Światłowody. Stos zalet i tylko nieco wad

Pracując przy nagłośnieniu czy oświetleniu, bądź grając w zespole muzycznym, kable i przewody są naszym nieodłącznym towarzyszem niedoli.

Nawet obecnie, gdy technika cyfrowa króluje w tej dziedzinie, gros połączeń realizowanych jest wciąż za pomocą miedzianych przewodów. Ale to nie jedyne medium, za pomocą którego można transmitować sygnały, szczególnie obecnie, w dobie cyfryzacji. Są jeszcze światłowody, które prezentują cały szereg zalet – szczególnie w porównaniu do tradycyjnych połączeń przewodowych – choć też i nie pozbawione są pewnych wad.

CO WIEMY O ŚWIATŁOWODACH

Większość profesjonalistów z branży live’owej (a także studyjnej) jest zaznajomiona z kilkoma zaletami, które oferuje światłowodowa transmisja wielokanałowego audio. Ci, którzy mieli okazję wykorzystywać transport światłowodowy na swoich koncertach (lub, bardziej prawdopodobnie, pracowali z zainstalowaną siecią światłowodową na miejscu u klienta), doświadczyli co najmniej jednej lub kilku z następujących korzyści:

– bezproblemowa obsługa długich połączeń od sceny do FOH (i innych, często dodatkowo rozsplitowanych miejsc, np. stanowiska nagraniowego albo wozu transmisyjnego), które można łatwo wydłużyć do 500 m lub więcej, bez żadnych strat ani pogorszenia jakości sygnału – włączając w to dopuszczalne wartości latencji,

– szybkie instalowanie światłowodowych multicore’ów, możliwe dzięki ich małej średnicy, nieodłącznej elastyczności i znacznie mniejszej wadze (nie wspominając o znacznych oszczędnościach w przestrzeni i kosztach transportu w porównaniu do konwencjonalnych kabli miedzianych). Kabel światłowodowy, nawet taki, który ma wiele włókien, jest o wiele mniejszy i lżejszy niż kabel lub przewód koncentryczny o przepustowości pozwalającej na przenoszenie podobnej porcji informacji (w stałych instalacjach światłowody wykorzystują znacznie mniejsze przeloty czy przestrzeń i są często instalowane bez rynienki),

– absolutnie żadnych interferencji ze strony systemu oświetleniowego, sieci energetycznych, systemów bezprzewodowych, „walkie-talkie” (odporność RFI) czy przypadkowych interferencji EMI (takich jak wyciągarki, silniki lub nawet zaniki napięcia w sieci).

– całkowita eliminacja problemów z uziemieniem systemu, wynikająca z braku potencjału elektrycznego w sygnale dostarczanym za pomocą światła.

Dodatkowo, oprócz tych wymienionych istotnych korzyści, w zakresie transportu i dystrybucja sygnału technika światłowodowa oferuje:

– dużą szerokość pasma/wysoką przepustowość – światłowód może przenosić dużo więcej informacji i dostarczać je z większą jakością niż miedziane przewody czy kable koncentryczne (włączając w to ekranowane i nieekranowane skrętki Cat5e i Cat6). Ponieważ szersze pasmo oznacza dużo większą przepustowość danych przesyłanych na dużo większe odległości niż miedziany kabel koncentryczny, światłowód jest idealnym nośnikiem dla transmisji różnego rodzaju zmiksowanych cyfrowych danych, takich jak wideo (również HD), interkom, sterowanie oświetleniem za pomocą DMX, dane MIDI, telefonia, jak również wszystkie powszechne komputerowe protokoły sieciowe, jak: Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP),

– duża odporność na zakłócenia zewnętrzne – z powodu swoich wrodzonych dielektrycznych właściwości światłowód jest zupełnie odporny na praktycznie wszelkiego rodzaju zewnętrzne ingerencje. Technika światłowodowa może wchodzić w bezpośredni kontakt z wyposażeniem zasilanym wysokim napięciem, a nawet energetycznymi liniami przesyłowymi, bez wpływania na zawartości sygnału. Kable światłowodowe są również wolne od wpływu zewnętrznych warunków atmosferycznych. Ponieważ jedynym medium przenoszonym przez włókno światłowodowe jest światło, nie ma możliwości iskrzenia przerwanych włókien (tak jak to ma miejsce w przewodach elektrycznych). Nawet w wybuchowej atmosferze nie ma zagrożenia pożarowego i niebezpieczeństwa porażenia elektrycznego,

– wyższy stopień zabezpieczenia – chociaż akurat nie jest to temat dotyczący systemów pro-audio, wspomnieć trzeba, że kabel światłowodowy jest idealny do ochrony systemów komunikacji, ponieważ jest bardzo trudny do podsłuchiwania, ale jednocześnie łatwy do monitorowania. W dodatku nie występuje żadne promieniowanie od światłowodu.

