Power over Fiber (POF) – גם סיב יכול...
מאת: צבי שחם, 28.10.13, 21:00
 
הטכנולוגיה הנקראת Power over Fiber – POF מנצלת את העובדה, שהאות העובר בסיב אופטי הוא בעצם צורה של אנרגיה, שאפשר להמירה לצורה אחרת בצד הקולט. היתרונות של יישום זה הם רבים.
  
פתרונות להעברת הספק חשמלי על קווי תקשורת קיימים מזה זמן רב, והם מאפשרים הזנת מתח לאלמנטים רחוקים, כגון: מצלמות, טלפוני IP, נתבי WiFi, סנסורים אקטיביים ועוד. בכל המקרים האלה נמנע הצורך בחיבור קו חשמל נפרד לאלמנט, וההספק החשמלי מועבר ביחד עם הנתונים על אותו הכבל.
 
היישום הנפוץ והוותיק ביותר הוא Power Over Ethernet (POE), הקיים כבר למעלה מ-10 שנים. התקן המקורי  IEEE 802.3af-2003  מאפשר לספק כ-13 וואט לכל אלמנט במתח ישר של 37 עד 57 וולט וזרם של עד 350 מיליאמפר, למרחק עד 100 מטר. התקן המעודכן IEEE 802.3at-2009 (הנקרא גם POE+) מאפשר אספקת למעלה מ- 25 וואט לכל אלמנט במתח של 42 עד 57 וולט וזרם של עד 600 מיליאמפר.
 
יישום נפוץ נוסף הוא ממשק USB הנמצא כיום במגוון ציודים, כולל מחשבים, מצלמות, טלוויזיות, מכוניות, ועוד. גם ממשק זה מעביר נתונים והספק חשמלי על אותו כבל, אלא שבמקרה זה הכבל מאד קצר (לא יותר מ-5 מטר) וההספק החשמלי מאד נמוך – פחות מ- 2.5 וואט.

ממשק דומה, אך נפוץ פחות, הוא IEEE 1394 (FireWire) המסוגל לספק כ- 45 וואט למרחק של 4.5 מטר בלבד.
 
פתרונות נוספים שכבר נותחו בהרחבה באתר זה הם:

• Thunderbolt (המספק עד 10 וואט לכל ממשק ונתונים בקצב עד 20 Mbps), שתואר בכתבה כאן.
• HDBaseT (מעביר הספק עד 100 וואט, אות וידיאו בקצב עד 10 Gbps, וכן אותות אתרנט, שמע ובקרה, שתואר בכתבות כאן וכאן.
• Power Line Communication (PLC), התומך בהעברת נתונים על קווי חשמל - פעולה הפוכה לכל הטכנולוגיות שתוארו לעיל.

 
יישומים אחרים שראוי להזכיר בהקשר זה הם:

• מפצל POE (POE Splitter) המחובר מצד אחד לממשק POE סטנדרטי, ומצד שני מספק ממשקי אתרנט וחשמל נפרדים. פתרון זה יעיל כאשר האלמנט המרוחק אינו תומך בממשק POE, וזקוק לאספקת כוח בכבל חשמלי רגיל. ציור 1 מתאר מפצל כזה, עם מגוון ממשקים חשמליים המסופקים לפי הצורך.

 
ציור 1: מפצל (POE (POE Splitter


 

• מרחיק (POE (PoE Extender over Hybrid Fiber: כאן משתמשים בכבל אופטי הייברידי, הכולל זוג סיבים אופטיים המזוודים ביחד עם זוג חוטי נחושת. הנתונים משודרים על הסיב האופטי, ובמקביל מועבר ההספק החשמלי על זוג חוטי הנחושת. המערכת המתוארת בציור 2 (מתוצרת חברת Level One הגרמנית) מסוגלת להזין כ- 40 וואט למצלמת IP POE (או כל אלמנט אחר) למרחק של 1 ק"מ.

