Обзор оптических трансиверов: виды, назначение и принцип работы

Трансивер

Согласитесь, довольно часто мы слышим загадочное и непонятное слово «трансивер», причем используется оно в различных сферах деятельности. По своей сути трансивер является устройством приема-передачи различных сигналов между объектами, находящимися на определенном удалении друг от друга. Сам термин появился в результате симбиоза двух английских слов: transmitter и receiver, передатчик и приемник соответственно. Этот небольшой экскурс в историю образования термина во многом объяснят обширность его применения. На данном этапе своего развития человечество активно использует приемопередающее оборудование практически во всех сферах своей жизнедеятельности. Так, свет увидели сетевые трансиверы, КВ-трансиверы, рации трансиверного типа и многое другое. В данной статье мы сузим область наших интересов и поговорим только о тех трансиверах, которые используются в радиосвязи.

Итак, трансивер представляет собой рацию, где основные функциональные узлы (гетеродины, усилители, фильтры и прочее) осуществляют работу в двух направлениях (приемпередача). Подобный процесс требует автосогласования приемных и передающих частот. За счет представленных особенностей строения и реализации переговорного процесса, в трансивере присутствует меньше органов управления, что существенно облегчает всю конструкцию.

Следовательно, каждый трансивер представляет собой рацию, но далеко не каждая рация является трансивером. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что в настоящее время радиостанции все чаще создаются по трансиверной схеме (с объединенными оперативными узлами).

Виды трансиверов

Классифицировать трансиверы можно по нескольким характеристикам:

1. Среда передачи
2. Форм-фактор трансивера
3. Скорость передачи
4. Технология передачи

Основным параметром, от которого во многом зависит форм-фактор модуля, его скорость и технология передачи является – среда передачи. Существует две среды передачи: оптоволоконная, к которой относятся одномодовые и многомодовые оптические волокна и электрическая, к которой можно отнести витую пару и твинкоаксиальный кабель.

Оптоволоконная среда передачи

Оптическое волокно — среда для передачи световых сигналов. Представляет собой тонкий стеклянный провод (жила). Волокно которого состоит из внутренней сердцевины (ядра), по которой распространяется свет, и окружающей ее оболочки. Любые дополнительные покрытия (оболочки) являются защитными и служат для защиты волокна от физических воздействий.

На рисунке видно, что свет, проходящий через сердцевину к оболочке, полностью отражается от границы двух этих сред. Данное явление называется полное внутреннее отражение. Именно за счет этого явления свет может преодолевать большие расстояния по ОВ.

Волокна делятся по типу на два вида:

• Многомодовое — это волокно с большим диаметром сердцевины, по которому может распространяться несколько световых мод. В современных многомодовых волокнах диаметр сердцевины может быть 50 мкм и 62,5 мкм. Диаметр оболочки может составлять 125 или 250 мкм.
• Одномодовое — волокно с малым диаметром сердцевины, по которому может распространяться только одна световая мода. В современных одномодовых волокнах диаметр сердцевины составляет 9 мкм. Диаметр оболочки может составлять 125 мкм или 250 мкм.

В рамках многомодовых волокон свет может распространяться на расстояние до двух километров. Данный вид оптических волокон используется для локальных подключений, где расстояние между конечными точками не превышает 300 метров. На основе многомодового волокна построены трансиверы типа AOC, а также системы уплотнения SWDM (Short Wavelength Division Multiplexing).

Одномодовое волокно более популярно в современных телекоммуникациях, так как позволяет передавать данные на расстояния до 160 километров, а также строить протяженные системы уплотнения DWDM.

Электрическая среда передачи

Электрическая среда передачи – это совокупность телекоммуникационных кабелей, в которых для передачи информации используется металлический проводник/проводники, по которым подается электрический ток.

По типу телекоммуникационные кабели делятся на два вида:

• Витая пара — кабель на медной основе, объединяющий в оболочке одну или более пар проводников. Каждая пара представляет собой два перевитых вокруг друг друга изолированных медных провода. В рамках телекома, витой парой зачастую называют двух парные (четыре жилы) и четырех парные (восемь жил) кабеля.
• Твинаксиальный (от англ. twin-axial) кабель – это коаксиальный кабель с двумя параллельными проводниками, заключенные в общий экран.

