Волоконно-оптический кабель

Волоконно-оптический кабель (fiber-optic cable) был разрекламирован как решение всех проблем, порождаемых медным кабелем. Такой кабель имеет огромную ширину полосы пропускания и может пересылать голосовые сигналы, видеосигналы и сигналы данных на очень большие расстояния. В связи с тем, что волоконно-оптический кабель для передачи данных использует световые импульсы, а не электричество, он оказывается невосприимчивым к электромагнитным помехам. Отличительной особенностью волоконно-оптического кабеля является также то, что он обеспечивает более высокую безопасность информации, чем медный кабель. Это связано с тем, что нарушитель не может подслушивать сигналы, а должен физически подключиться к линии связи. Для того чтобы добраться до информации, передаваемой по такому кабелю, должно быть подсоединено соответствующее устройство, а это, в свою очередь, приведет к уменьшению интенсивности светового излучения. К недостаткам волоконно-оптического кабеля следует отнести высокую стоимость и меньшее число возможных перекоммутаций по сравнению с электрическими кабелями, так как во время перекоммутаций появляются микротрещины в месте коммутации, что ведет к ухудшению качества оптоволокна.

По своей структуре волоконно-оптический кабель подобен коаксиальному кабелю (см. рис. 1). Однако вместо центральной жилы в его центре располагается стержень, или сердцевина, которая окружена не диэлектриком, а оптической оболочкой, которая, в свою очередь, окружена буферным слоем (слоем лака), элементов усиления и внешнего покрытия. Стержень и оболочка изготавливается как одно целое. Диаметр стержня составляет от 2 до нескольких сотен микрометров. Толщина оболочки - от сотен микрометров до единиц миллиметров. Буферный слой может быть свободным (жесткая пластиковая трубка) или плотноприлегающим. Свободный защищает от механических повреждений и температуры, прилегающий - только от механических повреждений. Элементы усиления выполняются из стали, кевлара и т.д., однако, могут иметь отрицательный эффект, например, элементы из стали могут притягивать разряды молний. Волоконно-оптический кабель с элементами усиления называется кабелем с усиленной конфигураций. В кабеле облегченной конфигурации пространство между внешней оболочкой и буферным слоем заполнено жидким гелием. Внешнее покрытие изготавливается аналогично покрытию электрических кабелей.

Волоконно-оптический кабель бывает одномодовым и многомодовым. Одномодовый кабель имеет меньший диаметр световода (5-10 мкм) и допускает только прямолинейное распространение светового излучения (по центральной моде). В стержне многомодового кабеля свет может распространяться не только прямолинейно (по нескольким модам). Чем больше мод, тем уже пропускная способность кабеля. Так, на 100 м максимальная частота сигнала на длине волны 850 нм для многомодового составляет 1600 МГц, для одномодового - 888 ГГц. Стержень и оболочка многомодового кабеля могут быть изготовлены из стекла или пластика, в то время как у одномодового - только из стекла. Для одномодового кабеля источником света является лазер, для многомодового - светодиод.

Для многомодового кабеля характерны следующие помехи: модальная дисперсия и хроматическая дисперсия. Модальная дисперсия заключается в том, что на большом расстоянии начинает сказываться многомодовость кабеля - световой импульс, идущий по самой длинной моде (неаксиальный луч) начинает "отставать" от импульса, идущего по центральной моде (аксиальный луч). В результате этого промежуток между импульсами должен быть больше, чем разница между аксиальным и неаксиальным лучами. Хроматическую дисперсию по другому можно назвать "эффектом радуги" - когда световой сигнал разделяется на световые компоненты., а так как волны света различной длины пропускаются световодом по-разному, то на больших расстояниях хроматическая дисперсия может привести к потере передаваемых данных - световые компоненты одного сигнала будут накладываться на световые компоненты другого.

Многомодовый волоконно-оптический кабель может быть со ступенчатым или плавным отражением сигнала. Кабель с плавным отражением сигнала имеет многослойную оболочку с разными коэффициентами отражения у каждого слоя, и лучшие характеристики по сравнению с кабелем со ступенчатым отражением сигнала.

Одномодовый кабель обладает наилучшими характеристиками, но и является самым дорогим. Многомодовый кабель из пластика является самым дешевым, но обладает самыми худшими характеристиками.

