Что такое оптический бюджет

Оптический бюджет

Оптический бюджет (энергетический потенциал)

В настоящее время во всем мире средства телекоммуникации переживают период широчайшего внедрения оптических систем в практику.

Оптическая система (optical system) — совокупность оптических элементов, созданная для определённого формирования пучков световых лучей.

Элементы оптических систем можно классифицировать следующим образом:

1. элементы, которые создают сигнал в линии;

2. элементы, которые вносят дополнительное затухание.

К первой категории относятся оптические трансиверы (GBIC, SFP, SFP+, XENPAK, XFP, X2 и др.) и усилители сигнала. Важными параметрами трансиверов (приемопередатчиков) являются: выходная мощность передатчика (transmitter output power) и чувствительность приемника (receiver sensitivity), это паспортные величины.

Чувствительность приемника – величина, характеризующая минимальный уровень сигнала на его входе, который приемник еще может принимать.

Выходная мощность передатчика – величина, характеризующая уровень выходного сигнала передатчика.

Уровень сигнала, передаваемого передатчиком по оптической линии, затухает с расстоянием, поэтому, когда он достигает приемника, его уровень становится меньше (на величину затуханий в линии). Если этот уровень не меньше чувствительности приемника, то приемник сможет принять такой сигнал, иначе система работать не будет.

Разность этих показателей дает нам оптический бюджет (optical budget), обеспечиваемый трансивером: оптический бюджет (энергетический потенциал) – разность между оптической мощностью передатчика и чувствительностью приемника, выраженная в dB. Это паспортная информация, которую производитель (по идее) должен прикладывать ко всем приемопередатчикам (трансиверам). Если производитель этого не сделал, то ее можно легко посчитать.

Pout = 1dBm – выходная мощность передатчика;

OB = Pout – S = (1-(-18))dBm = 19dBm

Оптический бюджет трансивера характеризует максимально-возможное затухание в линии, в которой он может использоваться. Т.е. показывает, что он может использоваться в линии с затуханием, которое не превышает величину бюджета.

Ко второй категории относятся остальные элементы (коннекторы, разветвители, аттенюаторы и др.), которые вносят в линию дополнительные потери. Стоит также не забывать о том, что затухание в оптическом кабеле зависит не только от его длины, но также и от несущей (длины волны):

Зависимость затухания от длины волны в одномодовом оптическом кабеле

чем больше длина волны, тем меньше затуханий в линию вносит оптический кабель.

При расчетах оптической системы необходимо учитывать следующие источники затухания:

затухание в оптическом кабеле:

точки соединения:

Рассмотрим пример расчета затуханий в линии:

L=60км – длина одномодового оптического кабеля;

λ=1310нм – рабочая длина волны => коэффициент затухания для одномодового оптического кабеля 0.35dB/км;

известно, что на линии есть 2 коннектора и 1 место сварки, которые вносят дополнительные затухания (0.3dB и 0.1dB соответственно);

Z=L*0.35+2*0.3+1*0.1 = (60*0.35+0.6+0.1)dB = (21+0,7)dB = 21.7dB

Чтобы передать сигнал по линии с таким затуханием необходимо подобрать трансивер с оптическим бюджетом больше 21.7dB.

Для обеспечения надежной работы оптической системы учитывают возможность увеличения оптических потерь при изменении внешних факторов и ухудшении характеристик компонентов ВОЛС и мощности лазера, связанных с их старением. Для компенсации данных потерь обычно выбирают оптический бюджет трансиверов с запасом на 3-6dB.

Зачастую расчет потерь в линии не производят, а проводят реальные измерения с помощью рефлектометров. Рефлектометр передает оптический импульс по смонтированным оптическим линиям и измеряет отраженные световые частицы, отображая рассеянные и отраженные оптические сигналы как функцию длины. Сравнивая количество света, отраженного в разные моменты времени, определяются потери в линии и отражательная способность оптического кабеля. Полученные данные могут быть представлены графически в виде рефлектограмм.

Рефлектограмма — исчерпывающая информация о соединителях, сращиваниях и разрывах по всей длине оптической линии. Фактически это графическое изображение результатов измерения оптических потерь в линии:

Рефлектограмма импульсного рефлектометра

Вертикальная шкала определяет уровень потерь в dB, горизонтальная ось соответствует расстоянию от рефлектометра до тестируемого участка.

