מאת: יוסי יטמנו, אלקטרונדארט. חיבורי נתונים בסיבים אופטיים מעשיים אומצו בשנות ה-1980 וה-1990 עבור תקשורת ארוכת-טווח ורשתות בעלות קצבי נתונים גבוהים כדי לתמוך בתקנים סטנדרטיים דוגמת ה-Ethernet וה-Fibre Channel. תקשורת בסיבים אופטיים נמצאת עכשיו בשימוש נרחב במגוון יישומים המבוססים על מספר יתרונות חשובים לעומת העברת נתונים בנחושת:
רוחב-פס גבוה יותר- סיבים אופטיים תומכים בקלות בקצבי נתונים של גיגה-ביטים בשנייה למרחקים ארוכים (מעל 100 ק”מ) עם מערכות מתקדמות המעבירות טרה-ביטים רבים בשנייה על סיב בודד. יכולת הנתונים הרבה של הסיבים מתאימה גם לתכנונים ב”בחינות עתידיות” מאחר שהיא תומכת בהרחבת המערכת על-ידי תוספת או שדרוג ציוד סופי ללא הצורך לשנות את מערכת כבלי הסיב עצמם.
ניחות נמוך יותר – לסיב אופטי הפסדי אות נמוכים ביותר בתדרים גבוהים בהשוואה לכבל בנחושת. הפסדים אופייניים הם מתחת ל-0.25dB/km, המאפשרים העברה בסיב של מספר מאות קילומטרים ללא מהדרים.
ממדים קטנים יותר ומשקל נמוך יותר- סיב אופטי הוא מאוד קטן וקל בהשוואה לחיווט נחושת שווה-ערך הדרוש עבור שידור של אותות דומים.
ביצועי EMI משופרים – אותות פוטוניים אינם מקרינים הספק אלקטרו-מגנטי משמעותי והם ככלל חסינים בפני EMI או מתחים גבוהים מהתקנים סמוכים. יתר על כן, חיבורי נתונים אופטיים מבודדים באופן טבעי את שני הקצוות של מערכת התקשורת, מונעים על-ידי כך לולאות הארקה ומשפרים את הבטיחות.
בשווקים של מוצרים תת-ימיים, חיבורי הטלמטריה בסיבים אופטיים הפכו לסטנדרט עבור רכבים מופעלים מרחוק (Remotely Operated Vehicles – ROVs) בשל הדרישה לקצבי נתונים גבוהים הנוצרת על-ידי מצלמות וידיאו מרובות, סונארים בעלי רזולוציה גבוהה והתקנים מבוססי Ethernet. כבלי סיב אופטי וחבלים טבוריים אפשרו צמצום משמעותי בגודל ובמשקל בהשוואה לכבלי אותות מנחושת, ואפשרו כבלים ארוכים יותר ולבסוף תחום פעילות עמוק יותר ורחב יותר עבור ה-ROVs. יתר על כן, המגמה של קצבי נתונים עולים בהתמדה עוקבת אחר ההתקדמות בחיישנים ובאיכות הוידיאו, לדוגמה על-ידי העברה מוידיאו בעל הגדרה תקנית לוידיאו בעל רזולוציה גבוהה. חיבורי נתונים מסיבים אופטיים תומכים בנקל בהרחבה עתידית על-ידי העלאה פשוטה של קצב הנתונים או הוספת ערוצים נוספים בעלי אורך-גל חדש, כאשר אף אחד מאלה אינו דורש שינויים יקרים בכבלי הסיב האופטי הבסיסיים.
