Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska."— Zapis prezentacji:

1 Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska

2 Systemy transmisji światłowodowej z detekcją bezpośrednią

3 Światłowodowy system transmisji cyfrowej detektor ukl. decyzyjny Układ synchronizacji dane koder Nadajnik i filtr nadawczy fotodetektor filtr odbiorczy dane s(t) n(t) y(t)

4 Specyfika transmisji Zwykle wykorzystywany jest simplex Światłowód nie może przenosić sygnałów o polazaryzacjach ujemnych „O” – mała moc P 0 „1” – moc P 1 PAM OOK Współczynnik ekstynkcji EX= 10log(P 1 /P 0 ) [dB]

5 Interferencja międzysymbolowa ISI (intersymbol interference) sygnał na wyjściu filtru w odbiorniku: symbol informacyjny szum addytywny ISI

6 Interferencja międzysymbolowa Warunek na brak ISI: Kryterium Nyquista

7 Jeżeli jesteśmy ograniczeni przez pasmo B (f

8 Wpływ szumu na detekcję sygnału Szum cieplny Szum śrutowy Inne źródła błędów - Szum modowy - Szum wzmacniacza - Szum laserowa - Szum prądowy - Szum tła Źródłem szumu cieplnego w odbiorniku systemu światłowodowego jest rezystancja obciążenia fotodetektora. Pierwotną przyczyną szumu śrutowego jest kwantowy, ziarnisty charakter elektronów. Szum modowy polega na przypadkowych wahaniach mocy optycznej charakterystycznych dla propagacji światła w światłowodach wielomodowych. Bezszumowy wzmacniacz jest kompensowany zwiększeniem temperatury rezystancji obciążenia detektora. Równoważna temperatura szumu: T e = FT T-temperatura systemu, F – współczynnik szumu (to stosunek mocy szumu cieplnego na wyjściu do mocy szumu cieplnego na wejściu pomnożonej przez wzmocnienie wzmacniacz) Szum laserowy to przypadkowe fluktuacje mocy optycznej diody laserowej, zachodzące pomimo stałości prądu Szum prądowy to wolno fluktuujący prąd wytwarzany przez przyrządy półprzewodnikowe.

9 Stosunek sygnału do szumu szum śrutowy szum termiczny ρ – czułość detektora, P – moc optyczna docierająca do detektora, e –ładunek elektryczny, B – szerokość pasma odbiornika, k – stała Boltzmanna, T – temperatura [K], R – rezystancja obciążenia

10 Stosunek sygnału do szumu Fotodioda lawinowa M n-2 – współczynnik szumu nadmiarowego, M – współczynnik powielania, n – od 2 do 3

11 Stopa błędu Stopa błędu to względna ilość błędów detekcji (BER) Jeżeli: BER = 0,01 to prawdopodobieństwo błędu 0,01 czyli na każde 100 podjętych w układzie detekcji decyzji 1 jest błędna Liczba błędów w ciągu sekundy wynosi średnio: V·BER V - szybkości transmisji [b/s]

12 Stopa błędu BER (bit error rate) ISI=0, warunkowe gęstości prawdopodobieństwa: f(y k /b k =0) i f(y k /b k =0) BER = liczba bitów błędnie odebranych/ całkowita liczba nadanych bitów

13 BER Elementowa stopa błędu: Poziom progowy ma wpływ na BER V Topt =m/2, gdzie m- wartość oczekiwana

14 Stopa błędu p e = dla SNR max = 22dB J: EX jest skończony to:

15 Funkcja błędu erf źródło:

16 Stopa błędu Założenie, że szumy mają jednakowe rozkłady prawdopodobieństwa niezależnie od wartości bitu nadanego nie zawsze jest prawdziwe. W przypadku fotodiody lawinowej rozkłady dla symboli 0 i 1 różnią się. „0” - szum termiczny „1” - szum termiczny i śrutowy (wariancja szumu jest większa, rozkład prawdopodobieństwa może odbiegać od gaussowskiego)

17 Stopa błędu przy ograniczeniu szumem śrutowym Szum śrutowy związany jest z sygnałem i pojawia się tylko wówczas gdy pojawia się sygnał (nadanie „1” ). Prawdopodobieństwo popełnienia błędu oznacza odbiór zerowej ilości elektronów pomimo tego, że w czasie T wysłano średnio N e elektronów.

18 Stopa błędu przy ograniczeniu szumem termicznym W systemach, w których stosunek sygnału do szumu jest uwarunkowany termicznie podejmowanie decyzji w odbiorniku polega na porównaniu odebranego sygnału z poziomem odniesienia erf – funkcja błędu

19 Zależność stopy błędu od stosunku sygnału do szumu BER = S/N = 20 (13 dB) S/N = 144 (21,6 dB) szum śrutowy szum termiczny

20 Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych możliwość odtworzenia częstotliwości zegarowej i zapewnienia synchronizacji nawet wtedy gdy występuje przerwa w transmisji sygnału możliwość przenoszenia bez zniekształcenia kodu przez odbiornik możliwość wprowadzenia redundancji ułatwiającej korekcję błędu telekomunikacja systemy komputerowe

