miedziany, przenoszący sygnały elektryczne. W światłowodzie nośnikiem informacji jest zmodulowany strumień świetlny, zatem tu kończy się podobieństwo obu mediów.

Światłowód z bliska

Światłowód to w istocie bardzo cienki, porównywalny z grubością włosa rdzeń kwarcowy o wysokiej czystości, domieszkowany w sposób pozwalający uzyskać pożądane struktury i właściwości. Nieodłącznym elementem światłowodu jest tzw. płaszcz, który ma mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń. W związku z tym na granicy obu ośrodków następuje całkowite wewnętrzne odbicie strumienia świetlnego, zapobiegające wydostawaniu się światła poza rdzeń. Nośnikiem informacji jest zmodulowana fala elektromagnetyczna o długości z zakresu 0,8-1,6 μm. Jest to zatem fala świetlna z zakresu tzw. bliskiej podczerwieni. Dla porządku dodam, że poza światłowodami z rdzeniem czysto kwarcowym, produkuje sięi stosuje światłowody kwarcowo-polimerowe (PCS) lub wyłącznie polimerowe o znacząco większych średnicach rdzenia, ale znajdują one zastosowania ograniczone do niewielkich odległości ze stosunkowo niską przepływnością. Z grupy światłowodów znajdujących zastosowanie w TV przemysłowej można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje: światłowody gradientowe wielomodowe (ang. Multi Mode-MM) i jednomodowe (ang. Single Mode-SM). Jak dotąd, nie znalazłem w literaturze prostego i jasnego wytłumaczenia pojęcia "mod". Najprościej i najkrócej można powiedzieć, że mod to droga pojedynczej fali elektromagnetycznej (świetlnej) o określonej długości (częstotliwości, czyli barwie), przemieszczająca się wzdłuż rdzenia (włókna). W światłowodzie jednomowym (SM) jest to pojedyncza droga, podczas gdy w światłowodzie wielomodowym jest to wiele dróg rozchodzenia się strumienia świetlnego. Ilustruje to rys. 2.

 

 

 

Dla naszych potrzeb najważniejsze są cechy transmisyjne światłowodów. Światłowód jednomodowy oferuje większe pasmo i transmisję na większe odległości. Złącza i urządzenia do światłowodów jednomodowych są jednak droższe. Światłowody wielomodowe (tańsze złącza i urządzenia) stosuje się, gdy zapotrzebowanie na pasmo i zasięgi są mniejsze, np. wewnątrz budynku lub obiektu. Różnica w cenach samych światłowodów jest na tyle niewielka, że nie może być decydująca przy wyborze rozwiązania. O kosztowych aspektach stosowania światłowodów porozmawiamy w następnych odcinkach cyklu. Zanim to nastąpi, kilka słów dotyczących zalet i wad światłowodów widzianych przez pryzmat zastosowań w TV przemysłowej. Wnioski z poniższej tabeli są oczywiste: stosowanie któregokolwiek sposobu transmisji musi być poprzedzone analizą wymagań co do jakości przesyłu w konkretnych warunkach środowiskowych. Analiza ta nie może być pozbawiona elementu kosztowego, uwzględniającego nie tylko wartość materiałów, ale również koszt robocizny. Generalnie prace specjalistyczne związane z wykonaniem połączeń światłowodowych są znacząco droższe w porównaniu z wykonaniem połączeń miedzianych, jednak efekty są zwykle przewidywalne, podczas gdy tory przewodowe mogą przysporzyć niemało problemów (i kosztów), jeśli aplikacja dotyczy długich łączy lub prowadzonych w środowisku silnie zakłóconym. Niekiedy wręcz nie ma alternatywy!

 

Podstawowe parametry transmisyjne światłowodów

W poniższej tabeli zestawiono typowe parametry transmisyjne najpopularniejszych kabli światłowodowych. Do obliczeń np. budżetu mocy (zasięgu, o czym w następnej części artykułu) należy jednak przyjąć wartości podane w kartach katalogowych, ponieważ różnice bywają znaczne i mogą być przyczyną błędnych obliczeń.

