Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV

Transkrypt

1 Parametry i technologia światłowodowego systemu CTV (Światłowodowe systemy szerokopasmowe) (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 1

2 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 2

3 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 3

4 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 4

5 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 dzielnik optyczny węzeł optyczny sieć RF/Coax 500 domów Sieć hybrydowa do dystrybucji sygnału wideo (~500 odbiorców, moc nadajnika dzielona 2-3krotnie) (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 5

6 Liniowe łącze światłowodowe wejście W.cz. nadajnik optyczny światłowód 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 6

7 Źródło światła (laser półprzewodnikowy) Optyczna moc wyjściowa (mw) P I th I o nachylenie = współczynnik modulacji (mw/ma) zmodulowany optyczny sygnał wyjściowy 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 7

8 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 8

9 Blokowy schemat nadajnika wejście w.cz. automatyczna regulacja wzmocnienia wzmacniacz w.cz. Predistorter zasilanie stałoprądowe stabilizator mocy stabilizator temperatury dioda laserowa 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) > 10 6 h (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 9

10 Fotodetektor Przetwornik światło - prąd. W detektorze sygnał optyczny z linii światłowodowej przetwarzany jest na prąd. Odpowiedź detektorów w systemach światłowodowych jest liniowa. Prąd wyjściowy (ma) P nachylenie = czułość (ma/mw) Optyczna moc wejściowa (mw) Odpowiedź detektora światłowodowego. Nachylenie (czułość) ~0.9 ma/mw (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 10

11 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 11

12 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 12

13 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 = ( ) 2( ) I out I in R out R in Gdzie: R out - rezystancja obciążenia (wyjściowa) fotodiody R in - rezystancja wejściowa modułu lasera (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 13

14 Współczynnik wzmocnienia typowego łącza G = ( ) 2( ) I out I in R out R in I out I in = η l η pd L Gdzie: η l - efektywność lasera (~0,2 mw/ma) η pd - czułość detektora (~0,9 ma/mw) L - tłumienie optyczne łącza I out /I in jest zawsze <1, czyli łącze światłowodowe zawsze wykazuje straty w.cz. Straty te można kompensować relacją rezystancji wejścia/wyjścia (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 14

15 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 15

16 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 16

17 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 Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 17

18 Szumy światłowodowego łącza liniowego Sygnał Szum (dbmv/hz) Sygnał (dbmv) Szum lasera Szum śrutowy detektora Szum wzmacniaczy Szum całkowity Moc optyczna na detektorze (dbm) Ograniczeniem fizycznym jest szum śrutowy detektora. Całkowite szumy systemu powinny być bliskie wartości tych szumów -40 (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 18

19 Struktura CNR w systemach FM CNR [db] Jakość "określona laserem" tłumienie pomiędzy laserem i detektorem [db] CNR detektora CNR LASERA CNR systemu Jakość "określona detektorem" Wartości przykładowe, przy projektowaniu systemu wartości należy pobrać z katalogu (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 19

20 Wplyw detektora na CNR systemu (AM) CNR [db] wpływ detektora PIN tłumienie pomiędzy laserem i detektorem [db] CNR diody PIN CNR lasera CNR diody APD wpływ detektora APD Wartości przykładowe, przy projektowaniu systemu wartości należy pobrać z katalogu (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 20

21 Predystorder (predistorter) Sprzęgacz kierunkowy Linia opóźniająca w.cz. Sprzęgacz kierunkowy Transformator 3:1 Moduł lasera 25 Ω Dzielnik Dystorter 2go rzędu Dopasowanie amplitudy Dopas. fazy Filtr Sprzęgacz kierunkowy Dystorter 3go rzędu Dopasowanie amplitudy Dopas. fazy Filtr (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 21

22 10 (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 29

23 11 (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 30

24 12 (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 31

25 13 (c) Sergiusz Patela Sieci optyczne - Parametry i technologia systemu CTV 32