ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ

Transcript

1 ΨΗΦΙΑΚΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ Τρεις γενιές οπτικών δικτύων σε µήκη κύµατος : α) 0.8 µm Άµεσο ενεργειακό διάκενο του AsGa β) 1.3 µm Ελάχιστη διασπορά γ) 1.5 µm Μικρότερη απώλεια Τα συστήµατα σήµερα είναι ψηφιακά µε πολυπλεξία TDM και πολυπλεξία WDM. Εφαρµογές : Απώτερος σκοπός Fiber to the home ηµιουργία ενός αµιγώς οπτικού δικτύου Προς το παρόν η ίνα δροµολογείται η ίνα δροµολογείται µέχρι τον κατανεµητή από έναν τερµατικό σταθµό κεφαλής και η διανοµή στα σπίτια γίνεται µε καλώδιο. Σήµερα : Οπτικές ίνες εγκαθίστανται για συστήµατα µετάδοσης µεγάλων αποστάσεων όπως Α) Υπεραστικές ζεύξεις µεγάλων φορέων, Β) Ζεύξεις τερµατικών κέντρων καθώς και για την δηµιουργία των λεγόµενων φορέων εναλλακτικής προσπέλασης. Γ) Αναλογικές ζεύξεις για την υλοποίηση δικτύων καλωδιακής τηλεόρασης (Community Antenna Television, CATV).

2 Οι απαιτούµενοι παράµετροι ζεύξης : Ικανότητα πρόσβασης, Ρυθµός µετάδοσης Ρυθµός σφάλµατος. Ικανότητα πρόσβασης χαρακτηρίζεται το πρόβληµα διασύνδεσης τοπικών δικτύων LAN χωρίς να συγκολληθούν προκειµένου κάθε χρήστης να µπορεί να συνδεθεί µε οποιονδήποτε από έναν µεγάλο αριθµό χρηστών. Για το σχεδιασµό ενός συστήµατος ο µηχανικός λαµβάνει υπόψη του: Το είδος της µετάδοσης, αναλογικό ή ψηφιακό. Αποδεκτή αξιοπιστία που καθορίζεται από τον ρυθµό σφαλµάτων, BER για τα ψηφιακά και από το σηµατοθορυβικό λόγο, SNR για τα αναλογικά. Εύρος ζώνης Απόσταση µεταξύ των τερµατικών ή ενδιάµεσων επαναληπτών. Το κόστος κατασκευής συναρτήσει της επιθυµητής διάρκειας ζωής, καθώς και το κόστος επισκευής και συντήρησης. Το κόστος είναι ιδιαίτερα σηµαντικό στα συστήµατα µετάδοσης µεγάλων αποστάσεων και κυρίως στα υποθαλάσσια καλώδια. Το κόστος µιας απλής επισκευής είναι ανυπολόγιστο.

3 Τη διαµόρφωση και κωδικοποίηση του σήµατος ανάλογα µε το είδος µετάδοσης. Το είδος της πολυπλεξίας TDM, WDM ή SCM (πολυπλεξία µε υποφέρουσες). Η πολυπλεξία µε υποφέρουσες χρησιµοποιείται κυρίως σε συστήµατα καλωδιακής τηλεόρασης. Επιλογή δοµικών τµηµάτων : 1. Το είδος της οπτικής ίνας και τις παραµέτρους της, δηλαδή πολυρυθµική ή µονορυθµική, δείκτη διάθλασης, προφίλ δείκτη διάθλαση, διασπορά, σύζευξη ρυθµών και εξασθένιση. 2. Την επιθυµητή πηγή, διοδικό laser ή LED, την ισχύ εξόδου, ανεκτή τιµή chirp, εύρος γραµµής και ανοχή στις µεταβολές της θερµοκρασίας.

4 3. Το είδος του φωτοφωρατή, ανάλογα µε την αποκρισιµότητα, την ευαισθησία, την διαθέσιµη ανάστροφη τάση που έχουµε. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε pn, είτε pin είτε φωτοδίοδος χιονοστιβάδας APD. 4. Τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα του δέκτη, που απαιτούνται µετά τη φώραση του οπτικού σήµατος (κυρίως ενισχυτικές βαθµίδες). Ζεύξεις Point-to-Point Πρόκειται ουσιαστικά για το φυσικό επίπεδο στη διαστρωµάτωση κατά OSI. Ουσιαστική απαίτηση µετάδοση του µέγιστου δυνατού ρυθµού bits στην µεγαλύτερη απόσταση χωρίς ενδιάµεσο ενισχυτή, και µε τον ελάχιστο δυνατό ρυθµό σφαλµάτων. Ικανότητα πρόσβασης και συγκόληση νέων δικτύων. Τοπολογίες που χρησιµοποιούνται:

5 Οι πιο σηµαντικοί από τους τεχνικούς περιορισµούς είναι: Προβλήµατα Ισολογισµού Ζεύξεων. Περιλαµβάνει : Ισολογισµό των ισχύων εξόδου laser Εξασθενίσεις και απώλειες από συνδετήρες Μη µηδενικό λόγος σβέσης Απολαβή του ενισχυτή Κβαντική απόδοση του φωτοφωρατή στο δέκτη

6 Yπολογισµό πηγών θορύβου : Αυθόρµητη εκποµπή ιαφωνία από τα γειτονικά κανάλια ιακυµάνσεις απολαβής οπτικών ενισχυτών διόδου laser Πηγών πολλαπλασιαστικού θορύβου : Θόρυβος φάσης του laser Θόρυβος τρόπων διάδοσης Θόρυβος διαµοιρασµού τρόπων (στην περίπτωση ενός µονοχρωµατικού laser που οδηγεί µονότροπη ίνα ) ] Η τεχνική WDM πολλαπλασιάζει την χωρητικότητα µιας ζεύξης. Και επιτρέπει την εύκολη δροµολόγηση και την συγκόληση νέων δικτύων.

7 Πραγµατοποιήσεις Ζεύξεων Point-to-Point Τρίτης Γενιάς Το σπουδαιότερο είναι το Trans Atlantic Telecommunications που ενώνει την Ευρώπη µε την Β.Αµερική Λειτουργεί στα 10Gbit/s για µετάδοση κυκλωµάτων φωνής. Κάθε επαναλήπτης της ζεύξης αυτής περιλαµβάνει δύο laser µε ένα µηχανικό µεταγωγέα αν ένα από τα δύο υποστεί βλάβη. Άλλες ζεύξεις που έχουν πραγµατοποιηθεί είναι ο οπτικός δακτύλιος της Αφρικής, ONE, το δίκτυο FLAG και το SE- ME-WA. Οι βασικές τυποποιήσεις δικτύων που αναπτύχθηκαν είναι το Τυποποιηµένο Οπτικό ίκτυο, (Standard Optical Network, Sonet) που εξελίχθηκε στην Σύγχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία.

8 Πολυσηµειακές Ζεύξεις Τρίτης Γενεάς Tο κυριότερο πεδίο εφαρµογής για τις πολυσηµειακές ζεύξεις είναι η διανοµή τηλεοπτικού συνδροµητικού σήµατος. Οι τρεις βασικές τοπολογίες πολυσηµειακών ζεύξεων είναι ο δακτύλιος, η αρτηρία και ο αστέρας. Για το ισολογισµό ισχύος των ζεύξεων στους κόµβους πρέπει να ληφθεί πρόνοια για τους αποµακρυσµένους κόµβους. Η τοπολογία αστέρα πλεονεκτεί καθώς παρέχει για κάθε κόµβο µια ξεχωριστή ζεύξη αλλά προϋποθέτουν µεγάλο µήκος ίνας Πολυσηµειακές Ζεύξεις και Καλωδιακή Τηλεόραση Κάθε χρήστης θα έχει στην διάθεση του απεριόριστο εύρος ζώνης για τις gigabit εφαρµογές : -καλωδιακή τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας HDTV, -videophone, -videoconference -ακόµα και υπηρεσίες απλής τηλεφωνίας.

9 ίκτυο καλωδιακής τηλεόρασης (Α) Οµοαξονικό σύστηµα διανοµής. (Β) Ένας αστέρας µε ίνες, αντικαθιστά τους κεντρικούς RF ενισχυτές.

10 Για την σύγκλιση των τεχνολογιών συνεργάζονται : Οι τηλεφωνικές εταιρείες Κατέχουν το φυσικό ενσύρµατο δίκτυο Οι εταιρείες διανοµής προηγµένων υπηρεσιών ευρείας ζώνης Αναπτύσσουν καινούρια, δίκτυα υψηλών προδιαγραφών Τα τερµατικά εισόδου των επίγειων δορυφορικών σταθµών αποτελούν τα κεντρικά σηµεία της αναπτυσσόµενης αυτής τεχνολογίας. Το υποσύστηµα του τελευταίου χιλιοµέτρου από τον κόµβο στα σπίτια παραµένει ακόµα µε χαλκό οπότε µιλάµε για ίνα µέχρι τον κατανεµητή, FTTC Τα καλώδια αρτηρίας µεταξύ τερµατικών συστηµάτων εισόδου σε αποστάσεις µεταξύ πόλεων αντικαθίστανται επιτακτικά από καλώδια οπτικών ινών.