W tab. 2 symbolem G/50 oznaczono światłowód gradientowy 50 /125 μm, w którym średnica rdzenia wynosi 50 μm, natomiast średnica płaszcza - 125 μm. Typowa grubość rdzenia w światłowodzie jednomodowym wynosi 8-10 μm, zaś średnica płaszcza, podobnie jak dla światłowodów wielomodowych, 125 μm. Pewnego komentarza wymaga jednostka miary związana z pasmem przenoszenia. Otóż pasmo przenoszenia określa się iloczynem MHz * km, co wskazuje na związek zasięgu i częstotliwości sygnału w danym światłowodzie. Tak określone pasmo przenoszenia światłowodu wskazuje na zakres stosowalności światłowodów wielomodowych do przenoszenia sygnałów szerokopasmowych w funkcji odległości. W przypadku przesyłu wizji w paśmie podstawowym, powyższe ograniczenie "nie zdąży" zadziałać, bowiem jako pierwszy pojawi się problem wytłumienia sygnału świetlnego do poziomu jeszcze akceptowalnego przez czułość odbiornika. Inaczej ma się sprawa w przypadku przesyłu wizji w postaci sygnału FM, kiedy nośna wynosi 70 MHz lub więcej. Wówczas w pierwszej kolejności może zadziałać ograniczenie wynikające z iloczynu pasmo razy odległość, zwłaszcza że ten rodzaj modulacji charakteryzuje się lepszą "wydajnością" zarówno po stronie nadawczej, jak i odbiorczej. Wymagany stosunek sygnału do szumu na wejściu demodulatora może być niższy niż w przypadku modulacji intensywności strumienia świetlnego (AM), przy jednocześnie lepszym S/N sygnału wizyjnego po demodulacji. Podobnie przedstawia się problem przesyłu wizji po cyfryzacji. Stąd wniosek praktyczny: światłowody wielomodowe doskonale nadają się do przesyłu wizji w paśmie naturalnym, ale znacznie gorzej w przypadku modulacji szerokopasmowej. W pewnym zakresie zastosowań dopuszczalne i opłacalne jest stosowanie prostych i tanich rozwiązań, w innych nie jest to możliwe. Wówczas trzeba sięgać po "większy kaliber". Taka sytuacja powstaje zwykle przy konieczności przesyłu wizji na odległości przekraczające 4-5 km.

Tłumienie niemodulowanego strumienia świetlnego obrazuje także rys. 3, na którym daje się zauważyć trzy wyraźne minimum tłumienia, związane z określonymi długościami promieniowania świetlnego. Mówi się o tzw. oknach. W związku z takim "zachowaniem się" światłowodów, zarówno źródła promieniowania, jak i detektory optymalizuje się do pracy o owych oknach. Pozwala to na wykorzystanie selektywnych właściwości toru do zwielokrotnienia pojemności transmisyjnej. Jest to zwielokrotnienie z podziałem (multipleksowaniem) długości fali promieniowania (ang. wavelength division multiplexing - WDM). Ten rodzaj zwielokrotnienia wymaga stosowania specjalnych sprzęgaczy (ang. coupler) optycznych, ale pozwala również na realizację dupleksowych transmisji na jednym światłowodzie.
Jako źródła światła stosuje się półprzewodnikowe diody emisyjne (LED) lub lasery półprzewodnikowe. Pierwsze z nich są znacznie tańsze od drugich, ale zakres zastosowań obejmuje mniejsze moce promieniowania (rzędu 100-150 μW, rzadko więcej) oraz mniejsze częstotliwości modulacji (rzędu 50-200 MHz, choć spotyka się "szybsze"). Zakres promieniowania LED obejmuje pierwsze lub drugie okno. Diody laserowe mają znacznie większy zakres zastosowań, poczynając od mocy (kilka mW lub więcej), a na szybkości kończąc (zakres GHz). Ponadto doskonale nadają się do systemów ze zwielokrotnieniem WDM, ponieważ mają bardzo wąskie pasma promieniowania fali świetnej, co przy użyciu specjalnych (i również wąskopasmowych) filtrów optycznych, pozwala na "upakowanie" wielu kanałów przesyłowych w jednym światłowodzie. Niestety, zalety te okupione są bardziej skomplikowanym sterowaniem, uwzględniającym zwrotną kontrolę strumienia dzięki wbudowanej diodzie detekcyjnej, a także znacznie większym kosztem. Jeżeli chodzi o trwałość źródeł promieniowania, to mamy do czynienia z pewną degradacją strumienia świetlnego, postępującą z czasem pracy i "siłą" wysterowania. Najszybciej degradacja następuje w pierwszym okresie eksploatacji, aby po kilkuset godzinach pracy ustabilizować się na stałym, powolnym zmniejszaniu strumienia. Niemniej współczesne źródła promieniowania świetlnego mogą zapewnić pracę przez setki tysięcy godzin. Choć stopniowa degradacja mocy strumienia świetlnego nie jest jedyną przyczyną zmiany poziomu sygnału na wejściu odbiornika, to wymaga stosowania w odbiorniku automatycznej regulacji wzmocnienia (ang. AGC). Systemy bez takiej regulacji zalicza się do najniższej półki.

