Урок на тему "Середовище передачі даних - оптоволокно"

Тема. Середовище передачі даних – оптоволокно.

Мета:

•    навчальна: ознайомити учнів із поняттям, призначенням, будовою оптоволоконного каналу зв’язку, навести технічні та фізичні параметри оптоволокна, розглянути типи та області застосування оптоволоконного кабелю;
•    розвиваюча: розвивати інтерес до обраної професії, вміння спілкуватись, увагу, пам’ять, розвивати кругозір учнів, стимулювати їх до самостійного пошуку додаткової інформації по темі;

•    виховна: виховувати в учнів культуру роботи з мережевим середовищем, сприяти досягненню ситуації успіху кожного співучасника навчального процесу та його максимальної самореалізації.

Тип уроку: комбінований.

Форми роботи: індивідуальна, колективна.

Засоби: комп'ютер, проектор, екран, роздатковий матеріал, презентація, зразки оптоволоконного кабелю, конвертер, штучна ялинка на основі оптоволоконних технологій.

 

Структура уроку:

І. Організаційний момент.

1. Перевірка присутності учнів на уроці.
2. Мотивація теми уроку.
3. Повідомлення теми і мети уроку (мал.1).

Мал.1 Титульний слайд презентації

ІІ. Актуалізація знань учнів (мал.2-7).

  Знайти помилку в реченні:

1. Комп’ютерна мережа – це сукупність робочих станцій, з’єднаних між собою каналами зв’язку і призначених для обміну даними та використання спільними ресурсами.
2. Комп’ютерна мережа складається з маршрутизаторів, каналів зв’язку та ЕОМ.
3. Середовище передачі даних – це ЕОМ, які забезпечують передачу інформації в мережі.
4. На основі безпровідних каналів зв’язку побудовані такі мережеві архітектури як WI-FI та 100VG-AnyLan.
5. Середовище витої пари є значно складнішим при обжимі та прокладанні в мережі.

Мал..2 Слайд презентації «Актуалізація знань»

 

Мал.3 Слайд презентації «Актуалізація знань»

Вставити пропущені слова:

1. Протокол – це правила, які встановлюють формат і процедури обміну інформацією між двома або декількома пристроями.
2. Топологія – це фізичне розміщення комп’ютерів у мережі.
3. Середовище даних коаксіальний кабель використовується в мережевих архітектурах типу Ethernet та ArcNet.
4. Канали зв’язку поділяють на провідні та безпровідні.
5. Екранування каналів зв’язку призначене для забезпечення кращої завадостійкості при роботі в мережі.

Мал.4 Слайд презентації «Актуалізація знань»

Мал.5 Слайд презентації «Актуалізація знань»

 

 Визначити «так» чи «ні»:

1. Робоча станція – це ЕОМ, яка бере участь в процесі обміну інформацією, проте не управляє процесом передачі даних.                                             так
2. Напівдуплексний канал передбачає передачу даних в обох напрямках одночасно.     ні
3. До провідних каналів зв’язку відносять виту пару, коаксіальний кабель та оптоволоконний кабель.                             так
4. Коаксіальний кабель оснований на мідному провіднику, по якому передається світловий імпульс.                                            ні
5. Вита пара – це скручені попарно ізольовані мідні провідники у єдиній оболонці для передачі електричного сигналу.  так

Мал.6 Слайд презентації «Актуалізація знань»

Мал.7 Слайд презентації «Актуалізація знань»

ІІІ. Пояснення нового матеріалу.

План:

1. Поняття, призначення та будова оптоволоконного кабелю.
2. Фізичні та технічні параметри оптоволоконного кабелю.
3. Типи оптоволоконного кабелю.
4. Переваги та недоліки оптоволоконного кабелю.
5. Області застосування оптоволоконного кабелю.

Вчений Жан Колладон вперше описав «світловий фонтан» чи «світлову трубку» в 1842 р.

Вперше оптоволокно було застосовано в Західній Європі наприкінці ХІХ– початок ХХ ст. Особливої популярності застосування оптоволокно набуло на початку ХХІ ст. в зв’язку із збільшення попиту в медичній та телевізійній сферах (мал.8).

Рис.8 Слайд презентації «Головне меню»

1. Поняття, призначення та будова оптоволоконного кабелю.

Оптоволоконний (волоконно-оптичний) кабель – це тип кабельного середовища передачі даних, який складається з оптичного світловоду, захисних покриттів та маркованої кольорової оболонки (мал.9).

Інформація по цьому кабелю передається не електричним, а світловим сигналом.

