Transmisja przewodowa - Zakład Systemów Telekomunikacyjnych

Warszawa, 16.11.2015
Transmisja przewodowa
TRP
Ćwiczenie laboratoryjne nr 2.
Transmisja światłowodowa - podstawy
Autorzy: Ł. Maksymiuk, G. Stępniak, E. Łukowiak
1
1. Teoria – zjawiska liniowe
Ważnym parametrem określającym transmisję sygnału w światłowodzie jest tłumienie,
opisujące straty mocy optycznej. Jego źródłem są, między innymi, niejednorodności i
zanieczyszczenia materiałów, z których wykonany jest światłowód, czy sam proces ich
produkcji.
Niejednorodności spowodowane są fluktuacjami gęstości szkła kwarcowego (SiO2) oraz
składem materiału, z którego wykonane są światłowody.
Straty nimi spowodowane dzielimy na absorpcyjne i rozproszeniowe.
Niejednorodności, których wymiary są mniejsze od długości fali powodują rozpraszanie
Rayleigha, a niejednorodności porównywalne z długością fali powodują rozpraszanie Mie.
Absorpcja związana jest z własnościami SiO2 (silne oddziaływanie w podczerwieni i
nadfiolecie) oraz z zanieczyszczeniem wodą, a dokładniej jonami OH- oraz jonami metali i
wodorem H+.
Do bilansu strat należy dodać tłumienie elementów traktu światłowodowego takich jak
złączki, rozdzielacze, sprzęgacze, czy złącza spawane.
Dodatkowymi źródłami tłumienia są np. mikrozgięcia światłowodu, bądź jego zgięcie poniżej
dopuszczalnego promienia, eliptyczność i wahanie średnicy rdzenia czy uszkodzenia
mechaniczne.
Do opisu strat mocy w światłowodzie, poza tłumieniem, używa się parametru zwanego
tłumiennością wyrażanego w [dB/km]. Wzór określający ten parametr to [1]:
α=
10  P(l1 ) 
log
,
L
 P(l 2 ) 
(1.1)
gdzie:
P(l1), P(l2) – moc optyczna określona w światłowodzie w punktach l1i l2 odległych o L.
2
Poniżej przedstawiono przykładową zależność tłumienności od długości fali.
Rys. 1.1. Przykładowa zależność tłumienności światłowodu od długości fali [1]
Wymagania dotyczące mocy optycznej w systemie można uzyskać z przeprowadzonego
bilansu mocy na podstawie wzoru:
Pnad = Podb + Ps – Pz + M,
(1.2)
gdzie:
Pnad – wymagana moc optyczna źródła światła,
Podb – czułość fotodetektora,
Ps – całkowite straty linii światłowodowej,
Pz – całkowite wzmocnienie (pochodzące od wzmacniaczy),
M – margines bezpieczeństwa uwzględniający starzenie się elementów
nadawczo-odbiorczych, straty mocy na zgięciach światłowodu itp.
(zwykle 10% strat linii + straty na starzenie się elementów nadawczoodbiorczych).
Następnym ważnym zjawiskiem występującym i mającym duży wpływ na propagację światła
w światłowodzie jest dyspersja chromatyczna. Jest to zależność parametrów ośrodka od
częstotliwości (długości fali) światła. Jej skutkiem jest rozmycie czasowe (poszerzenie)
impulsu, co decyduje o ograniczeniu szybkości transmisji.
Dyspersję chromatyczną dzielimy na dyspersję falowodową, materiałową.
3
Dyspersja falowodowa to zmiana efektywnego współczynnika załamania światła, która jest
spowodowana zmianą rozkładu mocy pomiędzy rdzeniem i płaszczem światłowodu przy
zmianie długości fali.
Dyspersja materiałowa to zależność grupowych współczynników załamania materiałów, z
jakich został wykonany światłowód od zmiany długości fali. Współczynnik załamania światła
zależy od długości fali, a że widmo częstotliwościowe impulsu składa się z różnych
składowych spektralnych, przemieszczają się one w światłowodzie z różną prędkością, czego
skutkiem jest rozszerzenie impulsu.
Do opisu zjawisk związanych z dyspersją chromatyczną posługujemy się parametrem
 ps 
zwanym współczynnikiem dyspersji wyrażanym w 
 , a zdefiniowanym jako [1]:
 nm ⋅ km 
D=
1 dτ g
,
L dλ
gdzie:
(1.3)
L – długość światłowodu,
τ g - opóźność grupowa, określająca opóźnienie obwiedni fali na długości L,
λ - długość fali.
