На какое расстояние может передавать пластиковое оптическое волокно? Понимание дБ, дБм и бюджета оптической мощности

На какое расстояние может передаваться пластиковое оптоволокно?» Звучит как простой вопрос, но не существует единого расстояния, применимого к каждому каналу POF.

Пластиковый оптоволоконный кабель имеет характеристики затухания, обычно выражаемые в дБ на метр. Это значение важно, но это только одна часть расчета расстояния. Фактическая дальность связи зависит от того, какую оптическую мощность излучает передатчик, насколько малую оптическую мощность может надежно обнаружить приемник, сколько мощности теряется через волокно и соединения и какой запас должен оставаться для реальных условий эксплуатации.

Вот почему один и тот же POF толщиной 1 мм может работать на расстоянии более 20 метров в одной системе и только 10 метров в другой. Волокно не изменилось.бюджет оптической мощностиполной линии связи передатчик-оптоволокно-приемник.

Для понимания этого необходимы три концепции:дБм,дБ, ибюджет оптической мощности.

Что определяет максимальную дальность передачи пластикового оптического волокна?

Максимальная дальность передачи пластикового оптического волокна — это наибольшая длина линии связи, при которой принимаемая оптическая мощность и качество сигнала остаются в пределах, установленных для системы передатчика/приемника. Это зависит от бюджета оптической мощности, затухания волокна, потерь на соединение и изгибов, температуры, конструктивного запаса и, в некоторых системах, ограничений скорости передачи данных и полосы пропускания.

Расстояние — свойство полной оптической линии связи

Канал передачи данных POF можно упростить и разделить на три основных элемента:

Передатчик → Пластиковое оптоволокно → Приемник

                                           Бюджет оптической мощности передатчик-POF-приемник

Передатчик создает оптический сигнал. Волокно несет его. Приемник все еще должен получать достаточно полезной оптической мощности для правильного восстановления данных.

Таким образом, передатчик дает системе начальный уровень оптической мощности, в то время как каждая часть оптического пути в некоторой степени снижает эту мощность.

Базовые отношения таковы:

Полученная оптическая мощность = переданная оптическая мощность — общие оптические потери

Если принимаемая оптическая мощность падает ниже требуемой чувствительности приемника, правильная работа канала связи больше не может быть гарантирована.

Значит, вопрос не просто:

Сколько потерь имеет этот POF на метр?

Более полезный инженерный вопрос:

Какой общий объем оптических потерь может выдержать данная конкретная система передатчик-волокно-приемник?

Только после того, как это значение станет известно, затухание в волокне станет полезным для оценки расстояния.

Оптическая мощность — не единственный возможный предел расстояния

Для многих коротких промышленных линий POF баланс оптической мощности является одним из наиболее практичных способов определения расстояния передачи. Однако достаточная принимаемая мощность не гарантирует автоматически, что любая произвольная длина канала и скорость передачи данных будут работать.

По мере увеличения скорости передачи данных на целостность сигнала также могут влиять форма импульса, полоса пропускания системы, дисперсия, синхронизация передатчика и поведение приемника. Таким образом, линия связи может достичь предела качества сигнала, даже если простой расчет оптической мощности все еще кажется приемлемым.

По этой причине бюджет оптической мощности следует рассматривать как фундаментальный расчет расстояния, а не как замену полной спецификации линии передатчика/приемника.

дБ против дБм: единицы измерения оптической линии

Распространенным источником путаницы при проектировании волоконно-оптической линии связи является то, чтодБидБмпохожи, но описывают разные вещи.

Понимание этого различия значительно упрощает остальную часть расчета ссылочного бюджета.

дБм против дБ в оптическом канале

Что означает дБм?

дБм — это абсолютный уровень мощности.

Он выражает оптическую мощность относительно 1 милливатт:

0 дБм = 1 мВт

Отрицательные значения дБм не означают отрицательную физическую мощность. Они просто означают, что уровень мощности ниже 1 мВт.

Например, передатчик может указать минимальную оптическую мощность –10 дБм, а приемник может указать чувствительность –18 дБм.

Это два абсолютных уровня оптической мощности.

Что означает дБ?

дБ описывает соотношение или разницу между двумя уровнями мощности.

