TTS Moduł 14

Wykład

Światłowód kwarcowy jako medium transmisyjne zrewolucjonizował technikę transmisji informacji na długich dystansach. O tym już wiemy. Czy w takim razie jest jeszcze miejsce na transmisję radiową? Znasz odpowiedź: oczywiście tak, cała telefonia komórkowa bazuje na transmisji radiowej, wykorzystującej pasma mikrofalowe. W ostatnich latach coraz częściej sięgamy do pasma fal milimetrowych. Jednakże systemy radiowe i światłowodowe nie rozwijają się obok siebie, bez punktów styku. Jest ich wiele. Obie techniki: światłowodowa i radiowa przenikają się wzajemnie I uzupełniają. Popatrzmy w tym wykładzie na niektóre przykłady.

---

Wykład „Systemy radiowo-światłowodowe” zapoznaje studiującego z najnowszymi rozwiązaniami problemu jednoczesnej, szerokopasmowej transmisji danych do lokalnych sieci komputerowych. Połączenie właściwości transmisji radiowej, wykorzystującej pasma fal milimetrowych, z możliwościami transmisji światłowodowej umożliwiło projektowanie systemów elastycznych o dużej przepustowości. Kolejno omówione zostaną podstawowe techniki stosowane w systemach, które są obiektem poważnych prac rozwojowych.

---

Wykorzystanie łączy światłowodowych do transmisji fali nośnej pasm milimetrowych wymaga dużych prędkości modulacji i detekcji, tworzy to określone trudności. Na rysunku pokazano pasma pracy układów modulujących sygnał optyczny i układów odbiorczych. Najszersze pasmo pracy mają fotodetektory diodowe PIN i MSM, natomiast fototranzystory ciągle są rozwijane i nie tworzą dojrzałych konstrukcji. Jeśli chodzi o modulację sygnału optycznego, to realnym stało się uzyskanie pasma modulacji do 40 GHz, choć w najlepszych, pionierskich konstrukcjach osiąga się 80 GHz. Oznacza to, że bezpośrednia transmisja sygnału fali nośnej z pasma fal milimetrowych jest problemem, który nie daje się bezpośrednio rozwiązać.

---

Stałe dążenie do coraz większych prędkości transmisji informacji w telekomunikacji radiowej tworzy nacisk na wykorzystanie pasm fal milimetrowych. Pasma fal milimetrowych (25 GHz, 34 GHz, 43 GHz, 60 GHz) nie zapewniają dużych zasięgów - tłumienie w atmosferze, jednakże umożliwiają one duże prędkości transmisji. Problemem jest połączenie Stacji-Bazy ze Stacją Centralną, gdyż ani linia współosiowa, ani falowody nie mogą być użyte ze względu na tłumienie. Powstała idea wykorzystania do tego celu łącza światłowodowego. Łącze takie winno służyć jednocześnie do: transmisji informacji, transmisji fali nośnej (informacji o jej częstotliwości).

---

Celem jest transmisja sygnału i nośnej z punktu-do-punktu, przy użyciu światłowodu. Użycie modulatora „na wejściu” sytemu – co pokazano w obwodzie a) - jest rozwiązaniem najprostszym. Struktury łącz optycznych do transmisji sygnałów mikrofalowych wykorzystują albo bezpośrednią modulację laserów, albo zewnętrzną modulację nośnej. W układzie z rysunku b) oddzielnie transmitowana jest nośna i sygnał, a proces modulacji realizowany jest po stronie „wyjścia”. Oczywiście można transmitować sygnał i nośną tym samym światłowodem, jeśli użyje się lasery o różnych długościach fali i technikę multipleksacji WDM.