WYŻSZA JAKOŚĆ

Jeszcze kilkanaście lat temu technologia światłowodowa była zbyt nowoczesna (i zbyt droga!), aby mogła być wykorzystana w większości profesjonalnych aplikacji audio, szczególnie w systemach koncertowych. Kiedy po raz pierwszy pojawiła się technologia cyfrowego dźwięku, transport światłowodem był wciąż drogą propozycją, która była zarezerwowana dla integratorów wielkoskalowych, takich jak telefonia czy użytkowników specjalnych, takich jak wojsko, gdzie koszty grały rolę drugorzędną. Porównując z przewodami miedzianymi, światłowód jest także znany z tego, że jest trudny do wdrażania z powodu specjalnych narzędzi i umiejętności potrzebnych do wykonywania złączy w miniaturowych, czysto szklanych włóknach światłowodowych, które są mniejsze od średnicy ludzkiego włosa. Jednakże, tak jak we wszystkich cyklach technologicznych, technika światłowodowa wkroczyła również w procesy audio, łatwo integrując się z tradycyjnymi komponentami systemów live’owych lub stałych instalacji audio bądź wielomediowych.

Wraz z szybkim pojawieniem się w profesjonalnym audio całkowicie sieciowego „cyfrowego świata” cena światłowodu może, w pewnych okolicznościach, pokonać konwencjonalne miedziane okablowanie w wybranych zastosowaniach. Ostatnio pojawiły się również inne okoliczności, sprzyjające takiemu rozwojowi sytuacji: w ostatnich latach oczyszczony miedziany kruszec osiągnął wyjątkowo wysoką cenę handlową. Czynniki globalizacji, takie jak wysokie i równomierne wymagania na nowych rynkach (Chiny i Indie jako dwa przykładowe), spekulacje rynkowe i wstrzymanie dostaw, powodują pojawianie się coraz droższych produktów z dużą zawartością miedzi (chodzi o przewody i instalacje hydrauliczne) – i w wielu zastosowaniach – nie do utrzymania. Jak długo ceny miedzi będą pozostawały na wysokim poziomie lub dziko wahające się, nikt nie wie. Ale te niepewności powiązane z rzeczywistością nie są dobre dla protokołów audio.

Jedną z najbardziej istotnych korzyści używania techniki światłowodowej dla dystrybucji sygnału jest jej gwarantowana zgodność sygnału na całej ścieżce transmisyjnej. Czy na krótkie, czy na długie odległości sygnały audio, wideo i dane docierają do swojego celu z tak samo nieskazitelną jakością, jak oryginalne. Transport technologią światłowodową eliminuje zakłócenia, przesłuchy, zniekształcenia fazowe i nieliniowe. Dostarczanie sygnału na zasadzie punkt-punkt lub punkt-wiele punktów może zostać łatwo osiągnięte przy użyciu cyfrowej technologii światłowodowej. Topologie mogą być tak skomplikowane lub tak proste, jak tylko tego będzie wymagała sytuacja. Ponieważ zasadnicze pasmo sygnał audio nigdy nie jest przetwarzane podczas dystrybucji, sygnały nie będą poddawać się żadnym zniekształceniom podczas transmisji, które są powszechne w tradycyjnej technologii przesyłania opartej na przewodach miedzianych.

TAM I NAZAD

Następną zaletą światłowodu jest możliwość dwukierunkowego komunikowania się sygnałów wideo, audio i danych za pomocą jednego światłowodu (pełny duplex). Technika WDM (Wave Division Multiplexing) wykorzystuje jedną długość fali świetlnej do wysłania sygnału w jednym kierunku i inną długość fali w przeciwną stronę. Ścieżki światła nie interferują ze sobą wewnątrz światłowodu, są łatwo łączone, a następnie oddzielane na każdym końcu.

Nieodłączna wysoka przepustowość danych w światłowodzie jest uzyskiwana dzięki technologii zwanej Digital Multiplexing. Liczne sygnały wideo, audio lub/i danych mogą być łatwo łączone w jeden strumień o dużej objętości. Ten złożony strumień jest transmitowany jedną długością fali przez włókno. Na „odbieranym” końcu światłowodu proces jest odwracany i oryginalne sygnały są odzyskiwane i rozdzielane.

