Warstwa fizyczna

W niniejszym rozdziale przyjrzymy się najniższej warstwie hierarchii z rysunku 1.21. Definiuje ona mechaniczne, elektryczne i czasowe interfejsy z siecią. Zaczniemy od teoretycznej analizy transmi­sji danych, aby odkryć, że matka natura („rodzic" dla poprawności politycznej) nakłada pewne ograni­czenia na to, ile danych można przesłać kanałem.

Następnie omówimy trzy typy nośników transmisji: kierowane (kabel miedziany i światłowód), bezprzewodowe (radio naziemne) i satelitarne. Ten materiał będzie wprowadzeniem do omówienia najważniejszych technologii transmisji używanych we współczesnych sieciach.

Pozostała część rozdziału została poświęcona trzem przykładom systemów komunikacyjnych używanych w praktyce do tworzenia sieci rozległych. Są to: system telefonii stacjonarnej, system telefonii komórkowej i system telewizji kablowej. Wszystkie trzy w swoich sieciach szkieletowych korzystają ze światłowodów, lecz są odmiennie zorganizowane i używają odmiennych technologii na ostatnim odcinku łącza (tzw. „ostatniej mili").

2.1. Teoretyczne podstawy transmisji danych

Informacje mogą być przesyłane kablem poprzez zmiany jakichś właściwości fizycznych, na przy­kład prądu lub napięcia. Reprezentując wartość tego napięcia lub prądu w postaci jednowartościowej funkcji czasu f(t), możemy zamodelować zachowanie sygnału i przeanalizować go matema­tycznie. Ta analiza będzie tematem kilku następnych punktów.

2.1.1. Analiza Fouriera

Na początku XIX wieku francuski matematyk Jean-Baptiste Fourier udowodnił, że każdą w miarę okresową funkcję g(t) o okresie T można zbudować z sumy pewnej (być może nieskończonej) liczby funkcji sinus i cosinus:

gdzie f= l/T jest podstawową częstotliwością, a_n i b_n amplitudami sinusoidy i cosinusoidy n-tej harmonicznej, a c jest stałą. Taki rozkład nosi nazwę szeregu Fouriera. Funkcję można odtworzyć z szeregu Fouriera — to znaczy, że jeśli znany jest okres T i amplitudy, możemy znaleźć oryginalną funkcję w dziedzinie czasu przez obliczenie sumy z równania (2.1).

Z sygnałem danych o skończonym czasie trwania (wszystkie są takie) możemy sobie pora­dzić, wyobrażając sobie, że cały przebieg powtarza się raz za razem w nieskończoność (tzn. że okres czasu od T do 2T jest taki sam jak od 0 do T itd.).

Amplitudy a_n możemy wyliczyć z każdej danej funkcji g(t), mnożąc obie strony równania (2.1) przez sin(2πkft) i całkując w zakresie od 0 do T. Ponieważ:

pozostaje tylko jeden człon równania: a_n. Człon b_n znika całkowicie. Analogicznie możemy wy­prowadzić b_n, mnożąc równanie (2.1) przez cos(2πkft) i całkując od 0 do T. Całkując obie strony równania tak, jak jest, możemy znaleźć c. Wyniki wykonania tych działań są następujące:

2.1.2. Sygnały z ograniczonym pasmem

Aby zobaczyć, co to wszystko ma wspólnego z transmisją danych, rozważmy konkretny przykład: przesłanie znaku ASCII „b" zakodowanego w 8 bitach. Ciąg bitów, jaki należy przesłać, to 01100010. Lewa strona rysunku 2.1 (a) przedstawia napięcie wyjściowe w komputerze nadającym znak. Analiza Fouriera dla tego sygnału daje współczynniki:

c = ¾

Średnie kwadratowe $\sqrt{{a_{n}}^{2} + {b_{n}}^{2}}$ dla pierwszych kilku członów przedstawia prawa strona rysunku 2.1 (a).

Wartości te interesują nas, ponieważ podniesione do kwadratu są proporcjonalne do energii prze­syłanej na danej częstotliwości.

