Ten odcinek "Porad" poświęcamy najczęściej zadawanym pytaniom dotyczącym przesyłu wizji i danych sterowania w systemach TV przemysłowej z wykorzystaniem światłowodów.
Zamierzam po raz pierwszy zastosować światłowody w systemie wizyjnego monitorowania miasta. Na co szczególnie muszę zwrócić uwagę przy doborze urządzeń?
Odpowiedź na tak postawione pytanie jest b. złożona i obszerna, ponieważ obejmuje wiele zagadnień, które należy wziąć pod uwagę. Uważna lektura niniejszych "Porad", zapoznanie się z wcześniejszymi artykułami dotyczącymi tych zagadnień -"światłowody w TV przemysłowej" cz.1-3), a także analiza rankingu światłowodowych urządzeń transmisyjnych zamieszczonego w "Twierdzy" nr 2/2003, z pewnością wyjaśni większość problemów.
Co może być decydujące przy podejmowaniu decyzji o sposobie przesyłu wizji i sterowania w projektowanym systemie CCTV?
Podobnie jak wyżej, odpowiedź jest dość złożona, ale jednak prostsza:
- Wymagana jakość przesyłu przy projektowanych zasięgach;
- Pewność lub duże prawdopodobieństwo wystąpienia wysokich poziomów zakłóceń i to zarówno współbieżnych (ground loops) jak i indukowanych na trasie kabla;
- Środki finansowe, jakimi dysponuje inwestor, pozwalają na realizację droższych niż tradycyjne rozwiązań technicznych;
- Nie jest możliwe wykorzystanie istniejącej infrastruktury kablowej, czyli i tak konieczne jest położenie nowych kabli.
Dlaczego uważa się, że użycie światłowodów w CCTV jest b. kosztowne?
To de facto mit. Ma swoje uzasadnienie w przeszłości, czyli początkach stosowania światłowodów. Obecnie zarówno kable, jak i urządzenia światłowodowe, są na tyle tanie, że mogą stanowić alternatywę dla "miedzi".
Jaka jest różnica pomiędzy światłowodami jednomodowymi a wielomodowymi?
W dużym uproszczeniu: termin jednomodowe (SM) lub wielodomowe (MM) światłowody odnosi się do właściwości transmisyjnych. W pierwszym przypadku strumień optyczny rozchodzi się w nitce światłowodu niemal bez odbić od zewnętrznych "krawędzi", podczas gdy w drugim przypadku strumień optyczny wielokrotnie "odbija się" od nich ulegając wielokrotnym załamaniom, a w związku z tym do odbiornika dociera różnymi drogami, w różnym czasie i w różnej fazie wywołując określone zniekształcenia sygnału ograniczające zasięg szczególnie w zakresie wysokich częstotliwości. Cechą wyróżniającą oba typy światłowodów jest średnica rdzenia, która w przypadku jednodomowych wynosi 2-10µm, zaś w przypadku wielodomowych 50 lub 62,5µm standardowo.
Czy światłowody można łączyć?
Oczywiście, ale nie tak łatwo, jak przewody miedziane. No i drożej...
Czy można połączyć (optycznie) światłowód wielomodowy z jednomodowym?
Nie, natomiast w razie konieczności, której należy unikać, można przesyłać sygnał z toru jednodomowego do wielodomowego poprzez odpowiednie konwertery elektroniczne.
Jak to jest z wytrzymałością mechaniczną kabli światłowodowych?
Przyznaję, że nie mam doświadczenia w tej dziedzinie, ale z danych katalogowych wynika, że nie jest tak źle! Zresztą wystarczy popatrzeć, ile kabli światłowodowych instaluje się w ziemi, a nawet na podwieszkach.
Jaki rodzaj światłowodu należy wybrać do konkretnej aplikacji?
Zawsze należy "strzelać" z takiego kalibru, któremu odpowiada cel. Urządzenia wielodomowe są znacznie tańsze niż jednodomowe. Ceny kabli optycznych wielodomowych i jednodomowych są zbliżone, ale często zmieniają się w zależności od podaży i należy je uważnie badać przy kalkulacji inwestycji (obecnie kable wielodomowe są droższe niż jednodomowe). To jednak tylko problem kosztów. Nie mniej ważnym jest zadanie, jakiemu musi sprostać instalacja. Otóż kable wielodomowe stosowane są na ogół na niewielkie odległości (do 5 km), natomiast jednodomowe na szersze pasma sygnału oraz średnie i duże odległości, sięgające setek km. Ważnym parametrem określającym zakres stosowania kabli wielodomowych jest iloczyn pasmo razy odległość. Zwykle wynosi on około 600 MHz*km. Np., jeśli pasmo sygnału wynosi 10 MHz, to teoretycznie możliwe jest przesłanie takiego sygnału na odległość 60 km, ale w zależności od sposobu modulacji zwykle jest to znacznie mniejsza odległość, bowiem odgrywają rolę inne ograniczenia, spośród których najważniejsza jest tłumienność (p. niżej). Kable jednodomowe w zasadzie ograniczeń pasma nie wykazują.