Головний елемент – це прозоре скловолокно, по якому світло проходить на великі (десятки кілометрів) відстані з незначним послабленням.

Мал. 9.  Структура оптоволоконного кабелю

1. Оптичний світловод (тонке скловолокно): діаметр - 8 µm
2. Скляна або пластикова оболонка: діаметр - 125 µm
3. Буфер: діаметр - 250 µm
4. Обшивка: діаметр - 400 µm

Структура оптоволоконного кабелю схожа на структуру коаксіального електричного кабелю (мал. 10). Замість центрального мідного провідника тут використовується тонке скловолокно (1), а замість внутрішньої ізоляції - скляна або пластикова оболонка (2), яка не дозволяє світлу виходити за межі скловолокна.

Мал.10 Слайд презентації «Будова кабелю»

У даному випадку відбувається процес повного внутрішнього відбиття світла від границі двох речовин з різними коефіцієнтами переломлення (в скляній оболонці коефіцієнт переломлення значно нижчий, ніж у центральному волокні). Металеве обплетення кабелю зазвичай відсутнє, так як кабель стійкий до зовнішніх електромагнітних випромінювань, тому й екранування тут не потрібне.

Однак, інколи його все-таки застосовують для механічного захисту від навколишнього середовища (такий кабель іноді називають броньовим, він може поєднувати під одною оболонкою декілька оптоволоконних кабелів).

Застосовують оптоволоконний кабель тільки в мережах з топологією зірка і кільце.

2. Фізичні та технічні параметри оптоволоконного кабелю.

Фізичні параметри оптоволоконного кабелю

1. Стійкість до електромагнітних перешкод.
2. Хімічна стійкість.
3. Смуга пропускання –  10¹² Гц.  Тому в такому середовищі сигнал можна передавати із частотою 10²² Тбіт/с.
4. Швидкість передачі може бути збільшена вдвічі за рахунок того, що передача може відбуватися паралельно у двох напрямках.
5. Частотне ущільнення по лініям зв’язку – передача різних сигналів на різні довжини хвиль.
6. Дуже мале затухання світлового сигналу.

Технічні параметри оптоволоконного кабелю

1. Основа оптоволокна – кварц, найпоширеніший матеріал у природі, дешевший за мідь.
2. Довгий термін експлуатації – 25 років.
3. Порівняно невеликий діаметр – 100 мікрон та мала вага, можуть використовуватися в авіації, приладобудуванні, кабельній техніці.
4. Можливість вбудови оптоволокна у високовольтні лінії.
5. Можливість збільшувати пропускну спроможність мережі.
6. Постійний контроль цілісності мережі (можливість «прослуховування» без шкоди для мережі).

3. Типи оптоволоконного кабелю.

Перед тим, як ми з вами розглянемо які ж існують типи оптоволоконного кабелю, давайте з’ясуємо, що ж таке моди (мал.11,14).

Мал.11 Слайд презентації «Типи кабелю»

Мал. 12.  Поширення світла в одномодовому кабелі

Отже, мод – це набір променів, які входять під різними кутами в оптоволокно.

Існують два різних типи оптоволоконного кабелю:

1. Одномодовий – поширюється тільки один набір променів. Більш дорогий, але має кращі характеристики в порівнянні з багатомодовим.
2. Багатомодовий або мультімодовий кабель – підтримується декілька мод. Більш дешевий, проте менш якісний.

Різниця між цими двома типами полягає в різних режимах проходження світлових променів по кабелю.

В одномодовому кабелі практично всі промені проходять той самий шлях, у результаті чого вони досягають приймача одночасно, і форма сигналу майже не спотворюється (мал. 12). Дисперсія й втрати сигналу при цьому дуже незначні, що дозволяє передавати сигнали на значні відстані. Для одномодового кабелю застосовуються лазерні прийомо-передавачі, які використовують світло винятково з необхідною довжиною хвилі.

Мал. 13.  Поширення світла в багатомодовому кабелі

У багатомодовому кабелі траєкторії світлових променів мають помітний розкид, у результаті чого форма сигнала на прийомному кінці кабелю спотворюється (мал. 13). Центральне волокно має діаметр 62,5 мкм, а діаметр зовнішньої оболонки 125 мкм (це іноді позначається як 62,5/125). Для передачі використовується звичайний (не лазерний) світлоодіод, що знижує вартість і збільшує термін експлуатації прийомо-передавачів у порівнянні з одномодовим кабелем. Припустима довжина кабелю становить 2-5 км. Багатомодовий кабель – це основний тип оптоволоконного кабелю в наш час, тому що він дешевий та доступний.

Рис.14 Слайд презентації «Типи кабелю»

4. Переваги та недоліки оптоволоконного кабелю.