 

Konstrukcja kabli światłowodowych

Z natury rzeczy bardzo wątły rdzeń kwarcowy musi być wzmocniony w celu uzyskania akceptowalnej wytrzymałości. Problem ten jest znacznie bardziej złożony niż w przypadku kabli miedzianych. Obecnie stosowane technologie zapewniają dużą wytrzymałość mechaniczną kabli światłowodowych, co nie oznacza, że można obchodzić się z nimi nieostrożnie. Bezwzględnie należy przestrzegać zaleceń producenta dotyczących zginania, rozciągania i sposobów układania. W przeciwnym wypadku można narazić się na znaczne koszty. W jednym kablu umieszcza się nawet do kilkudziesięciu nitek światłowodowych. Ramy niniejszego artykułu ograniczają szczegółowe omówienie obszernego zagadnienia, jakim jest konstrukcja kabli światłowodowych. Materiałami na ten temat dysponuje OTO Lublin - jeden z dwóch polskich producentów kabli optotelekomunikacyjnych. Ich dane adresowe zamieścimy w następnym numerze "Twierdzy". Karty katalogowe kabli optotelekomunikacyjnych w części dotyczącej konstrukcji mechanicznej zawierają informacje wystarczające do celów praktycznych. Specjalistyczne prace związane z układaniem i łączeniem kabli oraz wykonywaniem połączeń najlepiej zlecić firmie wyspecjalizowanej w tej dziedzinie. Zresztą nie tylko wiedza i doświadczenie są niezbędne do tych czynności: tzw. zarabianie i łączenie światłowodów wymaga specjalistycznego, drogiego oprzyrządowania, co zniechęca do samodzielnego wykonywania połączeń w niewielkiej ilości. Na ogół instalator TV przemysłowej zamawia gotowe zakończenia, które łączy z urządzeniami końcowymi. Zwykle urządzenia te nie wymagają żadnej regulacji (wbudowana ARW). Warto jednak pamiętać, aby odbiór wykonanych łącz poprzedzić pomiarami tłumienności (metryczki!), co pozwoli uniknąć kłopotów podczas uruchamiania transmisji.

Sposoby łączenia światłowodów

O ile znajomość konstrukcji kabli światłowodowych ma niewielkie znaczenie praktyczne dla instalatora (choć nie można sprawy tej zupełnie zaniedbać), o tyle znajomość sposobów łączenia światłowodów uważam za sprawę ważną. Generalnie połączenia światłowodów można podzielić na stałe i rozłączalne. Wykonanie jednych i drugich wymaga posiadania specjalistycznego, kosztownego sprzętu i umiejętności. Niemniej "zarabianie" złącz ruchomych można przy niewielkim nakładzie pracy i kosztów wykonywać we własnym zakresie. Opłacalność tego przedsięwzięcia może być jednak wątpliwa, jeśli liczba złącz do wykonania jest niewielka i nie ma perspektywy jej zwiększenia w krótkim czasie. Dostępne są specjalne zestawy do zarabiania złącz w cenach rzędu kilka tysięcy złotych.


Jakość połączeń stałych wykonywanych metodą spawania zapewnia niewielkie straty sygnału na poziomie 0,25 dB dla wielomodowych i 0,15 dB dla jednomodowych. Połączenia klejone charakteryzują się nieco większą tłumiennością. Połączenia stałe wykonuje się w celu połączenia odcinków kabli lub w celu naprawy uszkodzonego odcinka. Połączenia rozłączalne są stosowane najczęściej do połączenia urządzeń końcowych pomiędzy sobą lub z panelem zakończeń kablowych. Jakość tego rodzaju połączeń zapewnia tłumienność rzędu 1,0 dB dla wielomodowych i 0,3 dB dla jednomodowych. Istnieje kilka rozpowszechnionych, znormalizowanych typów złącz światłowodowych, spośród których w TV przemysłowej spotyka się niemal wyłącznie złącza typu ST i FC/PC, a od niedawna SC.

