Текст книги "CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии"

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 27 (всего у книги 42 страниц)

Другой тип систем предлагает дополнительную интегрированную характеристику – видеодетекторы движения. Система автоматически посылает изображение при обнаружении активности в видеосигнале.

PSTN

Обычная PSTN-линия (коммутируемая телефонная сеть общего пользования) имеет очень низкую полосу частот от 300 до 3000 Гц, которая считается стандартной (измеренная на 3-дБм точках, где дБм измеряется относительно 1 мВт при полном сопротивлении телефонной линии 600 Ом). Некоторые называют этот тип линии plain old telephone service или POTS (простая старая телефонная система). PSTN – это аналоговая технология, и как таковая она никогда не может обеспечить постоянной скорости передачи данных, так как много зависит от зашумленности линии.

Теоретически, по такому узкому каналу невозможно передавать видеоизображение в реальном режиме времени на 5 МГц. Однако можно сжать и закодировать сигнал и таким образом повысить скорость передачи – сегодня это под силу большинству передатчиков быстрого сканирования. Технологический взрыв в области компьютеризации, алгоритмов сжатия, быстрых модемов и улучшенных телефонных линий сделал возможным передачу видеоизображений по телефонной линии со скоростями, которые просто невозможно было себе представить во времена первых медленных сканеров.

Раньше уже говорилось, что концепция осталась той же – она аналогична концепции медленного сканирования, но интеллектуальность алгоритмов сжатия (что и как передавать) настолько выросла, что сегодня один кадр цветного видеосигнала очень хорошего разрешения может быть передан менее чем за 1 секунду. Кроме этого, многие устройства могут передавать и другие данные – управляющие и аудиосигналы.

Рис. 10.32. Изображения fast-scan могут передаваться в квадро-режиме – для..???..

Усовершенствованные системы быстрого сканирования используют метод обновления изображения, который называется «условное обновление». После передачи начального изображения, пересылается только изменившаяся часть изображения. Это позволяет достичь еще более высокой скорости обновления, чем в базовых системах быстрого сканирования. Другие производители передают полное изображение, но, чтобы достичь аналогичных скоростей передачи, используют соответствующие алгоритмы сжатия.

Чтобы понять, что представляет собой скорость передачи видеоизображения по телефонной линии PSTN, давайте рассмотрим упрощенный пример:

Типичный черно-белый видеосигнал (разрядность оцифровки – 8 бит) с разрешением 256x256 пикселов состоит из 256x256x8 = 65536 байт информации, что эквивалентно 64 килобайтам цифровых данных (65536/1024) (напомним, что 64=2⁶, 256=2⁸).

Передача информации такого объема по телефонной линии с низкоскоростным модемом 2400 бит/с (как это было во времена систем slow scan) займет у нас примерно 218 секунд (65536x8/2400=218 с).

Если сжать сигнал (возможно сжатие в 10, 20 и более раз), скажем, в 10 раз, то время передачи снизится до 3 секунд. Многие устройства быстрого сканирования на этой скорости посылают первое изображение, а затем передают только изменившиеся части изображения, что значительно снижает время, необходимое для обновления последующих изображений – оно составляет менее секунды.

Передача цветного изображения с таким же разрешением потребует больше времени. Изображение высокого разрешения с качеством выше S-VHS обычно оцифровывается в формате 512 х 512 с 24-разядным цветом (по 8 бит на каждый цвет, R,G и В), что равно 512x512x3=786432 байта или 768 килобайт.

Если использовать 10-кратное сжатие, то информация займет 76 килобайт, что уже несложно будет передать примерно за 76000/14400 = 5 секунд, если использовать модем 14400 бит/с. Все зависит от алгоритма сжатия.

На практике добавляется еще несколько секунд на время дозвона, которое меньше при двухтональном многочастотном наборе (Dual Tone Multi-Frequency – DTMF) и больше при импульсном наборе.

