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

Optyczne sieci światłowodowe Optyczne sieci transportowe Optyczne sieci lokalne Optyczne sieci dostępowe

Optyczne sieci transportowe – sieci dalekiego zasięgu TDM – (Time Division Muplexing) Przesyłane sygnały dzielone są na części, którym później przypisywane są czasy transmisji tzw. szczeliny czasowe. Najpierw przesyłana jest pierwsza część pierwszego sygnału, potem pierwsza część drugiego sygnału itd. Gdy zostaną przesłane wszystkie pierwsze części, do głosu dochodzą drugie części sygnału. Multipleksowanie tego rodzaju jest odpowiednie zwłaszcza do przesyłania sygnałów cyfrowych.

Optyczne sieci transportowe – sieci dalekiego zasięgu PDH - plezjochroniczna hierarchia cyfrowa (ang. Plesiochronous Digital Hierarchy). Elementy sieci PDH są ze sobą zsynchronizowane, ale nie idealnie gdyż każdy z elementów sieci posiada swój zegar. Pojedynczy kanał ma przepływność 64Kb/s (8*8KHz=64Kb/s) co pozwala na przesyłanie jednej nieskompresowanej rozmowy telefonicznej. Systemy PDH przy multipleksacji wykorzystują zwielokrotnienie z podziałem czasu TDM. Zwielokrotnienie sygnału następuje w kolejnych poziomach wykorzystując dopełnienie impulsowe. 30 kanałów 64 kbit/s + 2 dodatkowe przenoszące informacje sterujące (sterowanie i synchronizacja) = 2048 kbit/s 8,448 Mbit/s = 4 x 2,048 Mbit/s 34,368 Mbit/s 139 Mbit/s każdy sygnał wyższego poziomu składa się z 4 kanałów niższego poziomu uzupełnionych o informacje sterujące

Optyczne sieci transportowe - PDH Europejski PDH

Optyczne sieci transportowe - PDH konieczność użycia bitów dopełniających projektowane do przesyłania cyfrowych sygnałów telefonicznych w celu uzyskania dostępu do 2Mbit/s w sygnale 140 Mbit/s należy całkowicie ten sygnał zdemultipleksować poprzez pośrednie poziomy. Po zidentyfikowaniu i wyodrębnieniu żądanego kanału należy pozostałe kanały ponownie zwielokrotnić w formacie ramki PDH nie ma wystarczająco dużo miejsca na dane systemu zarządzania brak możliwości kontroli jakości transmisji duża liczba urządzeń – problemy z sterowaniem i zarządzaniem różne standardy (Europa, USA, Japonia)

Optyczne sieci transportowe - SDH Synchroniczna Hierarchia Systemów Cyfrowych SDH (ang. Synchronous Digital Hierarchy (SDH)). Wszystkie urządzenia działające w sieci SDH są zsynchronizowane zarówno do nadrzędnego zegara jak i do siebie nawzajem. Sieci transportowe – sieci dalekiego zasięgu o dużych przepływnościach

Optyczne sieci transportowe - SDH podstawowa jednostka transportowa STM-N (Synchronous Transport Module - Synchroniczny Moduł Transportowy) w czasie zwielokrotniania ma przepływność, będącą N-tą wielokrotnością STM-1 (155,52 Mbit/s). sieci SDH charakteryzują się niezawodnością oraz mniejszą podatnością na uszkodzenia wynikającą z budowy m.in. struktur pierścieniowych. Stosuje się następujące wielokrotności: (zawsze x 4) STM-1      (155,52 Mbit/s), STM-4      (622,08 Mbit/s), STM-16    (2488,32 Mbit/s), STM-64    (9953,28 Mbit/s), STM-256  (39813,12 Mbit/s).

Optyczne sieci transportowe - SDH Europa SDH USA SONET (Synchronous Optical Network – synchroniczna sieć optyczna)

Optyczne sieci światłowodowe Lata 90 XX w. – rozwój Internetu – wzrost obciążenia sieci dalekiego zasięgu USA – używano kabli o liczbie światłowodów rzędu 20 (80% użyteczne, 20% ciemne) WDM wavelength divison multiplexing – zwielokrotanianie długości fali

Systemy WDM (Wavelength Division Multiplexing) EDFA Oryginalny WDM to 1310/1550 nm We włóknie od 2 do 4 długości fal

PORÓWNANIE 40 Gbit/s, dystans 360 km tradycyjny system: światłowody: 16x2,5 Gbit/s regeneratory co 60 km (80) system WDM: nadajnik 16x2,5 Gbit/s wzmacniacz co 120 km

WDM - zalety Redukcja liczby światłowodów Redukcja liczby regeneratorów Możliwość szybkiej i elastycznej zmiany przepływności