Podstawowe sposoby modulacji strumienia świetlnego

Jako źródła światła najczęściej stosuje się półprzewodnikowe diody emisyjne (LED) lub lasery półprzewodnikowe. Pierwsze z nich są znacznie tańsze, ale zakres zastosowań obejmuje mniejsze moce promieniowania (rzędu 100- 150 μW, rzadko więcej) oraz mniejsze częstotliwości pracy (rzędu 50-200 MHz, choć spotyka się szybsze). Zakres promieniowania LED obejmuje pierwsze lub drugie okno. Diody laserowe mają znacznie większy zakres zastosowań, poczynając od mocy (kilkaset μW do kilku mW, a nawet więcej), a na szybkości kończąc (zakres GHz). Aby strumień świetlny mógł przenieść informację, musi być odpowiednio do potrzeb zmodulowany, podobnie zresztą jak fala elektromagnetyczna, którą w istocie jest strumień świetlny. Spośród najczęściej spotykanych sposobów modulacji wymienię kilka podstawowych: − modulacja intensywności strumienia IM (ang. Intensity Modulation), niekiedy używa się określenia modulacja amplitudy AM (ang. Amplitude Modulation). Występuje w dwóch odmianach:
a) liniowa zmiana amplitudy, proporcjonalna do zmian analogowego sygnału wizyjnego,
b) dwuwartościowa, odpowiadająca poziomom zero i jeden w przypadku modulacji sygnałem cyfrowym − modulacja kątowa, a w szczególności modulacja częstotliwości FM (ang. Frequency Modulation) lub modulacja fazy PM (ang. Phase Modulation).
Inne rodzaje modulacji mają mniejsze znaczenie w technice światłowodowej. Każdy z wymienionych sposobów modulacji ma swoje zalety i wady. Np. liniowa modulacja amplitudy jest obarczona stosunkowo dużą nieliniowością, szczególnie w górnych strefach dopuszczalnego prądu modulacji, ale jest to sposób najprostszy i najtańszy. Odmiana tego sposobu modulacji, czyli bezpośrednie sterowanie elementu nadawczego sygnałem cyfrowym, jest niemal wolna od efektów nieliniowości, ale wymaga przetworzenia analogowego sygnału wizji na postać cyfrową, a następnie "wysłania" bit po bicie całego słowa odpowiadającego próbce sygnału wizyjnego. Proces cyfryzacji sygnału analogowego musi przebiegać z częstotliwością co najmniej dwukrotnie większą od najwyższej częstotliwości przetwarzanego sygnału (tzw. zasada Nyquista), a ponadto wymagana dokładność przetwarzania nie powinna być mniejsza niż 8 bitów. Poza tym, aby przesłać jednym torem strumień bitów, konieczne jest niezawodne odtworzenie "zegara" odbiorczego, czyli sygnału sterującego procesem wpisu poszczególnych bitów słowa do rejestru konwertera C/A w odbiorniku i ustalającego moment odczytu kompletnego słowa w celu zamiany jego cyfrowej postaci na analogową. W tym celu powszechnie stosuje się kodowanie słowa przed wysłaniem, które wymaga zwiększenia częstotliwości zegara transmisyjnego np.1,25 raza w stosunku do częstotliwości próbkowania. Przykładowo, sygnał wizyjny poddany cyfryzacji ma pasmo 6 MHz, stąd częstotliwość przetwarzania musi być nie mniejsza niż 12 MHz, typowo 13,5 MHz. Przy przetwarzaniu 8-bitowym wymagana przepływność binarna toru wyniesie 13,5 MHz * 8 bitów * 1,25 = 135 Mbps (megabitów na sekundę). Odpowiada to pasmu przenoszenia toru niemal 70 MHz! Zauważmy, że założyliśmy wymagania najniższe z możliwych. Przesył szerszego pasma wizyjnego oraz osiągnięcie wierniejszego przetwarzania (9-10 bitów) znacząco zwiększa wymagania co do przepustowości toru. I choć warunki wysterowania elementu nadawczego są znacznie lepsze w porównaniu z bezpośrednią modulacją strumienia świetlnego sygnałem wizyjnym, to cały proces staje się znacznie bardziej złożony i kosztowny. Ponadto problematyczna staje się możliwość wykorzystania do przesyłu tanich podzespołów wielomodowych, bowiem już przy stosunkowo niewielkich odległościach pojawia się problem pasma światłowodu. Ta technika przesyłu znajduje uzasadnienie przy zwiększonych wymaganiach jakościowych i związanych z uzyskaniem dużego zasięgu transmisji. Stosowana jest zresztą coraz powszechniej, bowiem dostępne są tanie, szybkie konwertery A/C i C/A oraz inne podzespoły towarzyszące, a jedynie konwertery światłowodowe pozostają drogie, jeśli dla osiągnięcia dużych zasięgów muszą być użyte jednomodowe. Alternatywnym sposobem modulacji jest szerokopasmowa modulacja częstotliwości (FM), do niedawna stosowana głównie w technice przesyłu wizji na znaczne odległości oraz powszechnie stosowana w technice satelitarnej. Najogólniej rzecz ujmując, polega ona na bezpośrednim oddziaływaniu sygnałem modulującym na częstotliwość generatora. Wartość amplitudy sygnału modulującego przekłada się bezpośrednio i proporcjonalnie na zmianę częstotliwości generatora lokalnego. Sygnał z tego generatora steruje elementem nadawczym konwertera światłowodowego (LED lub dioda laserowa) z ustaloną i niezmienną amplitudą. Ponieważ informacja jest zawarta w zmianie częstotliwości, nie zaś w amplitudzie strumienia świetlnego, warunki pracy źródła światła są podobne jak w przypadku wysterowania sygnałem cyfrowym, a więc korzystne. Specyficzne dla tego rodzaju modulacji są liniowość procesu modulacji podnośnej w nadajniku i jej demodulacji w odbiorniku, dewiacja lub szerokość zajmowanego pasma. Najczęściej stosuje się częstotliwość nośnej równą 70 MHz, przy której dewiacja osiąga wartość nawet +/-10 MHz, a więc jest to modulacja szerokopasmowa. Wymagania na przepustowość łącza są zatem zbliżone do przypadku omawianego poprzednio. Jako nośną stosuje się również inne częstotliwości, zarówno wyższe, jak i niższe. Np. fi rma IFS stosuje 30 MHz, co znacznie zmniejsza wymagania co do iloczynu pasmo * odległość, a więc pozwala na osiągnięcie znacznych zasięgów przy użyciu światłowodów wielomodowych. Niektórzy producenci stosują nośną 150 MHz, co wręcz narzuca konieczność stosowania konwerterów i światłowodów jednomodowych, jeśli zasięg transmisji ma przekraczać 4 km.