---

W układzie z rysunku c) proces modulacji realizowany jest po stronie „wyjścia”, przy czym funkcję modulatora pełni fotodioda. Oczywiście można transmitować sygnał i nośną tym samym światłowodem, jeśli użyje się lasery o różnych długościach fali i technikę multipleksacji WDM. Sygnał i fala nośna mogą być transmitowane przez jedno łącze optyczne, jeśli tylko pasma zajmowane przez oba sygnały są wyraźnie oddzielone od siebie. Pokazano taki obwód na rysunku d). Obwód wejściowy jest tutaj prostym, liniowym i pasywnym sumatorem. Także w tym przypadku modulatorem może być fotodetektor PIN.

---

Proces modulacji mocy optycznej może być prowadzony zewnętrznym modulatorem, na przykład modulatorem elektrooptycznym. Układy łącz e) i f) pracują analogicznie do układów a) i b), różnica leży w sposobie modulacji. Układy z modulatorem zewnętrznym są bardziej kosztowne, ale dzięki możliwości uzyskania wzmocnienia i mniejszego współczynnika szumów mogą być w wielu zastosowaniach niezastąpione.

---

Modulacja z wykorzystaniem podnośnych (subcarrier multiplexing) jest przykładem równoczesnej transmisji wielu sygnałów mikrofalowych o różnych częstotliwościach. Ten typ przesyłania informacji jest chętnie stosowany w transmisji kanałów telewizyjnych w sieciach telewizji kablowej CATV. W tej technice wszystko, co możliwe jest realizowane z wykorzystaniem układów elektronicznych, łącze optyczne służy jedynie do transmisji.

---

W wielu przypadkach konieczna jest transmisja sygnałów mikrofalowych z pasm powyżej osiągalnego pasma modulacji laserów. Przypadek taki pokazano na rysunku. Problem rozwiązano stosując mieszacz mikrofalowy dolnowstęgowy, wykorzystany tutaj do obniżenia pasma sygnałów z 40-58 GHz do wartości 0-18 GHz, co umożliwia bezpośrednią modulację mocy laserów. Analogicznie po stronie „wyjścia” sygnał z pasma 0-18 GHz po transmisji jest przez mieszacz górnowstęgowy przeniesiony do pasma 40-58 GHz. W opisywanym systemie oddzielnie transmitowana jest nośna, a oddzielnie sygnał. Ponieważ częstotliwość nośnej jest 8 x mniejsza, potrzebne są więc powielacze częstotliwości, po obu stronach systemu.

---

Łącza optyczne w systemach radio-światłowód są najczęściej łączami analogowymi, mimo, że transmitowane są dane cyfrowe. W tym miejscu warto przypomnieć ważny parametr łącza analogowego, jakim jest wzmocnienie. Na rysunku pokazano układ łącza optycznego, analogowego i określono wrota sygnału mikrofalowego. We wrotach wejściowych sygnał mikrofalowy jest skierowany do modulowania prądu lasera, a we wrotach wyjściowych pojawia się sygnał wyjściowy w postaci prądu fotodetektora. Dla tak zdefiniowanego dwuwrotnika można wprowadzić pojęcie wzmocnienia. Zostało to zrobione w jednym z poprzednich wykładów.

---

Na rysunku pokazano układ łącza optycznego z zewnętrzną modulacją. W łączu wykorzystano modulator elektrooptyczny. Także w tym przypadku można określić wrota dwuwrotnika mikrofalowego i wprowadzić pojęcie wzmocnienia. Dokładne wyprowadzenie można znaleźć w jednym z poprzednich wykładów.

---

Charakterystyki wzmocnienia dla obu typów łączy pokazano na rysunku. Jak widać z nich w łączach z bezpośrednią modulacją należy oczekiwać tłumienia transmitowanego sygnału, często o kilkanaście decybeli. Natomiast w łączach z zewnętrznymi modulatorami elektrooptycznymi można uzyskać praktycznie niewielkie wzmocnienia. Projektanci systemów radio-światłowód powinni fakt ten mieć na uwadze.