21 KodZasadaPasmo 90% mocy Zegar T T Sygnał 1 0 NRZ0,86/T RZ1,72/T Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych

22 Kody transmisyjne źródło

23 Kody transmisyjne źródło

24 Kody transmisyjne Poszczególne kody sygnałowe różnią się pod względem właściwości widmowych. W praktyce kody sygnałowe dobiera się tak, aby widma zakodowanych sygnałów były dopasowane do charakterystyki częstotliwościowej kanału transmisyjnego, a w szczególności, aby nie zawierały niekorzystnych składowych niskoczęstotliwościowych. Pod tym względem najkorzystniejszy jest kod Manchester (rys. f) i kod ternarny bipolarny (rys. h). Sygnały zakodowane tymi kodami nie zawierają składowej stałej, a ich gęstość widmowa dla małych częstotliwości jest niewielka.

25 Kodowanie nadmiarowe (scrambling)

26 Kodowanie sygnału w systemach analogowych systemy dystrybucji kanałów telewizyjnych (CTV) systemy zagęszczające siatkę łączności komórkowej (mikrocele) sygnał użyteczny składa się z pewnej liczby kanałów skupionych wokół częstotliwości nośnych i zawierających dowolną modulację CTV – modulacja AM wizji i FM fonii

27 Kodowanie sygnału w systemach analogowych Modulacja amplitudowa pojedynczym sygnałem sinusoidalnym: Modulacja intesywności promieniowania świetlnego (IM): ω m – częstotliwość sygnału modulującego, m – głębokość modulacji, ω sc – częstotliwość fali nośnej P 0 – średnia moc transmitowanego światła

28 Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego odległość transmisji możliwość rozwoju systemu rodzaj transmitowanego sygnału - sygnał cyfrowy: szybkość transmisji stopa błędu czułość odbiornika - sygnał analogowy: rodzaj modulacji zajmowane pasmo stosunek sygnału do szumu

29 Wybór: źródła światłowodu detektora Transmisja sygnału w systemie jest ograniczona przez: dyspersję tłumienie Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego

30 Minimalizacja kosztów Stopa błędu Stosunek sygnału do szumu Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego

31 zdefiniowanie wymagań eksploatacyjnych systemu (parametry transmisyjne, mechaniczne, fizyczne) bilans mocy sygnału optyczne określenia pasma transmisji (większe pasmo pozwali na przejście z transmisji analogowej na cyfrową) Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego

32 Bilans mocy optycznej analiza mocy optycznej wykonana dla każdego łącza L – długość światłowodu,  sw – tłumienie światłowodu, N – liczba spawów,  s – tłumienie spawów, M – liczba połączeń rozłączalnych,  zł – tłumienie połączeń rozłączalnych,  m – tłumienie związane ze starzeniem źródeł światła

33 Bilans mocy optycznej margines 10% całkowitej tłumienności linii na możliwe uszkodzenia kabla i połączenia zgrzewane dodatkowo  m związane ze starzeniem źródeł światła:  m = -3.0 dB – LD z elementem Peltier  m = -4.0 dB – LD bez termostatu  m = -4.5 dB – LED

34 Bilans mocy optycznej Jeżeli bilans mocy optycznej wykazuje, że transmisja nie jest możliwa: źródło o większej mocy światłowód o niższym tłumieniu fotodetektor o większej czułości regenerator

35 Bilans mocy optycznej P źr – moc źródła, P det – czułość detektora, P L – całkowite straty mocy w linii, M – margines: od 6 do 10 dB Jako jednostek mocy optycznej używa się dBm 10 mW = 10 dBm 1 mW = 0 dBm 0.1 mW = -10 dBm

36 Bilans szerokości pasma przenoszenia B – pasmo transmisji,  – całkowite rozszerzenie impulsu w linii transmisyjnej  św – rozszerzenie impulsu w światłowodzie,  det – rozszerzenie impulsu w detektorze,  źr – rozszerzenie impulsu w źródle

37 Jeżeli bilans szerokości pasma przenoszenia wykazuje, że transmisja nie jest możliwa należy rozważyć użycie: światłowodu o większej wartości f 3dB światłowodu jednomodowym źródła o węższej charakterystyce widmowej światłowodu o mniejszej dyspersji światłowodu kompensujący dyspersję Bilans szerokości pasma przenoszenia

38 Przykład I - Bilans mocy Tor światłowodowy o długości 15 km składa się z 10 odcinków łączonych co 1 km o tłumieniu 1 dB/km łączonych co 1 km i 5 odcinków łączonych co 1 km o tłumieniu 1,5 dB/km. Jaka powinna być minimalna moc na wejściu światłowodu, aby po stronie odbiorczej uzyskać średnią moc P 0 =0,3  W zakładając, że na każdym spawie traci się 15% mocy.