Знание оптического бюджета и затухания в линии позволяет произвести оценку работоспособности системы: если суммарное затухание линии больше оптического бюджета, то работать ничего не будет.

Источник

Что такое оптический бюджет

(автор Игорь Никишин инженер компании IC-Line)

«Не поднимается оптический линк на 18 км! А трансиверы у нас на 20км! Что же делать? Наверное, трансиверы некачественные!»,- телефон плавится от гнева клиента. «А вы затухание на линии меряли?»,- вопрос в ответ. Зачем мерять затухание на линии, что такое оптический бюджет и как это связано – про это данная статья.

Как известно, световой сигнал имеет свойство терять мощность в процессе прохождения какой-либо среды (например, воздух, вода или оптический волновод). Такой процесс называется затуханием. Затухание измеряется в дБм (dBm) или в дБм/км (dBm/km).

15дБм – величина относительная. Если рассматривать идеальное лабораторное волокно, то его нужно целых 41 км, чтобы обеспечить 15дБм затухания на длине волны 1310нм. А если взять реально существующую линию связи, проложенную в болоте, с изгибами радиусом 10см, и вообще крайне некачественно проложенную и сваренную, то данные 15дБм затухания могут быть и на 10км волокна.

Рассмотрим теперь ситуацию с противоположной стороны, а именно, со стороны трансивера. Если внимательно посмотреть на этот электронный компонент, то можно обнаружить, что он обладает двумя деталями – приёмником и передатчиком. Каждая такая деталь имеет свои характеристики, одной из которых является: для передатчика – мощность излучения, для приемника – мощность детектирования. Если вычесть из мощности передатчика мощность детектирования, то полученная цифра и будет являться тем самым оптическим бюджетом трансивера. Все передатчики и приемники тщательно подобраны производителем на основе статистических данных о существующих линиях связи. Но наша страна не поддается статистике, поэтому случаются казусы.

Что в итоге? А в итоге медаль, у которой 2 стороны: либо потратиться на качественную линию и купить к ней трансиверы с километражом, равным километражу линии, либо проложить волокно «абы-как», а потом играть в увлекательную игру «подбери трансивер».

Источник

Оптический бюджет и мощность дБм

Перед тем, как подробно поговорить о бюджете оптических модулей, мы расскажем о том, что такое дБм (децибел-милливатт) и о том, как мощность может измеряться в децибелах.

В нашей предыдущей статье Что такое децибел?, мы рассказали об этой безразмерной единице измерения, которая показывает разницу между величинами.

Но ситуация, когда мощность излучения измеряется в ваттах, а затухания и усиления измеряются в децибелах, не очень удобна. Сложно сравнивать оптические бюджеты оптических линий и параметры передатчиков и приемников оборудования.

Чтобы было удобно производить расчеты, используется специальная единица измерения, называемая дБм (децибел-милливатт).

Это очень простая единица измерения, она показывает, во сколько раз измеряемая мощность больше или меньше 1 милливатта. Покажем это в таблицах:

Мощность выражена в дБм

Мощность выражена в мВт

Мощность равна 1 милливатту

Мощность в 2 раза больше 1 милливатта

Мощность в 5 раз больше 1 милливатта

Мощность в 10 раз больше 1 милливатта

Мощность в 50 раз больше 1 милливатта

Мощность в 100 раз больше 1 милливатта

Мощность в 500 раз больше 1 милливатта

Мощность в 1000 раз больше 1 милливатта

Как вы увидели, ничего страшного в этой единице измерения нет, все просто. Прелесть децибела по сравнению с милливаттами – в замене умножения и деления на сложение и вычитания (в тех случаях, когда надо умножать или делить). Таких случаев много, поэтому измерение в децибелах часто удобно. К примеру, если сигнал мощностью 10 дБм был ослаблен на 4 дБ, то его мощность будет равна 6 дБм.

Однако, есть расчеты, при которых уровни энергии надо именно складывать, а не умножать. Например, для расчета суммарной мощности группового сигнала на выходе мультиплексора нужно складывать уровни входящих сигналов, выраженных в милливаттах.