---

Co można zrobić z “nośną” po transmisji łączem optycznym? Informacja o częstotliwości nośnej może być wykorzystywana w rozmaity sposób. Jeśli częstotliwość nie musi być zmieniana, to najprostszym rozwiązaniem jest użycie wzmacniacza – rysunek a). Transmisja analogowym łączem optycznym połączona jest zwykle z tłumieniem sygnału o 10...25 dB. Stosunek sygnał/szum ulega degradacji o tyle samo decybeli W systemach „fiber-radio” częstotliwość sygnału używana do transmisji radiowej leży zwykle w zakresie fal milimetrowych, powyżej 30 GHz. Często bezpośrednia transmisja sygnału o takiej częstotliwości nie jest możliwa, ponieważ leży poza pasmem modulacji. Trzeba szukać rozwiązań specjalnych. W takim wypadku transmitowana jest częstotliwość kilkakrotnie mniejsza, a na wyjściu fotodetektora stosuje się powielacze częstotliwości. Najczęściej są to powielacze tranzystorowe, rzadziej diodowe.

---

Kolejne rozwiązanie pokazano na rysunku c). Można transmitować sygnał częstotliwości odniesienia $f_{REF}$ o niewielkiej wartości 1-10 MHz, i kontrolować z jego pmocą częstotliwość oscylatora VCO za pomocą detektora fazy i układu PLL. Częstotliwość VCO jest zwykle ograniczona zakresem pracy dzielnika częstotliwości (kilkanaście GHz). Jeśli jest ta za mała częstotliwość, to można zastosować powielacz częstotliwości i w rezultacie uzyskać sygnał fali nośnej w pasmie fal milimetrowych.

---

Do fotodetektora kierowane są 2 sygnały optyczne o różnych częstotliwościach. Detektor nie jest czuły na fazę sygnału optycznego a rejestruje docierającym do niego strumieniem fotonów. Proces taki nazywany jest koherentną detekcją optyczną, lub mieszaniem optycznym, lub też optyczną detekcją heterodynową. Moce sygnałów optycznych $P_S$ i $P_{LO}$ są proporcjonalne do kwadratów amplitud natężeń pól: Prąd wyjściowy fotodetektora jest sumą 3 składników (R – czułość detektora): Interesującym nas składnikiem jest 3 z nich, o częstotliwości pośredniej $f_{IF}$. Detekcja heterodynowa może być wykorzystana do otrzymania sygnału o częstotliwości w pasmie fal milimetrowych i submilimetrowych.

---

Proces mieszania optycznego może być wykorzystany jako źródła sygnału mikrofalowego. Można w tym przypadku: Wykorzystać 2 lasery o częstotliwościach $f_1$ i $f_2$, Za pomocą sprzęgacza zsumować oba sygnały, Przesłać sygnały światłowodem do fotodetektora, Po zmieszaniu wybrać częstotliwość różnicową. Oba sygnały optyczne powinny być możliwie „czyste widmowo”, aby widmo częstotliwości różnicowej było odpowiednio „czyste”.

---

Istnieje możliwość takiego zaprojektowania lasera typu DFB, aby generował jednocześnie na dwu częstotliwościach. Jest to rozwiązanie bardzo wygodne w wielu zastosowaniach. Różnica częstotliwości między $f_1$ i $f_2$ może być z dużą dokładnością kontrolowana. W rozwiązaniu z poprzedniego rysunku jeden z laserów mógł być modulowany i na wyjściu fotodetektora uzyskiwaliśmy nośną mikrofalową ze wstęgami modulacji. W rozwiązaniu opisywanym modulacja nie jest możliwa. Najważniejszym problemem rozwiązania jest stabilizacja różnicy częstotliwości między modami.

---

Na rysunku pokazano układ do generacji sygnału w pasmie fal milimetrowych, z laserem przestrajalnym, wytwarzającym wielką liczbę wstęg bocznych. Dwie z nich są filtrowane przez filtry optyczne i kierowane do dwóch laserów pomocniczych. Wyfiltrowane wstęgi synchronizują oba lasery, wzmacniając w ten sposób moce wyjściowe sygnałów optycznych i podnosząc moc wyjściową sygnału mikrofalowego. Przyjmując, że częstotliwość generatora mikrofalowego jest równa 10 GHz można na wyjściu fotodetektora otrzymać częstotliwość 100 GHz.