Висока складність монтажу (при установці роз’ємів необхідна мікронна точність, від точності відколу скловолокна та ступеня його полірування сильно залежить загасання в роз’ємах) (мал.15).

Для встановлення роз’ємів застосовують зварювання або склеювання за допомогою спеціального гелю, який має такий самий коефіцієнт переломлення світла, що й скловолокно. У кожному разі для цього потрібна висока кваліфікація персоналу й спеціальні інструменти.

Також треба пам'ятати, що використання оптоволоконного кабелю вимагає спеціальних оптичних приймачів і передавачів, що перетворять світлові сигнали в електричні і навпаки, що часом істотно збільшує вартість мережі в цілому.

Оптоволоконні кабелі допускають розгалуження сигналів (для цього виробляються спеціальні пасивні розгалужувачі (couplers) на 2-8 каналів), але, як правило, їх використовують для передачі даних тільки в одному напрямку, між одним передавачем і одним приймачем, адже будь-яке розгалуження неминуче сильно послабляє світловий сигнал, і якщо розгалужень буде багато, то світло може просто не дійти до кінця мережі.

Оптоволоконний кабель менш міцний і гнучкий, ніж електричний. Погано переносить кабель і механічне розтягання, а також різноманітні натискання.

Чутливий оптоволоконний кабель і до іонізуючих випромінювань, через які знижується прозорість скловолокна, тобто збільшується загасання сигналу. Різкі перепади температури також негативно позначаються на ньому, скловолокно може тріснути.

Мал.15 Слайд презентації «Переваги та недоліки»

5. Області застосування оптоволоконного кабелю.

Оптоволокно широко використовується для освітлення, наприклад, як світлопроводи в медичних і інших цілях, де яскраве світло необхідно доставити у важкодоступну зону (рис. 16).

У деяких будівлях оптоволокно використовується для позначення маршруту з даху в яку-небудь частину будівлі.

Оптоволоконне освітлення використовується і в декоративних цілях, включаючи комерційну рекламу, мистецтво і штучні ялинки.

Також оптоволокно використовується для формування зображення. Когерентний пучок, що створюється оптоволокном, іноді використовується разом з лінзами – наприклад, в ендоскопі, який використовується для проглядання об'єктів через маленький отвір.

 

Мал.16 Слайд презентації «Застосування оптоволокна»

IV. Закріплення матеріалу (мал.17):

Тестове завдання:

1. Оптоволоконний кабель відноситься до:
   1.   Кабельного середовища передачі даних;
   2.   Безпровідного середовища передачі даних.
2. Центральним елементом в оптоволоконному кабелі є:
   1.   Мідний провідник;
   2. Оптичний світловод;
   3.   Два або більше скручених попарно мідних провідників.
3. Інформація по кабелю передається:

1. Електричним сигналом;
2. Як електричним, так і світловим сигналом;
3. Тільки світловим сигналом.

4.  Оптоволоконний кабель застосовують у топологіях типу:

1. Зірка;
2. Шина;
3. Кільце.

5.  Мережеві архітектури на основі оптоволокна – це:

1. FDDI;
2. Ethernet, Fast Ethernet;
3. WI-FI;
4. AppleTalk та ArcNet.

6.  Оптоволоконний кабель характеризується:

1. Незначним коефіцієнтом затухання сигналу;
2. Великим значенням коефіцієнта затухання сигналу.

7.  Для одномодового волокна характерним є:

1. Застосування лазерних прийомо-передавачів;
2. Спотворення форми сигналів на виході;
3. Можливість передавання сигналів на значні відстані.

8.  Для багатомодового волокна характерним є:

1. Рух променів світла під різними кутами;
2. Простота та дешевизна конструкції;
3. Використання тільки в мережевій архітектурі FDDI.

9. До переваг оптоволоконного кабелю відносять:

1. Низька гнучкість кабелю;
2. Чутливість до іонізуючого випромінювання;
3. Велика швидкість;
4. Можливість передачі даних на великі відстані.

Мал.17 Слайд презентації «Закріплення»

V. Підведення підсумків уроку.

VI. Виставлення оцінок, їх обґрунтування.

VII. Домашнє завдання.  

• Вивчити матеріал із використанням ЕНМК «Проектування, монтаж та обслуговування апаратного забезпечення ІКМ» (поурочні плани → тема «Мережеве середовище» - урок «Середовище передачі – оптоволокно»).
• Використовуючи мережу Інтернет, знайти інші сфери застосування оптоволокна.

Мал. 18 Робота учнів на уроці теоретичного навчання