RYSUNEK 2.1. (a) Sygnał binarny i wartości skuteczne amplitud fourierowskich, (b) - (e) Kolejne przybliżenia oryginalnego sygnału

Żaden nośnik transmisji nie może przesyłać sygnałów bez utraty po drodze części mocy. Gdyby wszystkie składowe harmoniczne były tłumione jednakowo, wynikowy sygnał miałby mniejszą am­plitudę, lecz bez zniekształceń — czyli zachowałby taki sam elegancki prostokątny kształt jak na ry­sunku 2.1 (a). Niestety, każdy mechanizm transmisji różnie pomniejsza różne składowe harmoniczne, wprowadzając przez to zniekształcenia. Zwykle sygnały są przenoszone bez tłumienia od 0 do jakiejś częstotliwości f_c (mierzonej w cyklach na sekundę, tzn. w hercach [Hz]), a częstotliwości powyżej tej częstotliwości granicznej są tłumione. Zakres częstotliwości przenoszonych bez silnego tłumienia nosi nazwę szerokości pasma. W praktyce częstotliwość odcięcia nie jest ostro zaznaczona, więc czę­sto podawana jest szerokość pasma od 0 do częstotliwości, przy której przenoszona jest połowa mocy.

Szerokość pasma jest fizyczną właściwością nośnika transmisji i zwykle zależy od konstrukcji, grubości i długości nośnika. W pewnych przypadkach do obwodu włączany jest filtr, który ogranicza pasmo dostępne dla każdego klienta. Na przykład kabel telefoniczny może mieć na krótkie odle­głości szerokość pasma 1 MHz, lecz operator telefoniczny dodaje filtr ograniczający każdego klienta do około 3100 Hz. Taka szerokość pasma wystarcza do przesyłania zrozumiałej mowy i poprawia wydajność całego systemu przez ograniczenie zużycia zasobów przez klientów.

Zastanówmy się teraz, jak wyglądałby sygnał z rysunku 2.1 (a), gdyby szerokość pasma była na tyle niska, aby przesyłane były tylko najniższe częstotliwości, to znaczy, gdyby funkcja była aproksymowana przez kilka pierwszych członów równania (2.1). Rysunek 2.1 (b) przedstawia sygnał w kanale, który przepuszcza tylko pierwszą harmoniczną (częstotliwość podstawową f). Analogicznie rysunek 2.1 od (c) do (e) przedstawia spektrum i odtworzone funkcje dla kanałów o wyższych szerokościach pasma.

Przy danej szybkości transmisji bitów równej b bitów na sekundę czas niezbędny, aby przesłać 8 bitów jeden po drugim wynosi 8/b sekund, więc częstotliwość pierwszej harmonicznej jest rów­na b/8 Hz. Zwykła linia telefoniczna, często nazywana linią naturalną (ang. voice-grade line), ma sztucznie wprowadzaną częstotliwość odcięcia trochę powyżej 3000 Hz. Ograniczenie to oznacza, że rząd najwyższej harmonicznej przechodzącej przez linię wynosi w przybliżeniu 3000 / (b/S) czyli 24000 / b (częstotliwość odcięcia nie jest ostra).

Dla niektórych przepływności (szybkości transmisji danych) liczby i zależności wyglądają jak w tabeli 2.1. Z tych liczb widać jasno, że próba nadawania z szybkością 9600 b/s linią natural­ną przekształci rysunek 2.1 (a) w coś przypominającego rysunek 2.1 (c), przez co poprawne odbie­ranie oryginalnego strumienia bitów będzie raczej trudne. Powinno być oczywiste, że przy szyb­kościach transmisji wyższych niż 38,4 kb/s nie mamy żadnej nadziei na przesyłanie sygnałów binarnych, nawet gdyby medium transmisyjne było całkowicie pozbawione zakłóceń. Inaczej mówiąc, ograniczenie szerokości pasma ogranicza szybkość transmisji nawet w idealnym kanale. Jednakże istnieją wyrafinowane schematy kodowania stosujące kilka poziomów napięć i pozwa­lające osiągnąć wyższe szybkości transmisji. Omówimy je w dalszej części rozdziału.

TABELA 2.1.