---

Na rysunku przypomniano charakterystyki transmisji modulatora elektrooptycznego Mach-Zehndera. Charakterystyka ta ma dobrze określony kształt sinusoidy. W zależności od napięcia polaryzacji modulator może pełnić rozmaite funkcje. W łączach analogowych zależy nam na pracy liniowej, wybieramy więc prace w punkcie przegięcia charakterystyki. W układach przemiany częstotliwości punkt pracy dobieramy w miejscu maksymalnej transmisji, gdzie charakterystyka jest silnie nieliniowa.

---

Na rysunku pokazano układ łącza, w którym można realizować procesy przemiany częstotliwości przy wykorzystaniu nieliniowej charakterystyki transmisji modulatora M-Z. Sumator dodaje 2 sygnały o częstotliwościach $f_1$ i $f_2$, prąd fotodiody zawiera wiele kombinacji tych częstotliwości, w tym harmoniczne. W szczególnych przypadkach łącz pracujących w systemach radio-światłowód modulator M-Z bywa wykorzystywany do produkcji harmonicznych częstotliwości nośnej.

---

W szczególnych przypadkach łącze może być jednokierunkowe, np. do odległej anteny transmitowany jest zestaw kanałów telewizyjnych, co pokazano na rysunku. Poziom zniekształceń intermodulacyjnych powinien być ekstremalnie niski. Preferowane jest użycie modulatorów elektrooptycznych M-Z. Poziom mocy transmitowanych sygnałów jest oczywiście niewielki. Poziom sygnału mikrofalowego po detekcji optycznej jest jeszcze mniejszy. Dlatego konieczne jest wzmocnienie przed skierowaniem sygnału do anteny.

---

W systemie pokazanym na rysunku informacja – kilkadziesiąt kanałów telewizyjnych odebranych z satelity – przesyłana jest do odległej sieci telekomunikacyjnej. Odebrany sygnał po wzmocnieniu przekazany zostaje do modulatora M-Z, który tutaj pracuje na odcinku charakterystyki maksymalnie liniowej. W opisywanym układzie częstotliwości nośne zostają przy transmisji zachowane, zwykle są to częstotliwości z pasma 11…18 GHz. Jeśli decydujemy się na zmianę, zwykle obniżenie, to najlepiej zrobić to zaraz przy antenie odbiornika satelitarnego wykorzystując do tego celu odpowiedni mieszacz mikrofalowy.

---

W rozwiązaniach praktycznych stacja centralna połączona jest z wieloma stacjami-bazami. Wszystkie połączenia światłowodowe są bardzo często dwukierunkowe. Można w tych systemach z powodzeniem stosować multipleksację typu WDM. Transmisja danych między stacją-bazą a ruchomymi terminalami odbywa się na drodze radiowej. Zasięgi są zależne od mocy wyjściowej nadajników i czułości odbiorników. Z reguły w pasmie fal milimetrowych nie są one duże. Na rysunku pokazano uproszczoną strukturę systemu z dystrybucją sygnałów optycznych do pikokomórek przez sieć światłowodową i transmisją radiową na falach milimetrowych do terminali użytkowników. Sieć odbiorników może być umieszczona w osiedlu domów, może też to być sieć komputerów w zamkniętym pomieszczeniu.

---

W systemie pokazanym na rysunku zastosowano złożoną procedurę podwójnej modulacji sygnału optycznego. Pierwszy modulator wytwarza obok nośnej dwie wstęgi odległe od siebie o podwójną częstotliwość modulacji. Następnie filtr optyczny wybiera jedną z nośnych i nanosi na nią strumień danych. Oddzielne potraktowanie wstęg pierwszej modulacji daje w rezultacie podwojenie radiowej częstotliwości nośnej.

