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

Автор книги: Владо Дамьяновски

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 42 страниц)

Если с кабелем 62.5/125 мкм использовать источник 850 нм, то можно протянуть линию, по меньшей мере, на пару километров, чего обычно вполне достаточно для системы видеонаблюдения. Большую протяженность можно получить, если использовать многомодовое волокно с плавным профилем, а если при этом взять еще и источник 1300 нм (вместо 850 нм), то линия может стать еще длиннее.

Самая длинная линия связи получится с одномодовым оптоволоконным кабелем и источниками света в 1300 нм и 1550 нм.

Типичное ослабление для источника 1300 нм составляет менее 0.5 дБ/км, для 1550 нм – менее 0.4 дБ/км.

Пассивные компоненты

Кроме вышеупомянутых фотодиодов и детекторов, которые относятся к активным устройствам, в системах волоконной оптики используются и пассивные компоненты.

Это:

– Спайки: постоянное или полупостоянное сращение волокон.

– Разъемы: позволяют повторно подсоединять или отсоединять кабели.

– Ответвители (coupler): устройства, распределяющие оптическую мощность между двумя или более волокнами или наоборот, объединяющие оптическую мощность нескольких волокон в одно.

– Коммутаторы: устройства, перераспределяющие оптические сигналы под ручным или электронным контролем.

Сращивание оптических волокон сваркой

Сварное соединение волокон часто осуществляется под микроскопом. Результат обычно получается хорошим, но оборудование может оказаться очень дорогим.

Процедура сращивания (сварка) оптических волокон состоит из очистки волокна, расщепления и помещения двух волокон в монтажный блок.

Точность позиционирования улучшается, если использовать микроскоп, который обычно является частью устройства. После выравнивания положения волокон, они свариваются при помощи дугового разряда. Этот процесс отслеживается, и если соединение получилось неудовлетворительным, то процесс повторяется.

Потери в местах сращивания невелики и обычно составляют порядка 0.1 дБ.

Рис. 10.44. Оборудование для сварки волокна

Рис. 10.45. ST-разъем и точка

Механическое сращивание

Пожалуй, это наиболее распространенный метод сращивания волокон, так как при этом используются недорогие инструменты, а результат получается довольно неплохим.

Волокна выравниваются механическим образом относительно поверхности и (обычно) «сажаются» на эпоксидную смолу. Результат не столь хорош, как при сварке, но может быть довольно близок. Но главное, что оборудование для механического сращивания стоит не так дорого.

Потери при хорошем механическом сращивании лежат в пределах 0.1–0.4 дБ.

Два основных принципа механического сращивания:

– Использование V-образной канавки

– Выравнивание осей.

Оба принципа показаны на рис. 10.46.

Рис. 10.46. Механическое сращивание

Чтобы соединение было хорошим, оптоволоконный кабель должен иметь хорошую концевую заделку – это все же самая трудная часть в прокладке стекловолокна. Здесь нужна высокая точность, терпение и немного практики. Любой может научиться делать концевую заделку оптоволоконного кабеля, а если установщики системы не имеют опыта работы с волокном, то можно пригласить специалистов, которые поставят нужные разъемы, заделают кабель и проверят его. Последнее – это самое главное мероприятие при установке оптоволоконного кабеля для систем видеонаблюдения.

Мультиплексоры в волоконной оптике

Мультиплексоры в волоконной оптике отличаются от ранее описанных видеомультиплексоров. Мультиплексоры в волоконной оптике объединяют несколько сигналов в один, таким образом используя один волоконный кабель для одновременной передачи нескольких сигналов реального времени. Они особенно практичны в системах с недостаточным числом кабелей (по сравнению с количеством телекамер).

Существует несколько типов волоконных мультиплексоров. Самое простое и наиболее приемлемое (по средствам) мультиплексирование оптической передачи – это использование устройств спектрального разделения (WDM, wavelength division multiplexing). Эти устройства передают оптические сигналы от одного или нескольких источников, работающих на различных длинах волн, по одному кабелю. Такая передача становится возможна благодаря тому, что световые лучи различных длин волн не взаимодействуют (не пересекаются) друг с другом. Таким образом повышается пропускная способность кабеля, а в случае необходимости возможна также и двунаправленная передача данных.