Радиоволновод (немного экзотики)

К искусственным средам передачи можно отнести радиоволноводы. Радиоволновод представляет собой полую металлическую трубку, внутри которой распространяется радиосигнал. Нужно отметить, что диаметр трубки должен соответствовать длине волны передаваемого сигнала. Обычно применяются короткие волноводы для передачи сигнала на передающую антенну. Однако есть сведения, что радиоволноводы применялись в военной отрасли для передачи сигналов на большие расстояния, причем коэффициент затухания сигнала был ниже, чем при использовании электрических кабелей. Но по мере развития технологий изготовления кабелей (в частности, волоконно-оптических) радиоволноводы перестали использоваться для передачи сигналов на большие расстояния.

Естественные среды

Рассматривая естественные среды передачи данных, сделаем следующие допущения: 1) так как наиболее используемой естественной средой является атмосфера (в основном, нижний слой - тропосфера), а различные сигналы распространяются в атмосфере по разному, то при рассмотрении данной среды различные виды сигналов будем рассматривать отдельно; 2) поскольку при спутниковой связи безвоздушная среда не накладывает каких-либо ограничений на проходящий через нее сигнал, а основные трудности сигнал спутниковой связи испытывает при прохождении атмосферы, - отдельно рассматривать безвоздушную среду не будем.

Атмосфера

Наибольшее распространение в качестве носителей данных в атмосфере получили электромагнитные волны. Здесь следует заметить, что от длины волны зависит характер распространения электромагнитных волн в атмосфере. Спектр электромагнитного излучения делится на радиоизлучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение. В настоящее время в связи с техническими трудностями ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение не используются. Используемые радиоволны, в свою очередь, зависят от длины волны. Они делятся на (приведем отечественную классификацию): сверхдлинные (декакилометровые), длинные (километровые), средние (гектаметровые), короткие (декаметровые), метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые. Последние пять диапазонов принято также называть ультракороткими волнами. Кроме того, в последние три диапазона входит СВЧ-излучение (а по некоторым источникам - и часть дециметрового диапазона 0.3…0.1 м).

Радиоволны

Волны, имеющую длину больше, чем у ультракоротковолновых, не представляют большого интереса для сети передачи данных из-за низкой потенциальной скорости передачи данных. Поэтому рассматривать их не будем.

В сетях передачи данных нашли применения радиоволны УКВ диапазона, которые распространяются прямолинейно и не отражаются ионосферой (как КВ) и не огибая встречающиеся препятствия (как ДВ или СВ). Поэтому связь в сетях передачи данных, построенных на УКВ радиосредствах, ограничена по расстоянию (до 40 км). Для преодоления этого ограничения обычно используют ретрансляторы.

Разработчику радиосети приходится, в первую очередь, заниматься юридическими проблемами. Это объясняется тем, что любая передающая радиостанция, превышающая ограничение на выходную мощность, подлежит лицензированию. Национальными комитетами по лицензированию (или государственными органами, занимающимися лицензированием), как правило, выделяются частоты, не подлежащие лицензированию (в США комитетом FCC определены три таких диапазона: 902…928 МГц, 2.4…2.5 ГГц и 5.8…5.,9 ГГц, в Европейском сообществе ETSI определен диапазон, утвержденный директивой ЕС 1.88…1.90 ГГц). Однако в этом случае на передающее устройство накладывается ограничение по мощности (для США - 1 Вт).

Сети передачи данных бывают узкополосными (как правило, одночастотные) и широкополосными (широкополосные, как правило, организуются на нелицензируемых частотах). Широкополосные сети могут использовать либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов и модуляцией несущей прямой последовательностью (DS-CDMA, DFM), либо метод множественного доступа с кодовым уплотнением каналов за счет скачкообразного изменения частоты (FH-CDMA, FHM).

Стоит добавить, что при использовании радиоволн с миллиметровыми длинами волны и менее, придется столкнуться с тем, что качество радиосвязи будет зависеть от состояния атмосферы (туман, дым и т.д.).

Разновидностью радиосвязи можно считать спутниковую связь, отличием от наземной радиосвязи будет являться только то, что вместо наземного ретранслятора используется спутник-ретранслятор, находящийся на геостационарной орбите. При использовании спутника-ретранслятора снимается ограничение по расстоянию, но возникают задержки между приемом и передачей сигнала - задержки распространения, которые могут составить 0.5…5 с.