---

Wielokrotnie występuje potrzeba jednoczesnej transmisji wielu strumieni danych do kilku odbiorców. Koniecznym jest zastosowanie techniki multipleksacji. Na rysunku pokazano układ, w którym wykorzystano multipleksację na podnośnych. Wykorzystano jeden laser modulowany sygnałem złożonym z sumy wielu nośnych, z których każda modulowana jest oddzielnie strumieniem danych. Stacja-baza szerokopasmową anteną wypromieniowuje cały „grzebień” nośnych, odbiorniki terminali odpowiednimi filtrami wybierają określoną nośną otrzymując pożądany strumień danych.

---

W systemie pokazanym na rysunku problem jednoczesnej transmisji danych do wielu odbiorców rozwiązano inaczej i zastosowano gęstą multipleksację DWDM, z wieloma laserami oddzielnie modulowanymi sygnałami. Strumień danych kierowany jest światłowodem do stacji bazowych. Odpowiednie filtry optyczne odbierają sygnały z określoną nośną lasera nadajnika optycznego. W rezultacie antena stacji bazowej wypromieniowuje w stronę terminali jeden, wybrany strumień danych.

---

Schemat ideowy stacji-bazy z możliwością dwukierunkowej transmisji sygnału do terminalu ruchomego i z informacją odebraną od niego pokazano na rysunku. Światłowód doprowadza strumień informacji ze stacji centralnej odbierany przez odbiornik na długości fali ${\lambda }_1$ i jednocześnie wysyła do stacji centralnej strumień informacji na długości fali ${\lambda }_2$, wytwarzanej przez lokalny laser. Sygnał na wyjściu fotodiody zawiera jednocześnie strumień informacji i podharmoniczną nośnej w pasmie mikrofalowym. Sygnał nośnej uzyskuje się po powieleniu do wartości $f_C$. Tą samą nośną wykorzystuje się do modulacji przed transmisją radiową i do mieszania sygnału odbieranego przez antenę stacji bazowej. Dolna wstęga mieszacza kierowana jest nadajnika optycznego.

---

Jako ilustrację nowych, wysoce użytecznych rozwiązań systemów radiowo-światłowodowych opisany zostanie na 3 kolejnych ekranach system nowy, w pełni dojrzały i gotów do produkcji. System służy do transmisji danych do sieci komputerów złożonej z grup komputerów, z których każda jest obsługiwana przez jedną stację bazową. Może to być np. sieć komputerowa dużego banku, rozlokowana w kilku pomieszczeniach. Podstawowym elementem systemu jest układ nadawczo-odbiorczy pracujący na częstotliwości 60 GHz, z przepustowością 156 Mb/s. W podobny, choć istotnie prostszy układ nadawczo odbiorczy na 60 GHz wyposażony jest każdy terminal komputerowy. Terminal ten porozumiewa się z najbliższą stacją-bazą. Miedzy stacjami bazowymi a stacją centralną umieszczona jest sieć elektrooptyczna systemu.

---

Stacja centralna wyposażona jest w 2 lasery. Pierwszy z nich wytwarza sygnał optyczny o długości fali ${\lambda }_1$, który modulowany jest przez modulator EAM strumieniem danych. Tak zmodulowany strumień danych, po wzmocnieniu przez wzmacniacz światłowodowy EDFA kierowany jest do multiplexera i następnie do stacji bazowych. Drugi laser wytwarza sygnał optyczny o długości fali ${\lambda }_2$, który także kierowany jest do stacji bazowych, ale nie niesie on informacji. Sygnał ten powróci do stacji centralnej po naniesieniu strumienia danych w stacji bazowej. Ważnym elementem stacji centralnej jest odbiornik optyczny odbierający sygnały ze stacji bazowych.

