La trasmissione su fibra ottica nel settore AV raggiunge la piena maturità

Cari professionisti, i bei vecchi tempi sono tornati. I progettisti di sistemi audiovisivi hanno a disposizione una scelta di soluzioni tecniche sia in termini di apparecchiature analogiche che digitali più ampia che mai e uno dei nuovi strumenti più interessanti per la distribuzione dei segnali è la trasmissione digitale di RGBHV su fibra ottica. La maggior parte dei sistemi di trasmissione in fibra ottica attualmente installati si basano sull'analogico. Il nostro esordio nella trasmissione digitale su fibra è una novità interessante per noi perché inaugura un'era di prestazioni superiori e nuove caratteristiche a prezzi competitivi, o migliori, rispetto alle implementazioni analogiche esistenti.

Fino a qualche tempo fa la trasmissione su fibra ottica con supporto di grafica a banda larga poteva essere realizzata a costi accettabili soltanto con tecniche analogiche. Chiaramente, l'espressione "a costi accettabili" è relativa. Nell'ambito di un ambiente di installazione AV che la maggior parte dei professionisti considera normale, il cavo in fibra stesso è vantaggioso sotto il profilo dei costi ma storicamente i sistemi in fibra erano nel complesso fondamentalmente proibitivi in termini di costi, tranne per quelle applicazioni che ne richiedevano le caratteristiche di sicurezza e distanza estesa.

Forse può sorprendervi che la distribuzione in fibra non ci sia completamente nuova. Probabilmente a molti non è noto che avevamo utilizzato sistemi di trasmissione in fibra per potenziare collegamenti video RGBHV, component HD e composito "su lunga distanza" in occasione dell'evento InfoComm Projection Shootout^®. Un gruppo ristretto di fornitori di apparecchiature in fibra ha supportato in maniera adeguata le nostre esigenze ma si sono verificate difficoltà associate a prestazioni uniformi di questi sistemi a base analogica.

Molte delle conoscenze che probabilmente avete acquisito sui sistemi in fibra a base analogica è ancora rilevante. In fase di messa in campo della trasmissione su fibra ottica è necessario effettuare numerose scelte importanti quanto ai componenti. I cavi in fibra, come i cavi coassiali, sono uno dei primi problemi di progettazione dei sistemi, tanto quanto connettori, trasmettitori e ricevitori. La trasmissione digitale su fibra richiede un approccio un po' diverso ma i principi di base si inseriscono bene in discussioni precedenti sulla distribuzione di segnali e protocolli digitali, come HD-SDI per esempio.

In questo articolo vorrei trattare dei concetti chiave associati al cablaggio in fibra in modo da indirizzare una discussione che molto probabilmente ci accompagnerà a lungo sulla trasmissione digitale in fibra ottica.

Nuova dieta alla fibra ottica

Di certo la fibra sta diventando parte della nostra dieta di prodotti e con il fermento provocato da prestazioni di banda superiori, nuove caratteristiche e costi di implementazione più bassi probabilmente diventerà parte anche della vostra dieta AV. Perciò oggi cominciamo con il cavo in fibra. Seguiranno anche discussioni su connettori e hardware ma che stiate utilizzando componenti di interfaccia analogici o digitali, c'è molto da capire sul fronte del cablaggio in fibra e degli effetti sulle prestazioni di trasmissione in fibra ottica.

Monomodale e multimodale a confronto

A prima vista sembrerebbe che le scelte per la fibra siano soltanto due, monomodale o multimodale. Pubblicazioni precedenti abbinavano la fibra monomodale al laser e la fibra multimodale ai LED. Questa distinzione in generale è appropriata ma nuove ricette per i cavi in fibra offrono una serie di novità quanto a scelte e combinazioni cavo-sorgente.

Uno sviluppo chiave che sta portando le tecnologie dei cavi in fibra verso nuove direzioni è rappresentato dal diodo laser a basso costo. Abbreviato in VCSEL, pronunciato "vec-sel", questo nuovo laser a cavità verticale a emissione superficiale sta rapidamente rimpiazzando i LED in nuove installazioni di rete. I laser VCSEL a 1310 nm sono impiegati per le lunghezze d'onda più ampie e offrono le migliori prestazioni di banda, ma a un prezzo circa tre volte superiore rispetto alla versione a 850 nm. Anche in progetti con budget modesti, i laser VCSEL a 850 nm stanno rapidamente sostituendo i LED e fornendo prestazioni di livello Gigabit Plus.