Во многих системах безопасности используются специализированные телефонные линии, это означает, что после установки линия остается открытой, то есть не происходит потерь времени на установление связи между модемами и задержек при передаче первого изображения.

Завершая разговор о телефонных линиях, нужно подчеркнуть, что теоретический максимум скорости передачи данных по ним составляет 56 кбит/с. На практике скорость передачи данных редко превышает 32 кбит/с, а если телефонная линия очень старая, то скорость передачи данных может упасть до 19 кбит/с и ниже.

ISDN

Для более быстрой передачи следует использовать телефонные линии ISDN (Integrated Services Digital Network, цифровая сеть связи с комплексными услугами), которые имеются во многих промышленно развитых странах.

Линии ISDN были разработаны и начали появляться в середине 1970-х, примерно тогда же появились ПЗС-матрицы.

Базовый ISDN-канал обеспечивает скорость передачи в 64 кбит/с, что существенно улучшает скорость обновления при быстром сканировании. Для сравнения, обычная PSTN-линия, как уже упоминалось, может дать до 14.4 кбит/с – если линия в очень хорошем состоянии. Некоторые современные модемы могут увеличит скорость передачи (до 56 кбит/с) при помощи встроенных методов сжатия.

ISDN – это цифровая сеть, по которой сигнал передается в цифровом формате, поэтому полоса пропускания задается не в Гц, а в бит/с. В особых случаях, вроде видеоконференций и кабельного ТВ (возможного по телефонной линии), ISDN может использоваться в комбинации с широкополосной ISDN (B-ISDN-связь), что позволяет достичь еще более высокой скорости передачи (в несколько раз больше 64 кбит/с) – по меньшей мере это 128 кбит/с при поддержке интеллектуального мультиплексирования нескольких каналов в один.

Блоки для подсоединения устройств к ISDN-линии называются терминальными адаптерами (Terminal Adapter), а по виду и функциям они очень похожи на модемы, используемые в PSTN-линиях. Интеллектуальные терминальные адаптеры для подсоединения оборудования к B-ISDN-линии называются агрегирующими терминальными адаптерами (Aggregating Terminal Adapter).

Не забудьте, чтобы воспользоваться преимуществами широкополосной ISDN, на обоих концах линии (передающем и принимающем) должна быть ISDN-связь. Во многих странах ISDN-связь оплачивается по времени использования.

Сотовая сеть

Передача изображения по мобильным телефонам – возможность привлекательная, особенно на фоне доступных сегодня технологий. Мобильный телефон с модемом в комбинации с ноутбуком легко можно дополнить программными и техническими средствами, необходимыми для обеспечения беспроводной связи и передачи изображений.

Здесь применимы все те же обсуждавшиеся выше принципы и концепции, за исключением скорости передачи, которая в этой сети ниже.

Цифровая сеть дает хорошую помехозащищенность, хотя ее охват в настоящее время не столь широк, как аналоговый мобильный сервис. Цифровая мобильная сеть быстро растет, и роуминг доступен в большинстве промышленно развитых стран. Это значит, что пользователи, находясь за границей, могут направлять вызов в цифровую сеть страны пребывания и делать звонки, не выходя на оператора. Понятно, для активации роуминга пользователь должен сообщить об этом поставщику услуг.

В цифровой сотовой сети возможно получить скорость в 9600 бит/с при использовании модемного режима. Существуют усовершенствованные GSM-технологии, делающие возможным повышение скорости передачи данных от 9.6 кбит до 14.4 кбит по одному каналу. Мультиплексируя до четырех каналов в один временной интервал, оператор сможет предложить до 57.6 кбит, что в шесть раз выше доступных сегодня скоростей, а технологии сжатия позволят еще более увеличить скорость передачи.