 
ציור 2: מרחיק POE

 
האפשרות להעביר הספק חשמלי על סיבים אופטיים נבדקה אף היא בשנים האחרונות במכוני מחקר ומעבדות שונות, אך מוצרים מסחריים הגיעו רק לאחרונה לשוק. הטכנולוגיה הנקראת Power over Fiber (POF) מנצלת את העובדה, שהאות העובר בסיב אופטי הוא בעצם צורה של אנרגיה, שאפשר להמירה לצורה אחרת בצד הקולט. היתרונות של יישום זה הם רבים:

• בטיחות – הסיב אינו מוליך חשמלי ולכן הוא יותר בטוח בסביבה של קרינה אלקטרומגנטית. אפשר להתקינו ליד קווי מתח, מתקני MRI, משדרים ואלמנטים קורנים אחרים וכן אין בו סכנה של פגיעה ע"י ברק.
• משקל – כבל אופטי הוא קל ודק בהרבה מכבל נחושת, במיוחד כבל מתכתי הנועד להעברת מתח גבוה.
• הפרעות הדדיות – כבל אופטי אינו מוליך ולכן אינו גורם לכל סוג של הפרעות הדדיות מסוג RFI/EMI. לעומתו כבל חשמלי יכול לפעול כאנטנה וירטואלית, לשדר מידע לסביבה, או לקלוט הפרעות מהסביבה.
• רוחב סרט – לסיב אופטי יש רוחב סרט גבוה בהרבה מזה של כבל נחושת, והוא פועל בטווחים מאד רחוקים.

 
מול כל היתרונות הנ"ל יש ליישום בסיבים חסרון ידוע והוא – המחיר. כאן יש יתרון לחוטי הנחושת, אם כי הוא מצטמצם במרוצת השנים.
 
עקרון הפעולה של טכנולוגיית POF מתואר בציור 3: משדר Laser מעביר לסיב האופטי אנרגיה בשיעור של עד 5 וואט (בדוגמה זאת), המתפשטת לאורך הסיב עד לטווח של כ-10 ק"מ, והופכת בצד השני להספק חשמלי בעצמה של כ-1 וואט ע"י ממיר פוטו-וולטאי (PPC). 
 
ציור 3: עקרון פעולת POF


 
ציור 4 מתאר מוצרי POF שכבר קיימים בשוק (מתוצרת JDSU). בצד השמאלי מתואר מודול POF המסוגל להעביר עד 1 וואט על סיב אופטי באורך של כחצי ק"מ. הממיר הפוטו-וולטאי (PPC) בקצה המודול ניתן להתאמה לממשקים אופטיים שונים (ST או FC) וכן למתחי DC שונים – 4, 6 או 12 וולט.
 
ציור 4: מוצרי POF


 
כאמור, יישומי POF הם רבים ושונים ומטרתם העיקרית היא לאפשר חיבור אלמנטים רחוקים ללא צורך באספקת חשמל ותוך הימנעות מחווט כבלי מתכת (במיוחד במקומות בעלי קרינה חזקה). דוגמה טיפוסית ניתנת בציור 5, שבו אנטנת קליטה RF מוזנת מרחוק ע"י עורק POF ומחוברת לתחנת הבסיס ע"י זוג סיבים נוסף.

לעתים נדרש גם קדם-מגבר (Pre-Amplifier) ליד מתקן האנטנה, ואז ניתן לחבר שני עורקי POF: האחד להזנת המודולטור (כפי שמתואר בציור 5) והשני להזנת קדם-המגבר.
 
ציור 5: חיבור אנטנת RF פסיבית


                                
מוצרי POF דומים מוצעים גם ע"י חברות נוספות:

• חברת LaserMotive מציעה עורק POF המספק עד 10 וואט למרחק של 0.5 ק"מ (עם אופציה לשידור ג'יגה-ביט אתרנט על זוג סיבים נוסף).
• חברת RLH Industries מציעה עורק POF המעביר 0.6 וואט על שני סיבים אופטיים במקביל, למרחק עד 1 ק"מ. סיב נוסף משמש לבקרת העורק.
• במעבדות Sandia National Laboratories (חברה בת של "לוקהיד-מרטין") פותח כבל תקשורת אופטי המדמה כבל חשמלי (ראה ציור 6). כלפי חוץ הכבל נראה כמו כבל נחושת רגיל בעל מחבר המקובל בעולם חוטי הנחושת, אלא שכל האותות (כולל הספק חשמלי) מומרים לאותות אופטיים ומשודרים על סיבים אופטיים. יש לשער (בגלל מקור הפיתוח) שאחד היישומים המתוכננים לכבל הזה הוא חווט מטוסים. לפרטים נוספים ראה כאן.

 
ציור 6: כבל תקשורת POF



ראוי לציין, שטכנולוגיות ,POF שתוארו לעיל, עדיין אינן מגובות בתקנים, אך יש להניח, שגם אלה יופיעו עם הזמן ככל שהמוצרים יחדרו יותר לשוק.
 
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 

 
מאת: צבי שחם, M.Sc., אוקטובר 2013.
מרצה ויועץ, מחבר הספר "תקשורת בעידן ה- IP"".
zvi.shacham@gmail.com
www.zvish.com