В оптическом канале дБ используется для таких потерь, как:

• затухание волокна,

• потеря разъема или адаптера,

• потери, связанные с изгибом,

• и инженерный запас.

Если на каком-то участке линии потери составляют 2 дБ, принимаемая оптическая мощность после этого участка будет на 2 дБ ниже, чем до него.

Это различие важно:

дБм сообщает вам, где находится уровень оптической мощности.
дБ говорит вам, насколько он меняется.

Почему значения дБм можно вычесть, чтобы получить дБ?

Поскольку дБм является логарифмическим, разница между двумя значениями дБм выражается в дБ.

Предполагать:

Минимальная выходная мощность передатчика = −10 дБм

и:

Чувствительность приемника = −18 дБм

Затем:

−10 дБм − (−18 дБм) = 8 дБ

Таким образом, система имеет разность оптической мощности 8 дБ между минимальной выходной мощностью передатчика и чувствительностью приемника.

Эти 8 дБ не являются расстоянием между оптоволокном. Этобюджет потерь, который должен оплатить весь оптический путь.

Как рассчитать бюджет оптической мощности POF

Самая простая отправная точка для бюджета канала POF:

Бюджет оптической мощности = минимальная мощность передатчика − чувствительность приемника

Результат выражается в дБ.

Для консервативного проектирования минимальная гарантированная выходная мощность передатчика обычно более полезна, чем типичное значение передатчика, поскольку цель обычно состоит в том, чтобы определить, может ли линия работать при заданном компоненте и условиях окружающей среды.

Тот же принцип применяется и в приемнике: соответствующее значение чувствительности должно соответствовать требуемым условиям эксплуатации и скорости передачи данных.

Начните с минимальной мощности передатчика и чувствительности приемника.

Рассмотрим гипотетическую систему:

Минимальная выходная мощность передатчика: −10 дБм.
Чувствительность приемника: −18 дБм

Первоначальный бюджет оптической мощности составляет:

−10 − (−18) = 8 дБ

Таким образом, система может допускать разницу в 8 дБ между указанным выходным сигналом передатчика и порогом приемника до достижения этого предела приемника.

Но все 8 дБ не должны автоматически присваиваться волокну.

Другие потери еще предстоит учитывать.

Характеристики приемника также необходимо рассматривать как диапазон, а не только как минимальный порог. На дальних расстояниях обычно вызывает беспокойство недостаточная мощность. На очень коротких расстояниях в некоторых системах чрезмерный оптический входной сигнал также может превышать указанный диапазон приемника. Поэтому больше мощности не всегда автоматически означает лучше.

Вычтите потери между передатчиком и приемником

Практическая модель потери связи:

Общие потери в канале = потери в оптоволокне + дополнительные потери интерфейса + потери на оконечностях + потери, связанные с изгибами + другие потери при установке

Точные категории зависят от того, как устроена система.

Важная деталь заключается в том, что не каждый видимый интерфейс обязательно нужно добавлять снова. Некоторые спецификации передатчиков и приемников уже включают определенные условия связи в опубликованные оптические характеристики.

Если дизайнер снова добавит эти потери, бюджет станет излишне пессимистичным.

Не менее проблематична и обратная ошибка: предположить, что дополнительный переходник, встроенное соединение или устанавливаемый на месте интерфейс ничего не стоит.

Поэтому при расчете необходимо различать потери, которыеуже включен в спецификацию компонента или ссылкии потери, добавленные фактической установкой.

Резервный запас оптической мощности

Конструкция, которая обеспечивает чувствительность приемника точно на бумаге, по сути, не имеет оставшегося оптического запаса.

Реальным системам может потребоваться запас на такие факторы, как вариация компонентов, старение, вариация источника питания, вариация установки, условия окружающей среды и дополнительные пассивные потери.

Требуемый запас зависит от системы. Не существует универсального правила, согласно которому каждая система POF должна резервировать одинаковое количество децибел.

Таким образом, полезное инженерное уравнение выглядит следующим образом:

Доступный бюджет потерь волокна = PTx(мин) − PRx(чувствительность) − Фиксированные потери − Требуемая маржа

То, что останется после этих вычетов, можно отнести к волокну.

