Fénytávközlő rendszerek és alkalmazások

Átírás

1 Fénytávközlő rendszerek és alkalmazások 015 ősz Digitális jelátvitel alapjai 1

2 Digitális jel jellemzése ismétlés A világ analóg rendszereink digitálisak => A/D átalakítás Digitális jel mintavételezett és kvantált Véges számú jelalak átvitele Véges ideig tartó jelalakok A vevő ismeri a lehetséges jelalakokat A vevő feladata a döntés Nem alakhű átvitel a cél, hanem a helyes döntés Jelalakok száma nő => csökken a szükséges sávszélesség Optikában az esetek nagy részében (jelenleg még) két állapot Jellemzők Helyes döntés valószínűsége, hibás döntés valószínűsége Optikai rendszerre 10-9 Jitter(dzsitter, remegés) Elvi és gyakorlati szimbólumidő átlagos eltérése Max. Tényleges bitidő 5-10%-a Moduláció A modulálatlan optikai jel általánosan: E ( t) = A cos( ωt + ϕ) A amplitúdó, ω körfrekvencia (=>hullámhossz), φ fázis Amplitúdó moduláció: ASK IMDD (Intensity Modulation with Direct Detection) legelterjedtebb optikai moduláció OOK (On-Off Keying) egyszerű megvalósítani, egyszerű detektálni Fázis moduláció: PSK nagysebességű optikai rendszerekben (pl. 40 Gbps és fölötte) drága a megvalósítás, bonyolult a detektálás lineáris modulációs karakterisztika! Hullámhossz moduláció gyakorlatilag nem megvalósítható

3 Kódolástechnika Return-to-Zero (RZ) és Non-Return-to-Zero (NRZ) RZ (unipolar) nagyobb sávszélesség igény Könnyebb szinkronizálás nagykapacitású optikai hálózatokban előnyös impulzus üzemű lézerek szolitonok TDM multiplexálás NRZ (unipolar) fele sávszélesség szigorúbb időzítési feladatok Forrás1 Forrás Nyalábolt jel Átviteli minőség jellemzése BER (Bit Error Ratio)=hibás bitek száma/ összes átvitt bit száma Szemábra t s Jósági tényező (Q-faktor) I1 I0 Q = σ +σ 1 0 I 1 I th BER = erfc Q I 0 Power Penalty P P [ db] = 10log10 R ( zavaró tényező figyelembevételével,adott BER szinten) P ( zavaró tényező nélkül, adott BER szinten) R 3

4 Vételi minőség Kvantum limit / kvantum határ idealizált eset, amikor az egyetlen minőségrontó tényező a fény kvantált jellege (háttérzajt, termikus zajt elhanyagoljuk) Adott BER eléréséhez a vett fotonszám elvi minimuma (csak sörétzaj) Kétállapotú intenzitásmodulált digitális jel: P E ( n ) 1 = exp ηq η Q : fotodióda kvantumhatásfoka (ideális detektornál =1) P E : hibás döntés valószínűsége n P 1-es bit esetén bitidő alatt beérkező fotonok száma (0-ás bit esetén 0 foton érkezik) BER = 10-9 & η Q =1 => n p =0foton => átlagos fotonszám=10 foton Koherens átviteli rendszerrel megközelíthető Szuper kvantum határ Idealizált eset, gyakorlatban nem érhető el Legvégső határ, amit elméletileg optikai átvitellel meg lehet valósítani Feltételezés: a vevőben a bejövő jel amplitudóját és frekvenciáját is pontosan ismerjük (pl. PSK moduláció) p Optikai digitális jelátvitel Információ: - analóg: sávszélesség & dinamika tartomány - digitális:bitsebesség Információ forrás Üzenet Becsült üzenet Információ címzett Redundancia csökkentés Forrás kódolás Forrás dekódolás Hibavédelem & csatorna adaptáció; konvolució, blokk kódolás Csatorna kódolás Interleaving Csatorna dekódolás Deinterleaving Optikai összeköttetés fizikai rétege Burst-ös hibák elleni védelem Moduláció, a csatorna sávszélességétől, karakterisztikájától függ Optikai adó Továbbított jel Csatorna Zaj Optikai vevő Vett jel (zajjal, hibával terhelt) fényvezető szál: csillapítás, diszperzió, nemlinearitás 4

