13. Optyczne łącza analogowe

Transkrypt

1 TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA 13. Opyczne łącza analogowe Spis reści: Wprowadzenie 13.. Łącza analogowe z bezpośrednią modulacją mocy Łącza analogowe z modulacją zewnęrzną Paramery łącz analogowych Podsumowanie 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 1

2 13.1. WPROWADZENIE IDEA ŁĄCZA ANALOGOWEGO Mimo rozwoju echniki ransmisji cyfrowej, ransmisja sygnałów w posaci analogowej jes ciągle isonym elemenem wielu sysemów elekomunikacyjnych i radiolokacyjnych. Transmisja sygnałów odbieranych przez aneny i przesyłanych do dalszej obróbki. Transmisja sygnałów odbieranych i dosarczanych przez różnego ypu czujki i czujniki. Transmisja sygnałów w sieciach elewizji kablowej CATV. Nadajnik Odbiornik Rys Idea pracy opycznego łącza analogowego. U WE () W N Świałowód U WY () W O Sygnał elekryczny po wzmocnieniu moduluje sygnał opyczny. Ten jes ransmiowany do odbiornika, a po deekcji wzmocniony. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona

3 13.. ŁĄCZA ANALOGOWE Z BEZPOŚREDNIĄ MODULACJĄ STRUKTURA ŁĄCZA P WEJ [W] P WYJ [W] W N W O Laser Świałowód Foodioda POPT [mw] S L [W/A] P OPT () ID [A] R D [A/W] I D [ma] I L [ma] P OPT [W] Rys.13.. Łącze świałowodowe z bezpośrednią modulacją mocy opycznej generowanej przez laser, oraz ilusracja procesów modulacji i deekcji. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 3

4 13.. ŁĄCZA ANALOGOWE Z BEZPOŚREDNIĄ MODULACJĄ WZMOCNIENIE Można zdefiniować wzmocnienie G łącza analogowego uwzględniające sprawność konwersji: mocy elekrycznej P WEJ na moc opyczną przez laser, mocy opycznej na elekryczną P WYJ przez foodiodę. G P P WYJ WEJ I I md ml Jeśli pominąć sray mocy opycznej w świałowodzie i w połączeniach ze świałowodem, o wzmocnienie G jes funkcją: czułości modulacji lasera (nachylenia charakerysyki P OPT (I)) S L [W/A], czułości deekcji R D [A/W]. G S L R D ; Tak definiowane wzmocnienie nie zależy od poziomu mocy wyjściowej lasera i średniego prądu foodeekora. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 4

5 13.. ŁĄCZA ANALOGOWE Z BEZPOŚREDNIĄ MODULACJĄ LASERY Nachylenie charakerysyki P OPT (I) lasera jes rzędu 100mW/A i zależy od pasma modulacji, malejąc ze wzrosem pasma. Nachylenie ch-ki lasera SL[W/A] 0,150 0,100 0, nm 1500 nm 0, db pasmo modulacji lasera [GHz] Rys Warości czułości modulacji laserów rozmaiych ypów laserów półprzewodnikowych w zależności od szerokości pasma modulacji. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 5

6 13.. ŁĄCZA ANALOGOWE Z BEZPOŚREDNIĄ MODULACJĄ FOTODETEKTORY Czułość foodeekorów PIN, dla niedużych pasma foodeekcji, bliska jes eoreycznej warości R D = 1A/W. Ze wzrosem szerokości pasma maleje warość R D i należy się spodziewać zmniejszenia całkowiego wzmocnienia G. Podobnie zachowują się foodeekory ypu MSM Czułość deekora RD[A/W] 1, Teoria PIN-1500nm 0,8 PIN-1300nm 0,4 MSM db pasmo deekcji deekora [GHz] Rys Czułości rozmaiych foodeekorów zależą od ich pasma pracy. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 6

7 13.. ŁĄCZA ANALOGOWE Z BEZPOŚREDNIĄ MODULACJĄ WZMOCNIENIE W ypowych łączach analogowych z bezpośrednią modulacją mocy opycznej lasera półprzewodnikowego wzmocnienia G są zwykle mniejsze od 0 db. W specjalnych ypach laserów o dużym nachyleniu S L można uzyskać wzmocnienia większe od 10 db. 0 Wzmocnienie łącza G[dB] -10 Łącze z laserem o dużym S L Typowe łącze ,01 0, Średni prąd deekora [ma] Rys Warości wzmocnienia łączy analogowych ypowe i dla specjalnie dobranych ypów laserów 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 7