Преобразуйте оставшийся бюджет в приблизительную максимальную длину волокна

Если затухание в волокне представлено выражениемαв дБ/м приблизительная длина с ограничением мощности может быть рассчитана как:

Lmax ≈ Доступный бюджет потерь в волокне / αmax

Например, если в системе доступно 4 дБ для волокна, а расчетное значение затухания составляет 0,20 дБ/м:

Lmax ≈ 4 дБ/0,20 дБ/м = 20 м

Это уже гораздо более значимо, чем начинать с 0,20 дБ/м и пытаться угадать расстояние.

Значение затухания говорит нам, как быстро расходуется доступный бюджет. Передатчик и приемник говорят нам, какой бюджет существует в первую очередь.

Куда уходит бюджет оптической мощности?

Реальный канал POF обычно не теряет оптическую мощность только из-за одного механизма.

Куда уходит бюджет оптической мощности

Затухание волокна

Затухание в волокне описывает, сколько оптической мощности теряется при прохождении света через POF.

Обычно оно выражается вдБ/м.

Для некоторых промышленных марок POF с шагом индекса 1 мм опубликованные значения затухания составляют порядка нескольких десятых децибела на метр.В зависимости от марки кабеля, длины волны, температуры и условий испытаний типичные значения могут составлять около 0,19–0,22 дБ/м.

Эти цифры полезны для понимания масштаба затухания ПОФ, но их не следует рассматривать как универсальные константы.

В конструкции должны использоваться характеристики затухания, соответствующие фактическому волокну и условиям эксплуатации.

Существует также важное различие междутипичное значение затуханияимаксимальное заданное значение затухания. Типичное значение может описывать репрезентативную производительность, тогда как консервативная конструкция линии для наихудшего случая обычно требует значения, соответствующего гарантированным характеристикам.

Разъемы, адаптеры и дополнительные оптические интерфейсы

Каждый раз, когда оптический путь проходит через дополнительный интерфейс, некоторая мощность может быть потеряна.

Это могут быть линейные соединители, переборочные адаптеры, съемные соединения или другие интерфейсы, добавленные между передатчиком и приемником.

В коротких промышленных системах POF даже относительно небольшие фиксированные потери могут быть важны, поскольку общий бюджет доступной мощности может составлять всего несколько децибел.

Предположим, что в канале доступно 5 дБ после резервирования необходимого системного запаса. Если дополнительные интерфейсы потребляют 1 дБ, то для волокна остаётся всего 4 дБ.

При уровне 0,20 дБ/м один дополнительный децибел соответствует примерно 5 метрам потерь в оптоволокне.

Это не означает, что каждый разъем всегда стоит 1 дБ. Это показывает, почему фиксированные потери нельзя игнорировать при оценке расстояния.

Качество торцов и окончаний волокна

POF привлекателен отчасти потому, что его относительно легко завершить, но качество завершения по-прежнему имеет оптическое значение.

Конец волокна должен эффективно доставлять свет от передатчика к волокну и от волокна к приемнику. Плохая резка, неадекватная полировка, загрязнение, механическое повреждение или плохое выравнивание могут увеличить рассеяние или уменьшить оптическую связь.

Не существует полезного универсального правила, такого как «каждая торцевая поверхность POF добавляет X дБ». Результат зависит от метода завершения и интерфейса.

Для инженерных расчетов используйте соответствующую спецификацию разъема или концевой заделки, если таковая имеется. Для каналов, установленных на месте, качество терминирования также является одной из причин, по которым практика установки может влиять на реальные измеренные характеристики.

Потеря изгиба

Чтобы потерять оптическую мощность, не обязательно разрывать волокно.

Когда POF согнут слишком сильно, часть направляемой оптической энергии может ускользнуть, что приведет к увеличению затухания. Фактические потери зависят от конструкции волокна, радиуса изгиба, угла изгиба и механического состояния кабеля.

Вот почему в технических характеристиках кабелей обычно указываются требования к изгибам.

Вместо добавления произвольного универсального значения потерь на изгибе лучший подход — проложить кабель в заданных механических пределах и рассматривать необычно крутые или повторяющиеся изгибы как возможные источники дополнительных оптических потерь.

Температура и дрейф компонентов

К температуре не следует относиться как к простому правилу, такому как «добавьте X дБ при высокой температуре».

Оно может влиять на несколько частей оптической линии одновременно.

