0
نرخ انتقال و پهنای باند فیبرهای نوری مالتی مد
هنگامی که اندازه هندسی فیبر (عمدتاً قطر هسته d1) بسیار بزرگتر از طول موج نور (حدود 1 میکرون) باشد، ده ها یا حتی صدها حالت انتشار در فیبر وجود خواهد داشت. حالت‌های انتشار مختلف، سرعت‌ها و فازهای انتشار متفاوتی خواهند داشت، بنابراین تأخیر زمانی پس از ارسال در مسافت‌های طولانی رخ می‌دهد و در نتیجه پالس‌های نوری گسترده‌تر ایجاد می‌شود. این پدیده پراکندگی مدال فیبر نوری نامیده می شود که به آن پراکندگی بین وجهی نیز می گویند.
در پارامترهای فیبر نوری مالتی مد یک پارامتر پهنای باند (پهنای باند کانال) وجود خواهد داشت، واحد مگاهرتز·کیلومتر است و گاهی پرسیده می شود که آیا سرعت انتقال فیبر نوری مالتی مد به 200 مگابیت بر ثانیه می رسد؟ چگونه می توان رابطه این دو را درک کرد؟
معمولاً ظرفیت اطلاعاتی فیبر نوری مالتی مد با حاصلضرب پهنای باند و طول اندازه گیری می شود. چرا واحد مگاهرتز نیست، بلکه MHz·km است؟ اول از همه، ما باید ویژگی های فیبر نوری مالتی مد را درک کنیم: تاخیر گروه اضافی، پراکندگی بین وجهی، پراکندگی مواد، پراکندگی موجبر و غیره در فرآیند انتقال سیگنال های موجبر نوری در فیبر نوری مالتی مد منجر به اعوجاج سیگنال شد. در میان آنها، پراکندگی بین وجهی عامل تعیین کننده برای پهنای باند است. پراکندگی مواد و پراکندگی موجبر معمولاً در فیبر نوری مالتی مد ناچیز است، اما به طور قابل توجهی بر فیبر سینگل مد تأثیر می گذارد.
عوامل ذکر شده در بالا باعث می شود که طول انتقال سیگنال موجبر نوری با پهنای باند زمانی که سیگنال در فیبر نوری مالتی مد ارسال می شود، نسبت معکوس داشته باشد. به طور کلی، هر چه طول انتقال بیشتر باشد، پهنای باند انتقال کمتر است. واحد MHz·km برای توصیف ظرفیتی است که فیبر نوری مالتی مد می تواند در عرض 1 کیلومتر ارسال کند (به شرطی که سیگنال خراب نشود). طول فیبر یک پارامتر فیزیکی نمادین است. پس از تعیین فاصله، محدوده انتخاب فیبر را می توان با توجه به نیازهای پهنای باند فعلی یا آینده کاربر محدود کرد. بنابراین، گفتن پهنای باند واقعی فیبر چند حالته بی معنی است و باید طول را اضافه کرد تا از خراب نشدن سیگنال اطمینان حاصل شود، بنابراین واحد به MHz·KM تبدیل می شود. برای مثال، اگر پهنای باند 600 مگاهرتز·کیلومتر باشد، پهنای باند آن در مکان 2 کیلومتری تنها 300 مگابایت است. برای فیبرفیبر نوری مالتی مداستپ شاخص، تأثیر عوامل مختلف باعث می‌شود محصول طول باند آن به 20MHz·KM محدود شود. برای فیبر با شاخص گرادیان، محصول طول باند آن می تواند تا 2.5GHz·KM باشد. و برای فیبر سینگل مد به دلیل عواملی مانند پراکندگی کم و باریک بودن عرض طیف منبع نور می توان پهنای باند انتقال آن را نامحدود دانست. مطالعات نشان داده اند که برای طول موج کوتاه 0.85 میکرومتر، اگر عرض طیفی ریشه میانگین مربع منبع نور 20 نانومتر باشد، کل پهنای باند فیبر در بهترین حالت تنها 1 گیگاهرتز کیلومتر است. برای طول موج 1.30 میکرومتر، اگر شاخص نمایه به خوبی کنترل شود، بالاترین پهنای باند می تواند از 10 گیگاهرتز·کیلومتر تجاوز کند.
