محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری

محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری:

همانند “فتوفون” بل، هدف فیبر نوری تبدیل سیگنال به نور، انتقال نور به فاصله‌ای معین، و سپس بازسازی سیگنال اولیه از نور است. تجهیزاتی که این فرآیند را انجام می‌دهند، باید با مشکلاتی مشابه آنچه بل با آن‌ها مواجه بود روبه‌رو شوند؛ البته با این تفاوت که امروزه داده‌های بیشتری را باید در مسافت‌های بسیار طولانی‌تری حمل کنند.

در این مقاله با اجزای پایه‌ای که سیگنال نوری را ارسال، دریافت و منتقل می‌کنند آشنا می‌شوید. همچنین می‌آموزید که چگونه:

• مقدار دسی‌بل تضعیف یا تقویت توان را محاسبه کنید
• تضعیف یا تقویت توان را از روی مقدار دسی‌بل محاسبه کنید
• با استفاده از قواعد تقریبی دسی‌بل، مقدار تقویت یا تضعیف توان را به‌دست آورید
• dBm را به مقدار واقعی توان تبدیل کنید
• مقدار توان را به dBm تبدیل کنید

---

لینک فیبر نوری (مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

«لینک» مسیری برای انتقال بین دو نقطه است که از نوعی کابل عمومی استفاده می‌کند. این مسیر شامل مکانیزمی برای تزریق سیگنال به کابل و روشی برای دریافت آن در انتهای دیگر به‌صورت مفید است.

هر زمان که سیگنالی را از یک نقطه به نقطه‌ای دیگر از طریق سیم ارسال کنیم، در حال استفاده از یک لینک هستیم. به‌عنوان مثال، یک اینترکام ساده شامل ایستگاه فرستنده (که صدا را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند)، سیمی که این سیگنال را منتقل می‌کند، و ایستگاه گیرنده (که سیگنال الکتریکی را مجدداً به صدا تبدیل می‌کند) است.

لینک‌ها معمولاً از منظر توانایی ارسال و دریافت سیگنال در سیستم‌های ارتباطی توصیف می‌شوند. از این دیدگاه، آن‌ها به دو نوع تقسیم می‌شوند: ساده (Simplex) و دوطرفه (Duplex).

• Simplex یعنی لینک فقط در یک طرف فرستنده دارد و در طرف دیگر فقط گیرنده است. مثلاً سیگنال ایستگاه رادیویی فقط در یک جهت منتقل می‌شود.
• Duplex یعنی در هر دو سر لینک، فرستنده و گیرنده وجود دارد.
  • در حالت نیمه‌دوطرفه (Half-Duplex)، ارسال و دریافت فقط به‌صورت نوبتی انجام می‌شود (مثلاً سیستم‌های اینترکام).
  • در تمام‌دوطرفه (Full-Duplex)، ارسال و دریافت هم‌زمان انجام می‌شود (مثلاً تلفن).

تعریف واژه “لینک” در استانداردهای مختلف، متفاوت است. در ادامه چند تعریف متداول آمده است:

• ARINC Report 805: کابل فیبر نوری با کانکتورهایی که به فرستنده (منبع) و گیرنده (آشکارساز) متصل می‌شوند.
• ANSI/TIA-568-C: مسیر انتقال بین دو نقطه بدون در نظر گرفتن تجهیزات و کابل‌های متصل‌شده.
• IEEE Std 802.3-2012: مسیر انتقال بین دو رابط در کابل‌کشی عمومی.

---

شکل ۲٫۱: لینک فیبر نوری

در این شکل اجزای زیر نمایش داده شده:

• فرستنده که سیگنال الکتریکی را به نور تبدیل می‌کند
• گیرنده که نور را دریافت و مجدداً به سیگنال تبدیل می‌کند
• فیبر نوری که نور را حمل می‌کند
• کانکتورها که فیبر نوری را به فرستنده و گیرنده متصل می‌کنند

---

فرستنده

فرستنده (شکل ۲٫۲) سیگنال الکتریکی را به نور تبدیل می‌کند تا از طریق فیبر نوری منتقل شود. منبع این سیگنال می‌تواند رایانه، صدای تلفن، یا داده‌های یک حسگر صنعتی باشد.