11 Η ύπαρξη τελικά µιας εντελώς οπτικής διαδροµής µε ίνες από το hub µέχρι το συνδροµητή θα οδηγήσει στα αµιγώς οπτικά πολυσηµειακά συστήµατα τρίτης γενιάς : 1. Χρήσιµοποίηση οπτικών ενισχυτών 2. Πολυπλεξία µε υποφέρουσες σε µικρής κλίµακας δίκτυα 3. Αρχιτεκτονική WDM σε µεγλαης κλίµακας οπτικά δίκτυα 4. Ανάπτυξη Παθητικών Οπτικών ικτύων, PON µε την τεχνική της διακλάδωσης : 4.

12 Παραµόρφωση Σήµατος Καθορισµός ποιότητας δικτύου Ρυθµός σφαλµάτων Σηµατοθορυβικός λόγος Υπολογισµός διασποράς θόρυβος του πλάτους (amplitude fluctuations) ιαπλάτυνση και επικάλυψη γειτονικών παλµών παραµόρφωση του σήµατος στο δέκτη Θόρυβος θέσης παλµών (jitter fluctuations) Απώλειες ισχύος Καθορισµός τάσης κατωφλίου, απόστασης ενισχυτών Μη γραµµικά φαινόµενα Αυτοδιαµόρφωση και ετεροδιαµόρφωση φάσης Παραµότγωση παλµών Σφάλµατα Λόγω Εξασθένισης

13 Προκαλείται από : Γραµµική Εξασθένιση διάδοσης Ανοµοιογέννειες ίνας Κάµψεις και µικροκάµψεις Απορρόφηση από ΟΗ - Απώλειες από συνδετήρες, α cr και συγκολήσεις, α splice Αποτέλεσµα : Τυχαία διακύµανση πλάτους, θέσης και απώλεια δεδοµένων Συνολικές απώλειες ζεύξης µήκους L: C L =(α fiber +α splice )L+α cr Πως αντιµετωπίζονται : Προσθήκη στη ζεύξη αναγεννητών (παλιότερα) ή ενισχυτών EDFA Χρησιµοποιώντας µονότροπες ίνες που διατηρούν τη πόλωση Χρησιµοποίηση µονοχρωµατικών πηγών απλής συχνότητας, στενού εύρους γραµµής και ελάχιστο θόρυβο φάσης Παραµόρφωση Σήµατος Λόγω ιασποράς

14 Η αύξηση της ταχύτητας επιταχύνει την παραµόρφωση λόγω διασποράς Η διασπορά µπορεί να διορθωθεί χρησιµοποιώντας στον δέκτη ισοσταθµιστές (equalizer) ή ίνες µετατοπισµένης διασποράς. Επιβάρυνση διασποράς είναι η απαίτηση µεγαλύτερης ισχύος για την διάκριση των παλµών στο δέκτη. Τυπική τιµή 1 db. Υποθέτοντας ένα στενό παλµό h(t) η απόκριση συχνότητας προκύπτει από τον µετασχηµατισµό Fourier: H( ω) = h(t)e Υποθέτοντας συµµετρία και ανάπτυξη σε σειρά Taylor: jωt dt H ( ω) H(0) ω 2 σ 2 t σ t 2 : η µέση τετραγωνική τιµή του πλάτους του παλµού. Αυξάνοντας την συχνότητα ω η απόκριση µειώνεται. Η αύξηση του ρυθµού σφαλµάτων είναι πιο εµφανής σε συρµό παλµών, πλούσιων σε συχνότητες. Για την απορρόφηση της εξασθένισης η εκπεµπόµενη ισχύς πρέπει να αυξηθεί κατά [Η(πΒ)] -1. Η επιβάρυνση ισχύος : P D ~ -10log[H(πΒ)] ~ 21(σ t Β) 2 Προσεγγιστικά στη σχεδίαση συστηµάτων χρησιµοποιείται η παρακάτω συνθήκη:

15 σ t B 1 4 Για κωδικοποίηση RZ το εύρος ζώνης ισχύει : Β=(1/2)Β Τ Ενώ για κωδικοποίηση ΝRZ το εύρος ζώνης είναι : Β Τ =Β Τα σύγχρονα συστήµατα µετάδοσης υλοποιούνται µε NRZ κωδικοποίηση. Για παλµούς εισόδου Gauss o ρυθµός µετάδοσης είναι

