Szumy

• Szum cieplny

Źródłem szumu cieplnego w odbiorniku systemu światłowodowego jest rezystancja
obciążenia fotodetektora.

• Szum śrutowy

Pierwotną przyczyną szumu śrutowego jest kwantowy, ziarnisty charakter elektronów.

• Inne źródła błędów

- Szum modowy

Szum modowy polega na przypadkowych wahaniach mocy optycznej
charakterystycznych dla propagacji światła w światłowodach wielomodowych.

- Szum wzmacniacza

Bezszumowy wzmacniacz jest kompensowany zwiększeniem temperatury rezystancji
obciążenia detektora. Równoważna temperatura szumu:

Te = FT
T-temperatura systemu,
F – współczynnik szumu
(to stosunek mocy szumu cieplnego na wyjściu do mocy szumu cieplnego na wejściu
pomnożonej przez wzmocnienie wzmacniacz)

- Szum laserowy

Szum laserowy to przypadkowe fluktuacje mocy optycznej diody laserowej,
zachodzące pomimo stałości prądu

- Szum prądowy

Szum prądowy to wolno fluktuujący prąd wytwarzany przez przyrządy
półprzewodnikowe.

- Szum tła

Źródła zakłóceń w systemach transmisji światłowodowej

Szum nadajnika (DL)
1. Szumy w efekcie emisji spontanicznej
szum fazowy – rozszerzenie linii widmowej
szum natężeniowy (RIN – relative intensity noise) – fluktuacje natężenia
promieniowania
2. Zakłócenia wywołane odbiciami wstecznymi
dla sprzężenia zwrotnego:
-80dB – kilkudziesięciu % zmiana szerokości linii lasera
powyżej – mode hopping
-45 do -39 dB – stabilna praca z zawężeniem szerokości linii widmowej
-40 do -10 dB – mody satelitarne
-10 dB – stabilna jednomodowa praca z zawężeniem szerokości linii widmowej
Odbicia od niejednorodności światłowodu powodują wzrost RIN
Dla większości laserów <-30 dB jest wystarczające (izolatory)
3. Szum wywołany migotaniem (chirp) – różne l
4. Szum partycji modowej (mode partion noise) – moc indywidualnych modów
podłużnych podlega dużym wahaniom, ale moc całkowita emitowana przez źródło jest
względnie stała
Współczynnik stłumienia bocznych modów (mode suppression ratio) MSR
(MSR>100 (20dB) –MPN pomijalny)
5. Szum modalny (modowy) – MM + DL

elementy selektywne modowo (złącza)
trudny do oszacowania

Szum odbiornika:
1. Szum śrutowy – fotoprąd składa się z fotoelektronów generowanych w

przypadkowych momentach czasu

2. Szum termiczny – fluktuacje prądu pod wpływem temperatury

Interferencja międzysymbolowa
*ISI (intersymbol interference)
*sygnał na wyjściu filtru w odbiorniku:
b

i

- symbol informacyjny

n

i

- szum addytywny

reszta to ISI
Warunek na brak ISI:

*Jeżeli jesteśmy ograniczeni przez pasmo B (f<B), to max szybkość transmisji bez ISI
to 1/T=2B
*Warunek Nyquista spełnia:
sin(t)/t, widmo prostokątne od -T/2 do T/2

*Stosunek sygnału do szumu

ρ – czułość detektora, P – moc optyczna docierająca do detektora,
e –ładunek elektryczny, B – szerokość pasma odbiornika,
k – stała Boltzmanna, T – temperatura [K], R – rezystancja obciążenia

Fotodioda lawinowa

M

n-2 –

współczynnik szumu nadmiarowego,

M – współczynnik powielania, n – od 2 do 3

Stopa błędu to względna ilość błędów detekcji (BER)

(bit error rate)

BER = liczba bitów błędnie odebranych/ całkowita liczba nadanych bitów
ISI=0, warunkowe gęstości prawdopodobieństwa:
f(y

k

/b

k

=0) i f(y

k

/b

k

=0)

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]

Elementowa stopa błędu:

*Poziom progowy ma wpływ na BER
*V

Topt

=m/2, gdzie m- wartość oczekiwana

( )

(

)

R

kTB

P

eB

P

N

S

s

s

4

2

2

+

=

ρ

ρ

( )

( )

R

kTB

P

eB

P

M

N

S

s

s

4

2

1

2

+

=

ρ

ρ

∑

∞

≠

=

−

+

+

=

1

,

0 k

k

i

k

i

k

i

i

n

x

b

b

y







≠

=

==

=

0

0

0

1

)

(

k

k

x

k T

tx

k

)

0

1

(

2

1

)

1

0

(

2

1

P

P

p

e

+

=

*p

e

=10

-10

dla SNR

max

= 22dB

Założenie, że szumy mają jednakowe rozkłady prawdopodobieństwa niezależnie od
wartości bitu nadanego nie zawsze jest prawdziwe.
W przypadku fotodiody lawinowej rozkłady dla symboli 0 i 1 różnią się.
„0” - szum termiczny
„1” - szum termiczny i śrutowy
(wariancja szumu jest większa, rozkład prawdopodobieństwa może odbiegać od
gaussowskiego)

*Stopa błędu przy ograniczeniu szumem śrutowym

Szum 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 N

e

elektronów.

*Stopa błędu przy ograniczeniu szumem termicznym

W systemach, w których stosunek sygnału do szumu jest uwarunkowany termicznie
podejmowanie decyzji w odbiorniku polega na porównaniu odebranego sygnału z
poziomem odniesienia

gdzie erf – funkcja błędu

Optyczne sieci światłowodowe

*Lata 90 XX w. – rozwój Internetu – wzrost obciążenia sieci dalekiego zasięgu
*USA – używano kabli o liczbie światłowodów rzędu 20 (80% użyteczne, 20% ciemne)

• Optyczne sieci transportowe

– sieci dalekiego zasięgu (sieci dalekiego zasięgu o dużych przepływnościach)

*TDM – (Time Division Muplexing)

Przesyłane sygnały dzielone są na części, którym później przypisywane są
czasy transmisji tzw. szczeliny czasowe. Najpierw przesyłana jest pierwsza
część pierwszego sygnału, potem pierwsza część drugiego sygnału itd. Gdy
zostaną przesłane wszystkie pierwsze części, do głosu dochodzą drugie części
sygnału. Multipleksowanie tego rodzaju jest odpowiednie zwłaszcza do
przesyłania sygnałów cyfrowych.













=

σ

2

2

2

1

m

erf

p

e















=

2

2

2

1

max

SNR

erf

p

e

(

)

N

S

BER

-

exp

2

1

=

2

2

2

1

-

2

1

N

S

erf

BER

=

*PDH - plezjochroniczna hierarchia cyfrowa (ang. Plesiochronous Digital
Hierarchy). Elementy sieci PDH są ze sobą zsynchronizowane, ale nie idealnie
gdyż każdy z elementów sieci posiada swój zegar.

-konieczność użycia bitów dopełniających
-projektowane do przesyłania cyfrowych sygnałów telefonicznych

-w celu uzyskania dostępu do 2Mbit/s w sygnale 140 Mbit/s należy
całkowicie ten sygnał zdemultipleksować poprzez pośrednie poziomy.
Po zidentyfikowaniu i wyodrębnieniu żądanego kanału należy
pozostałe kanały ponownie zwielokrotnić
-w formacie ramki PDH nie ma wystarczająco dużo miejsca na dane
systemu zarządzania
-brak możliwości kontroli jakości transmisji
-duża liczba urządzeń – problemy z sterowaniem i zarządzaniem
-różne standardy (Europa, USA, Japonia)

