VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra telekomunikační techniky Ok3_text k prednaskam Optické komunikace 3 Zesilovače vláknově optických sítí, Multiplexery Text k přednáškám Datum: 20.11. 2012 Autor: prof.RNDr.Vladimír Vašinek,CSc.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Optické komunikace 3
Zesilovače vláknově optických sítí, Multiplexery
Text k přednáškám
Datum: 20.11. 2012
Autor: prof.RNDr.Vladimír Vašinek,CSc.
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
1. Perspektivy vláknových optických komunikací
Počáteční vláknově
optické spoje byly
charakterizovány
jednokanálovými přenosy
a spojeními typu bod-bod.
V tuto chvíli se nebudeme
zabývat otázkami
topologie vláknově
optických sítí, podívejme
se však na problém
zvyšování překlenutelných vzdáleností a přenosové kapacity vláknově optických spojů.
Vláknově optický spoj typu bod-bod je znázorněn na obr.1. Dnešní optická vlákna jsou
schopna teoreticky dosahovat přenosových rychlostí kolem 50Tbit.s-1
. To je mnohem více,
než jsou schopny poskytnout řídicí elektronické obvody, které dosahují maximálních rychlostí
kolem 40Gbit.s-1
. Současný rozvoj HDTV a nároků na rychlost připojení do internetu vede
k úvahám, že v roce 2010 bude standardní rychlost připojení pro koncového uživatele typu
SOHO (small office and home office) a domácnost 100Mbit.s-1
. Stávající kabely s optickými
vlákny, které zajišťovaly jednokanálové spoje podle obr.1 již nemají delší dobu volná vlákna
v kabelech, a proto je nutno řešit problém sdružování více kanálů do jednoho vlákna. Spolu
s řešením sdružování kanálů roste poptávka po zvětšováním dosahu vláknově optických
spojů, aniž by bylo nutno informaci přijatou optickým přijímačem zesílit, zpracovat,
regenerovat a znovu vyslat optickým vysílačem do dalšího úseku optického vlákna. Každé
zpracování signálu tohoto typu významně zpomaluje přenosovou rychlost a v důsledku toho i
přenosovou kapacitu spoje.
Řešení problému sdružování kanálů se nazývá multiplexování, zvětšování dosahu spojů řeší
optické zesilovače.
2. Zvyšování dosahu vláknově optických komunikačních systémů
Dnešní typické hodnoty překlenutelných vzdáleností jsou přibližně 25 km pro mnohomódová
vlákna a do 100 km pro SM vlákna. Delší úseky není možné provozovat, nelze zvyšovat
vstupní výkony vázané do optického vlákna nad několik mW pro hrozící nelineární jevy ve
vláknech a na druhé straně jsme omezováni šumy přijímačů, které rostou s rostoucí šířkou
pásma přenášených resp. zpracovávaných signálů. Existují dva způsoby, jak celý problém
řešit. Jedním z nich je použití regenerátorů signálu, druhým je použití optických zesilovačů.
V regenerátorech je optický signál přijat, převeden na elektrický signál, kde se rozhoduje,
zda-li se jedná o „1“ nebo „0“. Poté se generuje nový elektrický signál, který se převádí zpět
na optický a tento obnovený signál postupuje dále optickým vláknem. Celý proces je blokově
znázorněn na obr.2
Obr.1 – Spoj typu bod-bod
Optický
vysílač Optický
přijímač
informace
Optické
vlákno
informace
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Na obr.3 je jeho zjednodušené schéma. Existuje několik metod, kterými může být signál
regenerován. První metoda se nazývá 3R což značí regenerace s obnovením taktu a tvaru. (3R
zde představuje úvodní písmena anglických významů regenerating with retiming and
reshaping). Jedná se o standardní metodu dnes nejvíce využívanou. Jak samotný název
napovídá tento typ regenerátoru extrahuje hodinový signál z přenášené informace. Signálové
pulsy jsou přesně obnoveny podle původního taktu a je obnoven jejich tvar. 3R regenerátor
tedy vytváří „dokonalou“ kopii přijatého signálu. Tento přístup zní lákavě, ale platí se za něj
jednou významnou nevýhodou. Takové regenerátory mohou pracovat pouze se specifickou
přenosovou rychlostí a určeným formátem signálu. Tím jsou předurčeny také přijímače a
vysílače na obou koncích vláknově optické trasy.
Druhou metodou obnovy signálu je metoda nazývaná 2R což značí regenerace s obnovou
tvaru impulsu, ale bez obnovy taktu. V tomto případě nejsou kladena velká omezení na
přenosovou rychlost a formát datových rámců, ale tento postup není vhodný pro přenosové
rychlosti přesahující několik stovek Mbit.s-1
. Příčinou je kumulace jitteru v každém
regeneračním kroku.
Obr.2 – Funkční blokové schéma regenerátoru
Obr.3 – Zjednodušené schéma regenerátoru
Optoelektr
onická
konverze
Rozhodov
ací obvody Elektoopti
cká
konverze
Optický
signál Optický
signál
Elektrický
signál Elektrický
signál
Elektronika Rx Tx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
Třetí metodou nazývanou 1R je pouze regenerace signálu bez obnovy taktu a tvaru impulsu.
Je to jediná metoda, která může být
použita pro úpravu analogových
signálů a je používaná v optických
komunikacích v kabelových televizích.
Její charakteristiky jsou však horší než
je tomu u metod 2R a 3R..
Optické zesilovače jednoduše zesilují
signál přímo v optické oblasti bez
konverze na signál elektrický. Blokové
schéma je uvedeno na obr.4.36.
