Практические аспекты применения волоконно-оптических линий связи в системах телевизионного наблюдения

В современном мире системы телевизионного наблюдения проникли во все уголки нашей жизни. При проектировании новых объектов наличие системы видеонаблюдения по умолчанию включается в техническое задание, и это не одна-две камеры на проходной а, как правило, серьезная, разветвленная система, имеющая большую долю в общем бюджете проекта. Технические требования к системе в целом и компонентам, в частности, также выросли. Теперь заказчик не ограничивается только возможностью беглого просмотра территории и коридоров в офисе, а желает наблюдать за всеми своими объектами, включая прилегающие территории. При этом система вышла за традиционные рамки ее понимания 10-летней давности. Пункт видеонаблюдения – это уже не только один или несколько охранников, непрерывно глядящих на мониторы. Сам владелец предприятия может удаленно из любой точки мира контролировать ситуацию в своих владениях, используя планшет или телефон.
В связи с этим на больших объектах перед проектировщиком возникает очень важный вопрос организации передачи данных от камеры к регистрирующему и визуализирующему устройству (монитору) без потери качества при превышении стандартных лимитов дальности, ответом на который является применение волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Давайте посмотрим, что же такое оптоволокно.
Попытки использовать свет для передачи информации уходят к временам, когда человек только научился сохранять огонь. Всевозможные сигналы с помощью костров, фонарей, маяков человечество использовало тысячелетия. В 1790 г. француз Колд Шапп построил систему оптического телеграфа, состоящую из цепи семафорных башен с сигнальными рычагами. Еще один большой шаг сделал в 1880 г. американец Александр Грэхем Белл, когда изобрел фотофон, в котором речевые сигналы передавались с помощью света. В 1870 г. Джон Тиндаль впервые провел опыт с распространением луча света в струе воды – луч света следовал в струе воды в соответствии с ее направлением (рис. 1). Тот же эффект (эффект полного внутреннего отражения) используется в оптоволоконных кабелях для передачи данных на большие расстояния.



Рис. 1. Опыт Джона Тиндаля в 1870 году.

Оптическое волокно имеет цилиндрический вид и изготавливается из стекла или пластика с высокой оптической проводимостью. Внешний диаметр волокна – 125 мкм. Внутри находится еще одно цилиндрическое волокно диаметром 50 (реже 62,5) или 9 мкм. По нему и осуществляется передача света. А стенки внутреннего волокна как раз и используют принцип полного внутреннего отражения. В первом случае приводится многомодовое (Multi Mode), а во втором – одномодовое (Single Mode) волокно. Каждое волокно имеет полимерное буферное покрытие для защиты от механических воздействий. Далее все волокна помещаются в общую оболочку.
Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют от 1 до 96 волокон (рис. 2) и бывают внутреннего и уличного исполнения.


Для воздушной прокладки промышленность выпускает самонесущий кабель с тросом. Для коммутации оптического кабеля используют оптические разъемы, которые также делятся на одномодовые и многомодовые и подразделяются на разные типы. Сейчас наибольшее распространение получили следующие типы оптических коннекторов: LC (названный по имени американской компании-разработчика Lucent Technologies, отличается компактным исполнением), SC (Subscriber Connector), реже ST (разработка компании AT&T) и FC (Flat connector, чаще используется в одномодовых линиях) (рис 3).

