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

2 Schemat blokowy systemu transmisji cyfrowejInterferencja międzysymbolowa (ISI) Elementowa stopa błędu (BER) Kodowanie

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

4 Stosunek sygnału do szumuρ – 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

5 Stosunek sygnału do szumuFotodioda 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 śrutowymSzum 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 termicznymW 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:

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

11 Kodowanie sygnału w systemach cyfrowychtelekomunikacja 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

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

13

14

15 Scrambling – kodowanie nadmiarowe

16 Kodowanie sygnału w systemach analogowychsystemy 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 analogowychModulacja 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 transmisyjnegoodległość 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 transmisyjnegoWybór: źródła światłowodu detektora Transmisja sygnału w systemie jest ograniczona przez: dyspersję tłumienie

20 Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnegoMinimalizacja kosztów Stopa błędu Stosunek sygnału do szumu

21 Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnegozdefiniowanie 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 przenoszeniaB – 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 przenoszeniaJeżeli 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 mocyTor 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 ∙ 1,0 dB = 10 dB Tłumienie 5 odcinków po 1,5 dB/km ∙ 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) ∙ 0,7dB = 9,8 dB Łączne tłumienie ,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 światłowoduObliczyć 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 transmisyjnegoSystem 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 transmisyjnegoZałożenie: 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 transmisyjnegoBilans mocy: źródło: 1 mW dBm odbiornik: 6 mW ,2 dBm Sprzężenie źródła ze światłowodem h=NA2 = 0, ,4 dB Straty odbiciowe (2) ,4 dB Straty 2 złączy 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 transmisyjnegoBilans szerokości pasma przenoszenia:

36 Przykład IV – projektowanie analogowego światłowodowego systemu transmisyjnegoSystem 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, , (OFC), DWDM, 240km, 432x171Gbps(OTN) QAM: 2xQPSK A1:A2=2:1 nm, D=25GHz, 6,4b/s/Hz Alcatel-Lucent, Bell, 15,5Tbps, 7000km, 155x100Gbps; 100Pb/s/km

42 Eksperymenty ponad 10Tb/s