Rys. 1.2. Zależność współczynnika dyspersji od długości fali dla przykładowych typów
światłowodów jednomodowych [1]
Rozszerzenie czasowe impulsu wynikające z dyspersji chromatycznej wyraża się wzorem [2]:
(1.4)
∆t = D ⋅ ∆λ ⋅ L ,
gdzie:
∆λ - szerokość linii widmowej źródła światła.
4
Jedną z metod zmniejszania wpływu dyspersji chromatycznej na sygnał propagujący w
światłowodzie jest kompensacja dyspersji polegająca na umieszczeniu w trakcie
światłowodowym światłowodu o współczynniku dyspersji o przeciwnym znaku niż dany
światłowód.
Wyraża się to zależnością [7]:
D1L1 + D2L2 = 0.
(1.5)
Rozszerzenie impulsu w transmisji cyfrowej powoduje trudności z prawidłowym odbiorem
wartości sygnału. Aby zredukować nachodzenie impulsów na siebie poszerzenie impulsu
powinno być mniejsze niż połowa długości bitu (T). Określone jest to wzorem [3]:
∆τ ≤
T
2
(1.7)
1
,
2 BT
(1.8)
lub
∆τ ≤
gdzie:
BT – szybkość transmisji [bit/s].
Rys. 1.3. Wpływ dyspersji na ograniczenie szybkości transmisji [3]
Istnieje kilka metod pomiaru dyspersji chromatycznej w światłowodach, jedną z nich jest
metoda oparta na analizie małosygnałowej funkcji przenoszenia światłowodu w dziedzinie
częstotliwości. Pomiary przeprowadzane są w dziedzinie częstotliwości z małą głębokością
modulacji, przy założeniu małej i niezmiennej wielkości maksymalnego odstrojenia fazowego
(chirp). W tych warunkach otrzymujemy rezonans częstotliwości powstający w skutek
interferencji pomiędzy falą nośną i prążkami bocznymi [8]. Wypadkowa amplituda fali
świetlnej, docierającej do odbiornika, zależy od fazy prążków bocznych. Przy pewnych
częstotliwościach sygnału modulującego dyspersja światłowodu powoduje, że wstęgi boczne
mają przeciwną fazę, przez co następuje wygaszenie sygnału na wyjściu odbiornika. [1]
5
Poniżej przedstawiono charakterystykę małosygnałową przy idealizujących założeniach
dotyczących postaci chipu. W rzeczywistych systemach modulacja jest wielkosygnałowa i
chip nie jest idealny, w związku z tym charakterystyka przenoszenia jest inna.
Rys. 1.4. Poziom sygnału na wyjściu światłowodu przy założeniach opisanych powyżej [1]
Poniższy wzór łączy częstotliwość rezonansową f n z kolejnymi minimami amplitudy w
funkcji przenoszenia światłowodu [4]:
f n2 L =
c 
2

1 + 2n − arctan(α )  ,
2 
π
2 Dλ 

(1.10)
gdzie:
f n - częstotliwość, przy której występują minima amplitudy,
n – n-te miniumum,
α - maksymalny kąt odstrojenia fazowego (chirp).
Znając częstotliwość f n łatwo możemy wyznaczyć wartość współczynnika dyspersji z
powyższej zależności, wiedząc, że średnia wartość dyspersji jest związana z pierwszym
minimum funkcji przenoszenia.
Istnieje jeszcze jeden rodzaj dyspersji występujący w światłowodach jednomodowych –
dyspersja polaryzacyjna (PMD - Polarization Mode Dispersion) zdefiniowana jako [6]:
PMD =
DGD
L
,
(1.11)
6
gdzie:
DGD - średnie różnicowe opóźnienie grupowe, oznaczane także jako ∆τ .
We włóknie jednomodowym w rzeczywistości rozchodzą się dwa ortogonalnie
spolaryzowane mody LP01, poruszające się z różnymi prędkościami grupowymi.
