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Università di ParmaDipartimento di Ingegneria dell’Informazione

Prof. Alberto Bononi

Una panoramica sulle comunicazioni digitali su fibra ottica

ITIS L. da Vinci, Parma 18/05/2007

Obiettivo DidatticoObiettivo Didattico

• Ripassare alcuni concetti di base di TLC del IV e V anno (ITIS) vedendo come si concretizzano nei sistemi di trasmissione su fibra ottica.

• Ripasso: Fourier e risposta in frequenza

• Ripasso: principi di trasmissione numerica

SommarioSommario

• Le reti di TLC e la fibra ottica

• Trasmissione numerica su fibra ottica

• Ripasso: le fibre ottiche

Fourier e risposta in frequenza

x(t)Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier:

ej=cos()+j sin()

Formula di Eulero

Usando la formula di Eulero: fasore

possiamo semplificare la scrittura:

Fourier e risposta in frequenza

x(t)Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier:

Ecco perché si usano i fasori e i numeri complessi: per fare simultaneamente i conti per la parte dei seni e quella dei coseni

complessi

Perché la vasta maggioranza dei sistemi fisici con cui abbiamoa che fare sono LINEARI tempo invarianti (LTI). Tali sono per esempio i dispositivi elettronici analogici, le linee di trasmissione ed in generale i canali di comunicazione (quando le potenze in gioco non sono grandi). Ma tali sono anche gli strumenti musicali,i sistemi idraulici, quelli meccanici......

Se diciamo l’uscita del sistema quando l’ingresso è x(t), allora è lineare se

e più in generale se

Perché si usa Fourier?

sovrapposizione degli effetti

Le sinusoidi sono spesso il modo naturale di rispondere dei sistemi lineari a bruschi stimoli esterni (es: pizzicate unachitarra; chiudete bruscamente il rubinetto dell’acqua;prendete una buca con la vostra auto: tutte le “vibrazioni”sono misture di sinusoidi....)

Ciò che rende Fourier fondamentale per l’analisi dei sistemi LTI è chei fasori sono le uniche funzioni che

se l’ingresso è un fasore......l’uscita è lo stesso fasore,moltiplicato per una costantecomplessa H (che dipende dallafrequenza )

H() si chiama RISPOSTA IN FREQUENZA del sistema. Di H si da normalmente un grafico dell’ampiezza e uno della fase

“I coeff. di Fourier dell’uscita si ottengono come il prodotto di quellidell’ingresso per la risposta in frequenza, valutata per ognuna dellesinusoidi di ingresso.”

Dunque per la linearità

ossia l’ uscita è]

Questa operazione si interpreta come “filtraggio”cioè modifica selettiva delle componenti armoniche del segnale di ingresso

Es: Corrente e tensione ai capi di un condensatore sono legati dalla relazione lineare

Possiamo vedere questo come un sistema LTI :

Se dunque

e dunque

allora

l’inverso dell’impedenzadel Condensatore

Questa costantedeve dunque esserela risposta infrequenza!

Es: filtro RC

0 1 2 3-15

f/(1/2RC)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-80

f/(1/2RC)

i]Bandaa 3 dB

Es: Linea di ritardo

i]Bandaa 3 dB

frequenza

SommarioSommario

Cos’è la fibra ottica? Cos’è la fibra ottica?

E’ un filo di vetro che serve per guidare la luce

Inciso: la Luce

La LUCE è un insieme di onde elettromagnetiche che si propaganonello spazio, ciascuna caratterizzata dalla propria ampiezza e lunghezza d’onda.

Lunghezza d’onda

piezza

Onde Elettromagnetiche

- Se la luce è composta da una sola onda, si chama luce monocromatica o luce coerente (es: quella emessa da un LASER ideale)

-Più in generale la luce è composta da più onde sovrapposte (luce policromatica) ed è usuale dare in grafico la lunghezza d’onda e l’ampiezza delle onde costituenti la luce:

SPETTRO

Lunghezza d’onda

Fine inciso

Principi fisici: Rifrazione Principi fisici: Rifrazione

I raggi di luce entrando in un mezzo più denso rallentanoe si avvicinano alla perpendicolare al piano di contatto

Riflesso

n2=1.4

Indice di rifrazione n = Velocità della luce nel vuoto

Velocità della luce nel mezzo

Rifratto

Dispersione Cromatica

Il vetro appare più denso a lunghezze d’onda più corte (blu), che dunque sono più lente di quelle lunghe (rosso). Questa variazione della velocità delle onde a

seconda del colore si chiama Dispersione Cromatica.

Se dunque luce bianca (= somma di tutti i colori) incide sul vetro i vari colori (=lunghezze d’onda) si ‘aprono’ ad angoli differenti.