Частотно-модулированное частотное мультиплексирование (FM-FDM, frequency-modulated frequency division multiplexing) – это экономически вполне приемлемое средство, достаточно невосприимчивое к шуму и искажениям, с хорошей линейной характеристикой и схемой средней степени сложности. На рынке существует всего несколько марок FM-FDM-мультиплексоров, предназначенных для систем видеонаблюдения. Эти устройства имеют 4, 8 или 16 каналов.

Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование (AVSB-FDM, amplitude vestigial sideband modulation, frequency division multiplexing) – это еще один тип устройств, возможно, слишком дорогих для систем видеонаблюдения, но чрезвычайно привлекательных для абонентского телевидения: с качественной оптоэлектроникой устройство позволяет передавать до 80 каналов.

Импульсно-кодовая модуляция, частотное мультиплексирование (PCM-FDM) – еще один дорогой мультиплексор. Это полностью цифровое устройство, и интерес к нему будет расти вместе с распространением цифрового видео в видеонаблюдении.

Возможны также комбинации этих методов.

В видеонаблюдении чаще используются устройства FM-FDM, позволяющие передавать больше сигналов по одному кабелю. WDM-тип мультиплексирования особенно целесообразен для PTZ или пультов управления с матричным коммутатором. Видеосигналы передаются по раздельным оптоволоконным кабелям (один кабель на телекамеру), и только один кабель использует WDM для передачи управляющих данных в противоположном направлении.

Несмотря на то, что мультиплексирование в волоконной оптике становится все более доступным, следует отметить, что на стадии планирования инсталляции кабеля рекомендуется предусмотреть, по крайней мере, один резервный оптоволоконный кабель в дополнение к рабочему.

Рис. 10.47. Пример FM-FDM мультиплексирования (методом спектрального уплотнения) в волоконной оптике

Оптоволоконные кабели

Оптоволоконные устройства миниатюрны. Внешний диаметр используемого в видеонаблюдении и системах безопасности кабеля составляет всего лишь 125 мкм (1 мкм = 10^-6 м). Стекловолокно – материал относительно прочный, но все же легко ломается, если его изогнуть на угол, меньший определенного минимального радиуса. Поэтому характеристики кабеля должны обеспечивать адекватную механическую защиту и ударопрочность, сохраняя минимальный угол изгиба и обеспечивая легкость при укладке и обслуживании кабеля и стабильное качество передачи в течение времени жизни системы.

Общая конструкция может сильно различаться в зависимости от способа прокладки (подводный, подземный, воздушный, кабелепровод), числа каналов и пр. В любом случае кабель включает нечто вроде силовой (несущей) конструкции и жесткую внешнюю оболочку, обеспечивающую механическую защиту и защиту от воздействий окружающей среды.

По конструкции оптоволоконные кабели могут различаться довольно значительно: простой одноволоконный кабель, вставленный в трубку, стержень с пазами (открытый канал), ленточный, с защитным материалом (не обладающим оптическими свойствами).

Обсудим некоторые, наиболее распространенные в видеонаблюдении виды кабеля.

Одноволоконный и двухволоконный кабели обычно включают волокнистую силовую конструкцию (арамидную нить), покрывающую вторичную оболочку. Этот слой защищен пластиковой внешней оболочкой.

Рис. 10.48. Поперечное сечение волоконно-оптического кабеля

Рис. 10.49. Четырехволоконный кабель с силовой конструкцией

Рис. 10.50. Композитный оптико-металлический кабель

Рис. 10.51. Типичный волоконный кабель с силовыми конструкциями и наполнителями

Многоволоконный кабель может иметь множество конфигураций.

Самая простая – это группа нескольких одноволоконных кабелей с центральной силовой конструкцией внутри внешней оболочки. В качестве центральной силовой конструкции может использоваться эластичный стальной провод или укрепленная стекловолокном пластиковая жила. Такие кабели могут включать от двух до двенадцати или более коммуникационных световодов. Если в качестве центральной силовой конструкции используется пластиковая жила, то мы получим не содержащий металла оптоволоконный кабель. Такой кабель, состоящий целиком из полимеров и стекла, предназначен для установки внутри зданий. Кабель годится для многих типов систем, включая видеонаблюдение, системы безопасности, компьютерные линии и др. Такие мощные (предназначенные для работы в тяжелом режиме) кабели делаются жесткими, чтобы их можно было протягивать через кабельные каналы.