39 Tłumienie 10 odcinków po 1 dB/km 10 ∙ 1,0 dB = 10 dB Tłumienie 5 odcinków po 1,5 dB/km 5 ∙ 1,5 dB = 7,5 dB Tłumienie 1 spawu przy spadku transmisji o 15%: T=(100-15)% = 85%,  s = 10 log 0,85= 0,7 dB Tłumienie 14 spawów (przy 15 odcinkach) 14 ∙ 0,7dB = 9,8 dB Łączne tłumienie 27,3 dB Moc na wejściu: Jeżeli  = 27,3 dB to P N \P O = 573,03 P N = P O ∙  = 0,3 ∙ 537,03  = 0,161 P N = 0,161 mW Przykład I - Bilans mocy (ROZWIĄZANIE)

40 Przykład II – Obliczenie dyspersji światłowodu Obliczyć poszerzenie impulsu (dyspersję) w różnego typu światłowodach o długości 10 km, współczynniku refrakcji rdzenia n = 1,48 i aperturze numerycznej NA = 0,1. Dyspersja materiałowa światłowodów wynosi D( )=40 ps/km∙nm, a szerokość widma źródła  = 30nm

41 Przykład II – Obliczenie dyspersji światłowodu (ROZWIĄZANIE) a) światłowód wielomodowy skokowy b) światłowód wielomodowy gradientowy c) światłowód jednomodowy

42 Przykład III – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego System typu punkt-punkt o długości 500 m do transmisji szerokopasmowego sygnału wideo (6MHz). Dla otrzymania dobrej jakości obrazu wymagany jest aby stosunek sygnału do szumu wynosił 50 dB (S/N =10 5 ). Modulacja m=100% LED: P=1 mW, 0 =0,85  m,  =35 nm, t=12 ns, powierzchnia emisyjna ma średnicę a<50  m Światłowód wielomodowy o profilu skokowym: NA=0,24, f 3dB L= 33MHz,  =5dB/km, 2r=50  m Fotodioda p-i-n: C d = 5 pF,  = 0,5 A/W, f 3dB =6 MHz R L = (2  C d f 3dB ) -1 = [2  (5∙ ) (6∙10)] -1 = 5035 [  ] R L = 5100 

43 Przykład III – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Założenie: praca w temperaturze otoczenia T=300K, współczynnik szumów dla przedwzmacniacza F=2, równoważna temperatura szumów: T e = 600 K P = 6  W, I =  P = 3  A

44 Przykład III – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Bilans mocy: źródło: 1 mW 0 dBm odbiornik: 6 mW -22,2 dBm Sprzężenie źródła ze światłowodem h=NA2 = 0, ,4 dB Straty odbiciowe (2) 0,4 dB Straty 2 złączy 2 dB 22,2-12,4-0,4-2=7,4 [dB] 7,4/5 = 1,48 [km] Jeżeli: L=1000m to M=2,4 dB

45 Przykład III – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Bilans szerokości pasma przenoszenia:

46 System na odległość 100 km, B=400Mbit/s, BER = 10 -9, kod NRZ Całkowity czas narastania impulsu po przejściu przez łącze nie może być większe niż 70% czasu trwania impulsu t n =0,7·T=0,7/R NRZ lub t n =0,7 ·(T/2)=0,7/R NRZ t n =0,7/(4∙10) 8 =1,75 [ns] Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego

47 Dobór światłowodu: 1,75 ns na 100 km (17,5 ps/km) 0,8  m: MM (skokowy) 15 ns/km MM (gradientowy) 1 ns/km SM 500 ps/km 1,55  m: D mat = -20 ps/(nm·km), D fal = 4,5 ps/(nm·km) D = 15,5 ps/(nm·km) LD (1,55  m)  =0,15 nm  = 100 ·(15,5) ·0,15 = 233 [ps] Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego

48 Bilans szerokości pasma  2 det  = 1,75 2  – ,23 2 = 2  det  = 1,4 ns

49 Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Bilans mocy optycznej: źródło: 5 dBm straty sprzężenia źródło-światłowód: 3 dB 3 dB złącza (2 szt.): 1 dB 2 dB złącza stałe (50szt.): 0,1 dB 5 dB tłumienia kabla (100 km): 0,25 dB 25 dB Straty całkowite: 35 dB moc docierająca do odbiornika: -30 dBm czułość odbiornika z dioda lawinową: -40 dBm margines: 10 dB czułość odbiornika p-i-n: -32 dBm margines: 2 dB

50 DE-CIX - daily

51 DE-CIX - yearly

52 PLIX - daily

53 PLIX - yearly

54 Internet Petabitowy? Straty włókna opt.: S<0,5 dB/km; Pasmo optyczne: Δλ=400 nm; Pasmo w dziedzinie f: B=50THz; Efektywność spektralna modulacji: E=10b/s/Hz; Zwielokrotnienie polaryzacyjne: 2:1

55 Terabit Ethernet NTT, 69.1Tbps, 240km, , (OFC), DWDM, 240km, 432x171Gbps QAM: 2xQPSK A1:A2=2: nm, D=25GHz, 6,4b/s/Hz, Alcatel-Lucent, Bell, 15,5Tbps, 7000km, 155x100Gbps; 100Pb/s/km

56 Eksperymenty ponad 10Tb/s


Pobierz ppt "Systemy telekomunikacji optycznej dr inż. Małgorzata Jędrzejewska-Szczerska Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych Politechnika Gdańska."

Podobne prezentacje


Reklamy Google