Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Parametry i technologia
światłowodowego systemu CTV
(Światłowodowe systemy szerokopasmowe)
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
1
Podstawy optyki swiatlowodowej: Podstawowe
zagadnienia w planowaniu systemu optycznego
Ocena jakości i projektowanie systemu transmisji
światłowodowej wymaga oceny następujących parametrów
• Szum i liniowość systemów analogowych (Ograniczenia
przepływności w systemach cyfrowych)
• Elementy pasywne (wybór i parametry)
Systemy łączności cyfrowej (telekomunikacja, sieci komputerowe)
stosują sygnał o dwóch poziomach (wysoki i niski).
Systemy analogowe (CATV) korzystają z urządzeń „liniowych”.
Wymagania odnośnie liniowości modulacji, szumów są w tych
systemach znacznie wyższe.
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
2
Skladniki systemu transmisji
• włókno optyczne
• elementy pasywne (rozgałęziacze, tłumiki, izolatory)
• elementy aktywne: źródła światła
• elementy aktywne: detektory
• inne elementy (modulatory, przełączniki, wzmacniacze optyczne)
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
3
Zalety i wady światłowodu i kabla koncentrycznego
HFC - Hybrid Fiber/Coax
Światłowód
Zalety - bardzo niskie tłumienie, duże pasmo transmisji, niska cena, mała
waga, niewrażliwość na zakłócenia e-m
Wady - wysoki koszt elementów aktywnych, wyższy koszt elementów
pasywnych (w porównaniu do elementów elektronicznych)
Kabel współosiowy (koncentryk)
Zalety -transmisja do 1 GHz/ ~600, dobra jakość i niska cena aktywnych i
pasywnych elementów w.cz.,
Wady - duże straty (w porównaniu do światłowodu), zależność strat od
częstotliwości, przy odległościach >300m konieczność stosowania equalizerów
i regeneratorów, pogarszają one jakość transmisji (szum, dystorsja)
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
4
Sieć HFC
HFC - Hybrid Fiber/Coax
Hybrydowy system łączności HFC wykorzystuje zalety obu mediów
transmisyjnych (światłowód, k. koncentryczny).
Najczęściej stosowana jest dziś konfiguracja FTF (Fiber to the feeder)
nadajnik
optyczny
światłowód 5 - 20 km
węzeł
optyczny
dzielnik optyczny
sieć
RF/Coax
500 domów
Sieć hybrydowa do dystrybucji sygnału wideo (~500 odbiorców, moc
nadajnika dzielona 2-3krotnie)
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
5
Liniowe łącze światłowodowe
światłowód
wejście
W.cz.
nadajnik
optyczny
detektor
optyczny
wyjście
w.cz
Schemat blokowy światłowodowego łącza w.cz. lub mikrofalowego. Sygnał
w.cz. moduluje emisję lasera, sygnał optyczny transmitowany jest
światłowodem, ostatecznie detektor przetwarza sygnał optyczny na elektryczny
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
6
Optyczna moc wyjściowa
(mW)
Źródło światła (laser półprzewodnikowy)
nachylenie =
współczynnik
modulacji (mW/mA)
zmodulowany
optyczny sygnał
wyjściowy
P
Ith
Io
Prąd wejściowy (mA)
Laser pracuje w liniowym zakresie modulacji prąd-moc. Efektywność
modulacji określa nachylenie prostej (typowo 0,2 mW/mA).
Ze względu na wymaganą jakość transmisji preferowane są lasery DFB ze
stabilizacją temperatury (układ Peltiera). Najczęściej stosowana długość fali
1310nm.
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
7
Moc lasera w liniowych łączach światłowodowych
Moc lasera określona jest przez następujące parametry:
• efektywność chipu lasera (zależy od długości fali i konstrukcji, ~0,5
mW/mA, rośnie w miarę postępów technologii)
• efektywność sprzęgania światłowodu z laserem (efektywność <1, w
wyniku astygmatyzmu wiązki, niedopasowania poprzecznych rozkładów
pola, strat wewnętrznego izolatora, obecnie w urządzeniach
komercyjnych efektywności dochodzą do 70%)
• prąd lasera (zwiększenie prądu lasera prowadzi do zwiększenia mocy
wyjściowej, przy zbyt dużych prądach pojawiają się jednak nieliniowości;
prądy nie przekraczają zwykle 100mA, a moce wyjściowe 50 mW)
Uwaga: maksymalne parametry uzyskiwane w laboratoriach są około 20 do
50% lepsze od parametrów katalogowych przyrządów komercyjnych.
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
8
Blokowy schemat nadajnika
wejście w.cz.
automatyczna
regulacja
wzmocnienia
wzmacniacz
w.cz.
Predistorter
stabilizator mocy
dioda
laserowa
zasilanie
stałoprądowe
stabilizator
temperatury
światłowód wyjście
optyczne
• Wzmacniacz w.cz. do uzyskania optymalnego sygnału modulacji lasera
• ARW dla uniezależnienia się od poziomu wejściowej mocy w.cz.
• Predistorter dla kompensacji (znanych błędów modulacji)
• Układy stabilizacji zasilania DC (fotodioda kontrolna) i temperatury
(układ Peltiera). Czas pracy (MTFB) > 106 h
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
9
Fotodetektor
Prąd wyjściowy (mA)
Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii
światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w
systemach światłowodowych jest liniowa.
nachylenie =
czułość (mA/mW)
P
Optyczna moc
wejściowa (mW)
Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 mA/mW
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
10
Schemat blokowy odbiornika liniowego
Układ
dopasowująco
-korekcyjny
Transformator
prądowy
Fotodetektor
liniowy
Wzmacniacz
CATV
Transformator prądu, poprzez dopasowanie fotodiody i wzmacniacza
pozwala zmniejszyć szumy modułu detekcji
Schemat szerokopasmowego odbiornika optycznego zawiera:
• układ dopasowania impedancji fotodiody
• transformator prądowy
• wzmacniacz w.cz.