Рис. 10.33. Модем-карта GSM

Волоконная оптика

Оптоволоконный кабель, если он корректно протянут и заделан – это лучшее и самое надежное средство передачи сигнала. Несмотря на то, что более тридцати лет этот тип кабелей использовался в удаленных телекоммуникационных линиях связи, даже в трансокеанских, в видеонаблюдении избегали или отказывались от его использования.

Главной причиной стал страх перед неизвестной технологией, которая считалась «нежной и чувствительной», и к тому же «слишком дорогой».

Оптоволоконный кабель имеет огромные преимущества перед другими средствами передачи сигнала, и хотя он считается дорогим и сложным при заделке, но со временем становится все дешевле и проще в использовании.

Самые главные преимущества – это иммунитет к электромагнитным помехам, более безопасная передача, более широкая полоса пропускания и намного большая протяженность линии без усиления. Поэтому мы уделим этому типу передачи особое внимание.

Рис. 10.34. Оптоволоконый кабель миниатюрен и хрупок, но он заключен в прочную оболочку

Почему волоконная оптика?

Волоконная оптика – это технология, в которой в качестве носителя информации используется свет; при этом не важно, о каком типе информации идет речь – аналоговом или цифровом. Обычно используется инфракрасный свет, а средой передачи служит стекловолокно.

Передача сигналов по стекловолокну имеет ряд преимуществ перед существующими «металлическими» средствами передачи. Это:

– Очень широкая полоса пропускания.

– Очень низкое ослабление сигнала, порядка 1.5 дБ/км по сравнению с 30 дБ/км для коаксиального кабеля RG-59 (для сигнала 10 МГц).

– Волокно (являющееся диэлектриком) создает электрическую (гальваническую) изоляцию между передающим и принимающим концом линии, поэтому невозможно возникновение «земляных петель».

– Свет как носитель сигнала полностью остается внутри оптоволоконного кабеля, поэтому не вызывает помех в соседних кабелях или других оптоволоконных кабелях.

– Стекловолокно не чувствительно к внешним сигналам и электромагнитным помехам (ЭМП), поэтому совершенно не важно, рядом с каким блоком питания будет проходить кабель – 110 В, 240 В, 10 000 В переменного тока или совсем близко от мегаваттного передатчика. Даже если молния ударит в одном сантиметре от кабеля – никаких наводок не будет.

– Оптоволоконный кабель миниатюрен и легок.

– Невозможно сделать ответвление оптоволоконного кабеля, не повредив при этом качества сигнала, что немедленно обнаруживается на принимающем конце линии. Это особенно важно для систем безопасности.

– Цена оптоволоконного кабеля падает с каждым днем. Обычный оптоволоконный кабель стоит от $1 до $5 метр в зависимости от типа.

У оптоволоконного кабеля есть определенные недостатки, но и они со временем будут исправлены:

– Концевая заделка оптоволоконного кабеля требует специальных инструментов и большей точности и мастерства, чем в случае других средств передачи.

– Возникают трудности с переключением и маршрутизацией сигналов.

Оптоволоконный кабель имеет больше преимуществ, чем какой-либо другой.

Многие годы оптоволоконный кабель использовался в телекоммуникациях и теперь становится все более популярен в видеонаблюдении и системах безопасности.

По мере усовершенствования технологии концевой заделки и сращивания кабеля, а также его удешевления, все больше систем видеонаблюдения и безопасности будут использовать волоконную оптику.

Концепция

Концепция волоконной оптики опирается на фундаментальные законы отражения и преломления света.

Может показаться невероятным, что стекловолокно может удерживать световые лучи внутри световода, не давая им «пройти сквозь стены», при передаче сигнала на многие километры. Чтобы понять этот эффект, придется освежить в памяти физические принципы полного отражения.

В начале XVII века физик Виллеброрд Снелиус заложил основы теории преломления и отражения света.

Когда свет попадает в более плотную среду, его скорость уменьшается и изменяется направление распространения, что объясняется волновой природой света при распространении в среде (см. раздел по оптике). Проявлением этой природы является сильное отклонение луча при попадании в другую среду.

