Światłowody. w TV przemysłowej (cz. 2) Telewizja. przemysłowa. Podstawowe sposoby modulacji strumienia świetlnego. Bolesław Polus Polvision

Transkrypt

1 Światłowody w TV przemysłowej (cz. 2) Bolesław Polus Polvision W bieżącym numerze: podstawowe sposoby modulacji strumienia świetlnego techniki zwielokrotniania pojemności włókna światłowodowego kalkulacja (budżet optyczny) łącza światłowodowego adresy polskich producentów kabli światłowodowych Podstawowe sposoby modulacji strumienia świetlnego Z pierwszej części niniejszego artykułu pamiętamy, że 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 µw, rzadko więcej) oraz mniejsze częstotliwości pracy (rzędu 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 58

2 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. firma 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 świetl- 59

3 nych 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. 1. przedstawia powyższe zagadnienie w sposób graficzny. Rys. 1. Techniki optycznego zwielokrotniania pojemności toru światłowodowego 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 przyjmuje się za 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 60

4 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. 2 schemat światłowodowego toru przesyłowego (przykład) oraz tab. 1. Rys. 2. Schemat światłowodowego toru przesyłowego (przykład) 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. Tab. 1. Typowe wartości tłumienia elementów toru w budżecie mocy optycznej Typ światłowodu Wielomodowy gradientowy 50/ 125 lub 62,5/125 µm Jednomodowy 8/ 125 µm Tłumienność (typ) 850 nm 1300 nm Tłumienie światłowodu 3 db/km 0,75 db/km Połączenia rozłączne 1,0 db 1,0 db Połączenia stałe (spaw.) 0,25 db 0,25 db Tłumienie światłowodu 0,5 db/km Połączenia rozłączne 0,3 db Połączenia stałe (spaw.) 0,15 db Składnik toru Przykład 1. Dysponujemy urządzeniami firmy 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 61

5 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 3080 m. 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 = ,5 + 3 = 21,5 db. 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 2 Konwersja jednostek mocy optycznej albo skorzystać z poniższego wzoru: BM [db] = 10 log gdzie: Podb oznacza czułość odbiornika Pnad oznacza moc nadajnika Tab. 2. Konwersja jednostek mocy optycznej µw dbm µw dbm µw dbm µw dbm µw dbm W tabeli 2 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 fi nansowo 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. Polscy producenci kabli światłowodowych Zakłady Kablowe TELE-FONIKA SA Myślenice, woj. małopolskie, ul. Hipolita Cegielskiego 1 Tel. (012) , faks (012) offi ce@tf.com.pl Biuro Rynku Krajowego Kraków, ul. Nad Drwiną 20 Tel (52), faks (55) marketing@tfkable.pl Biura Obsługi Klienta Kraków, ul. Nad Drwiną 20 Tel. (012) , faks (012) Bydgoszcz, ul. Fordońska 152 Tel. (052) , , faks (052) , Szczecin, ul. Kablowa 1 Tel. (091) , faks (091) Corning Cable Systems Polska sp. z o.o. Zakład Produkcji Kabli, Lublin, ul. Energetyków 23 Tel. (081) , , faks (081) Kontakt owy do kierownika działu logistyki: piotr.krzeminski@corning.com W następnym numerze przykłady urządzeń światłowodowych stosowanych w CCTV zagadnienia praktyczne: dobór i stosowanie urządzeń. 62