*Pojedynczy kanał ma przepływność 64Kb/s (8*8KHz=64Kb/s) co pozwala na
przesyłanie jednej nieskompresowanej rozmowy telefonicznej. Systemy PDH
przy multipleksacji wykorzystują zwielokrotnienie z podziałem czasu TDM.
Zwielokrotnienie sygnału następuje w kolejnych poziomach wykorzystując
dopełnienie impulsowe.
30 kanałów 64 kbit/s + 2 dodatkowe przenoszące informacje sterujące
(sterowanie i synchronizacja) = 2048 kbit/s
8,448 Mbit/s = 4 x 2,048 Mbit/s
34,368 Mbit/s
139 Mbit/s
*każdy sygnał wyższego poziomu składa się z 4 kanałów niższego poziomu
uzupełnionych o informacje sterujące
SDH
*Synchroniczna Hierarchia Systemów Cyfrowych SDH (ang. Synchronous
Digital Hierarchy (SDH)). Wszystkie urządzenia działające w sieci SDH są
zsynchronizowane zarówno do nadrzędnego zegara jak i do siebie nawzajem.

●

podstawowa jednostka transportowa STM-N (Synchronous Transport

Module - Synchroniczny Moduł Transportowy) w czasie
zwielokrotniania ma przepływność, będącą N-tą wielokrotnością STM-
1 (155,52 Mbit/s).

●

sieci SDH charakteryzują się niezawodnością oraz mniejszą

podatnością na uszkodzenia wynikającą z budowy m.in. struktur
pierścieniowych.

●

Stosuje się następujące wielokrotności: (zawsze x 4)

●

STM-1 (155,52 Mbit/s),

●

STM-4 (622,08 Mbit/s),

●

STM-16 (2488,32 Mbit/s),

●

STM-64 (9953,28 Mbit/s),

●

STM-256 (39813,12 Mbit/s).

*Europa SDH
*USA SONET (Synchronous Optical Network – synchroniczna sieć
optyczna)

• Optyczne sieci lokalne
• Optyczne sieci dostępowe

• WDM (Wavelength Division Multiplexing) zwielokrotanianie długości fali
-Oryginalny WDM to 1310/1550 nm
-We włóknie od 2 do 4 długości fal

PORÓWNANIE
*40 Gbit/s, dystans 360 km
*tradycyjny system:

światłowody: 16x2,5 Gbit/s
regeneratory co 60 km (80)

*system WDM: nadajnik 16x2,5 Gbit/s

wzmacniacz co 120 km

Zalety:
• Redukcja liczby światłowodów
• Redukcja liczby regeneratorów
• Możliwość szybkiej i elastycznej zmiany przepływności
Wady:
• Nie zawsze poprawna współpraca ze sprzętem SDH
• Dużo większa niż w systemach tradycyjnych całkowita moc optyczna w

światłowodzie, stąd wpływ zjawisk nieliniowych

Podmorskie sieci WDM
• Niezawodność systemu
• Uszkodzenia (zakopywane 1 m.) tylko 20% ogółu
• Elastyczność
• TAT-8: 2 pary światłowodów, PDH, 560 Mbit/s
• TAT-14: SDH, 640 Gbit/s
• Uszkodzenie: przełączenie, wykorzystanie połączenia satelitarnego
• Sieci samonaprawiające się o architekturze pierścieniowej (TAT-14)
• Pierścień, „trunck and branch”

*System CWDM (Coarse Division Wavelength):

Max liczba kanałów: 18 kanałów
Odstęp międzykanałowy: 20nm
Długości fal: (zgodnie z ITU-T G.694.2)
(1270,1290,1310,1330,1350,1370,1390,1410,1430,1450,1470,1490,1510,1530,1550,1
570,1590,1610)
lub
(1271,1291,1311,1331,1351,1371,1391,1411,1431,1451,1471,1491,1511,1531,1551,1
571,1591,1611)
Zastosowanie: Sieci Telekomunikacyne

Sieci CaTV
Sieci LAN, WAN – sieci

*Systemy DWDM (Dense WDM)

Max liczba kanałów: 40 kanałów
Odstęp międzykanałowy: 100GHz (0,8nm); 200GHz (0,4nm)
Długości fal: (zgodnie z ITU-T G.694.1)
Zastosowanie: Sieci Telekomunikacyne

Sieci CaTV

Sieci LAN, WAN

Zjawiska nieliniowe

Duże moce w światłowodach w celu:

- zwiększenia zasięgu transmisji

- maksymalizacji wykorzystania pasma światłowodu (WDM)

Przy dużych mocach dochodzi do nieliniowego (zależnego od gęstości moc
promieniowania) oddziaływania pomiędzy niosącymi informację falami
elektromagnetycznymi a ośrodkiem w którym prowadzona jest transmisja.