המרת מדיה
הצורה הפשוטה ביותר של תקשורת אופטית היא ממיר המדיה, שהוא בעצם מרבב חד-ערוצי. התקן זה ממיר סוג אחד של אות חשמלי (לדוגמה Ethernet או HD-SDI) לאות אופטי לשם שידור על-פני סיב, ולאחר מכן קולט את האות בקצה השני וממיר אותו חזרה לפורמט חשמלי. המרה פשוטה זו מאפשרת כמיסות נמוכה ביותר, לרוב פחות ממיקרו-שנייה, מבלי לחשב את השהיית הכבל הבלתי-נמנעת של כ-5us/km. ממירי המדיה משמשים לרוב עם אותות בעלי קצב נתונים גבוה יותר (מעל 10Mbps) מאחר שקצבי נתונים נמוכים יותר ניתנים לריבוב עם אותות אחרים רבים על אותו חיבור אופטי. אותות רגילים עבור ממירי מדיה כוללים (100 ו-1000Mbps),
HD-SDI ,ECL/PECL קואקסיאלי עבור סונאר (30 עד 150Mbps) וחיבורי נתונים מהירים ייחודיים שונים.
ריבוב
ריבוב (multiplexing) כולל את שילובם של אותות מבוא וסוגי אותות מרובים לתוך חיבור סיב אופטי יחיד. שתי הטכניקות הנפוצות ביותר לריבוב עבור חיבורי נתונים אופטיים הן ריבוב בחלוקת זמן (time division multiplexing – TDM)
וריבוב בחלוקת אורך-גל (
(wavelength division multiplexing). ניתן להשתמש בשתיהן בנפרד או בשילוב, ושתיהן תומכות בערבול של סוגי אותות, כגון ערוצי וידיאו ונתונים טוריים.
ריבוב בחלוקת זמן (TDM)
TDM ממקם נתונים ממבואות מרובים לתוך סדרה חוזרת של מסגרות, כאשר לכל מסגרת יש מבנה של חריץ זמן, או ביטים, מוקצה לערוצים ספציפיים. בד”כ רכיב קריטי הידוע כ-serializer – deserializer ()
ממיר 8 עד 20 קווי מבוא מקבילים לתוך תזרים טורי יחיד בעל קצב נתונים גבוה, שהוא הסדרה של מסגרות TDM. נתונים טוריים מהירים אלה מומרים לאחר מכן בעזרת משדר אופטי לאות פוטוני הנשלח דרך הסיב האופטי. בקצה השני של הסיב, מקלט אופטי ממיר את האות חזרה לאות טורי מהיר. ה-SERDES מסתנכרן עם המסגרות המגיעות ומשחזר את קווי הנתונים המקבילים המקוריים. פרוטוקולי TDM ברמה גבוהה יותר יכולים לבנות את הנתונים לתוך מסגרות-“על” מרובות הפועלות בתדר סינכרוני יציב או לתוך חבילות עבור פרוטוקול יותר אסינכרוני התומך בדרישות ערוצים משתנות למדי לשם קיבולת נתונים.
בטרם הפיכת ה-TDM לטורי, יש להמיר את כל האותות המגיעים למבנה דיגיטלי משותף. אותות מבוא מעורבים כוללים וידיאו אנלוגי (PAL, NTSC), מבני נתונים טוריים (RS-232, RS-485/422), אותות אנלוגיים (שמע, הידרופוניה, סונארים אנלוגיים), ומבני אפיק ורשת שונים (Profibus, CAN Bus, Ethernet). יש להמיר כל מבוא לסדרה של ערכים דיגיטליים או דרך ממירי אנלוגי-לדיגיטלי או דרך מתרגמים ברמה דיגיטלית. פרוטוקול ה-TDM מקצה אז מספר מסוים של ביטים למסגרת (או חבילה) לכל אות. לאותות בעלי קצב נתונים גבוה יותר, כגון וידיאו, מקצים יותר ביטים מאשר באותות בעלי קצב נתונים נמוך, כגון ה-RS-232. לעתים קרובות אותות מרובים בעלי קצב נתונים נמוך, דוגמת ה-RS-232, עוברים “קדם-ריבוב” לתוך זרם יחיד המרובב לאחר מכן לחריץ זמן TDM (ראו איור 1).