A prescindere dalla sorgente luminosa, la costruzione in fibra si basa sull'avvolgimento di un "conduttore" in vetro ultra puro di diametro variabile, definito "nucleo", all'interno di uno strato di rivestimento normale che modifica il diametro finale del conduttore in 125 micrometri (µm). Strati e guaine in materiali esterni aggiuntivi servono a proteggere la fibra e ne aumentano le caratteristiche di resistenza per manipolazione e installazione.

Il termine "modo" di riferisce al numero apparente di onde luminose che percorrono la lunghezza del nucleo della fibra. L'energia luminosa più intensa che percorre la linea centrale della fibra è il modo primario. La luce può entrare nella fibra seguendo una certa angolazione e rimbalzare sulle pareti della fibra mentre si propaga. Le onde luminose che rimbalzano in maniera casuale sulle pareti della fibra arrivano al sensore di ricezione ad intervalli di tempo leggermente diversi. Le singole riflessioni dell'onda luminosa all'interno della fibra sono definite "modi".

Il nucleo di un cavo monomodale ha un diametro molto sottile che misura circa 8-9 µm, non molto più ampio della lunghezza d'onda della luce che lo attraversa. Per questo la maggior parte dell'energia luminosa si propaga come un'unica onda che non genera riflessioni significative, o modi, che si ripercuotono sulle prestazioni nel sensore di ricezione. Per questa ragione la fibra monomodale è in grado di offrire la più ampia larghezza di banda e le distanze di trasmissione più estese. Fare riferimento alla terza illustrazione nella Figura 1.

Il nucleo della fibra multimodale ha un diametro per natura numerose volte più ampio rispetto alla fibra monomodale, mentre il mantello e il rivestimento esterno compensano per offrire un diametro generale competitivo del cavo. Disponibile di norma con diametri di 50 µm o 62,5 µm, nella fibra multimodale il nucleo tollera un allineamento con il trasmettitore meno preciso rispetto alla fibra monomodale ma le riflessioni luminose creano modi per l'intera lunghezza del cavo. Fare riferimento alla prima e alla seconda illustrazione nella Figura 1.

L'effetto cumulativo di molteplici modi è definito "dispersione". Il sensore di ricezione interpreta la dispersione come jitter nel segnale. Come per altri formati di segnale digitale seriale, il diagramma ad occhio è usato per analizzare la qualità di trasmissione. Fare riferimento alla Figura 2a. La presenza di dispersione diminuisce l'ampiezza del diagramma ad occhio. Inoltre, la lunghezza della fibra accanto a tutte le interfacce di collegamento e alle curvature dei cavi si ripercuote sull'ampiezza finale del segnale percepita dal sensore di ricezione. Fare riferimento alla Figura 2b. Questi effetti cumulativi attenuano il segnale e causano una riduzione dell'ampiezza dell'occhio. Ampiezza e dispersione, in combinazione, sono i due principali parametri che limitano la larghezza di banda della frequenza e la distanza di trasmissione.

A prescindere che sia monomodale o multimodale, la fibra è un rivestimento in un involucro in vetro progettato per contenere un percentuale elevata dell'onda luminosa all'interno della struttura della fibra. Il diametro totale in vetro di tutti i cavi in fibra commerciali attualmente disponibili è di 125 µm ed è il secondo numero identificativo del cavo, ad esempio 8/125, 50/125 o 62,5/125. Il rivestimento, o mantello, ha un indice di rifrazione diverso rispetto al nucleo della fibra. Riflette la luce fuori asse nuovamente verso l'interno della fibra. Il conduttore in fibra ha un indice di rifrazione uniforme, mentre l'indice del mantello è generalmente inferiore. Il cambio repentino del valore dell'indice di rifrazione definisce la fibra "a salto d'indice". Fare riferimento alla Figura 3.

La maggior parte dei cavi monomodali e alcuni cavi multimodali utilizzano una costruzione a salto d'indice. Dato che le onde luminose attraversano una fibra monomodale con rimbalzi minimi lungo l'interfaccia del mantello, in genere la perdita da riflessione associata alla fibra monomodale a salto d'indice è insignificante. Ma per la fibra multimodale la situazione è diversa. I cavi multimodali a salto d'indice manifestano una dispersione più elevata dovuta ai modi multipli creati tramite riflessioni derivanti dall'improvviso cambiamento di rifrazione fra il nucleo della fibra e il mantello. Proprio come le immagini ripetute negli specchi di una casa dei divertimenti, riflessioni multiple causano un deterioramento delle prestazioni del sistema, ovvero della distanza di trasmissione.