Все мы видели «сломанную» соломинку в стакане воды. Это и есть преломление.

Показатель преломления обычного стекла равен примерно 1.5. Чем выше показатель преломления, тем меньше скорость света в среде и тем больше угол преломления при пересечении лучом поверхности раздела.

Почему так прекрасен алмаз? Игра цветов объясняется тем, что алмаз имеет высокий показатель преломления (2.42), а луч белого света (естественного) состоит из всех цветов (длин волн).

Волоконная оптика опирается на особый эффект – преломление при максимальном угле падения, когда имеет место полное отражение. Это явление происходит в том случае, когда луч света выходит из плотной среды и попадает в менее плотную среду под определенным углом.

На рис. 10.35 продемонстрирован эффект полного отражения при наблюдении из-под поверхности воды. Начиная с некоторого определенного угла (и при меньших углах) наблюдатель не сможет видеть объекты, находящиеся над поверхностью воды. Этот угол называется углом полного отражения. При этом угле (и меньших) наблюдатель будет видеть только объекты, находящиеся под водой: будет казаться, что смотришь в зеркало (если предполагать, что поверхность воды абсолютно неподвижна).

Рис. 10.35. Эффект полного отражения

Рис. 10.36. Полное отражение лазерного луча в оптоволоконном канале

Рис. 10.37. Волоконная оптика основывается на эффекте полного отражения

Используя закон Снелиуса мы можем рассчитать угол полного отражения для показателя преломления воды (1.33):

sin Ф_T = 1.00/1.33= 0.752 => Ф_T = 48.6° (51)

Концепция передачи сигнала по оптоволоконному кабелю опирается на те же принципы.

Внутренняя жила (нить) оптоволоконного кабеля имеет более высокий показатель преломления, чем оболочка. Поэтому луч света, проходя по внутренней жиле, не может выйти за ее пределы – из-за эффекта полного отражения.

На передающем конце кабеля находится светодиод или лазерный диод, излучение которых модулировано передаваемым сигналом.

В случае видеонаблюдения – это видеосигнал, но и в случае цифрового сигнала (например, при управлении поворотным устройством и трансфокатором или передаче данных) логика остается той же.

Итак, при передаче инфракрасный диод модулирован по яркости и пульсирует в соответствии с вариациями сигнала. На принимающем конце линии обычно находится фотодетектор, получающий оптический сигнал и преобразующий его в электрический.

Оптоволоконный кабель считается дорогим, многих пугают трудности при его заделке. Но в настоящее время многое изменилось – технология существенно продвинулась вперед. Оптическая технология всегда славилась своими потенциальными возможностями, но основные продвижения происходят только тогда, когда дешевые базовые устройства – полупроводниковые светодиоды, лазеры и оптоволоконные кабели – запускаются в массовое производство. Сегодня мы являемся свидетелями процесса перехода от наземных медных средств передачи информации к оптоволоконным.

Типы оптоволоконных кабелей

Существует несколько типов оптоволоконных кабелей. Их классификация основана на характере

прохождения световых волн по стекловолокну.

Как уже упоминалось во вступлении, основная идея состоит в использовании эффекта полного отражения, который является следствием различия показателей преломления (п₂ > п₁, где п₂ – показатель преломления внутреннего стекловолокна (сердцевины), а п1 – показатель преломления внешней оболочки).

Типичный пример – это оптоволоконный кабель со ступенчатым профилем (показателя преломления).

Кабель со ступенчатым профилем, а также схема распространения света по такому кабелю, представлены на рис. 10.38. Обратите внимание на деформацию входного импульса, которая вызвана различной длиной траекторий световых лучей, отражающихся от цилиндрической поверхности, разделяющей два стекловолокна с различными показателями преломления. Это называется модовой дисторсией.

