دانستنی های فیبر نوری برای استفاده در پروژه امبدد - قسمت اول

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری یا فیبر اپتیک رشته‌های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالص هستند که ضخامت آن‌ها تقریباً برابر با یک تار موی انسان است. این رشته‌ها در قالب کابل‌های فیبر نوری برای انتقال سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می‌شوند. در مبدأ قطعات خاصی سیگنال‌های دیجیتال را به نور تبدیل میکنند و بر بستر فیبر نوری ارسال میکنند و در مقصد قطعات مشابهی اینبار نور را به داده دیجیتال تبدیل می‌کنند. فیبر نوری به عنوان بستر انتقال این داده ها استفاده میشود که بسیار پرسرعت و بهینه است و داده‌ها را بدون تداخل الکترومغناطیسی منتقل می‌کند.

اجزای فیبر نوری:

• هسته (Core): مسیر حرکت نور
• روکش (Cladding): جلوگیری از خروج نور
• پوشش خارجی: محافظت در برابر آسیب‌های محیطی
• ترانسسیورها (Optical Transceivers): تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به نوری و بالعکس

فیبر نوری برای چه مواردی استفاده می‌شود؟

فیبر نوری ابتدا در دهه ۱۹۵۰ برای آندوسکوپی پزشکی توسعه یافت و در دهه ۱۹۶۰ وارد حوزه مخابرات شد. برخی از کاربردهای مهم:

• ارتباطات مخابراتی
• ارسال داده و ویدیو
• تجهیزات پزشکی و نظامی
• شبکه‌های کامپیوتری (LAN، WAN، MAN)
• اینترنت فیبر نوری (FTTH, FTTB, FTTC, FTTN, FTTP)

انواع کابل‌های فیبر نوری

نور در داخل هسته کابل حرکت کرده و از طریق بازتاب‌های داخلی هدایت می‌شود. از این منظر دو نوع اصلی کابل فیبر نوری وجود دارد:

• تک‌مد (Single Mode): برای مسافت‌های طولانی و ارتباطات پرسرعت
• چندمد (Multimode): مناسب برای فواصل کوتاه و شبکه‌های داخلی

کابهای تک مود و چند مود هم خودشان به دو دسته کلی تقسیم میشوند:

1. سیمپلکس (Simplex) و دوبلکس (Duplex):
   • سیمپلکس: دارای یک رشته فیبر برای ارتباطات یک‌طرفه
   • دوبلکس: شامل دو رشته فیبر برای ارتباطات دوطرفه
2. کابل‌های هیبریدی: ترکیبی از فیبر نوری و مسی

تصویری از اجزای کابل هیبریدی

مقایسه فیبر نوری با کابل مسی

کابل مسی همچنان پرکاربردترین نوع کابل در انتقال اطلاعات است به همین دلیل در جدول زیر این دو بستر تبادل داده را با هم مقایسه کردیم تا مزیت فیبر نوری نسبت به این نوع کابل مشخص شود.

حالا که با فیبر نوری آشنا شدیم در ادامه به سراغ انتقال اطلاعات با آن میرویم. اولین چیزی که باید با آن آشنا شوید نحوه ارسال و دریافت اطلاعات است. قبل از آن لازم است با WDM آشنا شوید.

نقش WDM در شبکه‌های فیبر نوری

چندگانه‌سازی تقسیم طول موج (WDM) فناوری‌ای است که امکان انتقال چندین سیگنال نوری روی یک فیبر را فراهم می‌کند. با استفاده از این فناوری می‌تواند حجم زیادی از اطلاعات و داده‌ها را بر روی یک شبکه فیبر نوری به طور همزمان و در مسافت‌های طولانی انتقال داد به طوری که مصرف کابل‌های فیبر نوری به حداقل برسد زیرا این فناوری به شبکه‌ها این امکان را می‌دهد که به طور همزمان از طول موج‌های مختلف نوری برای انتقال داده‌ها استفاده کنند که به صورت چشمگیری به افزایش ظرفیت شبکه و افزایش سرعت انتقال اطلاعات منجر می‌شود. این فناوری شامل:

• (Dense Wavelength Division Multiplexing) DWDM: مناسب برای مسافت‌های طولانی و انتقال داده‌های پرسرعت
• CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing): برای فواصل کوتاه‌تر با هزینه کمتر

تفاوت بین CWDM و DWDM چیست؟

هر دو فناوری CWDM و DWDM برای افزایش ظرفیت شبکه‌های فیبر نوری استفاده می‌شوند، اما از روش‌های متفاوتی برای تقسیم طول‌موج‌های نوری بهره می‌برند که از نظر طول موج و تعداد کانال با هم تفاوت دارند. CWDM در محدوده 1270 تا 1610 نانومتر از طیف الکترومغناطیسی عمل می‌کند و معمولاً طول‌موج‌ها را با فاصله 20 نانومتر از یکدیگر قرار می‌دهد که باعث میشود نتواند از تعداد کانال زیادی پشتیبانی کند. در این تکنولوژی معمولاً از 8 کانال استفاده می‌شود اما می‌تواند تا 18 کانال یا بیشتر را پشتیبانی کند در حالی که DWDM در باند C (1525 تا 1565 نانومتر) یا باند L (1570 تا 1610 نانومتر) کار می‌کند و فاصله‌بندی طول‌موج‌ها بسیار کمتر است و تا 160 کانال را پشتیبانی میکند.

برای مقایسه این دو فناوری به جدول زیر توجه کنید:

عملکرد CWDM

یک سیستم CWDM معمولاً شامل پنج جزء اصلی است: ماژول CWDM Mux/DeMux، فرستنده-گیرنده‌های CWDM، ماژول‌های افزودن/حذف نوری (CWDM OADM)، تقویت‌کننده‌های نوری، و مبدل‌های طول‌موج (ترانسپوندرها). این اجزا به صورت نقطه به نقطه یا چند نقطه ای پیاده سازی میشوند و با یکدیگر کار می‌کنند تا داده‌ها را در طول‌موج‌های مختلف به‌طور هم‌زمان روی یک فیبر نوری انتقال دهند و ظرفیت شبکه را به میزان قابل‌توجهی افزایش دهند. ماژول‌های CWDM دو عملکرد اصلی را انجام می‌دهند:

• فیلتر کردن نور: این ماژول‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که تنها طول‌موج‌های موردنظر استفاده می‌شوند.
• مالتی‌پلکسینگ و دی‌مالتی‌پلکسینگ طول‌موج‌ها: چندین طول‌موج مختلف را روی یک لینک فیبر نوری قرار می‌دهند یا از آن جدا می‌کنند. در عملیات مالتی‌پلکسینگ (Mux) چندین باند طول‌موج روی یک فیبر نوری ترکیب می‌شوند و در عملیات دی‌مالتی‌پلکسینگ (Demux) طول‌موج‌های مختلف از یک فیبر نوری جدا شده و هر کدام به‌طور مستقل پردازش می‌شوند. مالتی‌پلکسینگ به صورت پسیو انجام میگیرد یعنی به منبع تغذیه خارجی نیازی نیست.

نحوه پیاده سازی یک شبکه CWDM

به دو صورت کلی میتوان این شبکه را پیاده سازی کرد.

• سیستم نقطه‌به‌نقطه (Point-to-Point): دو مکان را به یکدیگر متصل کرده و چندین سیگنال را روی یک فیبر مالتی‌پلکس و دی‌مالتی‌پلکس می‌کند.
• سیستم حلقه‌ای یا چندنقطه‌ای (Loop/Multi-Point): چندین مکان را به هم متصل کرده و معمولاً از ماژول‌های افزودن/حذف (Add/Drop) استفاده می‌کند. ماژول‌های افزودن/حذف مالتی‌پلکسر (CWDM OADM – Optical Add/Drop Multiplexer) امکان اضافه یا حذف کردن کانال‌های نوری خاص را بدون تأثیر بر سایر کانال‌ها فراهم می‌کنند.