Per migliorare le prestazioni dei cavi multimodali il nucleo può essere racchiuso all'interno di un mantello costruito utilizzando cinque o sei strati di vetro depositato con indice di rifrazione via via più bassi. In prossimità del nucleo l'indice di rifrazione del mantello è il più elevato. Mano a mano che la luce passa attraverso ciascuno strato del mantello l'indice di rifrazione si riduce. Le variazioni nell'indice di rifrazione "guidano" la luce in un angolo di incidenza molto radente in corrispondenza dello strato esterno del mantello. Quest'angolo causa una deviazione della luce dallo strato esterno in direzione del nucleo. Il percorso di ritorno attraverso gli indici di rifrazione con valore più elevato indirizza la luce di nuovo nel percorso principale all'interno del nucleo. La luce viene essenzialmente flessa fino a formare un arco che si riunisce con l'onda principale per ridurre al minimo il numero di modi rilevati dal sensore di ricezione. Ne risulta una minore dispersione e una maggiore larghezza di banda effettiva. Questo tipo di costruzione della fibra multimodale è definita "a variazione d'indice". Fare riferimento alla Figura 4.

Principali parametri della fibra

La trasmissione su fibra dipende da lunghezza e data rate. La descrizione dei modi e della dispersione nella trasmissione su fibra multimodale è riassunta dal parametro della larghezza di banda modale, espresso come frequenza in MHz moltiplicata per la distanza in kilometri, o MHz*km. Una specifica di prodotto MHz*km superiore rappresenta capacità migliori in termini di prestazioni. In maniera molto simile ai cavi coassiali, per i quali è importante un'attenuazione specifica in dB a una frequenza di riferimento, ad esempio 100 MHz, per una lunghezza specifica, di solito 100 metri, il parametro della larghezza di banda modale utilizzato con la fibra multimodale e monomodale offre un'istantanea delle aspettative prestazionali a cui è necessario sottrarre gli effetti di altri fattori come connettori, splitter e giunzioni.

Ad esempio, una fibra con valore nominale di 500 MHz*km può trasmettere un data rate di 500 MHz per un kilometro. A un aumento dei valori di frequenza o data rate corrisponde una distanza di trasmissione inferiore. A 1 GHz, la distanza di trasmissione è di 500 metri e così via.

E l'attenuazione? Siamo abituati a questo concetto nei cavi in rame, ma come si applica ai cavi in fibra? La tabella 1 elenca i parametri interni ed esterni che hanno un effetto sull'attenuazione nella fibra. Lunghezze d'onda della luce molto usate sono 850 nm e 1310 nm, entrambe nell'infrarosso, con un'attenuazione inferiore nella lunghezza d'onda più lunga. L'attenuazione dovuta a perdita dei cavi, connettività ecc. è misurata in dB, proprio come nei cavi in rame. In applicazioni AV standard l'attenuazione della fibra sarà probabilmente un fattore di minore importanza rispetto alla larghezza di banda del sistema. L'attenuazione nei cavi in fibra sarà piuttosto irrilevante nell'ambito dell'installazione complessiva rispetto alla scelta di trasmettitore e ricevitore e alla qualità dell'installazione e della terminazione dei cavi, a meno che la vostra applicazione non richieda distanze di trasmissione di molti kilometri.

Tabella 1

Fattori di attenuazione nei cavi in fibra ottica
Interni	Esterni
Variazioni del nucleo	Connettori
Dispersione	Giunzioni
Microcurvature	Accoppiatori
Assorbimento	Macrocurvature
Diffusione	Finiture delle estremità

Per ottenere prestazioni ottimali è necessario osservare attentamente le prassi di installazione per i cavi in fibra. Al pari dei cavi UTP, i produttori di cavi in fibra specificano chiaramente i metodi e le prassi di manipolazione e installazione. Strozzature accidentali della fibra possono causare microcurvature e fessure. Non dimenticare che la fibra è di vetro! Il raggio di curvatura dei cavi ha un impatto diretto sull'attenuazione. Lo standard TIA 568 prevede un raggio di curvatura minimo di 30 mm per i cavi multimodali a due e quattro fibre.

L'apertura numerica (NA) di un cavo in fibra corrisponde all'angolo di accettazione massimo della luce in ingresso. Quest'angolo varia in base agli indici di rifrazione del nucleo della fibra e del mantello. Potrebbe sembrare vantaggioso utilizzare una fibra con un valore di NA elevato, ma un valore eccessivo consente il passaggio di modi di ordine superiore o riflessioni più drastiche dal nucleo al mantello. Un valore di NA troppo elevato comporta il passaggio dell'energia luminosa attraverso il mantello, ovvero maggiore dispersione, perdita di energia e minore larghezza di banda.