---

شکل ۲٫۲: فرستنده فیبر نوری

• ورودی: سیگنال الکتریکی
• خروجی: انرژی نوری

---

گیرنده

گیرنده یک دستگاه الکترونیکی است که انرژی نوری را از فیبر نوری جمع‌آوری کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند؛ سپس این انرژی به فرم اولیه‌اش بازمی‌گردد (شکل ۲٫۳). معمولاً شامل یک فوتودیود برای تبدیل نور به برق و مدارهایی برای تقویت و پردازش سیگنال است.

---

شکل ۲٫۳: گیرنده فیبر نوری

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

• ورودی: انرژی نوری
• خروجی: سیگنال الکتریکی

---

فیبر نوری (مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

فیبرهای نوری نور را از فرستنده به گیرنده منتقل می‌کنند. فیبر ممکن است از شیشه یا پلاستیک ساخته شده باشد، بسته به کاربرد مورد نظر. مزیت استفاده از فیبر نوری در مقایسه با انتقال نور در هوا، توانایی هدایت نور در مسیرهای خمیده و در مسافت‌های بسیار طولانی است.

قطر هسته بیشتر فیبرهای نوری بین ۸ تا ۶۲.۵ میکرون است. برای مقایسه، قطر موی انسان حدود ۱۰۰ میکرون است. لایه cladding (روکش) که هسته را احاطه کرده، معمولاً ۱۲۵ میکرون قطر دارد. یک لایه پوششی هم برای محافظت در برابر خراش روی روکش قرار دارد که معمولاً نصف قطر روکش ضخامت دارد و کل قطر فیبر را به حدود ۲۵۰ میکرون می‌رساند.

حتی با وجود این پوشش، فیبر نوری بسیار باریک‌تر و سبک‌تر از کابل‌های مسی است (شکل ۲٫۴) و حجم داده‌های بسیار بیشتری را حمل می‌کند.

---

شکل ۲٫۴:(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

 مقایسه کابل مسی (بالا) و کابل فیبر نوری (پایین)

---

کانکتورها

کانکتورها به انتهای فیبر نوری و کابل متصل می‌شوند و امکان اتصال فیبر به فرستنده یا گیرنده را فراهم می‌کنند. فرستنده یا گیرنده‌ها معمولاً یک سوکت (receptacle) دارند که کانکتور در آن قفل می‌شود تا اتصال دقیقی بین فیبر و اجزای نوری داخلی برقرار گردد.

کانکتور باید انتهای فیبر را به‌دقت با منبع نور یا فوتودیود تراز کند تا کمترین افت سیگنال را داشته باشیم.
شکل ۲٫۵: (مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

دسی‌بل (dB)

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

هنگامی‌که نور از منبع خود در طول لینک حرکت می‌کند، بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهد. این کاهش انرژی می‌تواند به دلایل مختلفی رخ دهد، مانند جذب یا پراکندگی نور توسط ناخالصی‌های موجود در فیبر، یا جذب نور توسط پوشش فیبر پس از عبور از هسته و روکش.

توانایی اندازه‌گیری میزان از دست رفتن انرژی نوری در یک لینک فیبر نوری اهمیت زیادی دارد. دانستن مقدار افت توان به ما کمک می‌کند تا بتوانیم میزان انرژی نوری‌ای را که به تجهیزات گیرنده می‌رسد، پیش‌بینی کنیم. این تجهیزات برای تبدیل دقیق انرژی نوری به سیگنال اصلی، به حداقل مقدار مشخصی از انرژی نور نیاز دارند. همچنین، درک نحوه و محل افت توان نوری در لینک، هنگام عیب‌یابی بسیار مفید است.

یکی از رایج‌ترین اصطلاحات هنگام بررسی کیفیت سیگنال در فیبر نوری، دسی‌بل (dB) است. دسی‌بل در اصل برای اندازه‌گیری شدت صدا آن‌طور که گوش انسان درک می‌کند به‌کار می‌رفت. نام آن به معنای «یک‌دهم بل» است.