Оптический выход передатчика может измениться. Длина волны светодиода может смещаться. Затухание в волокне частично зависит от длины волны и условий окружающей среды. Чувствительность приемника также может варьироваться в зависимости от его рабочего диапазона.

Таким образом, полученный запас связи является эффектом на уровне системы.

Для промышленного оборудования, которое, как ожидается, будет работать в широком диапазоне температур, одних только типичных значений комнатной температуры недостаточно для расчета расстояния наихудшего случая. Состояние передатчика, приемника, кабеля и всей линии связи необходимо оценить в требуемом рабочем диапазоне.

Старение, изменение предложения и расчетная маржа

Оптические линии связи не рассчитаны только на момент выхода с производственной линии.

Характеристики компонентов различаются в зависимости от устройства и могут меняться в зависимости от условий эксплуатации и времени. Допуски поставок и варианты установки также могут влиять на реальную связь.

Это цель проектного запаса.

Запас — это не неиспользованная или потраченная впустую мощность. Это намеренный запас между прогнозируемой рабочей точкой и границей отказа.

Правильный запас зависит от технических характеристик компонентов, метода квалификации, требуемого срока службы, окружающей среды и целевого показателя надежности системы.

Почему один и тот же POF может работать на расстоянии 20 м в одной системе, но только на 10 м в другой?

Именно здесь баланс оптической мощности становится особенно полезным.

Представьте себе две системы, использующие один и тот же POF, с одинаковым расчетным затуханием 0,20 дБ/м.

Волокно идентично. Что меняется, так это оставшийся оптический бюджет.

Та же POF, разная дальность действия: 20 м против 10 м

Для системы А:

4 дБ / 0,20 дБ/м = 20 м

Для системы Б:

2 дБ / 0,20 дБ/м = 10 м

Это намеренно упрощенные гипотетические цифры. Они не являются универсальными спецификациями POF.

Их цель – показать, чтоодно и то же затухание не дает одинакового радиуса действия, если доступный оптический бюджет различен.

Различные передатчики создают разные начальные уровни мощности

Более мощный передатчик дает линии большую оптическую мощность в начальной точке при условии, что все остальные условия остаются сопоставимыми.

Если один передатчик имеет лучшую гарантированную минимальную запускаемую мощность, чем другой, он может поддерживать более высокие общие потери до того, как будет достигнут предел приемника.

Этот дополнительный допуск на потери потенциально может быть использован для большего количества оптоволокна, большего количества пассивных интерфейсов, большего запаса или некоторой их комбинации.

Разным приемникам требуется разная минимальная оптическая мощность

Приемник не менее важен.

Приемник, способный надежно обнаруживать более низкий оптический входной сигнал, дает системе больший потенциал потенциальных потерь, чем менее чувствительный приемник, опять же при условии совместимых условий эксплуатации.

Это означает, что замена только приемника может изменить возможную зону действия линии, даже если передатчик и оптоволокно останутся неизменными.

Простой пример бюджета мощности на расстоянии 20 м против 10 м

Предположим, что обе системы начинают с разности мощностей передатчика и приемника, затем вычитают необходимые фиксированные потери и расчетный запас.

После всех этих вычетов:

В системе А осталось 4 дБ для оптоволокна.
В системе B осталось 2 дБ для оптоволокна.

Таким образом, одна и та же POF 0,20 дБ/м дает совершенно разные расчетные расстояния.

Действующее руководство по выбору промышленных компонентов ясно иллюстрирует это: различные комбинации передатчика/приемника POF с длиной волны 650 нм указаны для расстояний линии связи примерно 10 м, 20 м, 45 м, 50 м и 58 м при различных рабочих скоростях передачи данных.

Средой передачи по-прежнему может быть POF толщиной 1 мм, но вся оптическая система будет другой.

Скорость передачи данных и архитектура приемника могут снова изменить охват

Комбинация передатчик/приемник предназначена для определенного диапазона скоростей сигнала и условий эксплуатации.

Изменение скорости передачи данных может изменить доступную производительность канала, поскольку полоса пропускания приемника, чувствительность, поведение шума, искажение импульса и другие факторы целостности сигнала связаны между собой.