8 1T(V) ŁĄCZA ANALOGOWE Z MODULACJĄ ZEWNĘTRZNĄ STRUKTURA ŁĄCZA P WEJ [W] P WYJ [W] W N W N Laser P O Świałowód Foodioda S MZ [V -1 ] P OPT [W] ID [A] R D [A/W] I() V P OPT [W] V() Rys Łącze świałowodowe z zewnęrzną modulacją mocy opycznej przez modulaor elekroopyczny, oraz ilusracja procesów modulacji i deekcji. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 8

9 13.3. ŁĄCZA ANALOGOWE Z MODULACJĄ ZEWNĘTRZNĄ MODULATOR MZ (1) Zasada działania modulaora elekroopycznego Mach-Zehnde ra opisana zosała w Wykładzie 6. Zgodnie z podanym am wyprowadzeniem charakerysyka ransmisji mocy opycznej opisana jes nasępująco (V charakerysyczna warość napięcia modulaora): T P P T V V OWYJ MAX V 1 cos ; OWEJ T MAX T(V) Rys Charakerysyka ransmisji mocy przez modulaor elekroopyczny w funkcji ampliudy fali modulującej. Modulaor winien być wsępnie spolaryzowany. A V 0 V 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 9

10 13.3. ŁĄCZA ANALOGOWE Z MODULACJĄ ZEWNĘTRZNĄ MODULATOR MZ () Napięcie V = V 0 + V RF jes sumą napięcia polaryzacji V 0 i sygnału V RF. Maksymalna ransmisja mocy opycznej T MAX <1, modulaor ma własne sray wynikłe ze sraności świałowodów planarnych. W punkcie przegięcia charakerysyki T(V), dla V 0 = V, wysępuje długi odcinek prosoliniowy o nachyleniu S MZ : S MZ T V V Transmiancja modulaora T(V RF ) dla V 0 = V : T T VV T 4V MAX MAX RF V S V T ; RF MZ RF MAX 1 ; V 4V Polaryzacja wsępna w p.a umożliwia pracę jako modulaora ampliudy. Napięcie V RF może mieć przebieg sinusoidalny, bądź być sumą wielu nośnych z bocznymi wsęgami modulacji. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 10

11 13.3. ŁĄCZA ANALOGOWE Z MODULACJĄ ZEWNĘTRZNĄ WZMOCNIENIE Można zdefiniować wzmocnienie G analogicznie jak dla łącza z modulacją bezpośrednią: Głębokość modulacji mocy opycznej zależy od (V RF /V ). G P P WYJ WEJ I I md ml Ta sama ampliuda V RF może modulować małe, bądź duże moce opyczne P O. A więc wzmocnienie łącza opycznego jes proporcjonalne do mocy wyjściowej lasera nadajnika. G S MZ R D P V 0 R D ; Rys Porównanie wzmocnień łącza analogowego z bezpośrednią i zewnęrzną modulacją mocy opycznej. Wzmocnienie łącza G[dB] Łącze z modulacją zewnęrzną Łącze z laserem o dużym S L -0 Typowe łącze -30 0,01 0, Średni prąd deekora [ma] 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 11

12 13.3. ŁĄCZA ANALOGOWE Z MODULACJĄ ZEWNĘTRZNĄ EKSPERYMENTY Łącza z modulacją zewnęrzną umożliwiają użycie laserów na ciele sałym Nd:YAG, o mocy opycznej kilku waów. Przy użyciu dużych mocy opycznych możliwym jes uzyskanie całkowiego wzmocnienia. Warość wzmocnienia zależy, jak zwykle, od pasma pracy. 30 Rys Najlepsze rezulay wzmocnień eksperymenalnych łącz analogowych z laserami na ciele sałym. Wzmocnienie łącza G[dB] , db pasmo przenoszenia łącza [GHZ] 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 1

13 13.4. PARAMETRY ŁĄCZ ANALOGOWYCH WSPÓŁCZYNNIK SZUMÓW (1) Ważnym paramerem łącza analogowego jes współczynnik szumów. Sosunek mocy sygnału S do mocy szumu N, S/N jes miarą jakości odbieranego sygnału i ulega degradacji w procesie ransmisji łączem analogowym. Współczynnik szumów F łącza analogowego definiowany jes Si / Ni jako sosunek: F 1; S / N o o Rys Sygnały i szum na wejściu i wyjściu łącza analogowego. Pi = Si + Ni P o = S o + N o = = GSi + GNi + Nwew N wew = GkBT eq Sygnał S o zosaje wzmocniony: Moc szumu Ni kt0b; T0 90K; zosaje akże wzmocniona G razy, do niego dodaje się szum łącza: N o S o S G; GkB T i o T eq ; 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 13