Vyloučení optoelektronické konverze
z procesu úpravy signálu vede ke dvěma hlavním výhodám ve srovnání s regenerátory.
První výhodou je , že optické zesilovače podporují libovolný datový formát a přenosovou
rychlost, protože pouze zesilují signál, který do zesilovače vstupuje.Optické zesilovače se
díky této vlastnosti nazývají transparentní. Druhou výhodou je, že současně může být zesíleno
několik vlnových délek, nikoli pouze jedna. Tato vlastnost vynikne v dalším textu, kdy budou
ukázány možnosti, jak zvýšit celkovou propustnost dat optickým vláknem. Např. erbiem
dotované vláknové zesilovače zesilují všechny vlnové délky se spektrálním rozsahu od
1530nm do přibližně 1610nm.
Zde je vhodné si znovu uvědomit, že pouze optické zesilovače dokáží podporovat různé
multiplexní formáty (TDM,WDM) a různé vlnové délky. Bez optických zesilovačů by nebyl
možný rozvoj WDM multiplexních technik, které jsou dnes jedním z nosných rozvojových
směrů vláknově optických komunikací.
Podívejme se ještě jednou na obrázky 3 a 4. Vidíme zde jeden podstatný rozdíl mezi
regenerátory signálu a optickými zesilovači. Regenerátor má na svém výstupu identickou
kopii původního signálu vstupujícího do komunikační trasy. Při postupném zkreslování
přenášeného signálu s růstem šumu, který signál obsahuje, se výrazně mění (zmenšuje) odstup
signálu od šumu (SNR). Regenerátor zvyšuje SNR na téměř původní hodnotu, kterou měl
signál při svém vstupu do optického vlákna. Optické zesilovače pouze udržují SNR
přinejlepším na stejné hodnotě, obvykle SNR mírně zhorší. Regenerátor zmenší šířku impulsu
na původní hodnotu, zatímco optický zesilovač ponechává tuto šířku nezměněnou.
Důsledkem je,
že při použití
optických
zesilovačů šířka
impulsu narůstá
dále s délkou
vláknově
optické trasy
vlivem
disperze, jak
bylo vidět při
studiu
materiálové a
Obr.4 – Blokové schéma optického zesilovače
Booster
Linkový zesilovač
Předzesilovač
Obr.5 – Základní skupiny optických zesilovačů
Optický
zesilovač
Optický
signál
Optický
signál
Tx
Rx
Tx
Rx
Tx
Rx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
vlnovodové disperze. Důsledkem je, že optické zesilovače dokáží prodloužit překlenutelnou
vzdálenost z přibližně 100 km na vzdálenosti 800-1000 km. Poté je disperze již natolik velká,
že je nezbytné použít regenerátoru pro znovuobnovení původního tvaru signálu a zlepšení
SNR. Nové metody kompenzace disperze v optických vláknech dovolují zvyšovat
překlenutelnou vzdálenost bez použití regenerátorů na vzdálenosti několika tisíc km.
Optické zesilovače jsou kategorizovány podle svého umístění v komunikační trase do tří
základních skupin, obr.5. Jsou to posilovací zesilovač (booster), linkový zesilovač a
předzesilovač.
Booster je výkonový zesilovač, který zesiluje přenášený signál předtím, než je vyslán do
optického vlákna. Booster zvyšuje optický výkon na maximální možnou úroveň, která
dovoluje maximalizovat překlenutelnou vzdálenost. Hlavním požadavkem na tento typ
zesilovače je maximální výstupní výkon nikoli zesílení, protože vstupní signál zesilovače má
dostatečně vysokou úroveň. Další výhodou použití boosteru je odlehčit optický vysílač od
nutnosti dosažení velkého zesílení spolu s velkým výkonem. Tím se dává větší volnost
projektantům komunikačních tras při výběru vhodných zesilovačů.
Linkový zesilovač pracuje ze signálem v průběhu optické komunikační trasy. Jeho hlavním
úkolem je kompenzace výkonových ztrát způsobených útlumem optických vláken, konektorů
a ztrát vzniklých distribucí optického signálu v síti. Jedním z klíčových požadavků na tento
typ zesilovače je jeho spektrální stability zejména ve WDM sítích a minimální produkce
vlastního šumu. Tyto zesilovače bývají často řazeny do kaskády.
Předzesilovače zesilují optický signál bezprostředně před jeho dopadem na optický přijímač.
Tento typ zesilovač pracuje se slabým signálem. Proto jsou největšími požadavky na něj
dobrá citlivost a extrémně nízký šum. Použití optických předzesilovačů se zmenšují jinak
přísné požadavky na citlivost a šum optických přijímačů. Důsledkem je, že taková vláknově
optická síť může pracovat s vyššími přenosovými rychlostmi.
Na obr.6 je znázorněno použití zesilovačů ke kompenzaci útlumu optických vláken,
konektorů a spojů, obr.7 ukazuje aplikace zesilovačů při kompenzaci ztrát v distribučních
rozvětvených sítích.
Obr.6 – Kompenzace útlumu optických vláken a jejich spojů
Tx
Rx
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra telekomunikační techniky
Ok3_text k prednaskam
3. Laserové polovodičové zesilovače
Polovodičové zesilovače jsou založeny na využití stimulované emise, podobně jako lasery.
Jejich činnost je podobná jako u polovodičových laserových diod, od kterých se liší zejména
v provedení optického rezonátoru. Způsob připojení těchto zesilovačů ukazuje obr.8.
Obr.7 – Kompenzace ztrát v distribuční rozvětvené síti