Zależności pomiędzy szybkościami transmisji danych i harmonicznymi

b/s	T(ms)	Pierwsza harmoniczna (Hz)	Liczba przesyłanych harmonicznych
300	26,67	37,5	80
600	13,33	75	40
1200	6,67	150	20
2400	3,33	300	10
4800	1,67	600	5
9600	0,83	1200	2
19 200	0,42	2400	1
38 400	0,21	4800	0

2.1.3. Maksymalna przepływność kanału

Już w roku 1924 inżynier AT&T Henry Nyquist zdał sobie sprawę, że nawet idealny kanał ma ogra­niczoną zdolność do transmisji i wyprowadził równanie wyrażające maksymalną przepływność dla skończonego, bezszumowego kanału. W roku 1948 Claude Shannon poprowadził dalej prace Ny-quista i rozszerzył ją na kanał z obecnością losowego (czyli termodynamicznego) szumu (Shan­non, 1948). Podsumujemy tu w skrócie otrzymane przez nich (będące dziś już klasyką) wyniki.

Nyquist udowodnił, że jeśli przepuści się dowolny sygnał przez filtr dolnoprzepustowy o szero­kości pasma H, odfiltrowany sygnał można całkowicie odtworzyć przez pobieranie jedynie 2H (dokładnie) próbek na sekundę. Próbkowanie sygnału szybsze niż 2H razy na sekundę jest bezce­lowe, ponieważ składniki sygnału o wyższych częstotliwościach, które takie próbkowanie pozwo­liłoby zarejestrować, zostały już odfiltrowane. Jeśli sygnał składa się z V dyskretnych poziomów, twierdzenie Nyquista mówi, że:

maksymalna przepływność = 2H log₂ V b/s

Na przykład bezszumowy kanał o szerokości 3 kHz nie może przesyłać sygnałów binarnych (tzn. dwupoziomowych) z szybkością przekraczającą 6000 b/s.

Do tej pory rozważaliśmy tylko kanały bez zakłóceń. W obecności losowego szumu sytuacja błyskawicznie się pogarsza. A w systemie zawsze jest obecny losowy (termiczny) szum pochodzący od ruchu cząsteczek. Ilość szumu termicznego jest mierzona w postaci stosunku mocy sygnału do mocy szumu zwanej stosunkiem sygnał/szum. Jeśli oznaczymy moc sygnału przez S, a moc szumu przez N, stosunek sygnał/szum wynosi S/N. Zwykle nie podaje się tego stosunku wprost, lecz w po­staci 10 log₁₀ S/N. Ta jednostka jest zwana decybelem (dB). Stosunek sygnał/szum równy 10 to 10 dB, równy 100 to 20 dB, równy 1000 to inaczej 30 dB i tak dalej. Producenci wzmacniaczy stereo czę­sto podają pasmo (zakres częstotliwości), w którym ich urządzenie zachowuje się liniowo, podając częstotliwości 3 dB na obu krańcach zakresu. Są to punkty, w których współczynnik wzmocnienia spada mniej więcej o połowę (ponieważ log₁₀3 ≈ 0,5).

Głównym rezultatem otrzymanym przez Shannona było ustalenie, że maksymalna przepływ­ność zaszumionego kanału o paśmie H Hz i stosunku sygnał/szum S/N wyraża się równaniem:

maksymalna liczba bitów/s = Hlog₂(1+S/N)

Na przykład kanał o paśmie 3000 Hz i stosunku sygnału do szumu termicznego wynoszącym 30 dB (typowe parametry analogowej części systemu telefonicznego) nigdy nie będzie mógł przesłać więcej niż 30 000 b/s, niezależnie od liczby użytych poziomów sygnału i częstotliwości próbkowa­nia. Wyniki Shannona biorą się z argumentów teorii informacji i stosują do każdego kanału, w którym obecny jest szum termiczny. Kontrprzykłady powinniśmy zaliczać do tej samej działki co doniesie­nia o perpetuum mobile. Należy zwrócić uwagę, że jest to jedynie górna granica, którą rzeczywiste systemy rzadko osiągają.

2.2. Kierowane nośniki transmisji

Zadaniem warstwy fizycznej jest przenoszenie surowego strumienia bitów z jednego komputera do drugiego. Do samej transmisji mogą służyć różne nośniki fizyczne. Każdy z nich ma swoją niszę pod względem przepustowości, opóźnień, kosztu i łatwości w instalacji i utrzymaniu. Nośniki możemy z grubsza podzielić na kierowane, np. kabel miedziany i światłowody, oraz niekierowane, jak np. radio i lasery napowietrzne. Przyjrzymy się im kolejno w poniższych podpunktach.