В случае, когда мощность сигнала меньше 1 милливатта, величина в децибелах будет отрицательной:

Мощность выражена в дБм

Мощность выражена в мВт

Мощность равна 1 милливатту

Мощность в 2 раза меньше 1 милливатта

Мощность в 5 раз меньше 1 милливатта

Мощность в 10 раз меньше 1 милливатта

0,02 милливатт (20 микроватт)

Мощность в 50 раз меньше 1 милливатта

0,01 милливатт (10 микроватт)

Мощность в 100 раз меньше 1 милливатта

0,002 милливатт (2 микроватта)

Мощность в 500 раз меньше 1 милливатта

0,001 милливатт (1 микроватт)

Мощность в 1000 раз меньше 1 милливатта

Обращаем ваше внимание – отрицательное значение мощности в децибелах не означает, что сама мощность отрицательна. Отрицательные децибелы означают, что измеряемый сигнал меньше опорного.

Чтобы показать, как удобно пользоваться децибел-милливаттом, мы решим простую задачу в дБм и в разах.

Оптический сигнал мощностью 7,4 дБм подан в линию, которая вносит затухание в 4,8 дБ. Определите, может ли уверенно работать линия связи с чувствительностью приемника 1,4 дБм?

Оптический сигнал мощностью 5,5 мВт подан в линию, которая вносит затухание в 3 раза. Определите, может ли уверенно работать линия связи с чувствительностью приемника 1,5 мВт?

7,4 (мощность) – 4,8 (затухание) = 2,6 (выходная мощность)

Так как выходная мощность 2,6 дБм больше чем чувствительность 1,4 дБм то работать будет.

5,5 / 3 = …….. не хочется лезть за калькулятором, проще было с дБм посчитать в уме.

Как вы видите, считать мощности в децибел-милливаттах проще и удобнее, в большинстве случаев простые задачи можно решить в уме. В сложных задачах удобство заключается в том, что операции сложения и вычитания не дают большого количества знаков после запятой, а в операциях деления они возникают постоянно, это неудобно.

С сфере оптических линиях связи все мощности указываются в дБм. Теперь мы готовы рассказать, что такое оптический бюджет модуля.

Оптический бюджет – это величина затухания в линии, при которой сигнал еще достаточно мощный, чтобы приемник модуля мог его принять без ошибок.

Бюджет оптического модуля = мощности передатчика – чувствительность приемника.

Обе эти величины можно легко найти в спецификациях на оборудование. Например, на странице, модуля MT-SFPp-10G-DF-55-ZR-CD есть подробная спецификация. Приведем вырезки из нее.

Как вы видите, мощность передатчика этого модуля может варьироваться от 0 до +4 дБм. Любой модуль MT-SFPp-10G-DF-55-ZR-CD на заводе признается годным, если результат измерения находится в этих пределах.

Гарантированный бюджет модуля = 0 (мощность передатчика) – (-24) (чувствительность приемника) = 24 дБ.

Если ваша оптическая линия имеет общее затухание менее 24 дБ, то работать модуль MT-SFPp-10G-DF-55-ZR-CD на такой линии будет. Если затухание линии имеет затухание более 24дБ, то этот модуль на такой линии может не заработать или работать с ошибками.

Как и в нашей предыдущей статье, мы приведем таблицу бюджетов разных трансиверов, чтобы читатель смог получить общее представления об этом параметре.

Бюджет трансивера в дБ

Предельное затухание сигнала (разы)

Источник

Бухгалтерию – в массы! Верстаем оптический бюджет

Сводим концы с концами

Любое колебание, распространяясь в реальной физической среде, обладающей сопротивлением, постепенно сходит на нет. По достижении определенной границы наш сигнал растворяется в море шумов, и никакой самый чувствительный приемник его уже не раскодирует – эта граница определяет дальнобойность данного вида связи. Некоторые теоретические, идеальные показатели дальнобойности приводятся в описании стандартов, но надо понимать, что в большинстве случаев это не более чем «сферический конь в вакууме», которого можно с осторожностью считать с трудом достижимым максимумом.
Чтобы расчет распространения сигнала был хотя бы примерно сообразен действительности, он должен учитывать реальные характеристики передатчика, приемника и всего того, что находится между ними. Для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) такое уравнение называется оптическим бюджетом. Давайте посмотрим, как оно составляется.