Трубочные кабели – это хорошая альтернатива одножильным кабелям и кабелям с пазухами. Оптические кабели защищены водонепроницаемой полиэстерной трубкой, наполненной гелем. Этот вид многоволоконного кабеля предназначен для прямой укладки или для кабелепроводов в протяженных системах. Он может быть сделан водонепроницаемым – с гелевым наполнителем или с воздухом под давлением.

Есть и другие конфигурации – с полиэтиленовым стержнем с пазами, что позволяет включать в кабель больше световодов. Этот тип предназначен для прямой подземной прокладки или для кабелепроводов в протяженных системах. Он может быть сделан водонепроницаемым – с гелевым наполнителем или с воздухом под давлением.

И наконец, еще один типа кабеля – это композитный оптико-металлический кабель. Такие кабели представляют собой комбинацию оптического волокна и изолированного медного провода и предназначены как для внутренней, так и для внешней укладки. Кабель может быть заполнен водозадерживающим веществом для защиты волокна от влаги, что необходимо, например, при прокладке кабеля под землей.

Рис. 10.52. Минимальный радиус изгиба

Поскольку оптоволоконный кабель намного легче любого другого кабеля, то укладывать его гораздо проще, чем электрический кабель такого же диаметра.

Благодаря защитной оболочке оптоволоконного кабеля, с ним можно обращаться почти также, как и с электрическим кабелем. Однако, следует принять меры предосторожности и удостовериться в том, что при укладке не нарушены рекомендуемые производителем требования по максимальному растяжению и прочности.

В оптическом кабеле основное напряжение падает на компоненты силовой конструкции: обычно это укрепленный стекловолокном пластик, сталь, кевлар или их комбинация, защищающие сравнительно хрупкое стекловолокно. Если натяжение кабеля превышает спецификации производителя, волокно кабеля может оказаться поврежденным.

Рис. 10.53. Так механическое воздействие сильнее

Что касается натяжения при укладке, то следует обратить внимание на максимальное разрывное усилие кабеля, выраженное в ньютонах или килоньютонах (н или кн). Типичный кабель имеет разрывное усилие около 1000 Н (1 кН). Чтобы представить, что такое ньютон, можно считать, что разрывное усилие в 9.8 Н создается в вертикально висящем кабеле с массой в 1 кг. Кроме того, производители иногда указывают максимальное долговременное разрывное усилие. Обычно оно меньше половины максимального разрывного усилия.

Как и в случае коаксиального кабеля, волоконный кабель не стоит сгибать больше, чем на специфицированный минимальный радиус изгиба. Только в этом случае дело вовсе не в изменении электрического полного сопротивления, а в предохранении волокна от излома и сохранении угла полного отражения. Минимальный радиус изгиба различен для различных кабелей и даже может иметь несколько значений, в зависимости от уровней напряжения в кабеле. Превышение специфицированного радиуса изгиба приведет к усилению напряжения в волокне и даже может разрушить жесткие силовые конструкции.

Самое главное при манипулировании кабелем или при его укладке – чтобы изгибы были как можно более плавными.

Нередко кабель во время укладки подвергается механическим воздействиям – на него могут наступить, или, что еще хуже, переехать.

Конечно, следует избегать таких воздействий, но все же кабель способен выдержать нагрузки величиной до специфицированного значения механической прочности.

Механическая прочность выражается в н/м или кн/м. Например, кабель с механической прочностью в 10 кн/м может выдержать нагрузку в 1000 кг, распределенную на 1 метр кабеля (10Н – примерно такую силу дает масса 1 кг). Допустим, рабочий весит 100 кг и носит ботинки размера 9 (или 42 в европейской системе), а ширина ботинка составляет 100 мм. Если рабочий наступит одной ногой на кабель, то кабель выдержит нагрузку. Однако, если этот кабель переедет машина, то нагрузка может превысить максимально допустимую и кабель может быть поврежден.

Рис. 10.54. Различные типы разъемов оптоволоконных кабелей

Рис. 10.55. Различные типы многоволоконного кабеля

Будьте осторожны в местах пересечения кабелей.

