Статьи

К списку статей

Передача видеосигнала по волоконно-оптической сети: очень важные нюансы

Преимущества применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) очевидны. Разумеется, сигнал с камер видеонаблюдения, особенно мегапиксельных с IP-выходом, в рамках комплексных охранных систем как наиболее объемный, целесообразно передавать по ВОЛС. Однако при реальном проектировании и построении ВОЛС существует немало тонкостей. Проектировщикам систем видеонаблюдения известно, что в связи с потерями во время прохождения сигнала по сети разрешающая способность системы будет ухудшаться от блока к блоку. Поэтому нужно выбирать камеры с разрешением выше или таким же, как и у видеорегистратора (ни в коем случае не ниже!). Монитор, наоборот, рекомендуется выбирать с разрешением не выше, чем у видеорегистратора.

Потери в передающем тракте снижает и контраст видеоизображения, особенно важный при работе при низкой освещенности (контраст - количество градаций яркости (полутонов), которыми будет прорисован объект).

При этом если речь идет об удаленном наблюдателе, расположенном в нескольких километрах или десятках километрах от видеокамер и пункта наблюдения с установленным видеорегистратором или сервером, то влияние передающего тракта на сигнал может быть значительным. Обсуждению ряда актуальных и ранее малообсуждаемых вопросов построения передающих оптических сетей посвящена эта статья.

Общее описание ВОЛС
В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света как основного источника информации. Свет гораздо проще передать на дальние расстояния с меньшими потерями, чем электрический ток. Кроме того, он значительно меньше подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. Оптические линии сами не являются источниками электрических шумов.

По оптоволокну происходит передача электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн, соответствующего частотам 1014-1015 Гц, что обеспечивает очень высокую пропускную способность и быстродействие.

Высокая помехозащищенность ВОЛС обусловлена тем, что в природе и промышленности фактически отсутствуют источники электрического и магнитного поля напряженности, которые способны изменить условия распространения светового импульса в оптоволокне. Помимо этого чаще всего оптические кабели не содержат металлических элементов, поэтому проблем, связанных с разностью потенциалов этажей и зданий, с блуждающими токами в почве и т. п., не возникает. Волоконно-оптические системы имеют почти полную электрическую изоляцию, не страшатся повышенной влажности, не требуют оборудования, защищающего их от утечек, пробоев и короткого замыкания. Полупроводниковые приемники и передатчики света обладают достаточно высокой стабильностью.

Известно, что с наименьшими потерями свет распространяется по воздуху и в стекле. Например, современные волокна имеют затухание, равное 0,2 дБ /км, что дает на длине 100 м затухание 0,02дБ. На этой же длине современный высококачественный электрический симметричный кабель имеет затухание около 20 дБ, т. е. в 1000 раз большее.

Изначально ВОЛС применялись в военно-промышленном комплексе. Всем современным успехам ВОЛС обязаны активному развитию вооружений в середине и в конце прошлого века. Невосприимчивость ВОЛС к электромагнитным наводкам и высокая скорость передачи информации обусловили их применение в системах связи между контрольно-измерительными и командными комплексами, в состав которых входили ЭВМ. По зарубежным данным 80-х гг., около 5000 отдельных ВОЛС общей длиной 150 км между компьютерами использовались в составе командного комплекса ракетной системы МХ, обеспечивая передачу информации со скоростью 3,2 Мбит/с [1].

Разумеется по ВОЛС невозможно передать напряжение питания для устройств, работающих по технологии PoE, для ВОЛС применяется сложное и дорогое активное оптоэлектронное оборудование, технология производства оптических кабелей и трансиверов сложнее и дороже, работа с ВОЛС обуславливает повышенные требования к квалификации и культуре производственного персонала. При работе с ВОЛС необходимо принимать во внимание старение оптоволокна под действием влаги и жесткого гамма-излучения.

Структурная схема волоконо-оптической линии связи приведена на рис. 1.

Структурная схема волоконо-оптической линии связи
Рис.1

Оптический передатчик (optical transmitter) и оптический приемник (optical reciever) выделены пунктирной линией. В точке 1 световой сигнал возникает, в точке 2 световой сигнал исчезает.

При этом передатчик и приемник объединяют конструктивно в одно устройство - приемопередатчик или трансивер (transciever), - имееющее два оптических адаптера для присоединения двух оптоволокон. Именно поэтому сетевая карточка компьютера имеет на выходе адаптер для двух оптоволокон: по одному свет входит в карточку, по другому выходит из нее.