5 Optikai összeköttetés felépítése Üvegszál / optikai hálózat lézer adó fotovevő fényvezető szál optikai erősítő optikai szűrő optikai izolátor optikai cirkulátor optikai iránycsatoló WDM mux/demux add-drop mux hullámhossz konverter optikai kapcsolók stb. Optikai összeköttetések 5

6 Optikai összeköttetés blokkvázlata Üvegszál / optikai hálózat Optikai adó Optikai vevő Optikai adó Elektromos optikai átalakítás Főbb paraméterek: Típus FP, DFB, VCSEL => optikai spektrum Kimeneti optikai teljesítmény, Küszöb áram Átalakítás hatásfoka (Popt-I meredeksége) Hullámhossz, Vonalszélesség, Módus elnyomás Zaj (RIN) Moduláció Modulációs sávszélesség Modulációs mélység, Kioltási tényező Torzítás, linearitás 6

7 Optikai adó felépítése Információ Előfeszítés Információ Előfeszítés Lézer Lézer Modulátor Direkt/közvetlen moduláció egyszerű olcsó korlátozott sávszélesség chirp nagyobb dinamikatartomány Indirekt moduláció/külső modulátor több eszköz drágább nagy sávszélesség nincs chirp alacsony dinamikatartomány Optikai vevő Optikai Elektromos átalakítás Főbb paraméterek: Típus (PIN, APD) Kvantumhatásfok, érzékenység Hullámhossz tartomány Detekciós sávszélesség (kapacitás) Előfeszítő feszültség Zaj (pl. sötétáram) Maximális optikai teljesítmény APD: letörési feszültség, sokszorozási tényező 7

8 Optikai vevő felépítése PD I(t) áram Transzimpedancia erősítő v(t) feszültség Szűrő Mintavevő Döntő Érzékenység, kvantum limit termikus zaj, sörét zaj Órajel visszaállítás tipikusan PLLes megoldás optimális döntési pont meghatározása IMDD Intensity Modulation & Direct Detection Átviteli közeg Főbb paraméterek: Típus (szabadtéri vagy vezetett, SI-MMF, GI- MMF, SMF, stb.) Csillapítás, zaj, diszperzió, nemlinearitás 8

9 Optikai összeköttetés rendszerjellemzők SNR, BER teljesítmény mérleg adóteljesítmény, szakaszcsillapítás, vevőérzékenység Zajmérleg komponensek, zajkorlátok diszperziós mérleg Diszperzió típusok, diszperzió kompenzálás időmérleg rise-time budget távolság-sávszélesség szorzat Rendszerjellemzők kapcsolata Jel-zaj viszony (Signal-to-Noise Ratio SNR) SNR = 10 log Bithibaarány(Bit Error Ratio BER) NRZ OOK esetén BER = 1 erfc SNR = Q SNR 10 P jel Pzaj Pl.: BER = követelményhez SNR = 13 db szükséges ( ) 9

10 Optikai teljesítmény mérleg 1. Optikai teljesítmény végigkövetése Adó kimeneti optikai teljesítmény Vevő érzékenysége (sensitivity) Optikai csillapítás (szál, passzív eszközök, stb.) Optikai erősítés Kiegészítés: rendszertartalék (system margin) ~ 6 db körüli csillapítási tartalék vett teljesítmény: vevő érzékenység + rendszertartalék 10