Jeszcze większa pojemność sygnału jest osiągana za pomocą systemu przesyłania i rozdzielania nowszej generacji. Nowy system T&D oferuje integrację zarówno systemów dźwiękowych, jak i instalacyjnych aż do 10 GHz transmisyjnej przepustowości pasma – w przeciągu kilku lat dostępne będą być może nawet większe przepływności. Przepustowość 10 GB/s zapewnia znacznie lepsze parametry, w szczególności od kiedy łączenie przesyłania wielu mediów za pomocą jednego łącza jest szybko nadchodzącą rzeczywistością.

System światłowodowy może transmitować wideo, audio i dane na o wiele większe odległości niż tradycyjne kable koncentryczne i skrętki. Dokładna odległość, która może być osiągnięta przez dowolny system światłowodowy, jest funkcją wielu czynników, włączając w to typ kabla, który został wykorzystany, częstotliwości transmisji sygnału optycznego, przepustowość światłowodu, a nawet liczba splotów i złącz wykorzystanych w całej ścieżce transmisyjnej. Pomimo tego że zestawianie sieci za pomocą taniego i wszechobecnego kabla Cat5 jest wybawieniem dla wielu aplikacji audio, w dalszym ciągu jest to jednak rozwiązanie oparte na miedzi i rzeczywista odległość, na jakiej może operować bez zauważalnej latencji lub degradacji sygnału, nie przekracza ok. 100-150 m. Nawet Ethernet Gigabitowy jest ograniczony w odległości przesyłu do mniej więcej tych samych wartości. Za pomocą switchy i wzmacniaczy sygnału można oczywiście wydłużać ten dystans, jednak każde takie urządzenie dorzuca swoje opóźnienie w propagacji sygnału i może grozić pogorszeniem jakości przesyłania w stosunku do podstawowego systemu (bez tego typu urządzeń).

Wiele systemów optycznej transmisji sygnału jest projektowanych do współpracy z jednym lub dwoma typami kabli światłowodowych: jedno- lub wielomodowymi. Szklany rdzeń w środku światłowodu jednomodowego jest cieńszy niż w wielomodowym i przeważnie ma średnicę 8-10 mikronów (milionowa część metra). Jest tak cienki, że tylko jeden „mod” światła może być transmitowany przez jego rdzeń. Z reguły światłowód jednomodowy może transmitować sygnały na większe odległości niż wielomodowy (20 km w porównaniu do 2 km wielomoda).

Światłowód z grubszym rdzeniem nazywa się wielomodowym. Ten typ kabla optycznego pozwala na przesyłanie jego rdzeniem wielu modów światła. Dwie bardzo powszechnie spotykane wielkości światłowodów wielomodowych to 62,5/125 i 50/125. Pierwsza liczba określa średnicę rdzenia (mierzoną w mikronach), a druga oznacza średnicę „płaszcza” – zewnętrznej powłoki, która otacza rdzeń i utrzymuje światło wewnątrz światłowodu.

Powszechną, acz błędną opinią dotyczącą światłowodów jest to, że są one bardzo delikatne (kruche). Obecnie światłowód z płaszczem PVC jest bardzo wytrzymały. Ma stosunkowo mały kąt ugięcia, mniejszy niż kabla Cat5/6. Ponieważ światłowody używają kevlaru jako części swojej konstrukcji, może on wytrzymać niejedno „pastwienie” się nad nim, bez groźby przerwania wewnętrznego włókna szklanego. Lekki, łatwy w użyciu, elastyczny i cienki – oto wrodzone cechy światłowodu, które sprawiają, że jest on idealny w zastosowaniach live.

Dla tych, którzy potrzebują jeszcze większej jego niezawodności w swoich aplikacjach, dostępny jest też taktyczny światłowód o jakości „militarnej”. Może być on umieszczony niemalże wszędzie, wciśnięty w prawie każdą szparę czy szczelinę lub podwieszony wysoko, tak więc może być praktycznie niewidoczny dla widzów. Niezależnie od tego, czy będziemy go zginać, rozciągać, czy zgniatać, światłowód taktyczny jest w stanie wytrzymać jeszcze większe naprężanie i zgniatanie niż występujące w tradycyjnych sytuacjach.

Nadszedł więc czas, aby myśleć o światłowodach w kontekście znacznie szerszym niż tylko jako rozwiązaniu pozwalającym przysyłać sygnał na większe odległości. Spójrzmy na nie jako prostsze rozwiązanie skomplikowanych problemów, a także jako znacznie pewniejsze połączenie, biorąc pod uwagę systemy dystrybucji i przesyłu optycznego najnowszej generacji, specjalnie projektowane tak, aby spełniać wymagania przemysłu IT i multimedialnego.

Armand Szary