اجزای سیستم DWDM

یک سیستم DWDM هم معمولاً شامل پنج جزء اصلی است: ماژول Mux/DeMux DWDM، فرستنده-گیرنده‌های DWDM، مالتی‌پلکسرهای افزایشی/کاهشی نوری (OADM)، تقویت‌کننده‌های نوری، و ترانسپوندرها (مبدل‌های طول موج). این اجزا با یکدیگر کار می‌کنند تا داده‌ها را در طول‌موج‌های مختلف به صورت هم‌زمان روی یک فیبر نوری انتقال دهند و ظرفیت شبکه را به میزان قابل توجهی افزایش دهند. با عملکرد این ماژولها قبلا آشنا شدید لذا عملکرد آن را مجدد بررسی نمیکنیم و عملکرد این سیستم را توضیح میدهیم.

نحوه عملکرد شبکه DWDM

تصور کنید که N پالس نوری با N طول‌موج مختلف روی N فیبر نوری مجزا حمل می‌شوند. این پالس‌ها ابتدا توسط یک DWDM Mux ترکیب شده و روی یک جفت فیبر نوری ارسال می‌شوند. در سمت گیرنده، یک DWDM Demux سیگنال ترکیبی را دریافت کرده، هر طول‌موج را جدا و به فیبر مربوطه ارسال می‌کند. این فرآیند نیاز به یک جفت فیبر نوری دارد که از یک فیبر برای ارسال و یک فیبر برای دریافت داده استفاده میشود. این سیستم همچنین دارای ماژول فرستنده-گیرنده‌ است که ارتباط را روی یک فیبر برقرار میکند.

انواع فرستنده-گیرنده‌های DWDM

فرستنده-گیرنده‌های DWDM در مدل‌های مختلفی عرضه می‌شوند که سرعت انتقال از ۱ گیگابیت بر ثانیه تا ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه را پشتیبانی می‌کنند. این ماژول‌ها بر اساس نرخ داده و فرم فاکتور دسته‌بندی می‌شوند، از جمله:

• DWDM SFP (پشتیبانی از نرخ‌های پایین‌تر، معمولاً تا 1.25G)
• DWDM SFP+ (پشتیبانی از 10G)
• DWDM SFP28 (پشتیبانی از 25G)
• DWDM QSFP28 (پشتیبانی از 100G و بالاتر)

انتخاب نوع مناسب به نیاز شبکه، فاصله انتقال، و ظرفیت پهنای باند بستگی دارد.

داخل یک ماژول SFP چه خبر است؟

ماژول‌های SFP برای ارسال و دریافت داده در شبکه‌های فیبر نوری استفاده می‌شوند و شامل اجزای زیر هستند:

• TOSA: فرستنده، تبدیل سیگنال الکتریکی به نوری
• ROSA: گیرنده، تبدیل سیگنال نوری به الکتریکی
• BOSA: ترکیب ارسال و دریافت روی یک فیبر نوری با استفاده از فیلتر WDM

در این تصویر داخل SFP را به طور کامل مشاهده میکنید.

در این تصویر کانکتور TOSA را مشاهده میکنید.

در این تصویر آی سی ROSA را مشاهده میکنید.

برای درک بهتر موضوع میتوانید از این شماتیک استفاده کنید.

برای استفاده از فیبر نوری روی بردهای الکتریکی لازم است از کانکتوری مانند آنچه در تصویر زیر مشاهده میکنید استفاده کنیم که به آن Cage گفته میشود.

در پست بعدی یک پروژه متن باز را باهم بررسی میکنیم. امیدوارم از این مطلب خلاصه و مفید استفاده کرده باشید و ما را با نظراتتان حمایت کنید. 🙂