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
11
Parametry systemu transmisji (łącza)
Laser (modulacja bezpośrednia)
• Indeks modulacji (OMI=optical modulation index)
• Szum względny (RIN=relative intensity noise)
Kanał transmisyjny (parametry)
• Straty (wzmocnienie) kanału transmisyjnego
• Pasmo łącza
• Jakość sygnału
Stosunek nośna-szum (CNR)
Stosunek sygnał-szum (SNR)
Stopa błędu (BER)
• zniekształcenia sygnału (nieliniowości łącza)
drugiego rzędu (CSO=Composite Second Order)
trzeciego rzędu (CTB=Composite Triple Beat)
Inne zagadnienia
• oddziaływanie kanałów głosowych, wideo i cyfrowych
• średni czas życia nadajników
• modulacja zewnętrzna
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
12
Straty (wzmocnienie) łącza
Straty łącza określone są przez
• efektywność lasera (moc optyczna/prąd)
• tłumienie światłowodu
• czułość detektora
• stosunek impedancji wyjściowa/wejściowa
Współczynnik wzmocnienia mocy łącza:
G = (I out I in ) (Rout Rin )
2
Gdzie:
Rout - rezystancja obciążenia (wyjściowa) fotodiody
Rin - rezystancja wejściowa modułu lasera
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
13
Współczynnik wzmocnienia typowego łącza
G = (I out I in ) (Rout Rin )
2
I out I in = ηl η pd L
Gdzie:
ηl - efektywność lasera (~0,2 mW/mA)
ηpd - czułość detektora (~0,9 mA/mW)
L - tłumienie optyczne łącza
Iout/Iin jest zawsze <1, czyli łącze światłowodowe zawsze wykazuje
straty w.cz.
Straty te można kompensować relacją rezystancji wejścia/wyjścia
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
14
Rezystancje wejścia/wyjścia w łączu światłowodowym
Impedancja charakterystyczna urządzeń wejścia/wyjścia w linii
CATV dopasowane są do 75Ω
Impedancja lasera ~5Ω
Moduł lasera często dopasowany do 25Ω
Fotodioda - wysoka impedancja (spolaryzowane zaporowo złącze p-n)
Moduł detektora często dopasowany do 300Ω
Całkowite wzmocnienie łącza ~1
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
15
Pasmo
Maksymalne pasmo elementów aktywnych toru transmisyjnego
wynosi ~10 GHz (lub więcej)
Pasmo to jest ograniczane przez: regeneratory sygnału, wzmacniacze i
układy dopasowujące (układów lasera i detektora).
Typowe pasmo toru transmisyjnego to 750 lub 860 MHz
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
16
CNR i SNR określają jakość transmisji
w systemach analogowych
Stosunek nośna szum (CNR) jest określony przez:
• szum lasera (fluktuacje mocy wyjściowej, szum interferencyjny),
proporcjonalny do kwadratu mocy lasera
• szum detektora (szum kwantowy - shot noise)
proporcjonalny do mocy
• szum wzmacniacza układu detekcyjnego
nie zależy od mocy
• głębokość modulacji (na kanał)
Jakość transmisji łącza światłowodowego (FM) może być ograniczona
przez:
• laser,
• detektor
Łącza krótkie, o dużej mocy - jakość transmisji określa laser
Łącza długie, mała moc odbierana - jakość określa moduł detektora
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
17
-75
20
Sygnał
-85
10
Szum lasera
0
-95
-105
-10
-115
-20
-125
-30
-135
-10
-40
-8
-6
-4
-2
0
2
Moc optyczna na detektorze (dBm)
Sygnał (dBmV)
Szum (dBmV/Hz)
Szumy światłowodowego łącza liniowego
Szum śrutowy
detektora
Szum
wzmacniaczy
Szum
całkowity
4
Ograniczeniem „fizycznym” jest szum śrutowy detektora. Całkowite
szumy systemu powinny być bliskie wartości tych szumów
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
18
Struktura CNR w systemach FM
CNR detektora
70
CNR LASERA
65
CNR systemu
CNR [dB]
60
55
50
45
40
Jakość
"określona laserem"
35
Jakość
"określona detektorem"
30
0
5
10
15
20
25
tłumienie pomiędzy laserem i detektorem [dB]
Wartości przykładowe, przy projektowaniu systemu wartości należy pobrać z katalogu
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
19
Wplyw detektora na CNR systemu (AM)
CNR diody PIN
70
CNR lasera
65
CNR diody APD
CNR [dB]
60
55
50
wpływ
detektora APD
45
40
wpływ
detektora PIN
35
30
0
10
20
30
40
tłumienie pomiędzy laserem i detektorem [dB]
Wartości przykładowe, przy projektowaniu systemu wartości należy pobrać z katalogu
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
20
Predystorder (predistorter)
Sprzęgacz
kierunkowy
Sprzęgacz
kierunkowy
Linia
opóźniająca
w.cz.
Transformator
3:1
Moduł
lasera
25 Ω
Dzielnik
Dystorter
2go rzędu
Dopasowanie
amplitudy
Dopas.
fazy
Filtr
Dystorter
3go rzędu
Dopasowanie
amplitudy
Dopas.
fazy
Filtr
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sprzęgacz
kierunkowy
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
21
10
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
29
11
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
30
12
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
31
13
(c) Sergiusz Patela 1998-2002
Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV
32