2.2.1. Nośniki magnetyczne

Jednym z najczęściej stosowanych sposobów przenoszenia danych z jednego komputera do drugiego jest zapisanie ich na taśmie magnetycznej lub na nośniku wymiennym (np. nagrywalnych płytach DVD), fizyczne przeniesienie taśm lub dysków do drugiego komputera i ponowne odczytanie. Wprawdzie ta metoda nie jest równie wyrafinowana jak użycie geostacjonarnych satelitów komuni­kacyjnych, lecz często może być bardziej ekonomiczna, zwłaszcza w zastosowaniach, w których kluczowym czynnikiem jest wysoka przepustowość lub niski koszt w przeliczeniu na bit.

Stanie się to jasne po kilku prostych obliczeniach. Powszechnie używana w branży taśma Ultrium może pomieścić 200 gigabajtów. W pudełku 60 x 60 x 60 cm zmieści się około 1000 takich taśm o łącznej pojemności 200 terabajtów, czyli 1600 terabitów (1,6 petabita). Pudełko taśm może zostać dostarczone do dowolnego miejsca w kraju pocztą kurierską w ciągu 24 godzin (np. Federal Express i inne firmy w USA). Efektywne pasmo tej transmisji wynosi 1600 terabitów/86 400 s, czyli 19 Gb/s. Jeśli odbiorca znajduje się tylko o godzinę jazdy samochodem, pasmo wzrasta do ponad 400 Gb/s. Żadna sieć komputerowa nie może się nawet zbliżyć do takich wyników.

Jeśli bank mający wiele gigabajtów danych musi tworzyć codziennie kopie zapasowe na drugim komputerze (aby mógł funkcjonować nawet w przypadku poważnej powodzi lub trzęsienia ziemi), to przypuszczalnie wydajność żadnej innej technologii transmisji nie równa się taśmie magnetycz­nej. Oczywiście sieci stają się coraz szybsze, lecz gęstość zapisu na taśmach również rośnie.

Jeśli spojrzymy teraz na koszty, obraz będzie wyglądać podobnie. Taśma Ultrium w zakupie hurtowym kosztuje około 200 zł. Można ją wykorzystać ponownie przynajmniej dziesięć razy, więc koszt taśmy to około 20 000 zł za jedno użycie pudła taśm. Dodajmy do tego kolejne 5000 zł za wysyłkę (przypuszczalnie znacznie mniej) i dostaniemy koszt transportu 200 TB rzędu 25 000 zł. Daje to około 12 groszy za przesłanie terabajta informacji. Żadna sieć nie może się z tym równać. Morał historii jest taki:

Nigdy nie lekceważ pasma przepustowości jadącej autostradą furgonetki pełnej taśm magnetycznych.

2.2.2. Skrętka

Wprawdzie pasmo przepustowości taśm magnetycznych jest doskonałe, lecz opóźnienia są poważne. Czas transmisji możemy mierzyć w minutach lub godzinach, a nie w milisekundach. W wielu za­stosowaniach niezbędne jest stałe połączenie. Jednym z najstarszych i nadal najpopularniejszych nośników transmisji jest skrętka (ang. twisted pair). Skrętka składa się z dwóch izolowanych drutów lub przewodów miedzianych, zwykle o średnicy około 1 mm. Przewody skręcone są ze sobą w spiralę, tak jak molekuła DNA. Skręcanie jest niezbędne, ponieważ para równoległych przewodów tworzy niezłą antenę, Gdy przewody są skręcone, fale odbierane przez kolejne skręty wygaszają się nawzajem, więc kabel nie promieniuje tak skutecznie.