11 Optikai teljesítmény mérleg. Optikai teljesítmény mérleg 3. 11

12 Optikai zaj mérleg Zaj szintje az optikai tartományban Vételi eszköz OSNR tűrése szempontjából fontos Gyakorlati/tapasztalati érték: OSNR>15dB (0.1nm-es sávban) Forrása: lézer zaja optikai erősítők zaja (erősített spontán emittált zaj) háttérsugárzás (szabadtéri összeköttetés) Optikai adó OA Optikai vevő Optikai erősítő zaja 1. jellemzés: zajtényezővel PnKi F = G PnBe Kimenő optikai zajteljesítmény: 155 nm [dbm] [dbm] [db] P nki = PnBe + G + [db] EDFA: jelentős spontán emittált zaj a teljes erősítési sávban (és még azon kívül is) F = 3-5 db RAMAN: elosztott erősítés, speciális kölcsönhatás elhanyagolható hozzáadott zaj keskeny erősítési sáv zajszűrést is eredményezhet akár negatív zajtényező is elérhető F 1575 nm 1

13 Kaszkádba kapcsolt erősítők Adó Fibre Link 1 N Optikai vevő Optikai erősítő Szálszakasz Optikai jelszint [dbm] Optikai SNR [db] Távolság [km] Távolság [km] Szálszakasz: a=0.5 db/km, 80 km Erősítő: G=19 db, F=5dB Adó: SNR=50 db Ha SNR=30 db szükséges, akkor az összeköttetés maximális hossza: 300 km Elektromos zajmérleg zaj komponensek a vevőben Forrása: Optikai zaj lézer zaja optikai erősítők zaja (spontán emittált zaj) Fotodióda zaja (sörétzaj, termikus zaj, sötétáram) Optikai adó OA Optikai vevő 13

14 Lézer zaja Elsősorban: (relatív) intenzitás zaj Relative Intensity Noise - RIN Kimenő optikai jel intenzitásának egyenetlenségei Lézer üreg belső dinamikus folyamatai, spontán emisszió Lézer adatlapból kiolvasható RIN = P P n 0 RIN [db/ Hz] ~ 140dB / Hz Optikai erősítő zaja. Elektromos tartományba konvertálva Széles spektrumú zaj integrálás Elektromos zaj csökkentése: optikai szűrő 155 nm 1575 nm 14

15 Fotodióda zaja - sörétzaj Sörétzaj: a töltéshordozók/fotonok kvantáltságának következménye Poisson eloszlású i ( I + I ) = qb( I + P R ) = qi PDB = qb sötét jel sötét opt _ n _ sörét q elemi töltés, B detektor sávszélesség, I sötét sötétáram (Beeső fényteljesítmény nélkül megjelenő áram) P opt_pd vett optikai jelteljesítmény R fotodióda érzékenysége PD Fotodióda zaja termikus zaj A zaj a hőmérsékleti egyensúly körül létrejövő véletlenszerű fluktuációk következtében jön létre Planck törvény => Optikai tartományban nincs termikus zaj h f N = 0 h f exp 1 k T Elektronikus tartományban 4kTB i n _ term = R L k Boltzmann állandó ( (-3) J/K) B detektor sávszélesség, T abszolút hőmérséklet, R L terhelő ellenállás zaj áram zajteljesítmény P elektr. = i R L ha h f >> k T 15

16 Fotodióda zaja sokszorozási zaj Lavina dióda sokszorozási zaj Sztochasztikus folyamat => erősítés fluktuáció M: sokszorozási tényező, F(M):APD zajtényező, F(M) ~= M x (0 x 1) Sörétzaj i SÖRÉT = q I p B M F( M ) Jel - zaj viszony 1. Cél: nagy SNR Nagy jelteljesítmény Alacsony zajszintek Jelteljesítmény a fotoáramból SNR = detektorzaj + elektromos áramkörök zaja 16

17 Jel - zaj viszony. ip M SNR = q( I p + ID ) M F( M ) + 4 kbt / RL + ( RIN ) I p B M=1 esetén visszaadja a PIN dióda SNR értékét Ha a termikus zaj dominál a rendszerben, akkor M növelésével SNR javítható SNR = q B I P 4 k T B RL X ( I + I ) M + + RIN B I M P M növelésével nő (sörétzaj) d M növelésével csökken (termikus zaj + LD zaj) p Zajszámítás Összeköttetés elején RIN, végén termikus dominál RIN jelszint: négyzetes kapcsolat Sörét jelszint: lineáris kapcsolat 1E-0 1E-1 1E- teljes zaj RIN Termikus Sörét 1E-3 1E-4 1E Összeköttetés hossza [km] 17