Spotkałem się z pojęciem "okno". Co to znaczy?
Pojęcie "okno" dotyczy strefy (zakresu) promieniowania optycznego, charakteryzującej się zmniejszonym tłumieniem w stosunku do najbliższego "otoczenia". Wyróżnia się trzy podstawowe okna, w których tłumienie światłowodu jest zauważalnie mniejsze.
I okno - 850 nm
II okno - 1300 nm
III okno - 1550 nm
Które z parametrów kabli optycznych są najważniejsze?
Bezwzględnie najważniejsza jest tłumienność w odniesieniu do długości fali optycznej (tzw. okna). Typowe wartości wynoszą:
światłowody wielodomowe (MM):
- 850 nm / 3 dB / km
- 1300 nm / 1 dB / km
- 1550 nm / - nie stosowane
światłowody jednomodowe (SM):
- 850 nm / nie stosowane
- 1300 nm / 0.5 dB / km
- 1550 nm / 0.25 dB / km
Jakie typy złącz optycznych są najpopularniejsze?
Z pewnością ST i FC, ale coraz popularniejsze stają się inne. Przed zamówieniem urządzeń nie można zaniedbać starannego doboru złącz, bo choć istnieją różne "przejściówki", to należy je stosować wyłącznie w sytuacjach bez wyjścia (koszty i dodatkowa tłumienność).
Jak poradzić sobie z wykonaniem złącz światłowodowych (końcowych) lub stałych połączeń światłowodów?
Najlepiej byłoby wykonać je własnymi środkami i jest to realne, ale jeśli ilość złącz przewidziana do wykonania jest niewielka, nie ma sensu inwestować w dość drogi zestaw narzędzi i szkolenie pracownika. Znacznie efektywniejsze jest zlecenie tej operacji specjalistycznej firmie.
Jakie metody przesyłu wizji światłowodem można uznać za najlepsze?
Odpowiedś na to pytanie jest dość złożona, a to z powodu konieczności sprecyzowania celu, jaki zamierzamy osiągnąć. Najprostszą metodą przesyłu wizji zupełnie dobrej jakości jest metoda bezpośredniej modulacji intensywności strumienia świetlnego(IM). Najczęściej stosowana jest do przesyłu wizji światłowodem wielodomowym na odległości do 5 km. Niekiedy z sygnałem wizyjnym sumowany jest sygnał podnośnej zmodulowanej sygnałami audio lub danych w dziedzinie częstotliwości(FM), po czym sygnałem tym modulowana jest intensywność strumienia. Innym, również popularnym sposobem transmisji wizji jest szerokopasmowa modulacja częstotliwości (FM), w tym sygnałem złożonym podobnie jak wyżej. Nowsze techniki stosują cyfrowe przetwarzanie, zarówno bez jak i z użyciem kompresji w celu zmniejszenia zajmowanego pasma. O ile technika IM to modulacja wąskopasmowa, o tyle pozostałe wymagają b. dużych pasm przesyłowych, a w związku z tym najczęściej wymagają światłowodów i urządzeń jednodomowych, bezwzględnie koniecznych przy zasięgach przekraczających 2-3 km. Jakość przesyłu zależy od wielu czynników, ale zwykle jest lepsza dla metod FM lub cyfrowych.
Czy w jednym światłowodzie można przesłać więcej niż jeden sygnał wizyjny?
Ależ oczywiście, nawet w "wielomodzie" (z natury rzeczy wąskopasmowym), tyle, że w tym przypadku na niewielkie odległości. Spotyka się urządzenia pozwalające na przesłanie kilkudziesięciu kanałów jednym włóknem JM, ale w takich przypadkach stosuje się mieszaną technikę zwielokrotnienia. Urządzenia te są b. drogie, aczkolwiek przy niewielkiej ilości kanałów ceny multiplekserów światłowodowych są akceptowalne.
Czy przesył wizji przy użyciu multiplekserów światłowodowych odbywa się w czasie rzeczywistym?