Najbardziej powszechnym zastosowaniem skrętki jest system telefonii. Niemal wszystkie tele­fony są łączone z centralą telefoniczną za pomocą skrętki. Sygnały można przesyłać skrętką bez wzmacniania na odległość nawet kilku kilometrów, lecz na dłuższe dystanse niezbędne są wzmacniaki (regeneratory). Gdy wiele kabli typu skrętka biegnie równolegle na dłuższą odległość, na przykład wszystkie kable od bloku mieszkalnego do centrali telefonicznej, są one razem jako wiązka okryte ochronną izolacją. Gdyby nie skręcenie, pary w takiej wiązce zakłócałyby się nawzajem. W miejscach, gdzie kable telefoniczne prowadzone są na słupach nad ziemią można często zobaczyć wiązki o średnicy kilku centymetrów.

Skrętka może służyć do przesyłania sygnałów zarówno analogowych, jak i cyfrowych. Pasmo przenoszenia zależy od grubości przewodu i dystansu, lecz w wielu przypadkach można osiągnąć kilka Mb/s na dystansie kilku kilometrów. Dzięki dobrym osiągom i niskiej cenie skrętka jest po­wszechnie stosowana i najprawdopodobniej będzie jeszcze popularna przez lata.

Dostępnych jest kilka typów kabla ze skrętką z których dwa są ważne w sieciach komputerowych. Skrętka kategorii3. składa się z dwóch izolowanych przewodów lekko ze sobą skręconych. Zazwyczaj grupuje się cztery takie pary we wspólnej powłoce z tworzywa sztucznego, która chroni je i utrzymuje razem. Mniej więcej do roku 1988 większość budynków biurowych w USA było wyposażonych w kabel kategorii 3. biegnący z centralnej szafki kablowej na każdym piętrze po jednym kablu do każdego biura. Taki schemat pozwalał na podłączenie do czterech zwykłych telefonów lub dwóch telefonów wieloliniowych w każdym biurze z urządzeniem firmy telefonicznej w szafce kablowej.

Około roku 1988 została wprowadzona bardziej zaawansowana skrętka kategorii 5. Przypomina ona skrętkę kategorii 3., lecz z większą liczbą skrętów na centymetr, co daje mniejszy przesłuch i lepszą jakość sygnału na dłuższe dystanse, dzięki czemu kabel ten lepiej nadaje się do szybkiej komunikacji komputerowej. Ciekawie zapowiadają się kategorie 6. i 7., zdolne do przesyłania sygnałów w paśmie odpowiednio do 250 i 600 MHz (wobec zaledwie 16 i 100 MHz w kategoriach 3. i 5.).

Wszystkie te typy są często określane terminem skrętki nieekranowanej lub UTP (ang. Uns-hielded Twisted Pair), aby odróżnić je od grubszej, droższej skrętki ekranowanej, którą IBM wprowadził we wczesnych latach osiemdziesiątych, lecz która nie zdobyła popularności poza in­stalacjami IBM-a. Rysunek 2.2 przedstawia skrętkę kategorii 3. i 5.

RYSUNEK 2.2.

(a) UTP kategorii 3.

(b) UTP kategorii 5.

2.2.3. Kabel koncentryczny

Kolejnym popularnym medium transmisyjnym jest kabel koncentryczny (nazywany przez jego zwolenników „koncentrykiem"). Jest on lepiej ekranowany niż skrętka, więc pozwala na transmi­sję z większą szybkością na większe odległości. Powszechnie stosowane są dwa typy kabla kon­centrycznego. Pierwszy z nich, 50-omowy, używany jest zwykle, gdy od początku jego przeznacze­niem jest transmisja cyfrowa. Drugi, 75-omowy, jest powszechnie stosowany do transmisji analogowej i telewizji kablowej, lecz jego znaczenie rośnie z rozwojem Internetu korzystającego z telewizji kablowej. Rozróżnienie to opiera się na czynnikach bardziej historycznych niż technicznych (tzn. wczesne anteny dipolowe miały impedancję 300 omów i łatwo było używać istniejących transfor­matorów dopasowujących impedancję 4:1).

Kabel koncentryczny składa się ze sztywnego drutu miedzianego jako rdzenia otoczonego izolatorem. Izolator jest otoczony cylindrycznym przewodnikiem, często w postaci gęstej siatki miedzianej. Zewnętrzny przewodnik jest pokryty ochronną powłoką z tworzywa sztucznego. Ry­sunek 2.3 przedstawia przekrój kabla koncentrycznego.