На схеме обозначены:
  • ИИ - источник информации
  • ПК - преобразователь кода
  • И - излучатель света
  • СУ - согласующее устройство (оптическое)
  • К - коннектор оптический
  • ВОК - волоконно-оптический кабель
  • ОМ - оптическая муфта кабеля
  • ФД - фотодиод
  • РС - регенератор сигала
  • ПИ - приемник информации
Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь, интерпретирует свет как информацию.
Электрический сигнал поступает на вход оптического передатчика и модулирует интенсивность выходного сигнала излучателя.
Оптический сигнал распространяется по волоконному световоду и поступает на вход оптического приемника, который осуществляет его демодуляцию и восстанавливает исходный электрический сигнал.
Для обеспечения нормальной эксплуатации оптический передатчик и приемник снабжаются розетками оптических разъемов.
Расстояния между трансиверами на оптической линии находятся в обратно пропорциональной зависимости от скорости передачи информации (рис. 2).
Расстояния между трансиверами на оптической линии находятся в обратно пропорциональной зависимости
Рис.2

На рисунке приведена зависимость расстояния, на которое передается информция от скорости ее передачи при использовании кабеля с потерями 2,7 дБ/км и светоизлучающего диода с длиной волны излучения 0,84 мкм и спектральной шириной линии 0,03 мкм:
1 - световод со ступенчатым профилем
2 - световод с градиентным профилем
Уменьшение затухания в кабеле и усовершенствование системы ввода приводит к увеличению длины передачи. Необходимо правильное соединение фотоприемника со световодом, сводящее до минимума потери на отражение, например с использованием "просветляющего" слоя между торцом светодиода и окном фотоприемника.

Оптоэлектронные приборы для ВОЛС
Построение ВОЛС в современном виде стало возможно благодаря колоссальному прорыву в развитии полупроводниковой оптоэлектроники начиная с 60-х гг. прошлого века.

Если говорить об источниках светового излучения, то необходимо отметить создание полупроводниковых лазеров поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором. Это длинноволновые VCSEL-лазеры (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), являющиеся прекрасной альтернативой более дорогостоящим традиционным торцевым (edge-emitting) лазерам Фабри-Перо и лазерам с распределенной обратной связью (Distributed Feed Back - DFB).

Лазеры DFB и Фабри-Перо часто требуют специальных оптических элементов (coupling) для ввода в волокно формируемого ими луча с эллиптическим профилем и широкой диаграммой направленности (wide divergence), что усложняет сборку оптических систем и увеличивает их стоимость.

Полупроводниковые лазеры VCSEL формируют луч с узкой диаграммой направленности (low divergence) и симметричным профилем.

Лазер VCSEL имеет резонатор, расположенный перпендикулярно плоскости подложки, это облегчает тестирование лазеров в процессе производства, а в результате снижается стоимость их сборки. В настоящее время его себестоимость составляет около $2.

В 80-е гг. Томский НИИПП разработал серию светодиодов для диапазона 0, 85 мкм и 1,3 мкм в корпусах, представляющих розетку унифицированного оптического разъема. Эти диоды характеризуются быстродействием 8-15 нс, прямые токи - до 50 мА, высокую линейность ватт-амперной характеристики, диаметр излучающей площадки - 200 мкм, вводимую в оптическое волокно мощность - 0,02-0,5 Вт.

Физико-технический институт им. Иоффе разработал одномодовые и многомодовые лазеры с длиной волны 1,3 мкм с высокой мощностью при небольших токах накачки с малой шириной огибающей спектра. Для одномодовых лазеров вводимая в оптоволокно мощность составляла 0,5-10 мВт при токах накачки 30-250 мА и ширине огибающей спектра 10-15 нм. Многомодовые лазеры с длиной волны излучения 1,3 мкм обеспечивали вводимую мощность излучения до 50 мВт при токах накачки до 600 мА.

Для применения в рефлектометрах разработаны быстродействующие пикосекундные лазеры с длиной волны 0,8 мкм и 1,3 мкм, обеспечивающие длительность импульса излучения 6-30 пс при мощности излучения до 500 мВт. Созданный в ФИАН одномодовый лазер с длиной волны 1,3 мкм обеспечивал мощность излучения, вводимую в оптический модуль оптоволокна 1,5 мВт при рабочем токе 80 мА. Модуль имел плоскую конструкцию, малые размеры, обеспечивал вывод излучения через отрезок одномодового оптоволокна [2].

Наиболее часто применяемым полупроводниковым материалом для источников света для ВОЛС является твердый раствор Ga 1-x Al x As, перекрывающий диапазон излучения 0,63-0,94 мкм. Полупроводниковые светоизлучающие диоды на основ Ga 1-x Al x As обладают, как правило, небольшой мощностью излучения, позволяющей вводить в волокно оптическую мощность до 1мВт и в зависимости от состава имеют ширину линии излучения 2540 нм и срок службы 10 5 - 10 6 часов. Полупроводниковые лазеры с двойной гетероструктурой на основе арсенида галлия генерируют излучение в диапазоне длин волн 0,83-0,94 мкм. Смещение полосы необходимо, чтобы длина волны излучения лазера не совпадала с полосой поглощения гидроксильной группы OH световода [3].

Серьезным недостатком полупроводниковых лазеров (и не только отечественных) является малая наработка на отказ (долговечность) и деградация характеристик - снижение мощности в процессе эксплуатации.

