TTS Moduł 12

Cyfrowe łącze optyczne jest najważniejszym, elementarnym modułem współczesnego systemu telekomunikacyjnego na świecie. Wniosło ono do starych systemów telekomunikacyjnych trzy bardzo ważne cechy: ogromną, niewyobrażalną do niedawna przepustowość, znacznie mniejszą wrażliwość na szumy i tym samym lepsza wierność transmisji, uniwersalność jaką daje cyfryzacja wszelkiego rodzaju informacji. Tak więc łączem cyfrowym możemy z powodzeniem transmitować rozmowę, piosenkę, obraz, film, a także program komputerowy, bilans płatniczy firmy, itp. Znamy już narzędzia, z których można zbudować łącze optyczne. Czas poznać ich działanie.

---

Wykład, którego studiowanie zaczynamy jest długi i wprowadza nas w złożony świat łączy optycznych. Mam nadzieję, że będzie zrozumiały. Spis treści zawiera szereg ważnych tematów, które mogą być prezentowane w rozmaitej kolejności. Wydaje się, że najlepiej zacząć referowanie tematu na łączach analogowych, a skończyć na multipleksacji. Rozmiar wykładu każe nam opisywać bardzo krótko kolejne tematy, które wartą są osobnych wykładów.

---

Sygnał elektryczny może mieć formę sygnału analogowego bądź sygnału cyfrowego. Typowe sygnały analogowe to głosu z mikrofonu, obrazu z kamery video. Sygnały transmisji danych między komputerami są sygnałami cyfrowymi. Sygnały cyfrowe przyjmują kilka z możliwych wartości, sygnały binarne - jedną z dwu wartości ”1” lub ”0”. Sygnał analogowy zamieniamy na cyfrowy przez: próbkowanie go w określonym rytmie, kwantyzację próbki, czyli przypisanie jej jednej z M wartości, na co potrzeba m bitów: Obie funkcje wykonuje przetwornik A/D. Wartość próbki zostaje zapisana binarnie przez m bitów a informacja o tej wartości zostaje podana cyfrowo. Analogową postać sygnału przywraca przetwornik D/A. Przebieg analogowy nie zostaje odtworzony wiernie, zmienia się zawartość wyższych harmonicznych.

---

Wszystkie sygnały można ostatecznie zapisać w formacie cyfrowym. Transmisja cyfrowa staje się uniwersalnym sposobem na przesyłanie: dźwięku, obrazu i danych cyfrowych. Popatrzmy jakie pasma transmisji są wymagane przy transmisji rozmaitych danych. Transmisja rozmowy telefonicznej: pasmo: 200...3400 Hz; częstotliwość próbkowania: 8 kHz; rozdzielczość kwantowania 8 bitów; szybkość transmisji 64 kb/s; dynamika powiększona przez stosowanie logarytmicznej PCM. Audio-CD., popularny odtwarzacz: pasmo: 20...20 000 Hz; częstotliwość próbkowania: 44,10 kHz; rozdzielczość kwantowania 16 bitów; szybkość transmisji 706 kb/s na kanał. Digital Audio Tape – DAT: pasmo: 20...20 000 Hz; częstotliwość próbkowania: 48 kHz. Systemy telewizji: NTSC/PAL: szybkość transmisji 3...5 Mb/s. System telewizji zgodny z CCIR 601: szybkość transmisji 5...10 Mb/s; cyfrowy strumień danych zawiera informacje kolejno o 3 kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim; 3 przetworniki A/D analizuję każdy z kolorów zapisując intensywność barwy za pomocą 8 bitów. High Definition Television Format – HDTV: szybkość transmisji bez kompresji: 60 Mb/s; szybkość transmisji z kompresją: 20-40 Mb/s. Wnioski: Porównanie pasma zajętego przez transmisję sygnału analogowego z pasmem zajętym przez sygnał cyfrowy odwzorowujący przebieg analogowy wskazuje na znaczne powiększenie warunków szerokopasmowości;

---

Sieci telekomunikacyjne tworzą rozległe, nieregularne struktury, wśród których można wyodrębnić charakterystyczne elementy: LAN - Local-Area-Network, łączy niewielkie liczby użytkowników, najmniejsze z sieci. MAN - Metropolitan-Area-Network, większe struktury sieci telekomunikacyjnej. WAN - Wide-Area-Network, największe struktury sieci, budowane w dużych rejonach geograficznych. Łącza optyczne są jednym z elementów sieci, która poza tym może wykorzystywać: radiolinie, sieci telekomunikacji komórkowej, sieci satelitarne, sieci telefonii tradycyjnej, sieci CATV, itp.