(توضیحات: در حال حاضر، عرض طیفی ریشه میانگین مربع LED (دیود ساطع کننده نور) حدود 5 درصد طول موج مرکزی است. برای مثال، با فرض اینکه طول موج پیک انتشار LED 850 نانومتر باشد، عرض طیفی معمولی آن باید 40 نانومتر باشد، که بیشترین توان تمرکز نور ساطع شده در محدوده طول موج 830 تا 870 نانومتر است. 2 نانومتر، در حالی که عرض طیفی معمولی تسینگل مد LD تنها 0.0001 نانومتر است.)
. اول از همه، نرخ انتقال داده (همچنین به عنوان نرخ کد، نرخ بیت یا پهنای باند داده نیز شناخته می شود) تعداد بیت های کد داده ارسال شده در هر ثانیه در ارتباط را توصیف می کند. واحد بیت/ثانیه است که می تواند به صورت bit/s=b/s=bps ضبط شود. رابطه بین پهنای باند کانال و نرخ انتقال داده را می توان با معیار نایکویست و قانون شانون توصیف کرد.
معیار Nyquist اشاره می کند که اگر بازه زمانی π/ω باشد (ω=2πf–>2f=w/π)، و سیگنال پالس باریک از طریق کانال ارتباطی ایده آل منتقل شود، هیچ تداخل متقابلی بین قبل و نمادهای زیر بنابراین، رابطه بین حداکثر سرعت انتقال داده Rmax (بر حسب bps) سیگنال های داده باینری و پهنای باند کانال ارتباطی B (B=f، بر حسب هرتز) را می توان به صورت: Rmax=2f نوشت. برای داده های باینری، اگر پهنای باند کانال B=f=200 مگاهرتز باشد، حداکثر سرعت انتقال داده 400 مگابیت در ثانیه است و در سیستم چند اری می توان آن را N برابر افزایش داد. قضیه Nyquist رابطه بین حداکثر نرخ انتقال داده یک کانال با پهنای باند محدود و بدون نویز و پهنای باند کانال را توصیف می کند.
قضیه شانون رابطه بین حداکثر نرخ انتقال یک کانال با پهنای باند محدود و نویز حرارتی تصادفی، پهنای باند کانال و نسبت سیگنال به نویز را توصیف می‌کند. قضیه شانون اشاره می کند که هنگام انتقال سیگنال های داده در یک کانال با نویز حرارتی تصادفی، رابطه بین نرخ انتقال داده Rmax، پهنای باند کانال B و نسبت سیگنال به نویز S/N برابر است با: Rmax=B log2(1+ S/N)، واحد Rmax bps، واحد پهنای باند B هرتز است و نسبت سیگنال به نویز S/N معمولاً بر حسب دسی بل (دسی بل) بیان می شود. اگر S/N=30(dB)، آنگاه نسبت سیگنال به نویز را می توان بر اساس فرمول بدست آورد: S/N(dB)=10·lg(S/N)، S/N=1000. اگر پهنای باند B=3000Hz باشد، Rmax≈30kbps.
قانون شانون محدودیتی برای حداکثر نرخ انتقال داده برای یک کانال با پهنای باند محدود و دارای نویز حرارتی تعیین می کند. این بدان معناست که برای یک کانال ارتباطی با پهنای باند تنها 3000 هرتز، زمانی که نسبت سیگنال به نویز 30 دسی بل باشد، مهم نیست که داده ها در مقادیر سطح باینری یا گسسته تر بیان شوند، داده ها نمی توانند با سرعتی بیش از 30 کیلوبیت بر ثانیه منتقل شوند.
“OM” مخفف چند حالت نوری است، استانداردی برای فیبر نوری مالتی مد برای نشان دادن سطح فیبر. پهنای باند و حداکثر فاصله سطوح مختلف انتقال متفاوت است و تفاوت ها از جنبه های زیر تحلیل می شوند.
مقایسه پارامترها و مشخصات فیبرهای نوری OM1، OM2، OM3 و OM4
OM1 به فیبر نوری مالتی مدبا قطر هسته 50 میکرومتر یا 62.5 میکرومتر با پهنای باند تزریق کامل 850/1300 نانومتر و بالاتر از 200/500 MHz·km اشاره دارد.
OM2 به فیبر نوری مالتی مد قطر هسته 50 میکرومتر یا 62.5 میکرومتر با پهنای باند تزریق کامل 850/1300 نانومتر و بالاتر از 500/500 مگاهرتز·کیلومتر اشاره دارد.