 

Techniki zwielokrotniania kanałów transmisyjnych

W wielu przypadkach zachodzi potrzeba przesłania dwóch lub więcej sygnałów wizyjnych w tym samym kierunku i na podobnej trasie. Dążenie do obniżenia kosztów każdego systemu jest oczywiste, stąd również w TV przemysłowej stosuje się różne techniki zwielokrotniania przepustowości kanałów transmisyjnych, znane od dawna w technice telekomunikacyjnej. Spośród nich na szczególną uwagę zasługują metody elektryczne:

− FDM (ang. Frequency Division Multiplexing) – metoda używająca jednocześnie dwóch lub więcej ciągłych, zmodulowanych częstotliwości nośnych, w celu uzyskania dwóch lub więcej niezależnych kanałów transmisyjnych
− TDM (ang. Time Division Multiplexing) – jest to metoda polegająca na przydzielaniu określonego czasu na przesył próbki sygnału z wybranego kanału przez wspólny dla systemu kanał transmisyjny. Na podobnej zasadzie działają multipleksery z wyjściem VCR, które pozwalają na zapis pojedynczych klatek pochodzących z różnych źródeł, przy czym multipleksowanie do celów transmisyjnych przebiega nieporównywalnie szybciej. Obie metody mają charakter czysto elektryczny, tzn. są realizowane zanim sygnał informacyjny zostanie zamieniony na strumień optyczny. Innym sposobem na zwiększenie pojemności toru światłowodowego jest technika przesyłu z użyciem różnych długości fali optycznych, co w dość powszechnie znanej radiokomunikacji odpowiada stosowaniu różnych częstotliwości fal nośnych (FDM). Każdy strumień optyczny może być zmodulowany dowolną z wyżej wymienionych elektrycznych metod zwielokrotniania, co pozwala na dodatkowe zwiększenie pojemności toru transmisyjnego.