Rys. 1.5. Schemat ilustrujący zjawisko PMD z zaznaczonym różnicowym opóźnieniem
grupowym ∆τ , oznaczaną jako DGD (Differential Group Delay) [5] [6]
Dyspersja polaryzacyjna powstaje w wyniku niedoskonałości procesu produkcyjnego
światłowodu, czego wynikiem jest asymetria geometrii rdzenia, czy powstanie naprężeń
mechanicznych na granicy rdzenia i płaszcza podczas wyciągania włókna, jak również
czynniki zewnętrzne oddziaływujące na światłowód takie jak siły skręcające, zgniatające,
rozciągające, ściskające oraz oddziaływanie pola elektrycznego, magnetycznego i
temperatury, jak również spawy i połączenia mechaniczne. Wszystkie one powodują
dwójłomność.
 ps 
Wartość dyspersji polaryzacyjnej podawana jest w jednostkach   , gdy w światłowodzie
 km 
nie występuje sprzęganie modów - PMD jest proporcjonalne do długości światłowodu, oraz w
jednostkach
 ps 

 , gdy występuje sprzęganie modów (tak jest w rzeczywistych
 km 
światłowodach) – PMD jest proporcjonalne do pierwiastka długości światłowodu [6].
7
Rys. 1.6. Teoretyczna zależność szybkości transmisji od odległości transmisji i PMD linii
światłowodowej [5]
W odbiornikach optoelektronicznych moc sygnału podlega fluktuacjom. Ich źródłem jest
szum śrutowy (kwantowy) oraz szum termiczny.
Przyczyną szumu śrutowego jest zmienna ilość padająca na fotodetektor fotonów, z których
składa się fotoprąd. Ta przypadkowość powoduje fluktuacje.
Wariacja szumu, a zarazem jego moc wyrażana jest wzorem [2]:
(1.12)
i śr2 = 2qRP1 B ,
gdzie:
q - ładunek elektronu q = 1,6 ⋅ 10 −19 C ,
R – czułość fotodetektora,
P1 – moc padającego promieniowania,
B – pasmo szumowe odbiornika.
Przyczyną szumu termicznego jest przypadkowość poruszania się elektronów w
przewodniku w danej temperaturze, powodując fluktuacje prądu.
Wariacja prądu szumu termicznego wyraża się wzorem [2]:
iT2 =
4kTB
,
RL
(1.13)
gdzie:
k - stała Boltzmana,
T - temperatura bezwzględna (w kelwinach),
RL - wartość rezystancji obciążenia.
Moc sygnału wyraża się wzorem [2]:
8
I s2 = R 2 P12 ,
(1.14)
gdzie:
I s - prąd płynący przez fotodetektor.
SNR (signal-to-noise ratio) to stosunek sygnału do szumu.
OSNR (optical signal-to-noise ratio) to stosunek sygnału optycznego do szumu.
Bibliografia
[1] K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych,
WKŁ, Warszawa 2002
[2] J. Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej,
WKŁ, Warszawa 1997, 1999
[3] K. Holejko: Podstawy telekomunikacji światłowodowej,
Wydawnictwo Francusko-Polskiej Wyższej Szkoły Nowych Technik InformatycznoKomunikacyjnych, 1995
[4] RSoft Design Group: OptSim 4.0 – Documentation
[5] A. Pachwicewicz, M. Dziekan: „Budowa i produkcja kabli światłowodach – dyspersja
polaryzacyjna PMD”, Zakład Kabli Światłowodowych Z.K. TELE-FONIKA S.C
[6] Ł. Maksymiuk: „Zjawisko tłumienia zależnego od polaryzacji i dyspersji polaryzacyjnej w
optycznych sieciach telekomunikacyjnych” , Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, t.
50, z.1, 2004
[7] G. P. Agrawal: Fiber-Optic Communication Systems, Wiley-Interscience,1992
[8] F.Devaux, Y.Sorel and J.F. Kerdiles: “Simple Measurement of Fiber Dispersion and of
Chirp Parameter of Intensity Modulated Light Emiter”, Journal of Lightwave
Technology, Vol. 11 No. 12, 1993
9
2. OTDR
Reflektometria OTDR (ang. optical time domain reflectometry) jest podstawowym
narzędziem diagnostycznym wykorzystywanym w sieciach optycznych. Umożliwia pomiar
tłumienia światłowodu, jego długości, lokalizację złącz i spawów, określenie czy złącza i
spawy są wykonane zgodnie z normami telekomunikacyjnymi, lokalizację zgięć światłowodu.
Aby przeprowadzić pomiar reflektometrem całej linii wystarczy dostęp do jednego z
zakończeń sieci/ kabla optycznego, co jest istotnym ułatwieniem dla operatora sieci. W
szczególności może on zlokalizować uszkodzenie linii bezpośrednio ze stacji nadawczej.