OM3 یک فیبر نوری مالتی مد با قطر هسته 50 میکرومتر است که توسط لیزر 850 نانومتر بهینه شده است. در اترنت 10 گیگابیت بر ثانیه با استفاده از 850 نانومتر VCSEL، فاصله انتقال فیبر می تواند به 300 متر برسد.
OM4 نسخه ارتقا یافته فیبر نوری مالتی مد OM3 است و فاصله انتقال فیبر نوری می تواند به 550 متر برسد.
| نوع | قطر هسته（μm） | نوع فیبر | 1 GigabitEthernet 1000BASE-SX | 1 GigabitEthernet 1000BASE-LX | 10GbpsEthernet 10GBASE | 40Gbps Ethernet 40GBASE SR4 | 100Gbps Ethernet 100GBASE SR4 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| OM1 | 62.5/125 | multimode | 275m | 550m | 33m | پشتیبانی نمی کند | not supported |
| OM2 | 50/125 | multimode | 550m | 550m | 82m | پشتیبانی نمی کند | not supported |
| OM3（ laser-optimized） | 50/125 | multimode | 550m | 550m | 300m | 100m(SR4) | 100m(SR4) |
| OM4（ laser-optimized） | 50/125 | multimode | 550m | 550m | 400m | 150m(SR4) | 150m(SR4) |
| Single mode | 9/125 | single mode | 5km at 1310nm | 5km at 1310nm | N/A |
مقایسه طراحی فیبرهای OM1، OM2، OM3 و OM4
فیبرهای مالتی مد سنتی OM1 و OM2 از LED (دیود ساطع کننده نور) به عنوان منبع نور اصلی از نظر استاندارد و طراحی استفاده می کنند، در حالی که OM3 و OM4 بر اساس OM2 بهینه شده اند و آنها را برای انتقال با LD (دیود لیزری) مناسب می کند. به عنوان منبع نور؛
در مقایسه با OM1 و OM2، OM3 دارای سرعت انتقال و پهنای باند بالاتری است، بنابراین فیبر مالتی مد بهینه شده یا فیبر چند حالته 10G نامیده می شود.
OM4 مجدداً بر اساس OM3 با عملکرد بهتر بهینه شده است.
مقایسه عملکرد و ویژگی های فیبرهای نوری OM1، OM2، OM3 و OM4
OM1: قطر هسته بزرگ و دیافراگم عددی، با قابلیت جمع‌آوری نور قوی و ویژگی‌های ضد خمش.
OM2: قطر هسته و دیافراگم عددی نسبتاً کوچک است، که به طور موثری پراکندگی مودال فیبر مالتی مدرا کاهش می دهد، پهنای باند را به طور قابل توجهی افزایش می دهد و هزینه تولید را 1/3 کاهش می دهد.
OM3: استفاده از پوسته بیرونی مقاوم در برابر شعله می تواند از گسترش شعله جلوگیری کند، از انتشار دود، گاز اسیدی و گاز سمی و غیره جلوگیری کند و نیازهای سرعت انتقال 10 گیگابیت بر ثانیه را برآورده کند.
OM4: توسعه یافته برای انتقال لیزر VSCEL، پهنای باند موثر بیش از دو برابر OM3 است.
مقایسه کاربرد فیبرهای نوری OM1، OM2، OM3 و OM4
OM1 و OM2 سال‌هاست که به طور گسترده در سازمانها و ساختمانهای شرکت ها استفاده شده‌اند و از انتقال اترنت با حداکثر 1 گیگابایت پشتیبانی می‌کنند.
کابل‌های نوری OM3 و OM4 معمولاً در محیط سیم‌کشی مرکز داده استفاده می‌شوند و از انتقال اترنت پرسرعت 10G یا حتی 40/100G پشتیبانی می‌کنند.
