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

Systemy transmisji światłowodowej z detekcją bezpośrednią

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

Specyfika transmisji Współczynnik ekstynkcji EX= 10log(P1/P0) [dB] Zwykle wykorzystywany jest simplex Światłowód nie może przenosić sygnałów o polazaryzacjach ujemnych „O” – mała moc P0 „1” – moc P1 PAM OOK Współczynnik ekstynkcji EX= 10log(P1/P0) [dB]

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

Interferencja międzysymbolowa Warunek na brak ISI: Kryterium Nyquista

Warunek Nyquista spełnia: Jeżeli jesteśmy ograniczeni przez pasmo B (f<B), to max szybkość transmisji bez ISI to 1/T=2B Warunek Nyquista spełnia: sin(t)/t, widmo prostokątne od -T/2 do T/2 Filtr odbiorczy to korektor aby x(t) na wejściu układu decyzyjnego spełniały kryterium Nequista

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

Stosunek sygnału do szumu 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 szum śrutowy szum termiczny

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

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]

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

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

Stopa błędu pe=10-10 dla SNRmax = 22dB J: EX jest skończony to:

Funkcja błędu erf źródło: www.mathworld.com

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)

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 Ne elektronów.

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

Zależność stopy błędu od stosunku sygnału do szumu szum śrutowy szum termiczny BER = 10-9 S/N = 20 (13 dB) S/N = 144 (21,6 dB)

Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych telekomunikacja systemy komputerowe 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

Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych Zasada Pasmo 90% mocy Zegar T T Sygnał 1 0 NRZ 0,86/T RZ 1,72/T

Kody transmisyjne źródło http://wazniak.mimuw.edu.pl/

Kody transmisyjne źródło http://wazniak.mimuw.edu.pl/

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.

Kodowanie nadmiarowe (scrambling)

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

Kodowanie sygnału w systemach analogowych Modulacja amplitudowa pojedynczym sygnałem sinusoidalnym: ωm – częstotliwość sygnału modulującego, m – głębokość modulacji, ωsc – częstotliwość fali nośnej Modulacja intesywności promieniowania świetlnego (IM): P0 – średnia moc transmitowanego światła

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

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

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

Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego 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)

Bilans mocy optycznej analiza mocy optycznej wykonana dla każdego łącza L – długość światłowodu, asw – tłumienie światłowodu, N – liczba spawów, as – tłumienie spawów, M – liczba połączeń rozłączalnych, azł – tłumienie połączeń rozłączalnych, am – tłumienie związane ze starzeniem źródeł światła

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

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

Bilans mocy optycznej Pźr – moc źródła, Pdet – czułość detektora, PL – 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

Bilans szerokości pasma przenoszenia B – pasmo transmisji, Dt – całkowite rozszerzenie impulsu w linii transmisyjnej Dtśw – rozszerzenie impulsu w światłowodzie, Dtdet – rozszerzenie impulsu w detektorze, Dtźr – rozszerzenie impulsu w źródle

Bilans szerokości pasma przenoszenia Jeżeli bilans szerokości pasma przenoszenia wykazuje, że transmisja nie jest możliwa należy rozważyć użycie: światłowodu o większej wartości f3dB światłowodu jednomodowym źródła o węższej charakterystyce widmowej światłowodu o mniejszej dyspersji światłowodu kompensujący dyspersję

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 P0=0,3 mW zakładając, że na każdym spawie traci się 15% mocy.

Przykład I - Bilans mocy (ROZWIĄZANIE) 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%, as = 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 a = 27,3 dB to PN\PO = 573,03 PN = PO∙ a = 0,3 ∙ 537,03 = 0,161 PN = 0,161 mW

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(l)=40 ps/km∙nm, a szerokość widma źródła Dl = 30nm

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

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 =105). Modulacja m=100% LED: P=1 mW, l0=0,85 mm, Dl=35 nm, t=12 ns, powierzchnia emisyjna ma średnicę a<50 mm Światłowód wielomodowy o profilu skokowym: NA=0,24, f3dBL= 33MHz, a=5dB/km, 2r=50 mm Fotodioda p-i-n: Cd= 5 pF, r = 0,5 A/W, f3dB=6 MHz RL = (2p Cdf3dB)-1 = [2p (5∙10-12) (6∙10)]-1 = 5035 [W] RL= 5100 W

Przykład III – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Założenie: praca w temperaturze otoczenia T=300K, współczynnik szumów dla przedwzmacniacza F=2, równoważna temperatura szumów: Te= 600 K P = 6 mW, I = rP = 3 mA

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 = 0,0567 12,4 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

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

Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego 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 tn=0,7·T=0,7/RNRZ lub tn=0,7 ·(T/2)=0,7/RNRZ tn=0,7/(4∙10)8=1,75 [ns]

Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Dobór światłowodu: 1,75 ns na 100 km (17,5 ps/km) 0,8 mm: MM (skokowy) 15 ns/km MM (gradientowy) 1 ns/km SM 500 ps/km 1,55 mm: Dmat= -20 ps/(nm·km), Dfal= 4,5 ps/(nm·km) D = 15,5 ps/(nm·km) LD (1,55 mm) Dl=0,15 nm Dt = 100 ·(15,5) ·0,15 = 233 [ps]

Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnego Bilans szerokości pasma Dt2det = 1,752 – 12 - 0,232 = 2 Dtdet = 1,4 ns

Bilans mocy optycznej: 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

DE-CIX - daily

DE-CIX - yearly

PLIX - daily

PLIX - yearly

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

Terabit Ethernet NTT, 69.1Tbps, 240km, 25.03.2010, (OFC), DWDM, 240km, 432x171Gbps QAM: 2xQPSK A1:A2=2:1 1527-1620nm, D=25GHz, 6,4b/s/Hz, ----------------------------------- Alcatel-Lucent, Bell, 15,5Tbps, 7000km, 155x100Gbps; 100Pb/s/km

Eksperymenty ponad 10Tb/s