Необходимо заметить, что твинаксиальный кабель практически не встречается вне трансиверов типа Direct Attach Copper. Кабели из витой пары встречаются очень часто, как в быту – соединения личного компьютера с домашним роутером, так и в отрасли в целом, так как это самый популярный способ организации локальных низкоскоростных соединений. Примерно в 2016 году широкое распространение получил 10GE Copper – это связано с выходом на рынок трансиверов SFP+ 10GE Copper.

О форм-факторах и скоростях передачи в рамках рубрики «Wiki» выходило несколько статей, чтобы не растягивать вступление предлагаем ознакомиться с ними по ссылке, также более подробное описание технологий xWDM Вы можете прочитать по ссылке.

Изучить принципы работы и особенности трансиверов Direct Attach Copper можно по ссылке, а трансиверов Active Optical Cable в данной статье, ссылка.

Различные формфакторы

В первую очередь модули различаются своим внешним видом – формфактором. Рассмотрим основные:

GBIC

GigaBit Interface Converter, активно использовался в 2000-х. Самый первый промышленно стандартизованный формат модулей. Применялся при передачи через многомодовые волокна. В настоящее время практически не применяется по причине своих габаритов.

SFP

Small Form-factor Pluggable, наследник GBIC. Практически самый распространенный в настоящее время  формат модулей благодаря своим размерам. Эти модули, благодаря своим небольшим габаритам, позволили значительно увеличить плотность портов на сетевом оборудовании. Например, стало возможно размещать 52 порта на одном коммутаторе. Возможная скорость передачи данных 100 и 1000 Mbits

SFP+

Enhanced Small Form-factor Pluggable. Размер сопоставим с модулями SFP. Одинаковый размер позволил создавать оборудование поддерживающее оптические модули SFP и  SFP+. Такие порты могут работать в режимах 1000Base/10Gbase. Лишь дальнобойные CWDM-модули имеют большую длину из-за радиатора. Однако такие модули могут работать только на расстоянии не более 80 км, иначе наблюдается сильный перегрев. На картинке снизу модуль SFP+

Трансиверы XFP

• Скорость передачи от 8.5 Гб/с до 11,21 Гб/с;
• Дальность передачи до 120 км;
• Варианты разъёмов подключения: LC, LC дуплекс;
• Среда передачи данных: MMF, SMF;
• Поддержка функции Digital Diagnostic Monitoring;
• Рабочая температура для стандартного исполнения от 0 до 70 °C;
• Номинальное напряжение питания – 3.3В.

Трансиверы X2

• Скорость передачи 10Гб/с;
• Дальность передачи до 80км;
• Варианты разъёмов подключения: SC дуплекс;
• Среда передачи данных: MMF, SMF;
• Функция Digital Diagnostic Monitoring;
• Рабочая температура для стандартного исполнения от 0 до 70 °C;
• Номинальное напряжение питания – 3.3В.

QSFP+

Поддержка скоростей до 40 Гбит/с по двум волокнам при установке в коммутаторе, маршрутизаторе IP-сети с ресурсоемкими приложениями. Возможен удаленный контроль характеристик.

QSFP28

Оптимальное решение для высокоскоростных IP-сетей с ресурсоемкими приложениями. Информационный трафик передается по четырем каналам 25 Гбит/с. Суммарная пропускная способность достигает 100 Гбит/с.

Трансиверы 1×9

Приемопередатчики выпускаются в крупном пластмассовом корпусе с 9-ю контактными выводами электрических сигналов и дуплексным коннектором. Возможна передача сигналов на скоростях 155 Мбит/с, 1,25 Гбит/с. Обычно этими модулями комплектуются оптоволоконные модемы и конвертеры Fast Ethernet или Gigabit Ethernet.

Назначение

Чаще всего трансиверы используют для выполнения следующих задач:

• учебные операции спасателей и военных — устройство должно принимать и передавать волны разных частот, с чем отлично справляется большинство трансиверов;
• по указанной причине также используется в боевых условиях на военных операциях и при спасательных работах;
• путешествия по отдалённым районам, туристическим маршрутам со слабой связью;
• обеспечение соединения с интернетом через установленное в компьютер устройство.