Metody czysto optyczne to:
− WDM (ang. Wave Division Multiplexing) – użycie dwóch różnych długości fal optycznych w celu przeniesienia niezależnych informacji w jednym światłowodzie, najczęściej jednodomowym
− CWDM (ang. Coarse Wave Division Multiplexing) – użycie stosunkowo wąskopasmowych (rząd 20 nm) strumieni świetlnych, pozwalające na lepsze wykorzystanie "okna" poprzez nadawanie i odbiór do 8 różnych fal świetlnych w oknie i do 18 kanałów w 1 włóknie jednodomowym
− DWDM (ang. Dense Wave Division Multiplexing) – metoda jak wyżej, ale z nawet 8-krotnym "zagęszczeniem" strumieni świetlnych, co jest możliwe dzięki użyciu bardzo wąskich systemów generowania i filtrowania światła rzędu 1,0 nm.
Rys. 4. przedstawia powyższe zagadnienie w sposób graficzny.

Połączenie technik optycznych i elektrycznych umożliwia przesył ponad 150 nieskompresowanych kanałów wizyjnych jednym włóknem! Oczywiście metody te są bardzo kosztowne i dość rzadko stosowane w TV przemysłowej, ale znane są systemy transmisyjne dziesiątków kanałów wizyjnych wraz z danymi o różnym przeznaczeniu.