Le fibre con valore di NA inferiore hanno maggiore larghezza di banda. Un'apertura numerica inferiore richiede un allineamento sorgente‑fibra più preciso e una terminazione accurata. Tradizionalmente l'utilizzo di trasmettitori LED richiedeva l'apertura numerica più ampia offerta dalla fibra a 62,5 µm. La potenza in uscita e la costruzione dei LED e VCSEL più recenti aumentano le prestazioni di larghezza di banda utilizzando l'apertura numerica ridotta della fibra a 50 µm.

Mancanza di corrispondenza fra le fibre

Che cosa fare in caso di installazioni con fibre di diverso tipo? Poniamo il caso che ci si imbatta in fibra precedente a 62,5 µm in un'applicazione in cui la nuova porzione dell'installazione richiede fibra a 50 µm. Qual è l'impatto della giunzione di due fibre di diverso tipo? Funzionerebbe?

Una combinazione di collegamenti monomodali e multimodali non è consigliata. Tuttavia, l'utilizzo di fibra multimodale a 50 µm è in aumento e sta rimpiazzando i cavi a 62,5 µm negli Stati Uniti. La fibra a 50 µm rappresenta lo standard in Europa ma al momento è consigliata in tutto il mondo per nuove installazioni. La fibra a 50 µm ha in generale una larghezza di banda superiore, forse di tre volte rispetto alla fibra multimodale a 62,5, e attualmente viene messa in campo utilizzando sorgenti laser VCSEL per reti gigabit Ethernet e 10 GE.

Ritornando alla questione di installazioni con fibre di tipo diverso, se si utilizza una sorgente laser con cavi multimodali si verifica un impatto minimo dovuto alla perdita di inserzione a prescindere dalla direzione di trasmissione, ovvero da un nucleo più ampio a uno più piccolo e viceversa. In sistemi che utilizzano LED, trasmissioni fra un nucleo più ampio e uno più piccolo producono un impatto superiore nella perdita da inserzione dato che l'onda luminosa dei LED utilizza l'intera sezione trasversale del nucleo. Trasmissioni da un cavo a 50 µm in un cavo a 62,5 µm sono meno problematiche rispetto a trasmissioni in direzione opposta. I cavi a 50 µm sono considerati compatibili con sistemi a 62,5 µm. Prestare attenzione al budget di perdita di inserzione e consultare il produttore del cavo per garantire i risultati migliori.

Perché questo passaggio dalla fibra a 62,5 µm in favore della fibra a 50 µm? Il più ampio diametro del nucleo ha guadagnato popolarità nei primi tempi a supporto della prima generazione Ethernet grazie alla maggiore apertura numerica e alla compatibilità con l'ampio diametro fisico dei LED. Inoltre, i cavi a 62,5 µm offrono maggiore tolleranza a connettorizzazione e allineamento. L'adozione da parte di IBM e AT&T ha portato ad un ampio utilizzo in un'era in cui i sistemi di terminazione e i LED erano meno avanzati. Oggi invece le caratteristiche di entrambi sono migliorate e gli enti di standardizzazione sono evoluti verso i cavi a 50 µm per quasi tutte le applicazioni di rete con dorsali ad alta velocità su lunghe distanze.

Terminazione della fibra

Fin qui un breve scorcio del paradiso della fibra. Al giorno d'oggi i menu dei cavi in fibra ottica multimodale e monomodale offrono più gusti di Ben e Jerry's^®. È importante ricordare che la larghezza di banda dei cavi in fibra è caratterizzata in larga parte dal parametro MHz*km e che sono disponibili molte classi di fibre a seconda dei requisiti di data rate e distanza di trasmissione. Il prezzo dei cavi in fibra è proporzionale al valore nominale di MHz*km.

Tutti i progettisti di apparecchiature e sistemi AV devono ringraziare i progressi tecnici sul fronte dei componenti di trasmissione su fibra ottica derivati da invenzioni frutto di necessità, ovvero velocità incrementate delle reti dati Ethernet. In un tentativo di sedare la nostra sete di reti a velocità più elevata, chip digitali seriali a velocità folgorante e laser a stato solido stanno rendendo più accessibile un nuovo modello di grafica RGB digitale seriale. La tendenza attuale nell'installazione di sistemi di rete predilige laser VCSEL a 850 nm abbinati alla fibra a 50 µm per chi bada ai costi e laser VCSEL a 1310 nm con fibra multimodale o monomodale a 50 µm se sono necessarie distanze estese.

Considerare prima di tutto i cavi in un progetto rimane la nostra posizione anche in fatto di fibra. Le vaste scelte disponibili per la fibra possono migliorare oppure ostacolare le prestazioni del miglior hardware ottico. Nei miei prossimi contributi tratterò connettività, trasmettitori e ricevitori. Come sempre, ogni componente del sistema contribuisce in maniera significativa alla larghezza di banda totale del sistema e, in ultima analisi, alle prestazioni.