Światłowodowe systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach TAT-8 1988 – pierwsza światłowodowa linia transatlantycka TAT-14 is the 14th of the transatlantic telephone cable system, commissioned on 21st of March 2001. Landing points: Blaabjerg ( Denmark ), Norden ( Germany ), Katwijk ( Netherlands ), St. Valéry (France), Bude-Haven (UK), Tuckerton (US) and Manasquan (US). The cable system is a dual, bi-directional ring utilizing DWDM multiplexing to carry 64 x STM-64 protected circuits, i.e 640 Gbps. The system also utilizes reverse direction protection switching in the event of failure of the service fiber. This configuration provides a capability of transporting 4,096 STM-1's or approximately 9,700,000 circuits across the ocean. Total length of the cable is 15,428 km

WDM - wady Nie zawsze poprawna współpraca ze sprzętem SDH Dużo większa niż w systemach tradycyjnych całkowita moc optyczna w światłowodzie, stąd wpływ zjawisk nieliniowych

Światłowodowe systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach zastąpienie regeneratorów wzmacniaczami optycznymi sygnał jest transmitowany bez regeneracji na odcinkach kilkuset lub kilka tysięcy km kaskadowo połączone wzmacniacze optyczne (kilkadziesiąt km) Zasadniczym czynnikiem szumowym mającym wpływ na prace takiego systemu jest wzmocniony szum emisji spontanicznej szum ASE: jest sumowany i wzmacniany jego widmo jest szerokopasmowym widmem ASE zmodyfikowanym przez ch-kę wzmocnienia łańcucha wzmacniaczy

Światłowodowe systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach Wzmocnienie wzmacniacza optycznego kompensuje straty, które powstały w odcinku światłowodu pomiędzy kolejnymi wzmacniaczami. Gęstość mocy szum ASE na końcu światłowodu: M – liczba wzmacniaczy w torze, F – wsp. szumów wzm optycznego a –tłumienie światłowodu, L- długość światłowodu l – odległość między wzmacniaczami

Światłowodowe systemy transmisji o bardzo dużych zasięgach i przepływnościach Poziom całkowitej mocy optycznej (szumu ASE i sygnału użytecznego) jest stały Wpływ dyspersji polaryzacyjnej (1 ps/√km) Tłumienie zależne od polaryzacji (elementy pasywne: izolatory, sprzęgacze) Wzmocnienie zależne od polaryzacji – wzmocnienie wzmacniaczy EDFA wykazuje niejednorodność wzmocnienia w zależności od polaryzacji sygnału Samomodulacja fazy i mieszanie czterofalowe

Samomodulacja fazy SPM Współczynnik załamania szkła kwarcowego wykazuje, spowodowaną zjawiskiem Kerra, nieliniowa zależność od gęstości mocy rozchodzącego się w nim promieniowania: gdzie: I – natężnie światła, n0 – wartość współczynnika załamania przy natężeniu bliskim zeru, n2 – nieliniowy współczynnik załamania. Opóźnienie fazy światła po propagacji w światłowodzie o długości L: Jakiekolwiek zmiany natężenia światła I wprowadzają modulacje fazy rozchodzącej się w światłowodzie fali.

Samomodulacja fazy SPM Zmiany częstotliwości: Dyspersja chromatyczna powoduje zamianę modulacji fazy spowodowanych SPM na zniekształcenia ISI

Skrośna modulacja fazy XPM Odchylenie standardowe fluktuacji fazy w systemie o N kanałach rośnie w stosunku 2√N Zmiany intensywności odbieranego sygnału Dla wąskich sygnałów (RZ) o stosunkowo dużych energiach następują kolizje impulsów Rozwiązanie: zarządzanie dyspersją toru światłowodowego

Mieszanie czterofalowe FWM (Four Wave Mixing) wynika z nieliniowej zależności współczynnika załamania światła n od długości fali l. Nazwa zjawiska - mieszanie czterofalowe - pochodzi stad, że w przypadku doprowadzenia do światłowodu dwóch sygnałów o różnych długościach fali np. l1 i l2 powstają dwa dodatkowe sygnały powstałe na nieliniowości ośrodka o długościach fali odpowiednio 2 l1 -l2 oraz oraz 2l2 - l1. Liczba produktów mieszania L dla N kanałów:

Mieszanie czterofalowe Jeżeli równe odstępy sygnałów – to nakładanie sygnałów Mieszanie czterofalowe: a) dwóch fal o długościach l1 i l2, b) – trzech fal o długosciach 1551,72 nm, 1552,52 nm i 1553,32 nm

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

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)

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