Budżet mocy optycznej

Każde łącze światłowodowe, bez względu na rodzaj transmisji, musi zapewnić poprawny przesył danych. Pojęcie "poprawny" można zdefiniować jako "wystarczający do danej aplikacji". Jest oczywiste, że w każdym przypadku wymagania mogą być inne, ale zwykle można mówić o grupie wymagań, jakie powinien spełnić system. W przypadku przesyłu wizji dla potrzeb TV przemysłowej wymagania na ogół nie są wysokie w porównaniu z telewizją studyjną, ale niekiedy bywają bardzo wyśrubowane. W każdym przypadku podstawowym problemem jest zapewnienie niezbędnego współczynnika szumów S/N albo SNR (ang. Signal-To Noise Ratio), minimalnego pasma przenoszenia (o którym wiadomo, że decyduje o szczegółach obrazu) oraz wierności przeniesienia, szczególnie obrazu kolorowego. Poziom szumów jest silnie związany z pasmem wizyjnym w tym sensie, że szersze pasmo wymaga niskiego poziomu szumów wnoszonych przez tor transmisyjny, co jest wymaganiem przeciwstawnym. W przypadku transmisji sygnałów cyfrowych (w tym wizji przenoszonej metodą cyfrową), nadmierny poziom szumów może spowodować przekłamania, uniemożliwiające jakikolwiek przesył. O ile przesył analogowy obarczony zauważalnymi szumami może być akceptowalny do pewnego poziomu, to zaszumiony sygnał cyfrowy (a także zmodulowany częstotliwościowo) może powodować gwałtowne pogorszenie jakości, do całkowitego zaniku włącznie. Analiza źródeł szumów w światłowodowym torze transmisyjnym byłaby zbyt obszerna i na tle tematu tego artykułu w gruncie rzeczy zbędna, dlatego przyjmijmy, że źródłem szumów jest konieczność likwidacji skutków tłumienia> wnoszonego przez elementy toru drogą wzmocnienia sygnału w odbiorniku. W przypadku długich łączy optycznych do odbiornika dociera cząstka wysłanego strumienia świetlnego, która wymaga bardzo dużego wzmocnienia. Naturalnie wzmacniane są również szumy. I oto problem. Nadajnik dysponuje pewną mocą strumienia świetlnego, która tylko w niewielkiej części zostaje sprzężona do światłowodu. Stopień przekazania mocy do światłowodu zależy od wielu czynników, spośród których najważniejszym jest jakość wykonania sprzęgu źródło światła-światłowód. Podobny problem istnieje w konwerterze odbiorczym. Zwykle producenci konwerterów podają w danych technicznych moc optyczną sprzężoną do światłowodu mierzoną na określonej odległości od konwertera. Niekiedy jest to 1 m, a niekiedy 100 m. Moc tę wyrażają w μW lub mW i/lub w dBm. Odbiornik optyczny musi otrzymać pewną minimalną moc optyczną, przy której jeszcze działa poprawnie. Określa ona czułość odbiornika. Dla porządku dodam, że ustalona jest również maksymalna moc optyczna, która nie powoduje przesterowania odbiornika. W niektórych zatem przypadkach nie jest możliwe połączenie zestawu nadawczo-odbiorczego na krótkich odcinkach, np. w celu sprawdzenia działania urządzeń. Pojęcie "działa poprawnie" odnosi się do założonej jakości przesyłu, co nie oznacza, że poniżej tej jakości przesył nie może być akceptowalny w konkretnej aplikacji. W przypadku transmisji cyfrowej (i to nie tylko zdigitalizowanej wizji), używa się pojęcia BER (ang. Bit-Error Rate). Wielkość ta określa zdolność do odbioru z określonym współczynnikiem przekłamań. Np. wartość BER = 10–9 oznacza, że na bilion wysłanych bitów jeden bit może być błędnie odebrany. Jeśli stosuje się specjalne techniki kodowania nadmiarowego, błędnie odebrane bity mogą być automatycznie skorygowane. Współczynnik BER jest ściśle związany z poziomem szumów towarzyszących odbieranemu strumieniowi danych i od pewnego ich poziomu gwałtownie rośnie. W przypadku transmisji analogowej z modulacją intensywności (IM), wymagany poziom szumów jest określony aplikacją, której transmisja służy. Np. w telewizji profesjonalnej bardzo dobrą jakość przesyłu, jeżeli S/N odebranego sygnału jest nie gorszy niż 46 dB, tzn. średnia wartość sygnału jest minimum 200 razy większa od średniej wartości szumów. Jest to wysokie wymaganie, jeśli uwzględni się, że w torze przesyłowym występuje wiele urządzeń, z których każde wnosi swoje szumy. W ciągu sygnałowym najważniejsze są pierwsze stopnie, bowiem ich szumy są wzmacniane w następnych stopniach razem z sygnałem. Można powiedzieć, że z punktu widzenia poziomu szumów wnoszonych przez każdy tor przesyłowy najważniejszy jest pierwszy stopień. Widać tu wyraźnie, że przesył wizji w postaci ciągu binarnego – począwszy od źródła, na monitorze kończąc – może zapewnić znakomity współczynnik S/N, ponieważ ten rodzaj przesyłu z natury rzeczy nie wnosi szumów w kolejnych stopniach toru, oczywiście przy zachowaniu pewnych zasad konstrukcyjnych. Po tych uwagach zajmijmy się budżetem mocy optycznej, który jest kwintesencją zagadnień związanych ze stosowaniem światłowodów. Jak zdefiniować to pojęcie? Budżet mocy optycznej pozwala na ocenę przydatności zestawu urządzeń do przesyłu wizji i/lub innych sygnałów na konkretną odległość. Pozwala także na dobór właściwych urządzeń i światłowodów adekwatnych do aplikacji. Procedura obliczeń sprowadza się do prostych działań matematycznych. Jakie dane wyjściowe są niezbędne do takiej oceny?
Otóż musimy znać:
− wartość mocy optycznej sprzężonej do światłowodu
− minimalną moc optyczną wymaganą przez odbiornik
(czułość odbiornika)
− tłumienie wnoszone przez poszczególne składniki
toru światłowodowego (światłowód, złącza)
– oraz przyjąć niezbędny margines bezpieczeństwa,
zwykle 3 dB.
Producenci urządzeń światłowodowych zwykle podają wartość budżetu mocy, jaką dysponują ich urządzenia przy założonej jakości przesyłu. W takich przypadkach ocena zasięgu jest bardzo prosta. Pokażmy to na przykładzie 1. Pomocny okaże się rys. 5 – schemat światłowodowego toru przesyłowego (przykład) oraz tab.2.

W konkretnej aplikacji liczba i rodzaj złącz mogą być oczywiście
inne. Również wartości tłumienia mogą być nieco inne,
co w krytycznych aplikacjach wymaga przyjęcia danych katalogowych
producenta kabli i dostawcy-wykonawcy złącz.