Это только основной перечень задач, в которых используется трансивер.

Принцип работы

Сам по себе процесс работы трансивера абсолютно не сложный и любой радиолюбитель знает его достаточно хорошо. Схематично это выглядит так: антенна приемного элемента ловит поступающие электромагнитные сигналы, которые сразу передаются на источник переменного тока и там проходят первичную обработку от шумов. После этой процедуры сигнал проходит дальнейшую очистку с помощью специальных фильтров, усилителей и прочее. На данном этапе происходит вычленение и усиление необходимой информации. Далее в работу вступают генераторы и синтезаторы частот, именно они обеспечивают движение сигнала и, в зависимости от необходимости, меняют длину волны, выполняют преобразование частот и тд. В конечном итоге модифицированный сигнал поступает на передатчик.

Как видно из схемы, помимо двух основных элементов, в трансивере находится еще ряд функциональных узлов, которые проводят все внутренние операции с сигналами.

1. Генератор. С его помощью трансивер усиливает слабые сигналы и улучшает качество поступающих волн.
2. Частотный синтезатор. Он генерирует высокоточные сигналы для их распространения на большие территории.
3. Частотный конвертор. Главной задачей данного узла является преобразование частот, если того требует обстоятельства. Например, при передаче волн на устройства с другой частотной сеткой.

Поскольку организация работы трансивера в принципе довольно простая, то радиолюбитель может создать образец трансивера самостоятельно. Это было особенно распространено несколько десятилетий назад, когда телевидение было черно-белым, а об интернете могли только мечтать.

Плюсы устройства

Чуть выше мы уже коснулись основных преимуществ трансивера, но для полного раскрытия образа, следует еще раз определить наиболее важные плюсы:

• небольшая стоимость и легкий вес (это обусловлено простой конструкцией, где нет большого количества элементов);
• стабильная связь в неблагоприятных погодных условиях (ни проливной дождь, ни плотный туман, ни перепады температуры не помешают вам вести переговоры);
• мобильность (компактные габариты позволяют трансиверу всегда находиться под рукой, например в походах).

Маркировка трансиверов

Каждый трансивер имеет заводскую маркировочную этикетку, на которой в обязательном порядке содержится информация о марке, модели (артикуле устройства) и серийный номер. Дополнительно на этикетке производитель может разместить информацию: о скорости передачи, длине волны передатчика, типе транспортной среды (тип волокна, например), наличии дополнительного функционала, такого как DDM.

При необходимости идентифицировать имеющийся «на руках» приемопередающий модуль, проще всего занести информацию о марке и модели с этикетки трансивера в поисковую интернет систему и получить полное техническое описание устройства.

В случае, если информация на маркировочной наклейке развернутая и включает в себя описание характеристик трансивера, а доступ в интернет отсутствует, можно постараться идентифицировать трансивер по имеющейся на этикетке информации.

Также достаточно развернутую информацию о модуле можно узнать из диагностических данных получаемых коммутатором из прошивки трансивера. В зависимости от марки и модели активного сетевого оборудования объем предоставляемой информации может меняться, но в микрокоде оптического трансивера содержится следующая информация:

1. Форм-фактор;
2. Тип оптического коннектора;
3. Протокол передачи;
4. Скорость передачи;
5. Дальность передачи;
6. Марка производителя;
7. Модель трансивера;
8. Длина волны передатчика.

Совместимость трансиверов

Часто перед пользователями встает вопрос: «А будет ли работать новый трансивер уже с имеющимся?». Чтобы утвердительно ответить на этот вопрос, необходимо соблюсти следующие условия:

1. Одинаковая скорость передачи;
2. Одинаковая или парная длина волны передачи;
3. Соответствие среды передачи;
4. Поддержка коммутатором.