*WRR ogranicza moc wprowadzoną do światłowodu jedynie dla systemu WDM o
stekach kanałów
*WRB zależy od mocy sygnału, a nie zależy od liczby kanałów. WRB jest
maksymalne dla laserów o liniach widmowych poniżej 20 MHz i wraz ze wzrostem
szerokości linii widmowej maleje. (małe moce sygnałów – kilka mW)

*Nieliniowa modulacja fazy ogranicza moc w światłowodzie jedynie w przypadku
systemów koherentnych z modulacją fazy uzyskiwaną przez bezpośrednią modulację
promieniowania lasera.
*FWM - jest najbardziej ze wszystkich zjawisk nieliniowych wrażliwe na parametry
systemu. W celu minimalizacji FWM należy pracować z separacją > 50 MHz i przy
D≠0.

• Wymuszone rozpraszanie Ramana SRS

*Fala Stokesa
*Fala anty-Stokesa

Jeżeli do ośrodka wprowadzone zostaną dwie fale których częstotliwości
różnią się częstotliwością Stokesa, to moc fali o niższej częstotliwości (tzw.
Fali sondującej) będzie rosła kosztem mocy fali o częstotliwości wyższej
(pompy).

W systemie jednokanałowym:

- spontaniczne rozpraszanie Ramana
- wzmocnienie światła rozproszonego wskutek WRR powoduje zmniejszenie

mocy sygnału nawet do 50%, jeżeli moc światła przekracza 1 W dla
typowych światłowodów.

Każde dwa kanały oddzielone od siebie o mniej niż 15000 GHz (100 nm) będą
ze sobą sprzężone przez zjawisko wymuszone rozpraszania Ramana. Kanały o
wyższych długościach fal będą wzmacniane kosztem kanałów o niższych
długościach fal.

Wpływ WRR nie jest symetryczny:
kanał 1: zmniejszenie mocy niektórych bitów, zmniejszenie SNR
kanał 2: bez zmian

W systemie o N kanałach równomiernie rozdzielonych o częstotliwość Df i
mających jednakowe moce P, żaden z kanałów nie będzie miał mocy
zmniejszonej o więcej niż 1 dB gdy będzie spełniony warunek
NP-Całkowita moc wprowadzona do światłowodu
(N-1)

∆

f - Całkowite pasmo optyczne

W - maksymalna moc zmniejsza się o 1/N2

W III oknie transmisyjnym: P

∆λ

< 4 nm W dla DWDM nie przekraczającym

40 nm daje ograniczenie całkowitej mocy wprowadzanej do światłowodu na
poziomie 0,1 W (+20 dB)

DYSPERSJA zmniejsza oddziaływanie WRR (Dla dużych szybkości i
niezerowej dyspersji wpływ WRR jest zmniejszony dwukrotnie.)

• Wymuszone rozpraszanie Brillouina SBS

WRB polega na oddziaływaniu fal świetlnych i dźwiękowych w światłowodzie.
Powoduje przemianę częstotliwości i odwrócenie kierunku rozchodzenia się fali
świetlnej. Padająca fala świetlna zamieniana jest na falę Stoktesa o większej długości i
jednocześnie powoduje wzbudzenie fotonu akustycznego.

*Współczynnik wzmocnienia Brillouine'a dla światłowodów jednomodowych jest o
ponad dwa rzędy wielkości większy od współczynnika wzmocnienia Ramana.
*WRB powstaje przy znacznie niższych mocach niż WRR
(< 2,4mW dla linii > 20km).
*WRB zachodzi w światłowodach jednomodowych jedynie w kierunku wstecznym.
*WRB:

- zmniejsza moc fali rozchodzącej się w światłowodzie, ponieważ fala rozproszona
wstecz zmniejsza moc fali pierwotnej,

- generuje potencjalnie silną falę rozproszoną w kierunku nadajnika.