Схема расчета оптического бюджета

Источник сигнала характеризуется своей мощностью, которая варьируется в некоторых пределах; возьмем максимальное ее значение. На пути распространения оптической волны она будет ослабляться в точках стыка кабелей (разъемы, оптокроссы, сварка) и постепенно по всей длине кабеля. В конечной точке светимость потока должна быть не меньше предельного порога чувствительности приемника – иначе сеть не заработает. Бюджет должен сходиться в обе стороны, если трафик имеет дуплексный характер. Все параметры, относящиеся к линии, можно считать константами для определенного типа оптического излучения – вот они.

Примеры расчетов

Рассмотрим бюджет конкретной оптической линии. Считаем, что одномодовая линия связи между сервером с сетевой картой Intel и коммутатором Cisco Catalyst имеет длину 10 км, на ней располагается 2 оптических кросса. Давайте условимся, что здесь и далее мы будем говорить о 10-гигабитном Ethernet – с точки зрения оптики скорость данных значения не имеет, но разнятся параметры сетевых интерфейсов:

Из пары граничных значений нам понадобится только одно, второе приведено для полноты картины. Заметим, что параметры оптических модулей очень похожи, однако так бывает не всегда. Еще одно замечание: дабы не обнимать необъятное, мы упустим здесь оптические тонкости, связанные с характеристиками интерфейсов и их измерениями и ограничимся итоговыми цифрами – этого нам вполне достаточно. Данные характеристики для конкретного интерфейса можно найти в описании продукта на сайте производителя.
Итак, проведем расчет (в обе стороны он будет одинаковым):

Как видим, бюджет сходится с большим запасом – это вообще типично для одномодовых линий, как, впрочем, и для многомодовых, если использовать их в штатном режиме. Рассмотрим ту же задачу с оптикой SR и длиной линии 300 метров:

Оптический бюджет от Intel к Cisco и наоборот:

Запас чуть поменьше (с учетом меньшей чувствительности), но все равно достаточный. Спрашивается, зачем же тогда считать бюджет, если и так всегда все сходится? Ответ таков: далеко не все оптические линии работают в комфортном для себя режиме. Основное предназначение бюджета – прийти на помощь, когда что-то идет не так. Скажем, есть линия, которая ведет себя не так, как ей положено. В чем проблема – в неисправностях оборудования или она в принципе не может работать стабильно в данной конфигурации? Вот здесь-то и могут выручить наши цифирьки.
Итак, сделаем вывод: в случае, когда линия сделана «по уму», с соблюдением стандартов и согласно здравого смысла, оптический бюджет считать не обязательно, заниматься этим можно только при возникновении проблем. Однако есть случаи, когда расчет просто необходим – к ним и перейдем.

Особые случаи

Представим себе обратную ситуацию: вам нужно подключить оборудование по оптической линии очень малой длины, буквально «зад в зад». Можно ли считать такой режим комфортным для сетевых интерфейсов? Отнюдь. Перегрузка (засвет) может привести к появлению ошибок на порту, а то и вообще физическому выходу его из строя. Для того, чтобы привести порт в чувство, нужно уменьшить световой поток – поставить аттенюатор. Аттенюаторы бывают с фиксированным или переменным затуханием; как подставить его в уравнение выше – думаю, все уже догадались.

Оптический аттенюатор

Известно, что при подборе аттенюаторов часто пользуются «методом тыка», но, право слово, не стоит заниматься гаданием, когда за несколько минут можно путем расчета получить оптимальные для данного конкретного случая показатели.

Вот случай еще сложнее. Иногда на оптические линии ставятся пассивные ответвители – сплиттера. Сплиттер – это полупрозрачная стеклянная призма, которая часть света пропускает через себя, а часть отражает в другую сторону. Таким образом буквально «забесплатно», безо всяких активных устройств, получается две копии одного сигнала. Основная часть света остается в линии, а вторая копия подается на анализатор трафика, детектор аномалий, устройство корпоративной безопасности и т.д.