بل (Bel) واحد اندازه‌گیری صداست و به افتخار مخترع تلفن، الکساندر گراهام بل، نام‌گذاری شده است.

---

محاسبه افت توان یا تقویت توان با دسی‌بل

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

دسی‌بل برای بیان افت یا تقویت توان نسبت به یک مقدار مرجع مشخص به‌کار می‌رود. در فیبر نوری، دسی‌بل معمولاً برای توصیف توان نوری (که همان قدرت سیگنال است) استفاده می‌شود. این توان معمولاً با استفاده از پاورمتر نوری (OPM) اندازه‌گیری می‌شود. جزئیات بیشتر در مورد استفاده از OPM در فصل ۱۴ (تجهیزات تست و آزمایش لینک/کابل) آمده است.

در دهه ۱۹۶۰، هدف از توسعه فیبر نوری، رسیدن به افت سیگنال ۲۰ دسی‌بل بر کیلومتر بود تا بتوان آن را برای ارتباطات عملی ساخت. افت ۲۰ دسی‌بل به این معناست که تنها ۱٪ از توان اولیه سیگنال باقی می‌ماند.

امروزه فیبر نوری‌های مدرن افت سیگنال بسیار کمی دارند و در بسیاری از لینک‌های فیبر نوری نیازی به تقویت‌کننده نیست. دسی‌بل واحد استانداردی برای بیان افت توان در تمام لینک‌های فیبر نوری است. در لینک‌هایی که طول زیادی دارند، دسی‌بل همچنین برای بیان مقدار تقویت سیگنال توسط تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود.

برای محاسبه مقدار دسی‌بل (افت یا تقویت توان نوری)، از رابطه زیر استفاده می‌شود:

dB = 10 × log10(Pout ÷ Pin)

برای مثال، اگر فرستنده توان ۱۰ میکرووات (μW) را به فیبر نوری وارد کند و گیرنده تنها ۳ میکرووات دریافت کند، چون هر دو مقدار به یک واحد هستند، مستقیماً می‌توان در فرمول قرار داد:

dB = 10 × log10(3 ÷ 10)

dB = 10 × log10(0.3)

dB = –5.23

چون عدد منفی است، نشان‌دهنده افت است. در گزارش افت، علامت منفی را حذف می‌کنیم:

افت = ۵٫۲۳ دسی‌بل

---

در بسیاری از کاربردهای فیبر نوری نیازی به تقویت سیگنال نیست، اما در فواصل طولانی ممکن است تقویت ضروری باشد. اگر توان ورودی و خروجی تقویت‌کننده معلوم باشد، می‌توان میزان تقویت را نیز با همین فرمول محاسبه کرد.

مثال:(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

اگر توان ورودی یک تقویت‌کننده ۱ μW و توان خروجی آن ۲۳ μW باشد:

dB = 10 × log10(23 ÷ 1)

dB = 10 × log10(23)

dB = 13.6

تقویت = ۱۳٫۶ دسی‌بل

---

تبدیل دسی‌بل به نسبت توان

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

اگر مقدار دسی‌بل را داشته باشیم و بخواهیم نسبت توان ورودی به خروجی را به‌دست آوریم، باید فرمول را به‌صورت زیر بازنویسی کنیم:

(Pout ÷ Pin) = 10^(dB ÷ 10)

برای مثال، اگر طول یک فیبر نوری افت ۳٫۵ دسی‌بل داشته باشد:

Pout ÷ Pin = 10^(–3.5 ÷ 10)

Pout ÷ Pin = 10^(–0.35)

Pout ÷ Pin ≈ 0.447

اگر یکی از توان‌ها را بدانیم، می‌توانیم دیگری را محاسبه کنیم. فرض کنید توان ورودی ۱۳ میلی‌وات باشد:

Pout ÷ 13 = 0.447

Pout = 0.447 × 13

Pout ≈ 5.8 میلی‌وات

---

منابع افت سیگنال

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

افت یا تضعیف سیگنال ممکن است در هر نقطه‌ای از لینک رخ دهد. علاوه بر افت در خود فیبر نوری، اجزایی مانند کانکتورها، جوش‌ها (splices) و خمیدگی‌ها در کابل فیبر نوری نیز می‌توانند باعث افت سیگنال شوند—گاهی اوقات به میزان قابل توجه.