Najczęściej tak, chyba, że stosowane są metody kompresji, ale wówczas opóśnienia są na tyle niewielkie, że dla użytkownika na ogół nieistotne. Jeśli nasz wybór padnie na urządzenie z kompresją, wówczas trzeba dość uważnie zbadać skutki przeniesione na jakość.
Czy w instalacjach światłowodowych możliwe jest rozgałęzianie i sumowanie optyczne sygnałów ("add-drop")?
Tak, sygnały optyczne można rozdzielać na różne tory przy pomocy specjalizowanych rozdzielaczy (splitterów) o zróżnicowanym stopniu podziału mocy optycznej, np. 30% i 70%, ale nie są to rozdzielacze bezstratne! Sumowanie sygnałów optycznych ma sens, jeśli sumowaniu podlegają strumienie optyczne o różnych długościach fali (analogicznie jak sygnały elektryczne o różnych częstotliwościach, każdy zmodulowany inną informacją).
Jakie rozwiązanie wielokanałowego systemu przesyłu wizji jest lepsze; przesył na wielu włóknach, czy na jednym?
Odpowiedś wydaje się być oczywista, ale nie do końca oczywista. Miarodajną odpowiedś na to pytanie można uzyskać w wyniku kompleksowej analizy problemu z uwzględnieniem nie tylko kosztów wykonania czy eksploatacji(j. łącze dzierżawione), ale i niezawodności sytemu. Np. jeśli uszkodzi się wielokanałowy multiplekser pracujący na jednym włóknie, wówczas "nie ma systemu" i to na długi okres(urządzenia wyłącznie zagraniczne, zatem procedura naprawy-wymiany dość długa). Jeśli uszkodzi się jedyne włókno, wówczas sytuacja może być jeszcze gorsza. Tak czy owak konieczne jest posiadanie rezerwowych włókien, nawet w tym samym kablu!
Czy istnieją urządzenia do przesyłu sygnałów telemetrycznych?
Ależ tak! To dość prosta sprawa. Repertuar wykonań zapewnia realizację każdego zadania telemetrycznego CCTV.
Czy istnieją urządzenia do przesyłu sygnałów audio?
Oczywiście i to b. dobrej jakości, porównywalnej z jakością CD, choć nie w każdym przypadku. Na ogół w systemach CCTV jakość CD nie jest potrzebna.
Czy dostępne są dwukierunkowe urządzenia światłowodowe?
W CCTV (p. ranking w tym numerze) taka potrzeba występuje b. często. Urządzenia takie są jednak znacząco droższe od jednokierunkowych, a zasięgi na ogół krótsze, niż w przypadku pracy na oddzielnych włóknach.
Co jest ważne przy kwalifikacji urządzenia transmisyjnego do konkretnej aplikacji?
Poza parametrami optycznymi, o których dotąd pisałem, oraz innymi, tzw. eksploatacyjnymi, ważne są parametry identyczne jak w każdym systemie transmisji wizji, a więc stosunek sygnał/szum(S/N) przy założonym budżecie mocy optycznej, a także wzmocnienie i faza różnicowe. Nie bez znaczenia jest także zdolność do współpracy z określonym formatem danych; może okazać się, że wybrane kamery , bądś sterowniki narzucają określony system sterowania wymuszający użycie konkretnych, drogich urządzeń światłowodowych! Warto o tym pamiętać również przy wyborze tychże......
Co to jest budżet mocy optycznej?
Tu wkraczamy w strefę projektowania. To b. ważny parametr, charakteryzujący zdolność urządzeń do uzyskania określonych zasięgów przy założonej jakości transmisji. W największym skrócie: budżet mocy optycznej pozwala określić zasięg transmisji konkretnego zestawu nadawczo-odbiorczego i uwzględnia moc optyczną sprzężoną do światłowodu, czułość odbiornika, straty w kablu i na złączach oraz, co również b. ważne, niezbędny margines bezpieczeństwa (zwykle 3dB). Szerzej o tym zagadnieniu w artykule -światłowody w TV przemysłowej cz.2 (podstawowe sposoby modulacji strumienia świetlnego, budżet optyczny, przykłady)
W karcie katalogowej urządzenia do przesyłu danych spotkałem się z parametrem BER. Co on oznacza?