Нагрузка на кабель сильно увеличивается из-за малой зоны контакта – например, если человек наступит на кабели в точке их пересечения. Также и в перегруженном кабелепроводе – кабель может повредиться в точках сосредоточенной нагрузки, даже если нагрузка (вес над ним) не превышает допуска.

Оптический кабель обычно поставляется намотанным на деревянные барабаны с прочным пластиковым защитным слоем или деревянными планками по окружности барабана. При манипулировании кабельными барабанами помните об их весе. Наиболее уязвимые части кабельного барабана – это внешние слои кабеля. Следует особенно позаботиться о том, чтобы не возникало повреждений в том случае, когда барабаны складируются по вертикали и соседствуют с другими барабанами. Чтобы избежать таких проблем, следует складировать барабаны горизонтально. Если все же они лежат вертикально, то внешние края (ободы) барабанов должны соприкасаться. Барабаны не должны складироваться вперемешку. Если при разгрузке барабанов используется, например, вильчатый автопогрузчик, то не следует прикасаться к поверхности кабеля. Удерживайте барабан за обод или вдоль центральной оси.

Методы установки

До укладки кабеля барабаны должны быть проверены на предмет наличия признаков повреждения или неправильного обращения. Внешний слой кабеля должен быть тщательно осмотрен – нет ли царапин или вмятин. Если на кабеле замечены повреждения, то его следует пометить и отложить в сторону. Для короткого кабеля (меньше 2 км) можно провести простой контроль непрерывности волокна, использовав в качестве источника фонарик. Волоконный кабель для инфракрасной передачи также хорошо передает и обычный свет. Это поможет выяснить, нет ли в кабеле серьезных разрывов. Непрерывность волокна можно проверить при помощи фонарика.

Излагаемые ниже предосторожности и методы очень похожи на все то, что мы раньше говорили по поводу укладки коаксиального кабеля, но поскольку это очень важный вопрос, мы еще раз пройдемся по этой теме.

Еще до укладки кабеля следует изучить трассу на предмет потенциальных проблем вроде острых углов, забитых кабельных каналов и т. п. После определения жизнеспособного маршрута, следует распределить кабель таким образом, чтобы точки соединения и подключения усилителей находились в доступных местах.

Важно, чтобы в местах будущих соединений был оставлен достаточный запас кабеля. В общем, для сращивания линейного типа перехлест должен составлять около 5 м. В местах, где кабель выходит из кабелепровода, следует оставить около 2.5 м.

Имейте в виду, что открытые концы кабеля должны быть защищены водонепроницаемыми колпаками. Чтобы избежать напряжений на изгиб или повреждений проезжающим транспортом, следует использовать трубы. На обоих концах кабельной линии оставляют часть кабеля определенной длины (в зависимости от планируемой конфигурации).

Самое главное при прокладывании кабеля под землей – это предотвращение повреждений, связанных с чрезмерными нагрузками в локальных точках (сосредоточенными нагрузками).

Такие нагрузки могут возникать в местах контакта кабеля с неоднородным материалом засыпки или неровностями траншеи. Повреждения могут проявиться сразу, а могут некоторое время оставаться незамеченными. Так или иначе, затраты на откапывание и ремонт кабеля очень велики, и лучше сразу постараться сделать все возможное для хорошей укладки.

При прокладывании кабеля в траншеях следует предпринять меры предосторожности от повреждения кабеля и снижения его срока службы.

Рис. 10.56. Оптоволоконные приемные модули

Главная защита от повреждений – укладка кабеля на слой песка толщиной 50-150 мм и засыпка сверху слоем песка 50-150 мм. Особое внимание следует уделить выкапыванию траншеи, дно которой должно быть ровным, без выступов. При закапывании траншеи следите за тем, чтобы в засыпке не было камней, которые могут повредить кабель.

Глубина траншеи зависит от типа почвы и от ожидаемой нагрузки на поверхности. В твердой породе понадобится траншея глубиной всего в 300 мм, а если почва мягкая и траншея пересекает дорогу, то траншея должна иметь глубину 1 м. Траншея в обычных условиях должна иметь глубину 400–600 мм и песчаную подстилку толщиной 100–300 мм.