Если говорить о приемниках оптического излучения - фотодиодах, то технология их производства была также отточена в рамках ВПК. Головным институтом по разработке фотоприемников являлся НИИ прикладной физики (НИИПФ). Эпитаксиальные структуры для фотоприемников по заказу НИИПФ выращивали в "Гиредмете" Минцветмета [2].

Обычно в волоконно-оптических линиях связи в качестве фотоприемников используются лавинные и p-i-n фотодиоды. Фотоприемники для ВОЛС должны быть широкополосными, иметь высокое значение произведения ширины полосы на коэффициент лавинного умножения, иметь низкий уровень избыточного шума (для ЛД), быть быстродействующими, иметь малую емкость, малый темновой ток, быть стабильными к внешним воздействиям, иметь максимальную чувствительность на длине волны излучателя и большой срок службы, а также обеспечивать возможность согласования с последующим каскадом усилителя.

Выполнение этих противоречивых требований позволило создать серию фотодиодов в корпусах, удобных для соединения с ВОЛС со следующими параметрами:
- кремниевые p-i-n фотодиоды - токовая чувствительность 0,4-0,5 А/Вт, длины волн - 0,85 мкм, быстродействие - 1-10 нс, темновой ток - 2-10 нА при рабочем напряжении 5В (24 В);
- p-i-n фотодиоды на основе гетероструктур InGaAsP/InP с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, токовой чувствительностью 0,6-0,9 А/Вт, быстродействием 0,07-0,3 нс, темновым током 0,1-5 нА при рабочем напряжении 5-10 В;
- германиевые лавинные фотодиоды с рабочими длинами волн 1,3 мкм и 1,55 мкм с токовой чувствительностью 6014 А/Вт, плотностью шумового тока (5-10) 10-12 А/Гц -1/2, быстродействием 0,1-0.6 нс, емкостью 0,6-2 пФ при рабочем напряжении 30-100 В;
- фотоприемные устройства с p-i-n FET с рабочими длинами волн 1,3 и 1,55 мкм, полосой пропускания 170-700МГц, чувствительностью от -36 до 43 дБм.
Итак, к началу 90-х гг. у нас в стране была создана необходимая оптоэлектронная элементная база для создания ВОЛС. Разработки были внедрены в серийное производство и нашли применение при производстве отечественной аппаратуры для ВОЛС, локальных сетей, кабельного телевидения и других линий связи [2].

Продолжение статьи

Видеонаблюдение

Внешний вид AN5-21B3.6I Внешний вид AN5-21B3.6I
Уличная аналоговая видеокамера
- 1/3" Pixel plus 1099 - 800 ТВЛ - 3,6 мм - ИК- 20 м
1 890

Производитель Axycam
Внешний вид AN4-37B3.6I-MG white Внешний вид AN4-37B3.6I-MG white
  • - 1/4" 1Мр H42
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
Доступно: 52 шт.
1 350

Производитель Axycam
Внешний вид AD-P31B3.6I-AHD Внешний вид AD-P31B3.6I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
1 197

Производитель Axycam
Внешний вид AD-P31B2.8I-AHD Внешний вид AD-P31B2.8I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8mm
  • - подсветка - 20м
1 323

Производитель Axycam
Внешний вид AN5-31B3.6I-AHD white/dark grey Внешний вид AN5-31B3.6I-AHD white/dark grey
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 20м
2 331

Производитель Axycam
Внешний вид AD-31B3.6I-AHD Внешний вид AD-31B3.6I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 3.6mm
  • - подсветка - 25м
1 953

Производитель Axycam
Внешний вид AD7-31V12I-AHD Внешний вид AD7-31V12I-AHD
  • - 1/4" 1Мр Omnivision
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8-12mm
  • - подсветка - 25м
3 213

Производитель Axycam
Внешний вид AN4-37V12I-MG Внешний вид AN4-37V12I-MG
  • - 1/4" 1Мр H42
  • - 720p ( 30 к/с)
  • - 2.8-12mm
  • - подсветка - 40м
3 800

Производитель Axycam
Внешний вид AN4-33V12I-AHD Внешний вид AN4-33V12I-AHD
  • - 1/4" 1.3Мр Aptina
  • - 960p ( 30 к/с)
  • - 2.8-12mm
  • - подсветка - 40м
4 092

Производитель Axycam
Внешний вид AX-41AHD-ML Внешний вид AX-41AHD-ML
  • - AHD/IP/960H
  • - 4 видео/1 аудио
  • - 25 к/с (720P)
  • - 1 HDD SATA (до 6 Tb)
4 851

Производитель Axycam
Найдено товаров: 1721
1 2 3 4 5

Возврат к списку

Создание проекта системы видеонаблюдения всего за несколько минут;
Все РЕАЛЬНО: в т.ч. сектора наблюдения, параметры кабельных трасс;
Загрузка готовых планов и их масштабирование;
Спецификация обрудования и смета создается автоматически;
Дружелюбный интерфейс;
Индивидуальные настройки программы и оборудования.
Техподдержка встроена непосредственно в программу.
Регистрация занимает одну минуту.

ОТ ЗАПРОСА ДО ОФОРМЛЕННОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ - 15 МИНУТ