To b. ważny parametr transmisyjny wskazujący na zdolność systemu do przesyłu danych z określoną odpornością na przekłamania. Współczynnik BER to tzw. Stopa błędu odpowiadająca możliwości wystąpienia przekłamania jednego bitu na liczbę bitów wyrażoną w mianowniku ilorazu. Np. Jeśli BER= 1,5*10 -9, to znaczy, że na 1 miliard przesłanych bitów przekłamanie może wystąpić 1,5 razy. Innymi słowy, na 666,666(6) milionów przesłanych bitów, jeden może ulec przekłamaniu.
Czy instalacja urządzeń światłowodowych jest trudna?
Generalnie nie, ponieważ zwykle urządzenia te mają cechę "plug and play". Może niekiedy zdarzyć się potrzeba ustawienia warunków transmisji PTZ(prędkość, format danych), chyba, że urządzenie jest "prześroczyste" dla wszystkich formatów transmisji. Zwykle urządzenia mają wbudowaną ARW, a jeśli nie, to raczej należy takich unikać, ponieważ początkowe ustawienie amplitudy sygnału wyjściowego wizji prawdopodobnie po pewnym czasie zmieni się w związku z postępującą degradacją intensywności śródła światła (LED-najszybsze w początkowym okresie eksploatacji). Ponadto tłumienność złączy ruchomych też nie jest nieskończenie stała, co w skrajnym przypadku (granica zasięgu) może znacząco wpłynąć na jakość przesyłu.
Gdzie w Polsce można zakupić kable światłowodowe?
Nie brak możliwości. Kable światłowodowe ma w swojej ofercie wielu dystrybutorów kabli, a nawet firm instalatorskich (sieci komputerowych). Na szczęście również w Polsce produkuje się kable światłowodowe(Telefonika, OTO Lublin).
Jak w największym skrócie wygląda procedura projektowania systemu CCTV z zastosowaniem światłowodów?
Przypomina każdy projekt CCTV:
Sporządzić schemat sytemu;
Wyspecyfikować potrzeby transmisyjne w zakresie ilości kanałów, formatu danych, wymaganej przepływności itp. cechy, nie zapominając o dostępnym zasilaniu, warunkach pracy, rezerwie rozwojowej, cenach, dostępności etc....
Skalkulować budżet mocy optycznej w poszczególnych traktach przesyłowych, a następnie "rozejrzeć się" w repertuarze dostępnych urządzeń i wytypować najbardziej obiecujące(I stopień selekcji);
Dokładnie przeanalizować przydatność wybranych urządzeń do zadań (warto sporządzić tabelę porównawczą) i ostatecznie zakwalifikować urządzenia i kable (II stopień selekcji);
W kosztorysie nie można zaniedbać kosztów wykonania złączy stałych i ruchomych wraz z pomiarami!
Czy lepiej jako śródło światła (nadajnik) stosować laser czy diodę LED?
Jeśli zaniedbać problem kosztów, to bez znaczenia z p. widzenia użytkownika. Ważne jest, aby parametry nadajnika i stowarzyszonego odbiornika zapewniały osiągnięcie pożądanego rezultatu, który niekoniecznie zależy od typu śródła strumienia optycznego. Natomiast niezwykle ważne jest, że moc strumienia optycznego lasera jest zwykle znacznie większa niż moc LED-a. Stwarza to realne zagrożenie dla oczu ciekawskich zaglądających w mikroskopijną dziurkę nadajnika! Zagrożenie jest tym większe, że często nie uświadamiane, jeśli laser pracuje na fali poza zakresem widzialności oka (II i III okno). W związku z tym, wszystkie takie, "grośne" nadajniki powinny być i są oznaczone specjalnymi znakami ostrzegawczymi.
Jak to jest możliwe, że w jednych nadajnikach widać czerwonawy strumień światła, a w innych nie, choć oba działają poprawnie?
To b. proste. Oko ludzkie widzi promieniowanie 850 nm, ale nie widzi 1300 nm, a tym bardziej 1550nm. Z całą pewnością pytający miał do czynienia z dwoma takimi nadajnikami.
Czy dla celów kontrolnych można połączyć krótkim kablem optycznym nadajnik z odbiornikiem światłowodowym?
Istnieje zagrożenie, że odbiornik zostanie przesterowany silnym strumieniem optycznym, co spowoduje zniekształcenia obrazu lub przekłamania danych. Jeśli nie dysponujemy tłumikiem optycznym lub kablem optycznym o długości co najmniej kilkadziesiąt metrów, wystarczy, że po jednej ze stron tego krótkiego toru nie wprowadzimy złącza kabla do końca.....
Artykuł (jak również cały cykl) został opublikowany w czasopiśmie "TWIERDZA"