Таким образом, система, предназначенная для относительно низкой скорости передачи данных, может достигать иной дальности действия, чем более высокоскоростная система, даже если обе используют одинаковую POF.

Это еще одна причина, по которой недостаточно выбрать кабель только по затуханию. Волокно и оптоэлектронные компоненты следует рассматривать как одно звено.

Почему расстояние в паспорте и реальное инженерное расстояние могут отличаться

Фраза «теоретическое расстояние» часто используется слишком широко при чтении технических данных оптоволокна.

Опубликованное расстояние соединения может вообще не быть теоретическим максимумом. В зависимости от компонента это может быть заданная или гарантированная зона действия при определенных условиях передатчика, приемника, кабеля, цепи, температуры и предельных значений.

Поэтому первым шагом является понимание того, что на самом деле представляет собой число.

Типичные значения — это не то же самое, что значения наихудшего случая

Типичный выходной сигнал преобразователя, измеренный при комнатной температуре, не обязательно является выходным сигналом преобразователя, который следует использовать для расчета наихудшего случая.

Аналогично, типичная чувствительность приемника или типичное затухание волокна могут дать более оптимистичный результат, чем гарантированные пределы.

Это может привести к двум различным расчетам:

Типичный расчет:полезно для понимания репрезентативной производительности.

Расчет наихудшего случая:полезно для определения того, остается ли требуемая производительность в пределах спецификации для различных компонентов и условий окружающей среды.

Эти два расстояния не следует путать.

Опубликованный охват уже может включать в себя несколько потерь и прибылей.

Некоторые спецификации каналов основаны на полных комбинациях передатчика и приемника, а не на значениях отдельных необработанных компонентов.

Например, опубликованные характеристики линии связи могут уже учитывать определенные условия связи, затухание в волокне, модальные эффекты, изменение температуры или запас оптической мощности.

В таком случае повторное независимое вычитание каждой предполагаемой потери может привести к недооценке фактического указанного охвата.

Всегда определяйте, что уже включено, прежде чем составлять дополнительный бюджет.

Не учитывайте дважды потери, уже включенные в спецификацию канала.

Это распространенная ошибка ссылочного бюджета.

Предположим, что выходные характеристики передатчика уже представляют оптическую мощность при определенных условиях связанного волокна. Если еще раз добавить предполагаемые потери связи передатчика, один и тот же механизм будет учитываться дважды.

Тот же принцип применяется и в получателе.

Напротив, если в установленную систему добавлен переборочный разъем, дополнительный адаптер или дополнительное терминальное соединение, которое не включено в опубликованную спецификацию линии связи, эти новые потери все равно необходимо учитывать.

Полезное правило:

Не считайте потерю, потому что она существует физически. Подсчитайте это, потому что это еще не учтено в используемой вами спецификации.

Установленные ссылки все равно должны быть проверены при соблюдении необходимых условий.

Расчет бюджета канала представляет собой инженерную модель.

Готовая система по-прежнему имеет настоящую прокладку кабелей, оконечные устройства, разъемы, допуски компонентов, температурные условия и электрические интерфейсы.

Поэтому для приложений, где важна надежность линии, рассчитанный бюджет должен быть сверен с полными спецификациями передатчика и приемника и подтвержден при требуемых условиях системы.

Цель расчета не заменить проверку. Цель состоит в том, чтобы сделать проект понятным до начала проверки.

Практический рабочий процесс для оценки расстояния соединения POF

От технических характеристик к практическому расстоянию связи POF

1. Определите фактический передатчик и его минимальную оптическую мощность в требуемых условиях.

2. Определите чувствительность приемника и действительный диапазон оптического входного сигнала.

3. Рассчитайте начальный бюджет оптической мощности передатчика-приемника.

4. Определите, какие потери связи или интерфейса уже включены в эти спецификации.

5. Добавьте внешний разъем, адаптер, заделку, изгиб и потери при монтаже, которые еще не включены.

6. Зарезервируйте оптический запас, требуемый конструкцией системы.

7. Определите оставшийся бюджет, доступный для затухания волокна.

8. Используйте соответствующую спецификацию затухания волокна для наихудшего случая, чтобы оценить длину, ограниченную по мощности.

9. Отдельно проверьте скорость передачи данных и расстояние связи пары передатчик/приемник.