Reflektometr to urządzenie, przy pomocy którego wykonywany jest pomiar
reflektometryczny. Pomiar opiera się na analizie mocy promieniowania rozproszonego w linii
światłowodowej w funkcji czasu. Dominującym rodzajem rozpraszania w transmisji
światłowodowej jest rozpraszanie Rayleigha. Jednak oprócz rozpraszania, promieniowanie
wsteczne może być wywołane odbiciem. Schemat funkcjonalny reflektometru pokazano na
rys. 2.1. Dioda laserowa wysyła periodycznie impulsy w trakt światłowodowy. Światło
impulsu, rozproszone i odbite w trakcie światłowodowym poprzez sprzęgacz kierunkowy (lub
cyrkulator) wraca do urządzenia OTDR i podlega detekcji przez fotodiodę o wysokiej
czułości. Układ przetwarzania danych na podstawie analizy odebranej mocy optycznej w
funkcji opóźnienia od wysłania impulsu tworzy wykres reflektometryczny. Szybkość
propagacji w światłowodzie wynosi v=c/n, gdzie c to szybkość światła w próżni a n to
grupowy współczynnik załamania na danej długości fali. Domyślnie urządzenia pomiarowe
mają wpisany n dla światłowodu SSMF-28 (G.682). Pomiar innego światłowodu wymaga
przestawienia parametru urządzenia (lub ręcznej korekcji błędu odległości). Reflektometr tak
naprawdę przelicza więc czas po którym promieniowanie powróciło na odległość: x=0.5vt i
taką też zmienną przyjmuje dla osi OX. Na osi OY wyświetlana jest względna moc
promieniowania powracającego x 1/2 (w [dB]) - z uwzględnieniem tłumienia w obie strony.
Rys. 2.1. Schemat blokowy OTDR
10
Rys. 2.2. Typowy przebieg reflektometryczny i rozkład "zdarzeń" w światłowodzie. Źródło:
AQ7280 user manual.
Typowy wykres reflektometryczny przedstawiono na rys. 2.2. Pokazano na nim typowe
zdarzenia w linii oraz odpowiadające im zmiany na wykresie. Na początku traktu jest zwykle
silne odbicie początkowe, od złącza reflektometru ze światłowodem. Odbicia tego typu
opisane są wzorami Fresnela na moc światła odbitego przy przejściu granicy ośrodków o
dwóch różnych współczynnikach załamania (próżni i światłowodu). Ze względu na to, że moc
odbita od pierwszego złącza jest bardzo silna, a detektor skalibrowany jest na odbiór bardzo
słabych sygnałów rozproszonych w torze, może on wejść w nasycenie. Nasycenie trwa
pewien przedział czasu sprawiając, że wyniki dla pierwszych kilkudziesięciu(set) metrów są
bardzo niedokładne. Dlatego w praktyce za OTDR stosuje się tzw. kabel rozbiegowy, czyli
swiatłowód o długości kilkuset metrów, który na stałe wpięty jest do reflektometru i dopiero
ten światłowód łączy się z badaną linią. Na rys. 2.2 widoczny jest również spaw (brak
odbicia), złącze (odbicie), zgięcie, silne odbicie od końca światłowodu, po którym następuje
znaczny spadek mocy odbieranej (bo promieniowanie nie ma skąd już wracać). Ponadto,
mierząc nachylenie przebiegu reflektogramu pomiędzy zdarzeniami (X[dB]/x[km]) można
obliczyć tłumienie jednostkowe światłowodu.
Podstawowe cechy urządzeń OTDR:
1. Dynamika - zależna od czułości fotodetektora, mocy lasera, długości impulsu, czasu
uśredniania - maksymalna ilość [dB] na osi OY dla której sygnał powracający odróżniany jest
od szumu.
2. Zasięg pomiarowy - najdłuższy odcinek światłowodu dla którego reflektometr będzie w
stanie mierzyć zdarzenia.
11
3. Rozdzielczość - zdolność do identyfikacji zdarzeń położonych blisko siebie - najmniejsza
odległość pomiędzy zdarzeniami jaką reflektometr identyfikuje jako dwa osobne zdarzenia.
Podstawowe parametry pomiaru
1. Długość fali pomiarowej - typowo 1310 nm i 1550 nm. Mierząc tę samą linię na 2
długościach fali można odróżnić spaw od zgięcia. Zagadka: w jaki sposób?
2. Szerokość impulsu. Reflektometry pozwalają zmieniać szerokość impulsu światła, np. od
10 ns do 20 s. Im dłuższy impuls tym lepsza dynamika reflektometru - większa energia
wysyłana w linię. Zwiększając długość impulsu 10 krotnie, tyle samo razy wzrasta dynamika.