---

Mimo rozwoju techniki transmisji cyfrowej, transmisja sygnałów w postaci analogowej jest ciągle istotnym elementem wielu systemów telekomunikacyjnych i radiolokacyjnych. Prosty schemat takiego łącza pokazano na rysunku. Sygnał analogowy dostarczony do nadajnika kierowany jest przez wzmacniacz $W_N$ do lasera. Którego moc optyczna modulowana jest w takt tego sygnału. Po transmisji światłowodem sygnał dociera do fotodetektora i po wzmocnieniu wzmacniaczem $W_0$ pojawia się na wyjściu odbiornika. Sygnał wyjściowy powinien być możliwie wierną kopią wejściowego. Oczywiście struktura łącza analogowego może być nieco inna. Rozwiązania takie poznamy w dalszych segmentach wykładu.

---

Zasada działania łącza analogowego z modulacją bezpośrednią jeszcze raz pokazana została na rysunku. Proces modulacji oparty na zamianie modulacji prądu diody laserowej na generowaną przez nią moc optyczną odbywa się z pewną sprawnością. Decydującym parametrem jest nachylenie charakterystyki diody laserowej $S_L[W/A]$. Proces konwersji mocy optycznej na prąd wyjściowy dokonujący się w odbiorniku optycznym dokonuje się także ze sprawnością określoną czułością detektora $R_D[A/W]$. W oparciu o te wielkości można proces modulacji i demodulacji ocenić z energetycznego punktu widzenia.

---

Zdefiniowane wzmocnienie nie zależy od poziomu mocy wyjściowej lasera i średniego prądu fotodetektora. Gdyby każdy elektron wstrzyknięty do obszaru aktywnego lasera generował jeden foton, i foton ten po dojściu do fotodetektora generował jedną parę dziura elektron, to wzmocnienie byłoby równe 1. Jednakże z wielu powodów jest mniejsze od jedności. W typowych łączach analogowych z bezpośrednią modulacją mocy optycznej lasera półprzewodnikowego wzmocnienia $G$ są zwykle mniejsze od –20 dB. Transmisja sygnału łączem analogowym z bezpośrednią modulacją lasera połączona jest z istotnym zmniejszeniem mocy sygnału. W specjalnych typach laserów o dużym nachyleniu $S_L$ można uzyskać wzmocnienia większe od –10 dB.

---

Układ ideowy łącza pokazano na rysunku. Sygnał optyczny kierowany jest do modulatora elektrooptycznego typu Mach-Zehnder’a. Charakterystyka tego modulatora ma kształt sinusoidalny, natomiast praca łącza analogowego wymaga liniowej charakterystyki modulacji. Dlatego przyjmuje się punkt polaryzacji modulatora w punkcie przegięcia charakterystyki – co pokazano na rysunku. Nachylenie charakterystyki w tym punkcie oznaczono przez $S_{MZ}[1/V]$. Odbiornik sygnałów optycznych jest identyczny, jak poprzednio. Parametrem określającym sprawność procesu zamiany sygnału optycznego na elektryczny jest czułość fotodetektora diodowego $R_D[A/W]$.

---

Maksymalna transmisja mocy optycznej modulatora M-Z $T_{MAX}<1$, gdyż modulator ma własne straty wynikłe ze stratności światłowodów planarnych. Głębokość modulacji mocy optycznej zależy od $(V_{RF}/V_x{)}^2$. Ta sama amplituda $V_{RF}$ może modulować małe, bądź duże moce optyczne $P_0$. A więc wzmocnienie łącza optycznego jest proporcjonalne do mocy wyjściowej $P_0$ lasera nadajnika. Największe wartości wzmocnień uzyskuje się dla łącza z modulacją zewnętrzną wykorzystującego lasery na ciele stałym Nd:YAG, o mocy optycznej kilku watów. Przy użyciu dużych mocy optycznych możliwym jest uzyskanie całkowitego wzmocnienia większego od 1.