Чтобы уравновесить пробегаемые лучами длины путей и улучшить характеристики импульса, было разработано многомодовое стекловолокно. В многомодовом стекловолокне лучи света распространяются с примерно равной скоростью, порождая эффект оптических стоячих волн.

Еще лучшие характеристики имеет одномодовое стекловолокно, почти не дающее модальной дисторсии.

Рис. 10.38. Три типа оптоволоконного кабеля

Последний вариант – самый дорогой, но он позволяет намного увеличить протяженность линии при использовании той же электроники. Для задач видеонаблюдения тип используемого стекловолокна – многомодовый или со ступенчатым профилем – не имеет особого значения.

На рис. 10.38 приведены профили показателей преломления для этих трех типов стекловолокна.

Числовая апертура

Свет может попадать в оптоволоконный кабель под разными углами.

Зная разные показатели преломления воздуха и стекловолокна, применим теорию преломления и закон Снелиуса:

n₀sin ф₀ = n₁sin ф₁ (52)

где n₁ – показатель преломления стекловолокна, n₀ – показатель преломления воздуха, равный примерно 1.

sin ф₀ = n₁sin ф₁ (53)

Рис. 10.40. Определение числовой апертуры

Левая половина выражения описывает очень важное свойство стекловолокна, которое называется числовой апертурой.

Числовая апертура характеризует светособирающую способность оптоволоконного кабеля.

На практике числовая апертура позволяет понять, как соединить два оптоволоконных кабеля и при этом сохранить сигнальный контакт. Реальные значения типичного апертурного угла для кабеля со ступенчатым профилем показаны на рис. 10.40.

Чтобы рассчитать числовую апертуру NA (угол ф_о), не обязательно знать угол ф₁

Далее приведены основные тригонометрические преобразования, позволяющие выразить числовую апертуру только через показатели преломления стекловолокна.

Применяя закон Снелиуса и опираясь на рисунок, получаем:

n₁sin(90°– ф₁) = n₂sin(90°– ф₂) (54)

Для полного отражения Ф₂ = 0°мы имеем тогда выражение принимает вид:

n₁sin(90°– ф₁) = n₁ (55)

Так как sin(90°– ф₁) = cos ф₁, то мы можем написать:

cos ф₁ = n₂/n₂ (56)

sin² ф + cos²ф = 1 (57)

и используя уравнение (50), мы можем преобразовать (47) в более приемлемый вид, без синусов и косинусов:

sin²ф₀/n1² + n²₂/n²₁ = 1 (58)

Зная основное правило тригонометрии

sin²ф₀ = n²₁ – n²₂ (59)

NA = sinф₀ = SQRT(n²₁ – n²₂) (60)

Формула (54) это хорошо известная формула для вычисления числовой апертуры оптоволоконного кабеля по двум известным показателям преломления – внутренней нити и оболочки. SQRT – это корень квадратный.

Очевидно, чем выше это значение, тем больше светособирающий угол кабеля.

Приведем реалистичный пример: n₁ = 1.46 и n₂=1.40, что даст NA = 0.41, то есть ф₀ = 24°.

Для волокна с плавным профилем апертура является переменной и зависит от радиуса измеряемого профиля, но она ниже, чем у многомодового волокна со ступенчатым профилем. Для одномодового волокна 9/125 мкм числовая апертура NA = 0.1.

Уровни света в волоконной оптике

Выходная мощность света измеряется в ваттах (как и любая другая мощность), но поскольку в оптоволоконной связи используются очень слабые источники света, то удобнее сравнивать выходную мощность с входной, а в этом случае мы получаем хорошо известное соотношение для децибел:

A_a = 10 lg(P₀/P₁) [ДБ] (61)

Однако, если сравнивать конкретную мощность света с абсолютным значением, например 1 мВт, то мы будем говорить о дБм, то есть:

A_a = 10 lg(P/1 мВт) [дБм](62)

Рассчитывать уровни передачи легче в децибелах.