Niestety, o tyleż samo spada rozdzielczość reflektometru.
Rys. 2.3. Przykład dobrze i źle dobranej szerokości impulsu
3. Zasięg (ang. range) - predefiniowana odległość do której analizowane są zdarzenia.
Powinna być o kilkadziesiąt procent większa niż spodziewana długość linii.
4.
Rys. 2.4. Przykład dobrze i źle dobranego zasięgu
12
4. Czas uśredniania - aby zwiększyć dynamikę, ten sam pomiar powtarzany jest wielokrotnie.
N krotne powtórzenie pomiaru zmniejsza również N krotnie wariancję szumu
Rys. 2.5. Przykład dobrze i źle dobranego czasu uśredniania
5. Odstęp próbkowania (sampling interval). Niezależnie od szerokości impulsu można
ustawić szybkość próbkowania odbiornika, a tym samym rozdzielczość odległościową.
Oczywiście przy zbyt szerokim impulsie mniejszy odstęp próbkowania niewiele pomoże, a
spowoduje większą zajętość pamięci.
Inne zjawiska
Reflektometr może czasem wprowadzić w błąd. Np. często w reflektogramie widoczne jest
silne odbicie w odległości, gdzie już jesteśmy pewni, że nie ma światłowodu. To jest tzw.
duch, czyli pik utworzony przez impuls, który odbił się od końca światłowodu, następnie od
pierwszego złącza reflektometru i ponownie od końca światłowodu. Tworzenie ducha
zilustrowano na rys. 2.6.
Rys. 2.6. Ilustracja tworzenia się ducha
13
Podstawowe zasady obsługi urządzenia
1. Reflektometr wysyła silne, niewidzialne dla oka ludzkiego impulsy laserowe. Nie wolno
kierować wzroku w końcówkę linii światłowodowej, która jest dołączona do reflektometru.
Nie wolno uruchamiać reflektometru gdy nie jest podłączony do niego kabel. Podczas trwania
pomiaru nie wolno rozłączać toru i manipulować przy nim.
2. Nie wolno doprowadzić do zapętlenia linii światłowodowej (impuls wysłany dotarłby do
fotodiody nie poprzez rozpraszanie ale po prostu wróciłby). Mogłoby to uszkodzić fotodiodę.
3. Nie wolno odłączać kabla lub tłumika "connector-saver". Złącza optyczne po ok. 300-500
połączeniach zużywają się mechanicznie. Szczególnej ochronie podlegać musi złącze w
drogim urządzeniu jakim jest reflektometr, dlatego należy je chronić przez specjalny patchcord/tłumik 0 dB.
Literatura:
1. K. Perlicki, Pomiary, Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ
2. Yokogawa, AQ7280 OTDR Getting Started Guide
3. Yokogawa, AQ7280 OTDR User Manual
14
Literatura pozwalająca rozszerzyć wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczeń
laboratoryjnych:
(1) K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych,
WKŁ, Warszawa 2002
(2) J. Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej,
WKŁ, Warszawa 1997, 1999
(3) K. Holejko: Podstawy telekomunikacji światłowodowej,
Wydawnictwo Francusko-Polskiej Wyższej Szkoły Nowych Technik InformatycznoKomunikacyjnych, 1995
(4) Yokogawa, AQ7280 OTDR Getting Started Guide
(5) Yokogawa, AQ7280 OTDR User Manual
Sprawdzenie przygotowania studenta do ćwiczenia laboratoryjnego
Przykładowe pytania sprawdzające przygotowanie studenta do ćwiczenia laboratoryjnego:
1. Podaj przyczyny tłumienia mocy optycznej w światłowodzie (wymień dwa
podstawowe zjawiska fizyczne).
2. Podaj parametr opisujący straty mocy w światłowodzie, w jakich jednostkach jest on
wyrażany oraz podaj wzór opisujący ten parametr.
3. Narysuj wykres przedstawiający przykładową zależność tłumienności światłowodu
kwarcowego od długości fali (z zaznaczeniem okien transmisyjnych oraz przyczyn
tłumienia na danych długościach fali).
4. Czym jest dyspersja? Przedstaw jej podział.
5. Opisz, czym jest dyspersja chromatyczna oraz przedstaw opisujący ją wzór.
6. Wykreśl typową charakterystykę dyspersji od długości fali.
7. Czym jest dyspersja polaryzacyjna oraz czym jest spowodowana?
8. Opisz zasadę działania reflektometru (OTDR).
15