Systemy telekomunikacji optycznej

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

2. Schemat blokowy systemu transmisji cyfrowej • Interferencja międzysymbolowa (ISI) • Elementowa stopa błędu (BER) • Kodowanie

3. Wpływ szumu na detekcję sygnału • Szum cieplny • Szum śrutowy • Inne źródła błędów - Szum modowy - Szum wzmacniacza - Szum laserowa - Szum prądowy - Szum tła

4. 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 termiczny szum śrutowy

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

6. 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]

7. 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.

8. 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

9. Funkcja błędu erf źródło: www.mathworld.com

10. 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)

11. 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

12. Kodowanie sygnału w systemach cyfrowych

15. Scrambling – kodowanie nadmiarowe

16. 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

17. 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

18. 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

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

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

21. 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)

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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.

29. 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

30. 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

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

32. 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

33. 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

34. 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

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

36. 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=0,7T=0,7/RNRZ lub tn=0,7(T/2)=0,7/RNRZ tn=0,7/(4∙10)8=1,75 [ns]

37. DE-CIX - daily

38. DE-CIX - yearly

39. PLIX - daily

40. PLIX - yearly

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

42. Eksperymenty ponad 10Tb/s