ריבוב בחלוקת
אורך-גל (WDM)
מרבבים בחלוקת אורך-גל משמשים לרוב לשם שילובם של אותות מרבבי TDM ו/או ממירי מדיה מרובים. רכיב ה-WDM הבסיסי ביותר הוא מצמד (coupler) אופטי פאסיבי, הפועל ככלל באורכי-גל של 1310 ו-1550 ננו-מטר, אחד לכל כיוון. WDMs אלה משמשים בד”כ לשילוב אותות אופטיים של שידור וקליטה בחיבור נתונים דו-כיווני לתוך סיב יחיד. המסננים לפס רחב המשמשים ב-WDMs אלה מאפשרים שינוי משמעותי באורך-הגל, לדוגמה , בשל סחף הטמפרטורה וסיבולת הייצור של הלייזרים המשמשים לרוב.
ניתן להשיג יתירות בסיב על-ידי הוספת מפצלים ומתגים של סיב-אופטי. מפצלים הם מצמדים פאסיביים המפצלים בצורה שווה את ההספק האופטי מסיב אחד לשניים. המתגים מבוקרים אוטומטית או ידנית לשם בחירה של סיב אחד או שניים עבור החיבור למקמ”ש האופטי המקומי.
ריבוב גס בחלוקת אורך-גל
(Coarse Wavelength Division Multiplexing- CWDM)
לייזרים מיוחדים בעלי אפיצויות ייצור מחמירות יותר וסחף טמפרטורה נמוך יותר משמשים עם מרבבים גסים בחלוקת אורך-הגל (CWDMs) כדי לאפשר צירוף של עד 18 אורכי-גל על אותו סיב. אורכי-גל תקניים ל-CWDM וחלונות ערוצים מוגדרים על-ידי תקנים בין-לאומיים כבעלי הפרדה נומינלית של 20 ננו-מטר.
הדיאגרמה להלן מראה מערכת CWDM בעלת שמונה ערוצי אורך-גל מ-1471 עד 1611 ננו-מטר. בסיב המשותף קיימים כל שמונת הערוצים בשעה שכל אחד מסיבי הערוצים מסונן עבור אורך-גל יחיד. אורכי-גל מוצגים בצבעים בולטים-לעין, אולם למעשה אורכי-הגל הם כולם אינפרא-אדומים. רוחב חלונות המסנן מאפשר סחיפת טמפרטורה ואפיצויות ייצור של הלייזרים. אפשריות גם צפיפויות ערוצים גבוהות יותר בעזרת DWDM צפוף, עם מאות ערוצים נתמכים בפוטנציה, אולם באופן טיפוסי ההוצאה והמורכבות הנוספות של פתרונות ה-DWDM אינן מאובטחות בפני יישומים מלבד תקשורת (ראו איור 3).
מוצגת להלן מערכת סיב-אופטי המשלבת נתונים חשמליים עם TDM, כולל כרטיסי הרחבה, וערוצים אופטיים בעלי טכנולוגיית CWDM. אותות חד-כיווניים, דוגמת
ה-HD-SDI, דורשים בד”כ רק אורך-גל יחיד, בעוד אותות דו-כיווניים, דוגמת אלה עבור נתונים טוריים במרבבים של וידיאו/נתונים, דורשים שני אורכי-גל, אחד בכל כיוון. המערכת מציגה את המודולריות וקיבולת הנתונים הגדולה של מערכות TDM/CWDM. עם כרטיסי ריבוב דגם 907+ וכרטיסי הרחבה, מערכת CWDM בעלת 8 ערוצים יחידה תתמוך בעד 16 ערוצי וידיאו ומעל 200 ערוצים טוריים. ניתן לצרף אופטית שני התקנים בעלי 8 ערוצים עם פסי אורך-גל שונים, ולהכפיל על-ידי כך את הקיבולת ל-32 ערוצי וידיאו ומעל 400 ערוצים ליניאריים (ראו איור 4).
פרטים נוספים באתר החברה.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט בע”מ נציגת Moog Components Group PRIZM Products Line.