چه زمانی از پچکورد فیبر نوری OM3 استفاده کنیم؟
فیبر نوری OM3 یک فیبر نوری است که برای کار با VCSEL طراحی شده است، مطابق با مشخصات فیبر نوری OM-3 ISO/IEC11801-2nd است و الزامات برنامه های اترنت 10 گیگابیتی را برآورده می کند. انواع مختلفی از فیبر نوری OM3 از جمله نوع داخلی، تطبیق پذیری داخلی/خارجی و غیره وجود دارد و تعداد هسته های فیبر نوری از 4 هسته تا 48 هسته متغیر است. علاوه بر این، تمام برنامه های کاربردی مبتنی بر فیبر چند حالته قدیمی 50/125 از جمله منابع نور LED و منابع نور لیزر پشتیبانی می شوند.
فاصله انتقال گیگابیت اترنت با استفاده از سیستم فیبر نوری OM3 را می توان تا 900 متر افزایش داد، به این معنی که کاربران نیازی به استفاده از دستگاه های لیزر گران قیمت در زمانی که فاصله بین ساختمان ها از 550 متر بیشتر می شود، ندارند.
در فاصله 2000 متری، فیبر چند حالته استاندارد 62.5/125μm را می توان در موقعیت های مختلف در محدوده سرعت OC-12 (622Mb/s) استفاده کرد و در غیر این صورت از فیبر نوری سینگل مد استفاده می شود. با این حال، ظهور فیبر چند حالته OM3 این وضعیت را تغییر داده است. از آنجایی که فیبر OM3 می تواند فاصله انتقال سیستم های گیگابیتی و 10 گیگابیتی را افزایش دهد، استفاده از ماژول های نوری با طول موج 850 نانومتری و VCSEL مقرون به صرفه ترین راه حل سیم کشی خواهد بود.
هنگامی که طول پیوند بیش از 1000 متر است، فیبر سینگل مد هنوز تنها انتخاب در حال حاضر است. فیبر نوری سینگل مد می تواند به فاصله انتقال 5 کیلومتر در طول موج 1310 نانومتر در سیستم گیگابیتی و فاصله انتقال 10 کیلومتر در سیستم 10 گیگابیتی دست یابد.
هنگامی که طول پیوند کمتر یا مساوی 1000 متر است، فیبر نوری مالتی مد OM3 50μm را می توان در سیستم گیگابیت استفاده کرد و فیبر نوری سینگل مد باید در سیستم 10 گیگابیتی استفاده شود.
هنگامی که طول ارتباط کمتر از 300 متر است، فیبر چند حالته OM3 را می توان در هر سیستم گیگابیتی و 10 گیگابیتی استفاده کرد.
چه زمانی از پچکورد فیبر نوری OM4 استفاده کنیم؟
برای یک لینک معمولی، هزینه ماژول نوری بسیار گران است. اگرچه هزینه فیبر سینگل مد ارزان تر از فیبر مالتی مد است، فیبر نوری سینگل مد به یک ماژول نوری 1300 نانومتری بسیار گران قیمت نیاز دارد که هزینه آن حدود 2 تا 3 برابر ماژول نوری چند حالته 850 نانومتری است. به طور کلی هزینه سیستم فیبر نوری مالتی مد بسیار کمتر از سیستم فیبر سینگل مد است.
هنگام سرمایه گذاری در کابل کشی فیبر نوری، اگر افزایش سرمایه گذاری اولیه برخی از کابل ها را در نظر بگیریم و فیبر نوری مالتی مد بهتری مانند فیبر OM4 را در نظر بگیریم، می توانیم اطمینان حاصل کنیم که فناوری فیبر مالتی مد فعلی می تواند به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد و هزینه کلی سیستم فعلی کاهش یابد. ; هنگامی که سیستم نیاز به ارتقاء به یک سیستم با نرخ بالاتر، مانند 40G و 100G داشته باشد، OM4 همچنان می تواند مورد استفاده قرار گیرد و در هزینه های بیشتری صرفه جویی می کند.
در یک کلام، زمانی که سرعت انتقال بیشتر از 1 گیگابیت بر ثانیه است، انتخاب سیستمی مناسبی برای استفاده از فیبر مالتی مد است. هنگامی که سیستم به سرعت انتقال بالاتری نیاز دارد، دستورالعمل های ما برای انتخاب فیبر OM4 به شرح زیر است:
برای کاربران اترنت، در انتقال سیستم 10 گیگابیت بر ثانیه، فاصله انتقال می تواند به 300 متر تا 600 متر برسد. در سیستم های 40 گیگابیت بر ثانیه و 100 گیگابیت بر ثانیه، فاصله انتقال بین 100 متر تا 125 متر است.