---

Stacja bazowa wyposażona jest w odbiornik optyczny. Po detekcji i wzmocnieniu sygnał o częstotliwości mikrofalowej 60 GHz, z zapisaną informacją wypromieniowany jest w stronę terminali. Odebrany przez stację bazową sygnał od terminali kierowany jest do optycznego modulatora EAM, a następnie światłowodem do stacji centralnej.

---

Poszukiwane są coraz to nowe pasma mikrofalowe do transmisji coraz to większej liczby informacji. W pasmach fal milimetrowych wykluczona jest transmisja sygnałów mikrofalowych na dłuższe odległości ze względu na tłumienie falowodów. W grę wchodzi albo radiolinia, albo transmisja światłowodem. Jednoczesne wykorzystanie techniki transmisji światłowodami i transmisji w wolnej przestrzeni antena – antena już wkrótce umożliwi powstanie użytecznych systemów telekomunikacyjnych. Ograniczone pasmo modulacji sygnału optycznego zmusza do stosowania pomysłowych technik powielania mikrofalowej częstotliwości nośnej. Wykorzystanie pasm fal milimetrowych wymaga opanowania technologii wytwarzania półprzewodnikowych elementów aktywnych, aby możliwa była realizacja procesów generacji, wzmacniania i obróbki sygnałów elektronicznych.

---

Pytania sprawdzające

(jeśli potrafisz na nie odpowiedzieć, to znaczy, że opanowałeś/aś materiał wykładu)

1. Wymień zalety stosowania systemów mieszanych radiowo-światłowodowych.
2. Jak kontrolować częstotliwość oscylatora z miejsca odległego o 300m ?
3. W jakich przypadkach widzisz sens w stosowaniu multipleksacji WDM w łączach systemów radiowo-światłowodowych?
4. Zaproponuj 4 różne układy światłowodowe, którymi można przesyłać informację i nośną na dystanse kilka, kilkanaście kilometrów.
5. Na końcu łącza światłowodowego jest stacja, do której masz przesłać sygnał o częstotliwości 60 GHz. Niestety laser daje się zmodulować tylko do częstotliwości 20 GHz. Zaproponuj 3 różne sposoby uzyskania po stronie odbiornika częstotliwości 60 GHz o wartości kontrolowanej po stronie nadajnika.

---

Słownik

• Detekcja heterodynowa albo mieszanie optyczne - proces, w którym do fotodetektora kierowane są dwa sygnały optyczne o różnych częstotliwościach, pochodzące z 2 różnych źródeł, w wyniku którego w prądzie fotodetektora pojawi się składnik o częstotliwości równej różnicy częstotliwości sygnałów optycznych.
• Optyczna kontrola częstotliwości - kontrola częstotliwości oscylatora mikrofalowego sygnałem zawierającym informację o częstotliwości wzorcowej (odniesienia) i przesłanym drogą optyczną; sygnał ten jest wzmacniany i/lub powielany i/lub wykorzystany w układzie PLL do kontroli częstotliwości oscylatora.
• Optyczna generacja częstotliwości - proces, w którym detekcja heterodynowa jako proces mieszania sygnałów optycznych o dwóch różnych częstotliwościach wykorzystany jest do otrzymania sygnału o częstotliwości w paśmie fal milimetrowych i submilimetrowych.
• System radiowo-światłowodowy - system transmisji danych w którym stacje centralne połączone są z wieloma stacjami-bazami za pomocą łączy światłowodowych o dużej przepustowości, a transmisja danych między stacją-bazą a ruchomymi terminalami odbywa się na drodze radiowej; wszystkie połączenia są zwykle dwukierunkowe, umożliwiające transmisję danych w obie strony.

---

Bibliografia

1. J. Siuzdak. Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa, 1999.
2. K. Holejko. Optyczne sieci telekomunikacyjne, Polsoft, Poznań, 1998.
3. M. Szustakowski. Elementy techniki światłowodowej, WNT, Warszawa, 1992.
4. K. Perlicki. Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa, 2002.
5. A. Majewski. Podstawy techniki światłowodowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1997.

---