Principi fisici: Riflessione totale Principi fisici: Riflessione totale

angolo critico

Cladding (meno denso del core)vetro

Propagazione per riflessione totale Propagazione per riflessione totale

Nella fibra Multimodo tanti raggi (=modi) seguono cammini differenti

raggio diretto

raggio riflesso

Il segnale viaggia in parallelo sui vari modi, con ritardi differenti dispersione modale: limita la velocità di trasmissione dei bit

Fibra Multimodo (MMF)Fibra Multimodo (MMF)

Bandaa 3 dB

frequenza

raggio diretto

raggio riflesso

Soluzione: core + piccolo fibra Singolo-modo (SMF): solo raggio diretto

Fibra Singolo-modo (SMF)Fibra Singolo-modo (SMF)

Ma la fibra SMF non è in verità un canale perfetto !

Quanto attenua la fibra?Quanto attenua la fibra?

1 kmlaser ( )Potenzaricevuta

visible infrarosso

“finestra” a bassa attenuazione di circa 30 Teraherz !

fibra è un canale passabanda centratoa frequenze altissime

f=c/z200

grandi corrispondono a piccole fe viceversa, dunque....

...f cresce in qui

Com’è il grafico della attenuazione in funzione della frequenza f=c/

f=c/z200

Confronto con altri ConduttoriConfronto con altri ConduttoriLoss

Vantaggi della fibra Vantaggi della fibra

• Larghissima “Banda”

• Bassissima Attenuazione

• Non è un conduttore Immune alle interferenze elettro-magnetiche

• Piccolo diametro e leggerezza

• Fatta in silice (sabbia) costo materiale più basso del rame

SommarioSommario

Dove sono oggi le fibre ottiche?Dove sono oggi le fibre ottiche?

Tutte le linee interurbane Telecom(dorsale a lunga distanza)

Fibre della Società autostrade(cablaggio parallelo alle autostrade)

Fibre di FFSS(cablaggio a fianco dei binari)

e poi ancora:Fibre di Enel+France Telecom (Wind)(accanto ai fili dell’alta tensione)

e ancora: cablaggio metropolitanoA PR Fibre Amps+British Telecom (Albacom) (lungo i condotti del gas); Fibre Fastweb a Mi, To, .....

Dove sono le fibre ottiche?Dove sono le fibre ottiche?

Rete globale sottomarina intorno al 2000 (Source:G. Agrawal)

Cosa ha scatenato questa enorme richiesta di fibra?

Internet+

Liberalizzazioni in TLC

Rete in fibra FFSS

Come Funziona Internet ?Come Funziona Internet ?

Rete in fibra Telecom

Rete in fibra Wind

VE...affitta delle linee dedicate da una (o più) delle reti telefoniche in fibra. Tali linee sono “telefonate” aperte per tutto il tempo di affitto.

...col patto di lasciar transitare pacchetti altrui ma con la ricompensa che i propri pacchetti possono raggiungere qualunque utente in questa rete di reti, cioè internet.

Un consorzio di Service Providers (SP)....

...essi costriscono una “Rete Virtuale” logicamente separata dalle reti fisiche da cui affittano le linee.

Interconnettendo queste linee con dei commutatori a pacchetto (Router)...

La rete si connette con altre reti simili...

Come Cresce Internet ?Come Cresce Internet ?

Rete in fibra Telecom

Rete in fibra WindRete in fibra FFSS

VEGli utenti si collegano al SP più vicino al costo di una chiamata urbana, ma possono trasmettere su tutta internet (in tutto il mondo), pagando solo per il volume di pacchetti inviato/ricevuto dalla rete, e non per il tempo di connessione o la distanza della chiamata.

Come è fatta la rete telefonica ?Come è fatta la rete telefonica ?

E’ una rete MAGLIATA come Internet. I router qui si chiamano CENTRALI DI COMMUTAZIONE.

I collegamenti tra centrali (in rosso) costituiscono la RETE DI TRASPORTO e sono in fibra. I collegamenti tra centrale ed utenti (giallo) costituiscono la RETE DI ACCESSO, e sono invece ancora per la maggior parte composti da conduttori in rame.

La differenza fondamentale da Internet è che nella rete telefonica un utente paga la chamata per tutta la durata del collegamento, anche se (almeno in media) per la metà del tempo ascolta e non parla. La tariffazione è a tempo, e dipende dalla distanza dal chiamato.E’ improponibile per traffico dati tra compter, in cui la trasmissione va a impulsi, ed il canale è in media utilizzato per meno del 5 % del tempo.

La MultiplazioneLa MultiplazioneE’ la soluzione per ridurre il numero di cavi in una rete telefonica

Multiplexer

De-mux

TDMFDM...

Frequency Division Multiplexing (FDM)

E’ la multiplazione standard nei canali radio, e fu la prima forma dimultiplazione sui cavi telefonici tra centrali (telefonia analogica).

cos(1t)

cos(3t)

Time Division Multiplexing (TDM)

E’ la multiplazione standard nella telefonia digitale(PCM = pulse coded modulation)

E su fibra che MUX si fa?