14 13.4. PARAMETRY ŁĄCZY ANALOGOWYCH WSPÓŁCZYNNIK SZUMÓW () Łącza z bezpośrednią modulacją mocy, o wzmocnieniach w granicach -30 db... 5 db zachowują się jak łumiki, dla kórych współczynnik szumów równy jes warości łumienia. Wzmocnienie łączy z zewnęrzną modulacją mogą mieć warości większe od jedności. Ze wzrosem wzmocnienia współczynnik szumów maleje do eoreycznej granicy 4,5 db. WSPÓŁCZYNNIK SZUMÓW N[dB] N = G WZMOCNIENIE ŁĄCZA G[dB] Teoreyczny limi 4,5 db Rys Współczynnik szumów N łączy analogowych w zależności od ich wzmocnienia G. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 14

15 13.4. PARAMETRY ŁĄCZY... ZNIEKSZTAŁCENIA INTERMODULACYJNE Procesy modulacji mocy opycznej lasera półprzewodnikowego, charakerysyka modulaora MZ, charakerysyka deekcji foodeekora nie są idealnie liniowe. Saje się o przyczyną powsawania zniekszałceń inermodulacyjnych, niepożądanych w łączach analogowych. 0 Rys.3.1. Charakerysyka widma sygnału wyjściowego łącza analogowego zasilanego sygnałem dwuonowym o częsoliwościach f 1 i f. AMPLITUDA [db] f f1 f1 f f 1 f f f1 f 1 f 1 + f f 3f 1 f 1 + f f + f 1 3f CZĘSTOTLIWOŚĆ [MHZ] 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 15

16 13.4. PARAMETRY ŁĄCZ ANALOGOWYCH ILUSTRACJA GRAFICZNA Składowa podsawowa P WYJ =P WEJ MOC WYJŚCIOWA [dbm] G Składowe inermodulacji Sosunek sygnał/szum Dynamiczny zakres pracy MOC SYGNAŁU WEJŚCIOWA [dbm] Rys Ilusracja podsawowych paramerów łącz analogowych: wzmocnienia G, sosunku sygnału do szumu i dynamicznego zakresu pracy, ograniczonego obecnością zniekszałceń inermodulacyjnych. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 16

17 13.4. PARAMETRY ŁĄCZ ANALOGOWYCH PORÓWNANIE PARAMETRÓW Zesawiono w Tabeli najlepsze rezulay łączy analogowych wykorzysujących echnikę IM/DD dl oby ypów modulacji mocy opycznej. Paramer Bezpośrednia modulacja Modulacja zewnęrzna Długość fali nm 850, 1300, , 1550 Maksymalna częsoliwość modulacji GHz Wzmocnienie mocy łącza db Współczynnik szumów db Dynamiczny zakres pracy bez zniekszałceń IM db.hz /3 Sandard Z linearyzacją TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 17

18 13.5. PODSUMOWANIE Mimo rozwoju echniki ransmisji sygnałów cyfrowych, w wielu przypadkach opyczne łącza analogowe są użyecznym narzędziem ransmisji. Najprosszymi w realizacji są łącza analogowe z laserami półprzewodnikowymi. Wzmocnienie ego ypu łącz jes dużo mniejsze od 1, powoduje o degradację sosunku sygnał/szum. Łącza z modulacją zewnęrzną umożliwiają użycie laserów na ciele sałym Nd:YAG, o mocy kilku waów. W rezulacie wzmocnienia łącz są większe od 1, a współczynnik szumów maleje do kilku decybeli. Wadą ego ypu rozwiązań jes wysoka cena lasera na ciele sałym i modulaora elekroopycznego. W łączach analogowych z mulipleksacją na podnośnych ypu SCM isonym problemem sają się zniekszałcenia inermodulacyjne. Aby poprawić dynamikę łącza sosuje się rozmaie echniki prowadzące do obniżenia poziomu ych zniekszałceń, akie jak: układy wprowadzające wsępne zniekszałcenia, układy ze sprzężeniem w przód. 13. TELEKOMUNIKACJA OPTOFALOWA: Łącza analogowe Srona 18