Оптический сплиттер

Особенность ситуации состоит в том, что в случае сплиттеров бюджет необходимо считать для двух линий – основной и ответвляемой. Кроме того, сплиттер вносит значительное затухание в линии, это тоже здорово осложняет жизнь. Давайте добавим к нашим оптокроссам еще и сплиттер и посмотрим, что получится.

Посчитаем бюджет для сплиттера 70/30. Для одномодовой линии вносимое им затухание таково: 2 дБ в основную линию и 6,1 в ответвляемую. К предыдущим уравнениям нужно лишь добавить это затухание (а точнее – отнять).

Ответвляемая линия работает на пределе своей чувствительности, лучше изменить тип сплиттера на 60/40 – это даст нам лишний децибел на опасном участке.
Теперь многомод (затухание 2,4/6,3 дБ), посчитаем для простоты одно направление:

Как видим, ответвляемая линия вышла из бюджета, и даже замена сплиттера на 60/40 не решит проблему. В целом можно сказать, что установка сплиттеров на многомодовые линии представяет собой серьезную проблему и лучше без сильной необходимости этого не делать.

Завершить тему хотелось бы следующими словами. Наверное, умение рассчитывать оптический бюджет линий не относится к первостепенно необходимым навыкам сетевого администратора. Однако если в вашем ведении находятся оптические сети или вы предполагаете попробовать себя на этом поприще, советуем хотя бы поиметь представление об этом предмете, чтобы в дальнейшем знать, куда смотреть и что делать.

Если к теме будет хабраинтерес, в следующий раз поговорим о практических способах контроля оптических линий, типовых оптических проблемах и влиянии кривизны рук на траекторию светового луча.

Источник

Оптический бюджет ВОЛС: понятие, расчет, практическое применение

Оптический бюджет ВОЛС, или ориентировочное затухание оптической линии – это прогнозируемая сумма потерь оптического сигнала на всех компонентах ВОЛС. Оптический бюджет ВОЛС рассчитывается в основном на этапе проектирования линии и подбора каналообразующего оборудования. Вместе с тем, понимание бюджета затухания позволяет также оптимально выбрать под текущие задачи оптический тестер или рефлектометр, или ответить на очень распространенный вопрос: «Сможет ли это чудо техники измерить линию протяженностью 30, 50, 100 км»? На эти и другие вопросы попробуем ответить в данной статье.

Как же рассчитать оптический бюджет ВОЛС?

В случае, если протяженность ВОЛС составляет 100 км, наверняка мы имеем дело с магистралью, в которой строительная длина определяется емкостью кабельного барабана и составляет L_с = 4 км (реже 5 км). На сети доступа (городской сети интернет провайдеров, операторов КТВ и др) строительная длина меньше и может быть доходить до 100 м. Поэтому отталкиваться нужно от протяженности участков, которые реально планируются на сети в зависимости от расположения микрорайонов, домов и т д.

А_св = 21 * 0,05 = 1,05дБ

А_кон = 2 * 0,4 = 0,8 дБ

А_{пог 1310} = 0,33 дБ/км; А_{пог 1550} = 0,22 дБ/км

В результате потери в волокне составят: А_{вол 1310} = 0,33 дБ/км * 100км = 33 дБ; А_{вол 1550} = 0,22 дБ/км * 100км = 22 дБ

Бюджет ВОЛС = А _сумм = А _вол + А _св + А _кон

Для сигнала на длине волны 1310нм: Оптический бюджет ВОЛС = 33 + 1,05 + 0,8 = 34,85 дБ

Для сигнала на длине волны 1550нм: Оптический бюджет ВОЛС = 22 + 1,05 + 0,8 = 23,85 дБ

В итоге можно предположить, что оптическая линия, протяженностью 100 км, смонтирована без нарушения технологии монтажа будет иметь затухание не более 34,85дБ на длине волны 1310 нм, и 23,85 дБ на длине волны 1550 нм. А измерять такую линию можно рефлектометром, который имеет динамический диапазон не менее чем рассчитанное затухание линии.

Ниже представлен бюджет затухания линии PON

Источник