16 B T 0.2 σ 1 ( bit s ) Επιβάρυνση διασποράς : D L = τ e τ 4 db τ e : εύρος του παλµού στο σηµείο 1/e D L =(2σB T 2) 4 db Μια ζεύξη χαρακτηρίζεται από το γινόµενο εύρους ζώνης µήκους, ΒxL. Ο αριθµός Ν των επαναληπτών που απαιτούνται για µετάδοση µε ρυθµό Β Τ σε ζεύξη µήκους L T είναι: N = B T L B L T Επίδραση ιπλοθλαστικότητας Προϋποθέσεις

17 Χωρίς σύζευξη ισχύος µεταξύ των ρυθµών Οι δύο ρυθµοί διεγείρονται µε ίσες πιθανότητες Ενεργός τιµή διαπλάτυνσης. σ : σ 2 =σ ο 2 +(ΤL/2) 2 σ ο : αρχικού πλάτους Τ : η χρονική καθυστέρηση µεταξύ των δύο αξόνων, συνήθως Τ<0.05ps/km. Με οµοιόµορφη σύζευξη ισχύος ιαφορά στο χρόνο άφιξης των δύο αξόνων είναι: 2 2 ( δβ C ) 1 / 2 1 d T r = + c dk C : συντελεστής σύζευξης δβ : διπλαθλαστικότητα Η ενεργός τιµή πλάτους είναι για τις δύο πολώσεις : σ 2 =σ ο 2 +P(1-P)(T r L) 2 P ισχύς στον ένα άξονα (1-Ρ) ισχύς στον άλλο άξονα Μη-Γραµµικότητες στην Ίνα Η αύξηση της ισχύος όµως από την πηγή ή από τους ενισχυτές δεν είναι πανάκεια.

18 Η εµφάνιση µη γραµµικών φαινοµένων λόγω της άυξησης της ισχύος είναι πλήρως ανεπιθυµήτα. Τα φαινόµενα αυτά είναι : η εξαναγκασµένη σκέδαση Raman Εµφανίζονται σαν υπερβολικές απώλειες ισχύος µέσα στην ίνα. Για µονοχρωµατικές πηγές (εύρος γραµµής < 50 Mhz), η σκέδαση SBS κυριαρχεί µε ισχύ κατωφλίου 10 mw. Μπορεί όµως να µειωθεί αυξάνοντας το εκπεµπόµενο φάσµα έτσι ώστε η φασµατική πυκνότητα του να είναι 0.1 mw/mhz. Αυτό επιτυγχάνεται µε ένα θορυβώδες laser µε επαρκή δευτερεύον συχνότητα διαµόρφωσης. η εξαναγκασµένη σκέδαση Brillouin Ασύµφωνη διαδικασία εξαρτώµενη από την συνολική εκπεµπόµενη ισχύς και όχι από το αντίστοιχο φάσµα.

19 Η ισχύς κατωφλίου είναι 1 watt, για ένα κανάλι µόνο Η επιβάρυνση όµως σε WDM συστήµατα είναι σηµαντική Περιλαµβάνεται η αυτοδια- µόρφωσης και ετεροδιαµόρφωσης φάσης. Η ισχύς κατωφλίου είναι αρκετές φορές µικρότερη Το σήµα υφίστανται µια στροφή φάσης, πέρα της γραµµικής, ανάλογη της ισχύος. ιεύρυνση φάσµατος ενός παλµού και η αντίστοιχη επαγόµενη µη γραµµική φάση

20 Στα WDM συστήµατα ετεροδιαµόρφωση φάσης από τα υπόλοιπα κανάλια και αυτοδιαµόρφωση από το ίδιο. Στα ασύµφωνα συστήµατα οι µη γραµµικές µεταβολές της φάσης είναι χωρίς σηµασία. Σύµφωνα συστήµατα, όπου η φάση έχει τη πληροφορία δεν χρησιµοποιούνται σήµερα. Οπτικοί Ενισχυτές Το µειονέκτηµα των οπτικών ενισχυτών είναι ότι οι παλµοί δεν µπορούν να ανακτήσουν το σχήµα τους αλλά απλά ενισχύονται γραµµικά. Θόρυβος και παραµορφώσεις ενισχύονται, υποβιβάζοντας το σηµατοθορυβικό λόγο. Η τοποθέτηση σειράς ενισχυτών απαιτεί : α) Μεγιστοποίηση της µεταξύ τους απόστασης και β) τη χρησιµοποίηση φίλτρων για τη µείωση του θορύβου.