Konstrukcja i ekranowanie kabla koncentrycznego zapewniają dobrą kombinację wysokiej przepustowości i doskonałej odporności na zakłócenia. Możliwe do osiągnięcia pasmo zależy od jakości i długości kabla oraz stosunku sygnał/szum sygnału danych. Współczesne kable mają pasmo zbliżone do 1 GHz. Kable koncentryczne były kiedyś powszechnie używane w systemach telefonicznych jako łącza długodystansowe, lecz obecnie w większości zostały na dalekich trasach zastąpione światłowodami. Koncentryk jest jednak nadal powszechnie stosowany w telewizji kablowej i sieciach miejskich.

RYSUNEK 2.3. Kabel koncentryczny

2.2.4. Światłowody

Aktualnie pojedyncze CPU zaczynają osiągać granice fizyczne, takie jak szybkość światła i pro­blemy z odprowadzaniem ciepła. W przeciwieństwie do nich w obecnej technologii światłowodowej możliwa teoretycznie do osiągnięcia przepustowość zdecydowanie przekracza 50 000 Gb/s (50 Tb/s) i wielu naukowców intensywnie szuka lepszych technologii i materiałów. Obecna praktyczna granica nadawania sygnałów (rzędu 10 Gb/s) bierze się z naszej niezdolności do szybszego przekształcania sygnałów elektrycznych i optycznych, aczkolwiek w warunkach laboratoryjnych osiągnięto 100 Gb/s w pojedynczym światłowodzie.

W wyścigu pomiędzy techniką komputerową i komunikacją wygrała komunikacja. Pełne impli­kacje praktycznie nieograniczonego pasma (choć nie za darmo) jeszcze nie dotarły w pełni do na­ukowców i inżynierów w branży komputerowej, przyuczonych do myślenia pojęciami niskich limi­tów Nyąuista i Shannona narzucanych przez kabel miedziany. Teraz powinniśmy mieć świadomość, że wszelkie komputery są beznadziejnie powolne i że sieci powinny za wszelką cenę unikać prze­liczeń, niezależnie od tego, jak dużo pasma przez to się zmarnuje. W tym punkcie omówimy technikę światłowodową aby zobaczyć, jak działa ta technologia transmisji.

System transmisji optycznej ma trzy podstawowe składniki: źródło światła, medium transmisyj­ne i detektor. Konwencjonalnie impuls światła oznacza bit „1", a brak światła bit „0". Nośnikiem transmisji jest ultracienkie włókno szklane. Detektor generuje impuls elektryczny, gdy pada na niego światło. Instalując źródło światła na jednym końcu światłowodu i czujnik na drugim, uzy­skujemy jednokierunkowy system transmisji danych, który przyjmuje sygnał elektryczny, prze­kształca go i przesyła w postaci impulsów światła, a następnie ponownie przekształca wyjście na sygnał elektryczny po stronie odbiornika.

Taki system transmisji byłby w praktyce bezużyteczny przez straty światła, gdyby nie ciekawa zasada fizyczna. Gdy promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, na przykład ze sto­pionego kwarcu do powietrza, promień załamuje się na granicy ośrodków, jak na rysunku 2.4 (a). Widzimy tu promień padający na granicę pod kątem ∝₁, i wychodzący pod kątem β₁ Stopień zała­mania zależy od właściwości obu ośrodków (w szczególności od ich współczynników załamania). Dla kątów padania powyżej pewnej krytycznej wartości światło jest odbijane z powrotem do wnętrza krzemu; ani trochę z niego nie ucieka do powietrza. Dzięki temu promień światła padający pod kątem większym od krytycznego jest uwięziony w światłowodzie, jak na rysunku 2.4 (b), i może podróżować w nim wiele kilometrów praktycznie bez strat.

RYSUNEK 2.4. (a) Trzy przykłady promienia światła padającego z wnętrza włókna kwarcowego na granicę z powietrzem pod różnymi kątami, (b) Światło uwięzione przez całkowite odbicie wewnętrzne

Rysunek 2.4 (b) pokazuje tylko jeden uwięziony promień światła, lecz ponieważ każdy promień padający na granicę ośrodków powyżej krytycznego kąta będzie wewnętrznie odbity, w światłowo­dzie będzie odbijać się wiele różnych promieni pod różnymi kątami. Mówimy, że każdy promień ma inny mod, więc światłowód o takiej właściwości nosi nazwę światłowodu wielomodowego.