10. Проверьте собранное звено на соответствие требуемым условиям эксплуатации.

Этот процесс меняет вопрос с:

«Сколько метров может передавать этот кабель POF?»

к:

«Может ли эта полная оптическая линия выдержать потери, вызванные требуемым расстоянием и установкой?»

Это гораздо более полезный вопрос для промышленного дизайна.

Главный инженерный вывод

Расстояние передачи POF не определяется одним показателем затухания и не должно рассматриваться как внутреннее фиксированное свойство кабеля.

Затухание в волокне определяет, насколько быстро потребляется оптическая мощность по мере увеличения расстояния. Передатчик определяет, какая оптическая мощность поступает в систему. Приемник определяет, насколько мало полезной оптической мощности может остаться на другом конце. Разъемы, качество заделки, изгибы, условия окружающей среды и маржа — все это потребляет или влияет на оставшийся бюджет.

Отношения можно резюмировать следующим образом:

Мощность передатчика → Доступный оптический бюджет → Потери на линии связи → Оставшийся запас → Практическая дальность действия

Вот почему два канала, использующие внешне схожие POF, могут иметь очень разные заданные расстояния.

При инженерном выборе начните с передатчика и приемника, рассчитайте баланс оптической мощности, учтите весь оптический путь, а затем используйте затухание в оптоволокне для оценки расстояния.

Не начинайте с дБ/м и предполагайте, что ответ уже содержится в кабеле.

Часто задаваемые вопросы

На какое расстояние может передаваться пластиковое оптоволокно?

Для пластикового оптического волокна не существует универсального максимального расстояния передачи. Досягаемость зависит от выходной мощности передатчика, чувствительности приемника, затухания волокна, потерь в разъемах и установке, условий эксплуатации, расчетного запаса и требований к скорости передачи данных для всей линии связи. Таким образом, различные промышленные системы передатчика/приемника POF могут указывать очень разные расстояния при использовании одинакового POF толщиной 1 мм.

В чем разница между дБ и дБм в оптоволокне?

дБм представляет собой абсолютный уровень оптической мощности, отнесенный к 1 мВт. дБ представляет собой относительную разницу или потери между двумя уровнями мощности. Выход передатчика и чувствительность приемника обычно указываются в дБм, а затухание в оптоволокне, потери в разъеме и оптический запас выражаются в дБ.

Как рассчитать бюджет оптической мощности линии POF?

Базовый расчет таков:

Бюджет оптической мощности = минимальная мощность передатчика − чувствительность приемника

Затем вычтите фиксированные оптические потери и необходимый инженерный запас. Оставшийся бюджет может быть направлен на затухание волокна. Разделив этот оставшийся баланс потерь на соответствующее затухание в волокне в дБ/м, можно получить приблизительную длину волокна с ограничением мощности.

Почему одно и то же пластиковое оптоволокно может иметь разные максимальные расстояния с разными трансиверами?

Потому что волокно — это только одна часть соединения. Разные передатчики могут излучать разные уровни оптической мощности, в то время как разные приемники могут иметь разную чувствительность и характеристики полосы пропускания. В результате общая величина оптических потерь, которую может выдержать каждая пара передатчик/приемник, может быть разной, даже если используется один и тот же POF.

Сокращают ли соединители и изгибы расстояние передачи POF?

Они могут. Дополнительные разъемы и адаптеры могут привести к оптическим потерям, а крутые изгибы могут увеличить затухание волокна. Плохое завершение также может привести к снижению оптической связи. Их фактический эффект зависит от волокна, системы разъемов, метода терминирования, радиуса изгиба и установки, поэтому их следует оценивать, используя соответствующие характеристики компонентов и кабелей, а не одно универсальное значение потерь.

Почему фактическое расстояние передачи POF может отличаться от значения, указанного в паспорте?

Сначала определите, что представляет собой расстояние, указанное в таблице данных. Это может быть гарантированное расстояние линии связи при определенных условиях, а не теоретический максимум. Типичные значения, характеристики для наихудшего случая, температура, класс кабеля, пассивные интерфейсы, расчетные запасы и условия установки — все это может повлиять на сравнение расчетного расстояния и фактической производительности системы. Потери, уже включенные в опубликованную спецификацию ссылки, также не должны учитываться дважды.