Самая простая техника – это укладка кабеля прямо с барабана в траншею или в кабельный лоток (желоб). При прокладке очень длинных кабельных линий барабан помещается на транспортное средство, при этом он может свободно вращаться вокруг оси; барабан можно держать в руках, оперев его на металлическую ось. По мере продвижения машины (или человека) кабель сматывается с барабана прямо на свое место. Не торопитесь слишком и убедитесь в том, что кабель можно временно закрепить на регулярных интервалах до его конечного закрепления.

Укладка оптического кабеля в кабельный лоток ничем особенным не отличается от такой же операции с обычным кабелем того же диаметра. Но главное, за чем надо следить – это минимальный радиус изгиба и механическая нагрузка.

Минимальный радиус изгиба нужно проверять даже тогда, когда кабельный лоток, казалось бы, этого и не требует. Не следует стремиться к аккуратности и изгибать оптический кабель, пытаясь уложить его рядом с другими кабелями.

Критичным фактором могут стать механические нагрузки на кабельный лоток, если оптический кабель проходит рядом с острыми выступами или пересекает другой кабель. Тогда оптический кабель испытывает большую нагрузку от веса вышележащих кабелей или веса персонала, наступающего на лоток.

Постарайтесь укладывать кабель в одной плоскости и не создавать точек сосредоточенных нагрузок.

Протяжка оптического кабеля через кабельный канал ничем не отличается от протяжки обычного кабеля.

Всегда используйте требуемое усилие, но не превышайте спецификаций производителя.

В общем, обычно используемые кабельные крепления – скобы и хомуты – вполне удовлетворительны, но помните, что нагрузку должна принимать не внешняя оболочка, а силовые конструкции.

Если требуется использовать смазку, обратитесь за рекомендацией к производителю кабеля. Для уменьшения трения можно использовать также тальк или гранулы из полистирола.

В некоторых случаях кабель уже имеет концевую заделку. Будьте осторожны с разъемами при протяжке кабеля. Не повредите разъемы, не загрязняйте их, не подвергайте кабель чрезмерной нагрузке в зоне соединения с разъемом.

Обычно после укладки кабеля необходимо его закрепить. В лотке кабель может закрепляться нейлоновыми стяжками. Особенно позаботьтесь о закреплении кабеля в тех местах, где он может сползать или провисать. Если невозможно использовать кабельные крепления из-за особенностей поверхности, рекомендуется использовать специальные хомуты. Следует осторожно применять подобные приспособления, чтобы не нарушить механическую целостность кабеля и не повредить соседние оболочки острыми краями. Лучше использовать хомуты с пластиковым защитным слоем, при этом для каждого кабеля следует использовать отдельный хомут. Между конечными точками крепления кабеля лучше оставить небольшую слабину, а не класть кабель в натяг, в случае чего он будет плохо «реагировать» на колебания температуры и вибрацию.

Если кабель все же был поврежден при укладке, то оставьте около поврежденной точки достаточный запас кабеля для сращивания.

Заключение: прокладка оптоволоконного кабеля не многим отличается от прокладки обычного кабеля, и если придерживаться нескольких основных принципов, то проблем при установке кабеля не будет.

Анализ оптоволоконных линий

Теперь, познакомившись с отдельными элементами оптоволоконных систем – источниками, кабелями, детекторами и техникой прокладки кабеля – мы можем обратиться к полной системе. Перед прокладкой кабеля необходимо провести анализ линии передачи, который покажет потери или усиления сигнала на каждом каскаде системы. Такой анализ не будет излишним и для других передающих сред, но для оптоволоконных линий передачи он особенно важен, так как в этом случае мы имеем дело с очень низкими уровнями мощности. Эти уровни достаточны для распространения на многие километры, но если мы не позаботимся о микроскопических соединениях, то на линии могут возникнуть потери.

Цель анализа линии передачи заключается в определении силы сигнала в каждой точке полной системы и расчете мощности на приемнике (детекторе) – достаточна ли она для приемлемого функционирования системы. Если нет, то следует исследовать все каскады и какие-то из них заменить (обычно на более дорогие), в противном случае будут снижены гарантированные характеристики системы (расстояние, скорость, ошибки).