---

بیان دسی‌بل به‌صورت درصد

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

در محاسبه افت یا تقویت توان سیگنال، دسی‌بل بر پایه توان اولیه بیان می‌شود، نه به‌صورت یک عدد مطلق. برای مثال:

• افت ۰٫۱ dB یعنی حدود ۹۷٫۷٪ از توان سیگنال باقی مانده است.

فرمول تبدیل dBm به توان

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

فرمول تبدیل dBm به توان به‌صورت زیر است:

dBm = 10 × log₁₀ (P ÷1mw)

این معادله مشابه معادله‌ای است که برای محاسبه دسی‌بل از توان ورودی و خروجی استفاده می‌شود، با این تفاوت که در اینجا توان مرجع همواره ۱ میلی‌وات در نظر گرفته شده است.

بیایید این معادله را برای محاسبه توان نوری از یک مقدار dBm به‌کار ببریم. در این مثال، پاورمتر مقدار –۱۱ dBm را نشان می‌دهد. برای محاسبه توان به وات، معادله به‌صورت زیر نوشته می‌شود:

–11 = 10 × log₁₀ (P ÷ 1mW)

–1.1 = log₁₀ (P ÷ 1mW)

P ÷ 1mW = 0.0794

P = 0.0794 × 1mW

P = 0.0794 میلی‌وات

---

تبدیل توان به dBm

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

همچنین می‌توانیم یک مقدار توان را به dBm تبدیل کنیم. به یاد داشته باشید که در واحد dBm، مقادیر زیر ۱ میلی‌وات منفی هستند و مقادیر برابر یا بیشتر از ۱ میلی‌وات مثبت خواهند بود.

فرمول تبدیل توان به dBm نیز به‌صورت زیر است:

dBm = 10 × log₁₀ (P ÷ 1mW)

مثال:

اگر مقدار توان نوری برابر ۱۰ میکرووات (μW) باشد:

i

dBm = 10 × log₁₀ (10μW ÷ 1mW)

dBm = 10 × log₁₀ (0.01)

dBm = 10 × (–2)

dBm = –20

در نتیجه، توان برابر 20- dBm است.

درستی این پاسخ را می‌توان با مراجعه به ستون اول جدول ۲٫۴ نیز بررسی کرد.

---

گم‌شدن در بین افت‌ها

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

گاهی اوقات ممکن است اصطلاحات dB و dBm را به اشتباه به جای یکدیگر استفاده کنید این اشتباه برای همه پیش می‌آید. نکته مهم این است که:

• افت و تقویت با واحد dB بیان می‌شوند (یعنی تغییرات نسبی).
• توان مطلق با واحد dBm بیان می‌شود (یعنی نسبت به ۱ میلی‌وات).

اگر بگویید یک لینک افت ۷ dBm داشته، در واقع دارید می‌گویید لینک ۵ میلی‌وات از دست داده—در حالی که احتمالاً منظور شما این بوده که ۸۰٪ انرژی کاهش یافته، که باید با dB بیان می‌شد، نه dBm.

---

 

خلاصه

(مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)

در (مقاله محاسبه توان و افت سیگنال در فیبر نوری)، اجزای پایه‌ای که وظیفه ارسال، دریافت و انتقال سیگنال نوری را دارند، مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، مفهوم دسی‌بل (dB) معرفی شد و کاربرد آن برای بیان افت یا تقویت توان نسبت به یک مقدار مرجع شرح داده شد. علاوه‌ بر این، مفهوم توان مطلق نیز توضیح داده شد، زمانی که دسی‌بل بر مبنای ۱ میلی‌وات سنجیده می‌شود یعنی dbm