Wavelength Division Multiplexing (WDM)(è essenzialmente un FDM....)

Mux Dmux

(prisma) (prisma)

cos(1t)

cos(kt)

E su fibra che MUX si fa?

Wavelength Division Multiplexing (WDM)(è essenzialmente un FDM....)

Mux Dmux

(prisma) (prisma)

SommarioSommario

1 0 1 0 1 1

Modulazione ON/OFF (OOK)con impulsi NRZ

Segnale elettrico(informazione)

Sorgenteluminosa fotodiodo

Segnaleelettrico

Amplificatoreottico

Fibra ottica

Convertitoreluce-corrente

Trasmissione numerica su fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica

segnale elettrico modula la corrente di bias del LED

spettro largo(20 nm)

(Anni 75-80)

1° finestra di trasmissione

Bit rate limitato ( R<1 Mb/s )dalla lentezzadi modulazionedel LED

Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Evoluzione dei sistemi OOK su fibra

Sorgenteluminosa

LED APD

Fibra MMF

Avalanchephotodiode

(Anni 80-85)

(InGaAsP)

Bit rate limitato ( R<100 Mb/s sudistanze L=10 km)dalla dispersionemodale nelle MMF

segnale elettrico modula la corrente di bias del FP

spettro a righe(2 nm)

Sorgenteluminosa

Laser FP APD

Fibra MMF

Avalanchephotodiode

La dispersionecromatica è minima a 1.3 m

Ripetitore

R R R R R R R R

Per trasmettere più lontano bisognava rigenerare il segnale digitale:

Ma i ripetitori costano! Preferiremmo metterne meno, spaziandolidi più....

APD FP

ripetitore L=10km

bitdecisi

rigenerazione elettrica

APD FP

ripetitore L=10km

bitdecisi

Fu così che si passò alle fibre a singolo modo (SMF), che eliminanola dispersione modale e permettono di andar più lontano,anche se sono più difficili da connettere sia con il laser, sia tra loro (giuntatura, in figura)

Sorgenteluminosa

Laser FP APD

Fibra SMF

Avalanchephotodiode

spettro a righe(2 nm)

(Anni 85-90)

Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s sudistanze L=50 km)dalla dispersionecromatica residuaa causa delle righemultiple del FP

segnale elettrico modula la corrente di bias del FP

Sorgenteluminosa

Laser DFB APD

Fibra SMF

Avalanchephotodiode

I (Anni 90-95)

3° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s sudistanze L=100 km)dalla dispersionecromatica

spettro a 1 riga

segnale elettrico modula esternamente il laser DFB

opaco /trasparente

opticalmux

opticaldemux

opticalfiber

(Anni 90-95)DFB

Per aumentare la capacità dei sistemi ottici si cominciòad adottare il WDM trasmettendo più canali in parallelo sulla stessa fibra SMF

DWDMmultiplexer

… …R

La trasmissione a lunga distanza era però molto costosa, per il grande numero di ripetitori richiesti: uno per ogni canale su ognitratta.

Ma nel 90 viene inventato e nel 95 diventa commerciale un dispositivoche rivoluziona le comunicazioni ottiche: l’amplificatore in fibra drogata(erbium doped fiber amplifier = EDFA)

EDFAEDFA

Qui gli ioni di erbio immagazzinano energia da un laser ausiliario (detto di pompa). Quando l’EDFA è carico, ogni fotone di segnale entrante crea una “valanga” di fotoni identici a se stesso sottraendo energia agli ioni di erbio: il segnale si “amplifica” per emissione stimolata.

E’ un dispositivo passivo (a parte la pompa) potenzialmente a basso costo, capace di amplificare su tutta la terza finestra(1530 nm – 1620 nm: quasi 30 THz di banda !!!).

Opticalamplifier

… … …R

ROA OA OA OA… …

• Gli amplificatori ottici EDFA possono amplificare il segnale composito WDM senza dover fare demux e conversione in elettrico per rigenerare i segnali. – Tratte tra rigeneratori > 2000 km– drastica riduzione del numero di rigeneratori e dunque del costo.

• Oggi si realizzano sistemi “long-haul” sottomarini senza rigeneratoriper tratte fino a oltre 10000 km, con 128 canali (e oltre) a R=10 Gb/s con compensazione della dispersione cromatica (standard telecom).Il 40 Gb/s per canale è di prossima installazione.

Il nostro Laboratorio di Com. OtticheIl nostro Laboratorio di Com. Ottiche

… … …R

ROA OA OA OA… …

Rack dei laser DFB (fino a 16)

modulatori esterni Mach Zehnder a 10 Gb/s

+Bit Error Rate Tester (BERT)

per modulare OOK emisurare il tasso d’errore

(bit error rate BER)su ciascun canale WDM.