Как известно, форм-фактор трансивера не влияет на совместимость с техническим аналогом. Например, двухволоконный SFP 1.25 Гбит/с трансивер полностью совместим со своим более старым аналогом двухволоконным GBIC 1.25 Гбит/с трансивером или трансивер WDM SFP+ 10 Гбит/с 1270/1330 нм совместим с парным трансивером WDM XFP 10 Гбит/с 1330/1270 нм. Но если в первом примере изменить скорость SFP трансивера, то пара модулей не заработает (то есть двухволоконный SFP 4.25 Гбит/с FiberChannel модуль не совместим с двухволоконным GBIC 1.25 Гбит/с модулем). Это происходит из-за несогласованности скоростей передачи, протоколы передачи в данном случае являются второстепенными. Например, можно взять пару двухволоконных SFP модулей для Ethernet сетей, но скорость передачи одной будет 1,25 Гбит/с (GigabitEthernet), а второй 100 Мбит/с (FastEthernet), такая пара не заработает без дополнительных настроек коммутаторов.

Таким образом, можно резюмировать, что при выборе трансивера необходимо соблюдать одни и те же скорость передачи и протокол передачи, при этом форм-фактор трансиверов не влияет на их совместимость друг с другом.

Этот параметр наиболее важен при выборе WDM трансиверов, так как трансиверы работают в парах со строго обозначенными длинами волн приема и передачи, но и для двухволоконных модулей этот параметр так же лучше соблюдать. Разберем для начала длины волны WDM трансиверов. Ниже приведена таблица с длинами волн, скоростью передачи и дальностью передачи. Видно, что для некоторых трансиверов для одной и той же скорости и дальности передачи существуют две разные пары модулей по длине волны, которые несовместимы друг с другом.

У двухволоконных модулей строгой парности нет, но несоблюдение единой длины волны может вызвать перекосы в оптическом бюджете канала, так как длины волн 1310 нм и 1550 нм имеют разные показатели погонного затухания в оптических волокнах.

Данный пункт в основном касается двухволоконных модулей, так как именно этот тип трансиверов может быть заточен для передачи информации по многомодовому и одномодовому волокну. Остальные виды оптических трансиверов рассчитаны на передачу только по одномодовому волокну.

По многомодовому волокну могут передаваться сигналы из первого (850 нм) и второго (1310) окон прозрачности, а по одномодовому сигналы из второго (1310 нм) и третьего (1550 нм), то есть общие длины волн для MMF и SMF это 1310 нм. Это значит, что при выборе двухволоконного модуля необходимо учитывать не только длину волны передатчика, но и волокно, под которое разработан трансивер.

После проверки параметров трансиверов необходимо удостовериться, что имеющийся у Вас коммутатор совместим и поддерживает выбранный трансивер. Одна из самых банальных ошибок – это перепутать порт SFP с портом SFP+, т.к. они визуально не отличаются, узнать тип портов можно или по спецификации на оборудование, или при помощи диагностической команды, которая покажет все имеющиеся порты и их тип.

Но есть более сложная вещь – список поддерживаемых трансиверов. Это значит, что даже обладая, к примеру, портами SFP+ коммутатор может не поддерживать работу SFP+ ZR. Этот список можно получить, опросив коммутатор соответствующей диагностической командой.

Или изучить техническую спецификацию коммутатора, но в данном случае необходимо помнить, что в зависимости от версии операционной системы список поддерживаемых трансиверов может изменяться, таким образом, лучше еще проверить документацию на операционную систему коммутатора.

Отдельно необходимо выделить трансиверы SFP/SFP+ Copper и DAC, так как с этими модулями речь зачастую идет о hardware совместимости. И информацию о поддержке этих трансиверов можно получить только из технической документации на сетевое устройство, так как важна поддержка определенного интерфейса, на базе которого построен трансивер.

Это не касается оптических трансиверов в связи с тем, что они в большей своей части строятся на одном интерфейсе, и проблемы с поддержкой и совместимостью в их случае можно отнести к software ограничениям, которые при необходимости можно решить сменой прошивки трансивер, подробнее про этот процесс по ссылке.

Стандарты

Как известно, комитетом 802.3 принято множество разных стандартов Ethernet.