---

Najpopularniejszym typem łącza optycznego jest łącze cyfrowe. Celem transmisji jest przesłanie - możliwie bezbłędnie - od nadajnika do odbiornika ciągu liczb. Najprostsze rozwiązanie łącza cyfrowego wykorzystuje technikę IM-DD (ang. Intensity Modulation – Direct Detection). Tak jak pokazano to na rysunku, łącze optyczne składa się z nadajnika, światłowodu i odbiornika. Przygotowany odpowiednio przez układy multipleksacji i kodowania sygnał trafia do nadajnika optycznego. Sygnał optyczny generowany przez nadajnik jest następnie transmitowany światłowodem kwarcowym do odbiornika. Sygnał optyczny, osłabiony tłumieniem światłowodu, z impulsami zniekształconymi efektami dyspersji, dopływa do odbiornika. W odbiorniku odbywa się detekcja bezpośrednia (Direct Detection), na diodzie PIN. Specjalne układy regenaracyjne przywracają kształt impulsom. Nastepnie odpowiednie uklady elektroniczne rozprowadzają sygnał do innych elementów sieci telekomunikacyjnej.

---

Na rysunku pokazano układ ideowy cyfrowego łącza światłowodowego z bezpośrednią, prądową modulacją mocy optycznej generowanej przez laser wraz z ilustracją procesów modulacji i detekcji. Wynikiem modulacji impulsy mocy optycznej, czyli grupy, paczki fotonów, które rozpoczynają podróż swiatłowodem. Przy modulacji impulsami odpowiadajacymi prędkości transmisji 10 Gb/s czas przepływu takiego impulsu wynosi niecałe 100 ps, a „paczka” fotonów zajmuje długość około 3 cm. Oczywiście gęstość fotonów nie jest jednakowa na całej długości „paczki” i nie jest czystym prostokatem, a raczej impulsem o kształcie zblżonym do krzywej Gaussa.

---

Dwustanowa modulacja amplitudy (modulacja mocy optycznej) typu „on-off keying” OOK jest także możliwa gdy zastosujemy modulator zenetrzny Mach-Zehndera. Aby wykorzystać w pełni możliwości modulatora powinniśmy modulować jego transmisję od stany maksymalnej transmisji do minimalnej. Niestety nie jest to transmisja równa zeru, w dobrych modulatorach moc minimalna spada do 1/40 mocy maksymalnej.

---

Moc nadajnika, czułość odbiornika i tłumienie światłowodu decydują o długości łącza. Jeśli jednak zwiększamy długość światłowodu moc docierająca do odbiornika może być zbyt mała, a stopa błędu zbyt duża. Aby zwiększyć długość łącza stosuje się wtedy wzmacniacze optyczne i układy regeneracyjne. Struktura łącza optycznego z łańcuchem wzmacniaczy i regeneratorów pokazana jest na rysunku. Układy regeneracyjne impulsów typu 3R (ang. repeater, regenerator: retiming, reshaping, regenerating) zawierają odbiornik optyczny, układy elektroniki i nadajnik optyczny. Odległości miedzy poszczególnymi elementami łącza są różne, zależą od pojemności łącza, mocy lasera, itp. Ogólnie można powiedzieć, że: wzmacniacze optyczne EDFA rozmieszczane są co 30…120 km, odległość między regeneratorami jest w granicach 50…600 km, odległość między terminalami do 600 km nie wymaga użycia regeneratora. Systemy długodystansowe do 10.000 km wymagają użycia wielu regeneratorów. Projektując takie systemy należy uwzględnić szereg innych warunków.

---

W systemach długodystansowych wykorzystywane są kable z wieloma jednomodowymi światłowodami. Łącza takie są zwykle dwulierunkowe. Na rysunkach pokazano jak wygląda struktura układów stacji wzmacniaczy i regeneratorów dla dwukierukowego łącza z dwiema parami światłowodów jednomodowych. Systemy z regeneratorami impulsów mają istotne wady: Nie mogą być stosowane w systemach z multipleksacja WDM, ponieważ laser nadajnika pracuje na jednej częstotliwości. Regeneratory są z natury rzeczy jednokierunkowe. Układy elektroniczne regeneratorów ograniczają szybkość transmisji.

---

Podstawowe kryterium pozwalające obliczyć zasięg łącza światłowodowego: moc odbierana musi być większa od mocy $P_R$ określającej czułość odbiornika, zwykle z marginesem $P_m=6dB$. Aby ocenić zasięg łącza przeprowadzimy analizę budżetu mocy. Oznaczymy dla potrzeb analizy następujące wielkości: Moc nadajnika laserowego $P_S[dBm]$, Stała tłumienia światłowodu $\alpha [dB/km]$, Dla długości $L[km]$ daje to tłumienie toru $\alpha L[dB]$, Straty wywołane połączeniami i sprzężeniami $P_C[bB]$, Czułość odbiornika $P_R$ z marginesem $P_m$. Dochodzimy do prostej zależności, opartej na budżecie mocy.

---