Отрицательное значение в децибелах при расчете А означает потери, а положительное значение – среднее усиление.

Если А_а равно отрицательному значению дБм, то мощность меньше 1 мВт, а положительное значение соответствует мощности, большей 1 мВт.

Определение децибел при сравнении мощностей задается уравнением (55), но, как указывалось ранее, для напряжения и тока определение выглядит иначе:

B_r =20 lg(U₀/U₁) [ДБ] (63)

Не углубляясь в теорию, отметим, что децибелы для мощности вычисляются с коэффициентом 10 перед логарифмом, а для напряжения (и тока) – с коэффициентом 20.

Потери света при прохождении по волоконному кабелю объясняются следующими факторами:

– Стыковкой с источником

– Сращиванием световодов

– Затуханием в стекловолокне из-за его неоднородности

– Высокими температурами и т. д.

Проектируя систему видеонаблюдения с оптоволоконным кабелем, важно знать общее затухание, так как мы работаем с очень слабыми сигналами. Лучше работать с наихудшими оценками, чем использовать средние значения – только тогда возможно спроектировать надежную и качественную систему.

Для этого следует помнить, что в большинстве случаев выходная мощность излучения 850-нм светодиода лежит между 1 дБм и 3 дБм, а 1300-нм светодиод имеет несколько меньшую мощность – от 0 дБм до 2 дБм (помните, что мощность выражена относительно 1 мВт).

Наибольшие потери возникают при соединении светодиода и волокна.

Потери также зависят от числовой апертуры и от профиля волокна, который может быть ступенчатым или плавным.

Реалистичное значение потерь, вызванных соединением с источником, составляет около 14 дБ (относительно выходной мощности источника).

Источники света в оптоволоконной связи

Два основных компонента-источника света для оптоволоконного кабеля:

– Светодиоды (LED)

– Лазерные диоды (LD).

Рис. 10.40. Лазерный диод

Оба источника дают частоты в инфракрасном диапазоне, то есть выше 700 нм.

Генерация света как в светодиодах, так и в лазерных диодах происходит в процессе рекомбинации электронов и дырок в P-N переходе при подведении прямого (однонаправленного) тока. Такой свет называется электролюминесцентным.

После рекомбинации пары электрон/дырка имеют меньшую энергию, чем каждая составляющая до рекомбинации. При рекомбинации пары электрон/дырка теряют энергию, равную разности энергетических уровней, которая излучается в виде фотонов (минимальная единица переноса света).

Длина волны, ассоциированная с фотоном, определяется уравнением:

A = hc/E (64)

где:

h – постоянная Планка, фундаментальная физическая постоянная, равная 6.63·10³⁴  джоулей,

с – скорость света (300·10⁶ м/с),

Е – ширина энергетической зоны P-N материала.

Так как h и с постоянны, то длина волны зависит только от энергетической зоны, то есть от используемого материала. Это очень важный вывод.

Для чистого арсенида галлия (GaAs) А равно 900 нм. Добавляя небольшое количество алюминия, можно уменьшить длину волны до 780 нм. Чтобы получить еще более короткие длины волн, используется фосфид галлия арсенида (GaAsP) или фосфид галлия (GaP).

Основные различия между светодиодом и лазерным диодом – это различия между спектрами генерируемого излучения и углами направленности.

Светодиод генерирует излучение с длинами волн, лежащими в окрестности некоторого центрального значения, как показано на рис. 10.41. Лазерный диод дает очень узкую полосу частот, почти одной длины волны.

P-N переход в светодиоде порождает излучение с более широким спектром, чем у лазерного диода, причем это излучение распространяется во всех направлениях, то есть светодиод не дает узконаправленного излучения. Дисперсия в сильной степени зависит от механического строения диода, его поглощения и отражения. Свет, однако, излучается во всех направлениях, и чтобы сузить пучок света, производители светодиодов помещают сверху что-то вроде фокусирующих линз. И все равно угол получается слишком большим и не годится для одномодового волокна. По этой причине светодиоды не используются в качестве передающих устройств с одномодовым оптоволоконным кабелем.