Przykład 1.
• Dysponujemy urządzeniami fi rmy AF Inc, nadajnikiem MT-10 i odbiornikiem MR-10.
• Urządzenie współpracuje ze światłowodem wielomodowym 62,5 μm na fali optycznej 850 nm, dysponując budżetem optycznym 17dB.
• Uwzględniamy 3-dB margines bezpieczeństwa, czyli do dyspozycji pozostaje 14 dB.
• Obliczamy możliwy do osiągnięcia zasięg.
Pozostałe składniki tłumienia to:
− 4 złącza ST powodujące tłumienie 4 x 1 dB = 4 dB
− 3 złącza spawane o tłumieniu 3 x 0,25 dB = 0,75 dB czyli łącznie 4,75 dB.
Zatem moc będącą do dyspozycji zmniejszamy o 4,75 dB, co daje 9,25 dB przypadające na światłowód (założyłem, że połączenia kablem ze złączami ST są bardzo krótkie i nie wnoszą istotnego tłumienia). Wystarczy teraz podzielić 9,25 dB przez jednostkową tłumienność kabla, czyli 3 dB/km, aby w wyniku otrzymać zasięg transmisji równy w przybliżeniu 3080m. Prawda, że proste?

Przykład 2.
Mamy dobrać urządzenia do aplikacji wymagającej przesyłu wizji na odległość nie mniejszą niż 5 km. W pierwszej kolejności musimy ustalić konfi gurację toru uwzględniającą wszystkie elementy wnoszące tłumienie, w tym liczbę połączeń stałych, uzgodnioną z wykonawcą okablowania. Przyjmijmy wstępnie:
• zastosujemy światłowód jak w przykł. 1, który wniesie tłumienie 3 dB x 5 km = 15 dB
• konstrukcyjnie zrealizujemy tor z użyciem 2 złączy ST, co daje 2 x 1 dB = 2 dB
• oraz z sześcioma złączami spawanymi, co daje 6 x 0,25 dB = 1,5 dB
Łącznie z wymaganym 3-dB marginesem bezpieczeństwa wymagany budżet mocy wyniesie BM = 15 + 2 + 1,5 + 3 = 21,5dB. Jest to wartość, którą jest w stanie zapewnić niewielu producentów. Trzeba zatem rozważyć zbadanie możliwości zastosowania urządzeń pracujących na fali 1300 nm, ponieważ tłumienie światłowodu w tym oknie jest znacznie mniejsze w stosunku do tłumienia w oknie 850 nm. W naszym przykładzie wymagany budżet optyczny zmniejszy się do 10,25 dB, czyli jest łatwy do spełnienia. Urządzenia używające fali 1300 nm są jednak droższe i dysponują gorszą liniowością konwersji sygnału analogowego na strumień świetlny (bez znaczenia dla sygnału cyfrowego). Poza tym, przy tej odległości można rozważyć celowość zastosowania interfejsu z modulacją częstotliwości FM, ale wzrost kosztów w stosunku do wyżej rozważanych jest znaczący. Jeśli producent urządzeń podaje wyłącznie moc optyczną nadajnika sprzężoną do światłowodu i minimalną moc wejściową odbiornika wyrażone w μW, wówczas możemy posłużyć się tabelką 3 "Konwersja jednostek mocy optycznej" albo skorzystać z poniższego wzoru:

W tabeli 3 jednostka dBm wraża odniesienie do 1 mW. Np. jeżeli czułość odbiornika wynosi 1μW, co odpowiada wartości –30,0 dBm, natomiast moc nadajnika wynosi 100 μW, co odpowiada -10,0 dBm, to odejmując (decybele podlegają sumowaniu) wartość mocy odbieranej od mocy nadawanej otrzymamy: BM [dB] = -10dBm –(-30dbm) = 20B Zauważmy, że zgubiliśmy literkę "m". Powyższy sposób postępowania jest niezależny od stosowanej metody modulacji tak długo, jak długo dane do obliczeń dotyczą parametrów katalogowych uwzględniających wybrany sposób modulacji. Sposób ten ma zatem charakter uniwersalny.

Podsumowanie

Przedstawione uwarunkowania dają pogląd na stopień złożoności analizy przydatności techniki światłowodowej do przesyłu wizji. Jak widać, nie jest to problematyka skomplikowana, ale wymaga przyswojenia pewnej wiedzy podstawowej oraz uważnego postępowania podczas doboru urządzeń i sposobu realizacji. Pomijając wszelkie inne względy, popełnienie błędu projektowego może być bardzo dokuczliwe finansowo z powodu dość wysokich kosztów realizacji. Niemniej technika światłowodowa użyta do przesyłu wizji ma wystarczająco dużo zalet, aby pokusić się o jej stosowanie, zwłaszcza gdy nie ma innej, porównywalnej jakościowo alternatywy.