В основном сейчас распространены следующие типы:

• 100BASE-LX — 100 мегабит по волокну на 10км
• 100BASE-T — 100 мегабит по меди на 100 м
• 1000BASE-LX — 1000 мегабит по волокну на 10 км
• 1000BASE-T — 1000 мегабит по меди на 100 м
• 1000BASE-ZX — 1000 мегабит по одномодовому волокну на 70 км
• 10GBASE-LR — 10GE по одномодовому волокну на 10 км
• 10GBASE-ER — 10GE по одномодовому волокну на 40 км

Существуют модули и под другие стандарты, в том числе и 40GE и 100GE. Обычно, производитель указывает на модели модуля информацию по какому стандарту он будет работать. Но важно еще посмотреть, поддерживает ли оборудование тот порт который указан в характеристиках оптического модуля. Например, 100BASE-LX не заведется в порту коммутатора, поддерживающего только 1000BASE-LX.

Простой, самодельный трансивер: схема и монтаж своими руками

Слово трансивер у многих начинающих радиолюбителей ассоциируется со сложнейшим устройством. Но есть схемы, которые имея всего 4 транзистора, способны в телеграфном режиме обеспечить связь на сотни километров.
Изначально представленная ниже принципиальная схема трансивера была рассчитана под высокоомные наушники. Пришлось немного переделать усилитель, чтоб была возможность работать и с низкоомными наушниками 32 Ом.

Принципиальная схема простого трансивера на 80м

Моточные данные контура:

1. Катушка L2 имеет индуктивность 3.6 мкГ — это 28 витков на оправе 8 мм, с подстроечным сердечником.
2. Дроссель — стандартный.

Как настроить трансивер?

В особо сложной настройке приёмопередатчик не нуждается. Всё просто и доступно:
Начинаем с УНЧ, подбором резистора R5 устанавливаем на коллекторе транзистора + 2В и проверяем работоспособность усилителя, коснувшись пинцетом входа — в наушниках при этом должен прослушиваться фон.
Затем переходим к настройке кварцевого генератора, убеждаемся, что генерация идет (это можно сделать с помощью частотомера или осциллографа снимая сигнал с эмиттера vt1).
Следующий этап — это настройка трансивера на передачу. Вместо антенны вешаем эквивалент — резистор 50 Ом 1 Вт. Параллельно ему подключаем ВЧ вольтметр, при этом включаем трансивер на передачу (нажатием ключа), начинаем вращать сердечник катушки L2 по показаниям ВЧ вольтметра и добиваемся резонанса.
Вот в принципе и все! Не следует ставить мощный выходной транзистор, с прибавкой мощности появляются всевозможные свисты и возбуждения. Этот транзистор играет две роли — как смеситель при приеме и как усилитель мощности при передаче, так что кт603 здесь за глаза будет. 
И, наконец, фото самой конструкции:

Так как рабочие частоты всего несколько мегагерц, можно применить любые ВЧ транзисторы соответственной структуры.

Где можно купить

Приобрести любой из указанных трансиверов можно в интернет-магазине zakazradio. Компания продаёт различную радиотехнику, гарантирует качество поставляемых изделий и согласна на возврат техники, если соблюдены условия.

Указанные цены всегда актуальны, доставка осуществляется по России, товар отправляется в день зачисления платежа. Сотрудники профессионально консультируют по любым вопросам. Товар проверяется перед отправкой, доступно бесплатное программирование. Гарантия на каждую покупку составляет 12 месяцев.

Источники:

• https://landcomm.ru/dokumentacija/chto-takoe-transiver/
• https://Modultech.ru/kak-vybrat-opticheskij-transiver-opticheskij-modul-tipy-transiverov-modulej/
• https://netstore.su/articles/obzor-opticheskih-transiverov-kakie-i-dlja-chego
• https://Modultech.ru/tipy-transiverov/
• https://componentltd.ru/technical_information/articles/tipy-i-osobennosti-opticheskikh-transiverov/
• https://zakazradio.ru/stati/obzor_transiverov/
• https://tehnoobzor.com/schemes/transmitters/2863-shemy-samodelnyh-transiverov-top-3-pechatnye-platy-video.html