Лазерные диоды изготавливаются из того же материала, что и светодиоды, процесс генерации света тоже аналогичен, но зона перехода гораздо меньше, а концентрация дырок и электронов выше. Индуцированныи свет может излучаться только с очень маленькой поверхности. При определенных уровнях тока процесс генерации фотонов попадает в резонанс и число индуцированных фотонов резко увеличивается, давая больше фотонов с одинаковой длиной волны и фазой. Таким образом, оптическое усиление достигается организованным образом, и генерированный свет представляет собой когерентное (по фазе) индуцированное излучение. Слово LASER образовано из первых букв light amplification by stimulated emission of radiation, что означает: «усиление света при помощи индуцированного излучения».

Чтобы «запустить» индуцированное излучение, для лазерного диода требуется минимальный ток от 5 до 100 мА – это так называемый пороговый ток. Этот порог гораздо выше, чем для обычного светодиода.

Однако, после запуска индуцированного излучения, лазерный диод дает большую оптическую мощность и очень маленький угол рассеяния.

Для передачи высоких частот и аналоговых сигналов важно, чтобы выходное излучение было линейно связано с приложенным током возбуждения, а также имело широкую полосу.

Со светодиодами в отношении линейности все нормально, однако не столь хорошо дела обстоят в высокочастотной области (по сравнению с ЛД), хотя все же передаваемая частота превышает 100 МГц, а этого для видеонаблюдения более чем достаточно.

Лазерные диоды могут легко давать частоты выше 1 ГГц.

Рис. 10.41. Спектр излучения светодиода (LED) и лазерного диода (LD)

Рис. 10.42. Зависимость интенсивности светового излучения от силы тока для светодиода

Вышесказанное может быть проиллюстрировано аналогией, которую мы приводили при обсуждении магнитной записи. Представьте себе, что выходной спектр светодиода или ЛД – это острые кончики карандашей. В спектре светодиода будут карандаши с более толстыми кончиками, а в спектре ЛД – с более острыми. При помощи остро заточенного карандаша можно писать маленькие буквы и разместить больше текста на заданном пространстве, то есть сигнал, модулированный ЛД, будет содержать более высокие частоты.

Однако, светодиоды дешевле, имеют более линейную характеристику и не требуют специальной управляющей электроники. Светодиод 850 нм стоит около $10, а 1300 нм – около $100. Средний срок службы светодиодов чрезвычайно высок (10⁶ – 10⁸ часов).

ЛД более дорогие, стоят от $100 до $15000. После перехода через пороговое значение, они дают прекрасную линейную характеристику. ЛД часто включают схему управления температурой, так как для них очень важна операционная температура, а для выходной мощности необходима стабилизация обратной связью. Несмотря на все это, у ЛД больше ширина полосы частот модуляции, более узкий несущий спектр, и они генерируют большую мощность. Средний срок службы ЛД ниже, чем у светодиодов, но все же довольно высок (10⁵ – 10⁷ часов).

Всеобщее внимание привлекли новые, недавно появившиеся светодиоды – суперлюминесцентные диоды (СЛД). Технические характеристики СЛД лежат где-то между светодиодами и ЛД.

Для видеонаблюдения светодиоды – достаточно хорошие источники света. ЛД чаще используются в многоканальных широкополосных мультиплексорах, а также в случае протяженных линий из одномодового стекловолокна.

Фотодетекторы в волоконной оптике

Устройства, принимающие оптический сигнал на другом конце оптоволоконного кабеля, называются фотодиодами. В большинстве своем – это действительно тот или иной тип диода.