Рис. 3. Типы оптических разъемов. Слева направо: LC, SC, FC, ST



Первые два типа имеют квадратный профиль с пружинным фиксатором и допускают более плотное размещение на оборудовании.
Первый вопрос, с которым сталкиваются проектировщики при выборе типа ВОЛС, – это скорость передачи данных и расстояние, на которое будет осуществляться передача оптического сигнала. Для этого существуют специальные рекомендации, приведенные в Международном стандарте ISO/IEC 11801, а также другие документы, помогающие рассчитать оптический бюджет линии. Я не берусь в этой статье осветить весь процесс \проектирования ВОЛС с расчетами классов канала и волокна – это тема другой моей статьи. Но если считать навскидку, то, как правило, многомодовый кабель будет работать на скорости 100 Мб/с при длине до 2 км. Соответственно, при увеличении скорости до 1 Гб/с расстояние уменьшается до 550 м, ну а при скорости 10 Гб/с о линиях длиннее 300 м лучше забыть. Одномодовый кабель может передать данные со скоростью 10 Гб/с на расстояния до 80 км.
Камнем преткновения для более широкого внедрения ВОЛС являются определенные сложности сращивания ВОК, выражающиеся в необходимости применения специального дорогостоящего оборудования и труда квалифицированного персонала. Давайте рассмотрим ситуацию подробнее. На сегодня наиболее надежным, быстрым и качественным способом сращивания оптоволокна является сварка. Процесс этот полностью автоматизированный, выполняется на портативном сварочном аппарате (рис. 4) и занимает у опытного монтажника 2–3 минуты. При сварке волокно кабеля сращивается с пигтейлом (изготовленным в заводских условиях разъемом с небольшим отрезком волокна). После сварки аппарат сам проверяет качество сварного соединения и уровень затухания сигнала. Надо сказать, что сварочный аппарат стоит недешево (порядка 300 000 руб.), но при большом количестве сварок себестоимость одного сварного соединения довольно низка.



Рис. 4. Сварочный аппарат Fujikura 80S

Следующим способом соединения является оконцовка клеевым разъемом. Данный способ занимает несколько больше времени из-за ожидания отвердения клея и необходимости в полировке торца разъема. Стоимость необходимого оборудования гораздо дешевле (10 000–15 000 руб.), а качество работы в значительной степени зависит от опыта и старания монтажника.
Еще одна, на мой взгляд, интересная технология – Light Crimp Plus от компании AMP. Суть ее заключается в том, что подготовленное волокно вставляется в разъем и обжимается специальными клещами. Весь процесс занимает чуть более минуты, и для его выполнения не требуется организация рабочего места, что очень удобно в полевых условиях. Стоимость инструмента варьируется в пределах 10 000– 20 000 руб.
Также существует способ соединения волокон при помощи механического сплайса (рис. 5), при котором использование специализированного инструмента минимально. Сплайсы бывают одноразового и многоразового использования. Также выпускаются разъемы на базе механического сплайса, в котором зажимается волокно. Аналог такого разъема описан выше в предыдущей технологии.

Рис. 5. Механические сплайсы для оптоволокна.

Каждый из указанных способов имеет свои преимущества и недостатки. Наименьшее затухание, высокая скорость монтажа и низкая себестоимость при больших объемах достигаются только при сварке. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Все другие способы сращивания дают большее затухание и более высокую себестоимость, при этом стоимость оснащения рабочего места монтажника ниже.
Соединение разъемов происходит «стык в стык» в 19” оптических кроссах и абонентских розетках. Для этого в них используются проходные соединители. Запас волокна аккуратно сматывается и укладывается в сплайс-кассеты.
Теперь остановимся на активном оборудовании. Оно также делится на одномодовое и многомодовое. Причем одномодовое выпускается на длины волн 1310 и 1550 нм, а многомодовое – на 850 и 1300 нм. В последнее время активно применяется технология спектрального уплотнения каналов (Wavelength-division multiplexing, WDM), позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах. Большое удобство представляют сменные SFP (Small Form-factor Pluggable) приемно-передающие модули (трансиверы) (рис. 6), которые вставляются в специальные гнезда на активном оборудовании и передают сигнал по оптическому кабелю.