Jeśli jednak średnicę włókna zredukować do równej kilku długościom fali świetlnej, to świa­tłowód będzie zachowywał się jak falowód i światło będzie mogło rozprzestrzeniać się tylko w linii prostej bez odbić, dając w efekcie włókno jednomodowe. Światłowody jednomodowe są droższe, lecz powszechnie używane przy dużych odległościach. Dostępne obecnie włókna jednomodowe mogą przesyłać dane z szybkością 50 Gb/s na odległość 100 km bez wzmacniania. W warunkach laboratoryjnych na krótsze odległości osiągnięto nawet wyższe przepływności.

Transmisja światła światłowodem

Światłowody optyczne są wykonane ze szkła, które z kolei produkuje się z piasku, taniego surow­ca dostępnego w nieograniczonej ilości. Produkcja szkła była już znana starożytnym Egipcjanom, lecz ich szkło musiało być nie grubsze niż 1 mm, w przeciwnym razie nie przepuszczałoby świa­tła. Szło wystarczająco przezroczyste, by nadawało się na okna, powstało w epoce renesansu. Szkło używane we współczesnych światłowodach jest tak przejrzyste, że gdyby ocean miał taką samą przejrzystość, to jego dno byłoby równie dobrze widoczne z powierzchni, jak ziemia z sa­molotu w pogodny dzień.

Tłumienie światła przechodzącego przez szkło zależy od długości fali światła oraz od fizycz­nych właściwości szkła. Rysunek 2.5 przedstawia tłumienie światła przez szkło używane do produk­cji światłowodów w decybelach na kilometr włókna. Tłumienie w decybelach jest określane wzorem:

Na przykład utrata połowy mocy daje tłumienie 10 log₁₀ 2 = 3.dB. Rysunek pokazuje zakres spek­trum stanowiący bliską podczerwień, która jest używana w praktyce. Światło widzialne ma nieco mniejsze długości fal, od 0,4 do 0,7 mikrona (1 mikron czyli mikrometr to 10^-6 metra). Prawdziwy purysta ( a poszukaj sobie) systemu metrycznego powiedziałby, że te fale mają długość od 400 nm do 700 nm, lecz my pozostaniemy przy tradycyjnej jednostce.

Do komunikacji optycznej używane są trzy pasma długości fal o środku pasma odpowiednio równym 0,85, 1,30 i 1,55 mikrona. Dwa ostatnie mają bardzo niskie tłumienie (niecałe 5% na kilo­metr). Pasmo 0,85 mikrona ma wyższe tłumienie, lecz przy tych długościach fal laser i elektronika mo­gą być wykonane z tego samego materiału (arsenku galu). Każde pasmo ma szerokość od 25 000 GHz do 30 000 GHz.

RYSUNEK 2.5. Tłumienie światła w światłowodzie dla zakresu podczerwieni

Impulsy świetlne przesyłane włóknem w miarę propagacji zwiększają swoją długość. To zjawisko nosi nazwę dyspersji chromatycznej. Jej poziom zależy od długości fali. Jednym ze sposobów za­pobiegania nakładaniu się impulsów jest zwiększenie odległości między impulsami, lecz to można zrobić tylko, obniżając szybkość nadawania. Na szczęście odkryto, że specjalne ukształtowanie im­pulsów skojarzone z odwrotnością cosinusa hyperbolicznego pozwala anulować niemal całkowicie efekty rozpraszania, dzięki czemu można wysyłać impulsy na odległości tysięcy kilometrów bez znaczącej deformacji kształtu. Impulsy takie noszą nazwę solitonów. Sporo badań ukierunkowa­nych jest na wyjście z solitonami z warunków laboratoryjnych do zastosowań praktycznych.

Kable światłowodowe

Kable światłowodowe przypominają koncentryk, z wyjątkiem oplotu. Rysunek 2.6 (a) przedstawia pojedyncze włókno widziane z boku. W centrum znajduje się szklany rdzeń, w którym rozchodzi się światło. W światłowodach wielomodowych rdzeń ma zwykle średnicę 50 mikronów, czyli w przybli­żeniu grubość ludzkiego włosa. W światłowodach jednomodowych rdzeń ma od 8 do 10 mikronów.