*moc krytyczna sygnału optycznego, który w systemie jednokanałowym powoduje
pogorszenie jakości transmisji 2,4mW (dla typowego światłowodu)
*w systemach wielokanałowych moc krytyczna nie zależy od liczby kanałów
*WRB jest wrażliwe na modulację sygnału – binarna modulacja DL zmniejsza wpływ
WRB
*Wzmocnienie WRB maleje wraz ze wzrostem szybkości modulacji (różnie w
zależności od rodzaju modulacji)

• Samomodulacja fazy SPM

Współczynnik załamania szkła kwarcowego wykazuje, spowodowaną zjawiskiem
Kerra, nieliniowa zależność od gęstości mocy rozchodzącego się w nim
promieniowania:

gdzie: I – natężnie światła, n

0

– wartość współczynnika załamania przy natężeniu

bliskim zeru, n

2

– nieliniowy współczynnik załamania.

Opóźnienie fazy światła po propagacji w światłowodzie o długości L:

W

GHz

f

N

NP

⋅

<

∆

−

500

]

)

1

)[(

(

I

n

n

n

2

0

+

=

λ

π

λ

π

IL

n

L

n

L

2

0

2

2

)

(

+

=

Φ

Jakiekolwiek zmiany natężenia światła I wprowadzają modulacje fazy rozchodzącej
się w światłowodzie fali.

Zmiany częstotliwości:

Dyspersja chromatyczna powoduje zamianę modulacji fazy spowodowanych SPM na
zniekształcenia ISI

• Skrośna modulacja fazy XPM

*Odchylenie standardowe fluktuacji fazy w systemie o N kanałach rośnie w stosunku
2√N
*Zmiany intensywności odbieranego sygnału
*Dla wąskich sygnałów (RZ) o stosunkowo dużych energiach następują kolizje
impulsów
Rozwiązanie: zarządzanie dyspersją toru światłowodowego

• Mieszanie czterofalowe FWM

*FWM (Four Wave Mixing) wynika z nieliniowej zależności współczynnika
załamania światła n od długości fali l.
*Nazwa zjawiska - mieszanie czterofalowe - pochodzi stad, że w przypadku
doprowadzenia do światłowodu dwóch sygnałów o różnych długościach fali np.

λ

1 i

λ

2 powstają dwa dodatkowe sygnały powstałe na nieliniowości ośrodka o długościach

fali odpowiednio 2

λ

1 -

λ

2 oraz oraz 2

λ

2 -

λ

1.

*Liczba produktów mieszania L dla N kanałów:

*Jeżeli równe odstępy sygnałów – to nakładanie sygnałów
*Oddziaływanie tylko w przypadku „1”, co prowadzi do przypadkowych fluktuacji
mocy sygnału
*Warunkiem efektywności mieszania czterofalowego jest zgodność faz – gdy D=0
*Rozwiązanie: używanie światłowodów standardowych lub NZDSF

Transmisja na duże odległości z duża przepływnością i

problemy z tym związane

zastąpienie regeneratorów wzmacniaczami optycznymi
• sygnał jest transmitowany bez regeneracji na odcinkach kilkuset lub kilka tysięcy km
• kaskadowo połączone wzmacniacze optyczne (kilkadziesiąt km)
• Zasadniczym czynnikiem szumowym mającym wpływ na prace takiego systemu jest

wzmocniony szum emisji spontanicznej

• szum ASE:

jest sumowany i wzmacniany

jego widmo jest szerokopasmowym widmem ASE zmodyfikowanym
przez ch-kę wzmocnienia łańcucha wzmacniaczy

Wzmocnienie wzmacniacza optycznego kompensuje straty, które powstały w odcinku
światłowodu pomiędzy kolejnymi wzmacniaczami.
*Gęstość mocy szum ASE na końcu światłowodu:

M – liczba wzmacniaczy w torze, F – wsp. szumów wzm optycznego

dt

d

f

Φ

±

=

∆

π

2

1

2

1

2

−

=

N

N

L

ν

ν

h

G

MF

N

sp

)

1

(

)

(

−

=

L

G

H

Fh

N

sp

)