Рис. 6. SFP модуль

Система IP-видеонаблюдения – это, по сути, обычная локальная вычислительная сеть (ЛВС), которая и живет по законам ЛВС. Главное требование, предъявляемое к ней, – повышенная пропускная способность (особенно если речь идет о нескольких десятках IP-камер ). Проектировать систему необходимо с запасом для возможности дальнейшей модернизации и наращивания, а также для безотказной работы при возникновении внештатных ситуаций.
Как правило, IP-камеры имеют «медный» интерфейс RJ-45, поэтому для подключения их к ЛВС, построенной на оптоволокне, необходимо использовать медиаконвертеры, которые преобразуют электрический сигнал в оптический (существуют термокожухи со встроенным медиаконвертером и блоком питания, в которые остается только установить IP-камеру). Далее в большинстве случаев оптический сигнал приходит на коммутатор (или группу коммутаторов), с которого поступает на видеорегистратор. Часто видеорегистраторы также имеют сетевой интерфейс RJ-45. Поэтому при выборе коммутатора необходимо предусмотреть наличие соответствующего порта (лучше, чтобы их было несколько – мы же хотим, чтобы система могла быть легко расширяема!). Сделать это можно при помощи SFP-модуля. При отсутствии такой возможности используем все тот же медиаконвертер. При выборе активного оборудования важно не забывать учитывать его пропускную способность, чтобы в сети не образовалось «узких мест».

Рис. 7. Приемопередатчик видеосигнала по оптоволокну

В системах аналогового видеонаблюдения ВОЛС используются совместно с волоконно-оптическими приемопередатчиками (рис. 7), которые работают в паре друг с другом и позволяют передавать не только видеосигнал, но и сигналы для управления поворотными камерами и периферийными устройствами. Дальность передачи по одномодовому ВОК составляет порядка 20 км.
Современные ВОЛС имеют ряд преимуществ. К ним относятся:
• Широкая полоса пропускания, позволяющая передавать по одному оптическому волокну информацию со скоростью до нескольких десятков гигабит в секунду.
• Малое затухание сигнала (0,2–0,3 дБ/км), позволяющее строить оптоволоконные сети связи протяженностью более 100 км.
• Абсолютная помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий, позволяющая использовать ВОЛС в местах с повышенным электромагнитным излучением.
• Взрыво- и пожаробезопасность позволяет применять ВОЛС на объектах нефтеперерабатывающей, газовой, фармацевтической промышленности.
• Высокая защищенность от несанкционированного доступа.
• Экономичность (при больших расстояниях себестоимость снижается в разы).
• Гальваническая развязка элементов сети, так как оптоволокно является диэлектриком.
• Длительный срок эксплуатации (срок службы современных ВОЛС составляет 25 лет).
К недостаткам следует отнести высокую стоимость активного оборудования, которая, впрочем, имеет тенденцию к снижению с приходом новых технологий. Монтаж требует применения специализированного дорогостоящего оборудования. Дополнительные проблемы создают хрупкость кабеля и повышенные требования к чистоте разъемных соединений.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о целесообразности использовании ВОЛС в системах телевизионного наблюдения в следующих случаях:
• Невозможности использования витой пары из-за превышения кабельными линиями максимально возможной длины (большие торговые центры, стадионы и т. п.).
• При больших скоростях передачи информации (районные системы видеонаблюдения).
• На объектах со сложной электромагнитной обстановкой (электростанции, научные лаборатории).
• В местах с повышенной взрыво- и пожароопасностью (объекты нефтеперерабатывающей, газовой, фармацевтической промышленности).
• В случаях повышенных требований к безопасности передаваемой информации.
Устройства, применяемые в системах телевизионного наблюдения при организации передачи и приема сигналов по оптоволокну

Универсальный оптический медиаконвертер T8604 (AXIS)
Медиаконвертер AXIS T8604 служит для преобразования сигналов из 100BASE-TX (витая пара) в 1000BASE-FX (оптоволокно) и обратно. Имеет два порта RJ-45 и два порта для подключения SFP модулей, что позволяет использовать как в одномодовых, так и в многомодовых волоконно-оптических линиях связи. Конструктивно выполнен в металлическом корпусе с возможностью крепления на DIN-рейку. Диапазон рабочих температур от – 40 до +70 °С позволяет использовать в уличных шкафах без подогрева. Питание – 12 В, потребляемая мощность – 3,5 Вт. Габаритные размеры: 150 х 100 х 30 мм.