Основные группы используемых в волоконной оптике фотодиодов:

– P-N фотодиод (PNPD)

– PIN фотодиод (PINPD)

– Лавинный фотодиод (APD)

P-N фотодиод похож на обычный кремниевый P-N диод, чувствительный к инфракрасному свету. Основные его характеристики – низкая чувствительность и большое время нарастания сигнала.

PINPD – это модифицированный P-N фотодиод с внутренним слоем между Р– и N-типами кремния.

Характеризуется высокой чувствительностью и малым временем нарастания сигнала.

Лавинный диод аналогичен PINPD, но имеет одно преимущество – почти каждый падающий на него фотон дает более одной пары электрон/дырка в результате внутренней цепной реакции (лавинный эффект). Лавинный диод более чувствителен, чем PINPD, но дает больше шума.

Все эти базовые устройства комбинируются с каскадами усиления и «трансимпеданса» (усилитель, управляемый током), которые усиливают сигнал до требуемого уровня напряжения/тока.

Частоты передачи в волоконной оптике

Затухание сигнала в оптоволоконном кабеле зависит от свойств материала и от внешних воздействий.

Эффекты, обусловленные влиянием материала:

– Рэлеевское рассеяние, вызванное неоднородностями в стекловолокне, размеры которых малы по сравнению с длиной волны. На 850 нм затухание за счет рэлеевского рассеяния может достигать 1.5 дБ/км, на 1300 нм эта величина меньше – 0.3 дБ/км, а на 1550 нм еще меньше – 0.15 дБ/км.

– Поглощение. Поглощение происходит в том случае, если в волокне присутствуют гидроксильные ионы и/или ионы металлов. Поглощение сказывается на ослаблении сигнала гораздо меньше, чем рэлеевское рассеяние, и ответственно за 0.2 дБ/км.

Внешние воздействия, приводящие к ослаблению сигнала:

– Микроизгибы. Возникают из-за недостаточной точности изготовления кабеля – неоднородности волоконного кабеля по длине. Это может дать несколько дБ/км.

– Геометрия стекловолокна. Как и предыдущий пункт, но чаще из-за плохого контроля за диаметром при вытяжке кабеля.

На приведенном ниже графике демонстрируется очень важный факт: при передаче сигнала по оптоволоконному кабелю различные длины волн (частоты) ослабляются в разной степени.

Рис. 10.43. Окна в волоконной оптике

Частотные зоны, сосредоточенные вокруг вертикальных штриховых линий, называются окнами волоконной оптики. Всего их три:

– Первое окно на 850 нм

– Второе окно на 1300 нм

– И третье окно на 1550 нм.

Первое окно на самом деле не дает минимального ослабления (в сравнении с более высокими частотами), но именно эта частота была впервые использована в оптической связи. Созданные для этой частоты светодиоды были достаточно эффективны и просты в изготовлении.

Все же это самая подходящая длина волны и самый дешевый способ передачи сигналов на короткие расстояния – как в случае видеонаблюдения.

Все чаще в видеонаблюдении используется длина волны 1300 нм. Эту длину волны предпочитают в профессиональной телекоммуникации, а также в системах видеонаблюдения с протяженными линиями передачи, где высокие цены на источники света не являются доминирующим фактором. Потери на этой частоте гораздо ниже – это тоже видно из графика. Разница в ослаблении сигнала между 850 нм и 1300 нм составляет примерно 2–3 дБ/км.

Длина волны 1550 нм дает еще меньшие потери, и системы будущего ориентируются именно на это окно.

Приведем для иллюстрации значение типичного ослабления сигнала в многомодовом оптоволоконном кабеле 62.5/125 мкм с источником света 850 нм – оно составляет менее 3.3 дБ на километр. Если с этим же стекловолокном использовать источник в 1300 нм, то ослабление составит менее 1 дБ. Следовательно, можно получить большую протяженность линии с тем же оптоволоконным кабелем, лишь заменив источник света. Это особенно полезно в случае аналогового сигнала, каковым и является видеосигнал.