(

)

(

να

ν

=

α

–tłumienie światłowodu, L- długość światłowodu

I – odległość między wzmacniaczami
• Poziom całkowitej mocy optycznej (szumu ASE i sygnału użytecznego) jest stały
• Wpływ dyspersji polaryzacyjnej (1 ps/√km)
• Tłumienie zależne od polaryzacji

(elementy pasywne: izolatory, sprzęgacze)

• Wzmocnienie zależne od polaryzacji – wzmocnienie wzmacniaczy EDFA wykazuje

niejednorodność wzmocnienia w zależności od polaryzacji sygnału

• Samomodulacja fazy i mieszanie czterofalowe

Projektowanie światłowodowego systemu transmisyjnego

odległość 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

• Wybór:

źródła
światłowodu
detektora

• Transmisja sygnału w systemie jest ograniczona przez:

dyspersję
tłumienie

• Minimalizacja kosztów
• Stopa błędu
• Stosunek sygnału do szumu
• zdefiniowanie wymagań eksploatacyjnych systemu

(parametry transmisyjne, mechaniczne, fizyczne)

• bilans mocy optycznej sygnału

*analiza mocy optycznej wykonana dla każdego łącza

L – długość światłowodu,

α

sw

– tłumienie światłowodu, N – liczba spawów,

α

s

– tłumienie spawów, M – liczba połączeń rozłączalnych,

α

zł

– tłumienie połączeń

rozłączalnych,

α

m

– tłumienie związane ze starzeniem źródeł światła

*margines 10% całkowitej tłumienności linii na możliwe uszkodzenia kabla i
połączenia zgrzewane
*dodatkowo

α

m związane ze starzeniem źródeł światła:

α

m = -3.0 dB – LD z elementem Peltier

l

e

G

G

G

G

H

α

=

−

=

log

1

)

(

m

zł

s

sw

M

N

L

α

α

α

α

α

+

+

+

=

)

(

1

.

1

α

m = -4.0 dB – LD bez termostatu

α

m = -4.5 dB – LED

Jeżeli bilans mocy optycznej wykazuje, że transmisja nie jest możliwa:

-źródło o większej mocy
-światłowód o niższym tłumieniu
-fotodetektor o większej czułości
-regenerator

• określenia pasma transmisji

(większe pasmo pozwali na przejście z transmisji analogowej na cyfrową)

• B – pasmo transmisji,

∆

– całkowite rozszerzenie impulsu w linii transmisyjnej

Jeżeli 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

Rozwój techniki światłowodowej

Wykorzystanie istniejących rozwiązań TŚ w nowych sektorach

Elektroenergetyka
sieci,
czujniki,
zasilanie promieniowaniem optycznym
Oświetlenie
lotnictwo

• Opracowanie nowych rozwiązań TŚ

Czujniki
Wzierniki
Prowadnice promieniowania optycznego
Smart textile sensor for healtcare

• Opracowanie nowych technologii dla TŚ

Sieci optycznie przeźroczyste (wzmacniacze optyczne, przejście z analizą
sygnału w dziedzinę optyczną TDM - OTDM)

-Transmisja koherentna
-Transmisja solitonowa
-Światłowody odporne na zginanie G.657
-Nowe konstrukcje światłowodów – światłowody fotoniczne
-Internet petabitowy!!!
-Nowy osprzęt (np. złącza)

-Sieci lądowe

*Sieci kratowe, pierścieniowo-kratowe

τ

∆

=

441

,

0

B

*Dążenie do sieci optycznie przeźroczystej
- wyspy optycznie przeźroczyste
- maksymalna odległość bez konwersji na sygnał elektryczny

• Podsumowanie

*OTDM - 100 Gb/s; droga, barierą są elementy elektroniczne
*WDM i DWM są już powszechnie stosowane; rozwój – źródła o wąskim paśmie,
łatwo przestrajalnych i przez to umożliwiających prostą stabilizację częstotliwości
nośnych
*CO-OFDM - technika przestrajania, kontroli i stabilizacji częstotliwości nie jest
opanowana na tyle, aby wyjść poza sferę eksperymentów.