Комплект одномодовых оптических медиаконвертеров NF-W02R/A и NF-W02R/B (BEWARD)
Комплект служит для организации оптоволоконной линии связи по одномодовому оптоволокну длиной до 20 км. Состоит из двух медиаконвертеров: передатчика NF-W02R/A и приемника NF-W02R/B. Каждый из них имеет один порт 100BASE-TX (RJ-45, витая пара) и один 100BASE-FX (разъем SC, оптоволокно). Конструктивно выполнены в пластиковом корпусе с расположенными на передней панели DIP-переключателями. Оптические сигналы транслируются на длинах волн 1310/1550 нм с использованием технологии спектрального уплотнения каналов WDM, позволяющей вести прием и передачу по одному оптоволокну на разных частотах. Питание осуществляется от внешнего адаптера напряжением 12 В, потребляемая мощность – 3 Вт. Диапазон рабочих температур от 0 до +45 °С. Габаритные размеры: 97 х 23 х 74 мм.



Многомодовый оптический медиаконвертер DMC-F02SC (D-Link)
Медиаконвертер D-Link DMC-F02SC служит для преобразования сигналов из 10BASE-T/100BASE-TX (витая пара) в 100BASE-FX (оптоволокно) и обратно по многомодовому оптическому кабелю. Максимальная длина оптического кабеля – 2 км. Устройство оснащено одним портом RJ-45 и одним оптическим портом SC. Оптическая передача происходит на длине волны 1300 нм. Напряжение питания – 5 В. Диапазон рабочих температур от 0 до +50 °С. Габаритные размеры: 95 x 70 x 25 мм.



Комплект передатчика и приемника для передачи видеосигнала по одномодовому оптоволокну NT-D441A1B-E-2TK-20 (СоюзСпецПроект)
Комплект из передатчика и приемника NT-D441A1B-E-2TK-20 предназначен для преобразования сигналов четырех аналоговых камер в оптический и передачи их по одному одномодовому оптическому волокну на расстояние до 20 км. Дополнительно позволяет передавать четыре двунаправленных аудиоканала, 1 канал двунаправленных данных RS-485, 1 канал двунаправленных данных RS-232, 1 канал Ethernet 10/100 и 2 канала NC-NO «сухой контакт». Преобразование происходит за счет 8-битной обработки данных. Передача производится на длинах волн 1310/1550 нм с использованием технологии спектрального уплотнения каналов WDM, позволяющей вести прием и передачу по одному оптоволокну на разных частотах. Каждое из устройств имеет 4 разъема BNC, 1 оптический разъем FC и группу разъемов для подключения аудиоканалов и прочих интерфейсных разъемов. Питаются устройства от внешних адаптеров с входным напряжением 220 В, потребляемая мощность – 10 Вт. Диапазон рабочих температур от – 40 до +70 °С. Габаритные размеры: 182 х 135 х 85 мм.



Передатчик SVP-22T и приемник SVP-14R для передачи видеосигнала по многомодовому оптоволокну (Спецвидеопроект)
Передатчик SVP-22T и приемник SVP-14R предназначены для работы в аналоговых системах телевизионного наблюдения и позволяют передавать один композитный видеосигнал по многомодовому оптоволокну на расстояние до 10 км. Передача осуществляется на длине волны 1310 нм. Используется оптический разъем ST. Передатчик имеет уличное исполнение (диапазон рабочих температур от -34 до +55 °С) и выпускается с напряжением питания 220 В или 24 В. Приемник имеет комнатное климатическое исполнение (диапазон рабочих температур от -25 до +55 °С) и напряжение питания 12 В. Габаритные размеры передатчика: 200 х 150 х 55 мм, приемника: 115 х 40 х 20 мм.

Источник: http://www.tzmagazine.ru/