10.57. Очень важно провести анализ линии до прокладки оптоволоконного кабеля

Для оптоволоконных систем анализ линии передачи должен также включать неизбежные вариации характеристик линии, связанные с изменениями температуры и старением компонентов, а также с разницей характеристик почти идентичных устройств, выпущенных разными производителями. В этом отношении оптоволоконные системы нуждаются в более тщательном исследовании, чем любые другие электронные системы, так как в первом случае более велики различия между устройствами одного типа и больше изменений в характеристиках системы, связанных со старением и температурой.

В качестве практического примера на рис. 10.57 приведена «поточечная» схема базовой оптоволоконной системы, состоящей из входного электрического сигнала, возбудителя источника (задающее устройство), оптического источника, километрового оптического кабеля с максимальным ослаблением сигнала в 4 дБ/км, фотоприемником (оптическим детектором) и приемником оптического излучения.

Мы предполагаем, что система обрабатывает цифровой сигнал, как в случае PTZ-блока, но логика тут такая же, как и в случае аналогового сигнал.

Расчеты начинаются с выходной оптической мощности источника (-12 дБм в этом случае) и заканчиваются оценкой мощности, видимой детектором.

В процессе анализа рассматривается каждая часть системы и для каждого звена два варианта – наилучший и наихудший – потери (или усиления) мощности, определяемой различными факторами: потерями в соединениях, ослаблением сигнала на трассе, допустимыми отклонениями обычных частей системы (наилучшее и наихудшее для данной модели), температурой и временем.

Анализ также позволяет учесть дополнительные потери в 5 дБ на случай, если в течение времени жизни системы будут проделаны дополнительные работы по ремонту или сращиванию кабеля.

Вывод: в этом примере выходная оптическая мощность, обеспечивающая распознаваемый сигнал, должна лежать в пределах от +7 дБ (в лучшем случае) до -23 дБ (в худшем случае) относительно значения номинального источника. С технической точки зрения 7 дБ означают усиление, чего мы на самом деле не имеем, скорее это относится к возможными допустимым вариациям компонентов. Поэтому приемный детектор должен обрабатывать динамический диапазон оптических сигналов от -5 дБм (-12 дБм + 7 дБм = -5 дБм) до -35 дБм (-12 дБм -23 дБ = -35 дБм), представляющих двоичную 1.

Конечно, когда источник затемнен (нет света, что дает двоичный 0), то получаемый сигнал тоже равен нулю (не считая шумов).

Понятно, что при той же электронике и том же оптоволоконном кабеле цифровой сигнал может быть передан на большие расстояния, чем аналоговый видеосигнал – благодаря большим допускам на ошибку, свойственным цифровым сигналам. Можно проделать такой же анализ и для аналогового сигнала.

Даже если мы не подготовлены или не знаем, как это сделать, мы все же можем получить ответ на главный вопрос: «Будет ли система работать?» К сожалению, ответ можно получить только после прокладки кабеля. Для этого потребуется инструмент для измерения непрерывности кабеля и ослабления сигнала. Это оптический рефлектометр временной области.

OTDR

Оптический рефлектометр временной области (OTDR, optical time domain reflectometer) предназначен для тестирования оптоволоконного кабеля после его установки с целью определения возможных повреждений, ослабления сигнала и качества концевых заделок.

OTDR посылает световой импульс на один конец оптической линии и определяет возвращаемую световую энергию во времени, величина которой напрямую зависит от пройденного светом расстояния.

Устройство подсоединяется только к одному концу кабеля и показывает нарушения непрерывности оптического пути, то есть сращения кабеля, повреждения и соединения. Работа прибора основана на физическом явлении, получившем название рэлеевское обратное рассеяние. Обратное рассеяние происходит внутри волокна и показывает ослабление сигнала по длине световода. При прохождении световых волн по световоду очень небольшая часть падающего света отражается атомной структурой и примесями оптического волокна в обратном направлении (по направлению к источнику). Затем это излучение измеряется и выводится на экран и/или на печать и служит характеристикой конкретной установки кабеля. При помощи OTDR легко выявить возможные повреждения оптоволоконного кабеля. Это очень дорогой инструмент, обычно его берут на прокат для оценки установки оптоволоконного кабеля или используют специалисты по концевой заделке кабеля.

Рис. 10.58. Оптический рефлектометр временной области (OTDR)