18 Zajszámítás - OA pozíciója Transmitter P L =1 mw RIN=-140 db/hz m=5% P mod m LD η L, R L, RIN Transmitter P L L 1 link loss=60db SOA G, F L PD η Q, R P Receiver P rec I P Receiver R=0.9 A/W Z=50 Ω SOA: Gain=9dB, P SOAnoisedetected =-144dBm the beat noise between the ASE components Signal and Noise Power[dBm] dB Cross point of noises 19.7dB Signal Total thermal noise SOA noise Total noise Shot noise Laser RIN Optical Attenuation before the SOA [db] Diszperzió mérleg 18

19 Diszperzió Diszperzió: jel komponensei eltérő sebességgel terjednek Következmény: impulzus kiszélesedés Ökölszabály (adatátviteli sebesség-impulzus kiszélesedés kapcsolatára): T < T B T < 1 B TB vagy : T < 4 Üvegszál B T < 1 4 T B = 1/B t ΔT t Diszperzió - típusok (Inter) Módus diszperzió Multi-módusú szál Jelenleg: VCSEL + MMF Móduszaj: terjedési idők időben véletlenszerűen változnak vibráció, hőmérséklet, stb. => időfüggő zaj komponens (-3 db power penalty) Kromatikus diszperzió Egymódusúszál + FP vagy DFB Diszperziós együttható, meredekség Diszperziós limit ~1/bitsebesség Pl. D=17ps/(nm km), B=10Gbps => L max 60km Polarizációs Mód Diszperzió tökéletlen hengeres szimmetria a szálban Statisztikus jellemzés 19

20 Diszperzió mérleg 1. Módus diszperzió Diszperzió mérleg készítése nem jellemző SM szál GI szál Diszperzió mérleg - kromatikus Korlát: T = D L => BL D λ => max. összeköttetés hossz: λ 4 < 1 L max 1 = 4B D λ D ~ 0 esetén másodlagos hatások érvényesülnek: a forrás spektruma > 0 D = 0 csak 0 szélességű környezetre igaz, a többi spekt. komponensre nem! differenciális diszperziós paraméter, S 4BL S ( λ) < 1 0

21 Diszperzió kompenzáló szál Optikai szál negatív diszperziós paraméterrel: D1 L1 + D L = Szükséges kompenzáló szálhossz: L 100 km SMF => kb. 17-0km DCF Nagy hossz => nemlineáris hatás Nagy sávszélesség (~0nm). D1 L = D 0 Relative dispersion slope (S/D) 1 Diszperzió mérleg - kromatikus pl. FBG 1

22 Polarization Mode Dispersion (PMD) két polarizáció terjedési sebességkülönbségének statisztikus változásából alapvetően lassú folyamat Héj Mag Üvegszál keresztmetszet Ideális Valóság Gyors tengely Lassú tengely Gyors τ τ Lassú τ : Differential Group Delay (DGD) PMD tűrés Diszperzió mérleg készítése nem tipikus Előre nem tervezhető, csak mérhető a telepítés után Elkerülhetetlen (gyártási pontatlanság és környezeti feltételek változása) Kis szintű PMD-t elvisel a rendszer, tűrés függ a sebességtől (tipikusan a bitidő 10%-a)

23 Időmérleg Felfutási idő (10%->90% jelszintre) Digitális optikai rendszerekben a diszperzió mérlegnek megfelelő, kiegészítve az adó és vevő vizsgálatával Rendszer felfutási ideje: egymást követő, kaszkád kapcsolású egy-időállandós fokozatok esetén az eredő felfutási idő jó közelítése Tapasztalati (?) érték: Gyakorlatban Optikai teljesítmény és zajmérleg Jelszint>vevő érzékenység OSNR>15dB Optikai diszperzió mérleg Lehetőleg 0 közelében maradjon az eredő érték 3