RYSUNEK 2.6. (a) Widok boczny pojedynczego włókna, (b) Przekrój czołowy otuliny z trzema włóknami

Rdzeń jest otoczony płaszczem ze szkła o niższym współczynniku załamania światła niż w rdze­niu, przez co światło pozostaje w rdzeniu. Następna jest cienka koszulka z tworzywa sztucznego chroniąca płaszcz. Włókna światłowodowe są zwykle łączone w wiązki i chronione otuliną ze­wnętrzną. Rysunek 2.6 (b) przedstawia otulinę zawierającą trzy włókna światłowodowe.

Podziemne kable światłowodowe są zwykle kładzione na głębokości do metra pod powierzch­nią ziemi, gdzie od czasu do czasu padają ofiarą koparek i świstaków. W pobliżu brzegu morskie­go światłowody transoceaniczne są zakopywane w rowach przez coś w rodzaju morskiego pługu. W głębokich wodach kable leżą po prostu na dnie, gdzie mogą być porwane przez trawlery rybac­kie lub zaatakowane przez gigantyczną kałamarnicę.

Włókna światłowodowe mogą być łączone na trzy różne sposoby. Po pierwsze, mogą kończyć się wtyczkami wkładanymi do gniazd światłowodowych. Na styku tracone jest od 10 do 20 pro­cent światła, lecz złącza ułatwiają rekonfigurację systemów.

Po drugie, mogą być łączone mechanicznie. Połączenia mechaniczne polegają na umieszcze­niu precyzyjnie obciętych końców światłowodów w specjalnej koszulce i zaciśnięcie razem. Można poprawić pozycjonowanie końcówek przez przesyłanie światła złączem i dokonywanie drobnych regulacji, aby zmaksymalizować sygnał. Wykwalifikowany personel potrafi wykonać takie złącze w 5 minut i otrzymać straty światła rzędu 10%.

Po trzecie, dwa kawałki włókna mogą być zespawane (stopione razem) w celu uzyskania trwałego połączenia. Złącze spawane jest niemal równie dobre jak pojedyncze ciągnięte włókno, lecz nawet tutaj występuje niewielkie tłumienie.

We wszystkich trzech typach połączeń mogą występować odbicia od punktu połączenia, a od­bita energia może zakłócać sygnał.

Do nadawania używane są zwykle dwa typy źródeł światła: LED (diody świecące) i lasery pół­przewodnikowe. Mają one różne właściwości zestawione w tabeli 2.2. Emitowana długość fali może być strojona przez wstawienie interferometru Fabry-Perota lub Macha-Zehndera pomiędzy źródło światła i włókno. Interferometr Fabry-Perota to prosta wnęka rezonansowa składająca się z dwóch równoległych luster. Światło pada prostopadle do luster. Długość wnęki powoduje selekcję fali o ta­kich długościach, które pasują wewnątrz całkowitą liczbę razy. Interferometry Macha-Zehndera dzielą światło na dwa strumienie, które przemierzają nieco odmienne odległości. Na wyjściu stru­mienie są łączone ponownie i są w fazie tylko dla określonych długości fal.

tabela 2.2.

Porównanie laserów półprzewodnikowych i diod świecących jako źródeł światła

Cecha	LED	Laser półprzewodnikowy
Szybkość transmisji danych	Niska	Wysoka
Typ światłowodu	Wielomodowy	Wielomodowy lub jednomodowy
Odległości	Krótkie	Długie
Czas życia	Długi	Krótki
Wrażliwość na temperaturę	Niska	Znacząca
Koszt	Niski	Wysoki

Odbiornik na drugim końcu światłowodu zawiera fotodiodę, która generuje impuls elektryczny pod wpływem padającego światła. Typowy czas odpowiedzi fotodiody wynosi 1 nanosekundę, co ogranicza przepływność do około 1 Gb/s. Szum termiczny również ma tu znaczenie, więc impuls światła musi nieść wystarczającą energię, aby mógł zostać wykryty. Zapewniając odpowiednią moc impulsu, możemy zapewnić dowolnie niską stopę błędów.