… … …R

ROA OA OA OA… …

… … …R

ROA OA OA OA… …

WDMmultiplexer/demultiplexer

… … …R

ROA OA OA OA… …

Rack amplificatori ottici in fibra EDFA

… … …R

ROA OA OA OA… …

Amplificatori ottici a semiconduttore(SOA) per reti ottichemetropolitane

… … …R

ROA OA OA OA… …

400 km di fibra speciale per trasmissione sottomarina

...più vari altri tipi difibra per TLC

A Parma abbiamo da ben 10 anni un contratto di ricerca con il centro ricerche principale dell’azienda leader mondiale delle TLC su fibra ottica:

Alcatel-Lucent

SommarioSommario

“1”

“0”

Trasmissione Binaria Ideale

Anche se il segnale OOK arriva indistorto al campionatore, c’è comunquel’inevitabile rumore del sistema (canale+ricevitore)

“1” “0”campionatore

rumore

tempo di bit T

“1” “1”“0”

Il tasso d’errore (BER)è grande quando è grandela varianza del rumorerispetto alla distanza tra 1 e 0.

Trasmissione Binaria Reale

canale trasmissione

campionatore

rumore poca distorsione, poco rumore

poca distorsione, tanto rumoretanta distorsione, tanto rumore

tanta distorsione, poco rumore

Interferenza Intersimbolica (ISI)

Come si misura l’ISI ?

Supponiamo che il blocco (canale+ricevitore) abbia una risposta in frequenza equivalente ad un filtro passabasso RC

Esempio 1: Canale passabasso

segnale OOK

f-R 2RR0-2R

Spettro segnale OOK(~Trasf. Fourier del singolobit, modulo quadro)

0 1 2 3-15

f/(1/2RC)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-80

f/(1/2RC)

Bandaa 3 dB

Per intuire quanta distorsioneintroduce il filtraggio,si osserva dove sta R rispetto alla banda a 3 dB

Risposta in Ampiezza Risposta in Fase

3dB Filter BandW = 1*R

20 25 30 35 400

normalized time t/T

Nero: sequenza trasmessa

Colore: sequenza ricevuta

0 0.5 1 1.5 20

normalized time t/T

Abbiamo così formato il diagramma ad OCCHIO

3dB Filter BandW = 1*R

20 25 30 35 400

normalized time t/T

Nero: sequenza trasmessa

Colore: sequenza ricevuta

0 0.5 1 1.5 20

normalized time t/T

Dall’occhio si deduce il miglior istante di capionamento, e l’ammontare dell’ISI a tale istante.

Per filtri con banda maggiore o uguale al bit rate R non c’e’ distorsione apprezzabile e dunque ISI: occhio APERTO

0 B3-15

Ora dimezziamo la banda del filtro:

Per filtri con banda fino a R/2 ISI è limitata: poca “chiusura” occhio

0 B3-15

dimezziamo ancora la banda del filtro:

Per filtri con banda <R/2 l’occhio si chiude: ISI diventa inaccettable

E’ dunque un metodo semplice per valutare sperimentalmente, con un oscilloscopio a campionamento, quanto grande è l’ ISI in un collegamento numerico

Il Diagramma ad occhio

f=c/z200

30 z|H

f=c/z200

100 Gz

R=10 Gb/s

Il singolo canale centrato sulla propria portante laser vede un canalepiatto in ampiezza non distorce in ampiezza !!!

E’ un canale con risposta in ampiezza:

Esempio 2: Fibra SMF

Canale non distorcenteUn canale che, sulla banda del segnale attorno alla portante f0 è piattoin ampiezza ed ha fase rettilinea, non distorce il segnale

La pendenza della retta tangente alla fase in f0 si chiama ritardo di gruppo g

vg = 1/ g è la velocità di gruppo.

Quando la velocità di gruppo varia con f (cioè la fase non èrettilinea) il segnale è distorto in fase e si ha dispersione di velocità di gruppo (GVD)

Fibra SMF

•Dunque la fibra SMF è un canale con sola distorsione di fase, che in ottica si chiama dispersione cromatica, o GVD.

•Si può definire una “banda equivalente” del canale visto dal singolo segnale WDM su fibra SMF come il bit rate massimo al quale gli impulsi raddoppiano la propria larghezza.

•Le distorsioni di fase provocano in genere un allargamento degli impulsi (i bit della OOK) su ciascun canale WDM.

•A rigore, non ha senso qui parlare di banda a 3 dB!

Esempio di occhiodistorto dalla dispersione cromatica

Esempio di occhioprima della trasmissionesu fibra.

Oggi la disp. crom. si sa compensare: ecco come si raggiungono distanze transoceaniche.

•Per saperne di più su chi siamo e cosa facciamo:

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