Corso di Reti di Telecomunicazione. Progetto del sistema di trasmissione ottico

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1 Corso di Reti di Telecomunicazione Progetto del sistema di trasmissione ottico

2 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 2

3 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del livello fisico ottico Effetti che degradano le prestazioni Margini di sicurezza Riduzione degli effetti dannosi Compromesso tra diverse esigenze di progetto 3

4 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 4

5 Modello del sistema WDM (1) Componenti del sistema unidirezionale Trasmettitori, multiplexer, amplificatori, DCU, demultiplexer, ricevitori 5

6 Modello del sistema WDM (2) Trasmettitori Set di laser DFB con o senza modulatore esterno Multiplexer Combinazione dei singoli canali in fibra Amplificatore di potenza Aumenta potenza di segnale prima della trasmissione Amplificatori di linea Amplificano il segnale dopo una distanza fissata Possono comprendere DCU Preamplificatore Amplificazione prima della ricezione Demultiplexer Separa i canali in ricezione Ricevitori Un fotodiodo per ogni canale 6

7 Modello del sistema WDM (3) Sistemi digitali (ma in generale analogici) Modulazione NRZ Compiti del livello fisico Trasporto affidabile di bit dalla sorgente al destinatario Inizializzazione del link Protezione degli utenti dagli effetti dannosi dei laser Misura della qualità del livello fisico BER (da 10-9 a ) Margine di potenza aggiuntivo introdotto 7

8 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 8

9 Penalità di potenza (1) Ogni effetto dannoso risulta in penalità di potenza Possibili due diverse definizioni Incremento della potenza in db al ricevitore necessaria per mantenere lo stesso BER in presenza dell effetto Riduzione del valore di γ, argomento della funzione Q( ), dovuto all effetto dannoso La seconda definizione è più usata Simboli equiprobabili, soglia ottima RP P 1 0 BER Q Q 1 Aggiungiamo un effetto dannoso (es. dispersione) R BER Q ' ' ' ' P1 P0 Q ' 9

10 Penalità di potenza (2) Definiamo la penalità di potenza come In decibel Due casi di interesse Rumore non dipendente dal segnale Rilevamento diretto con PIN Rumore termico Rumore dipendente dal segnale Ricevitore preamplificato Rumore segnale-ase Ricevitore con APD Rumore shot P 0 << P 1, ' PP 10 log 10 log 1 P 1 ' R P1 P ' ' 1 0 RP1 P 1 PP ' PP sig ind sig dip ' PP ' P1 10 log P1 ' P1 5log P1 P P '

11 Penalità di potenza (3) Importante considerare la polarizzazione SOP varia casualmente PP in teoria variano nel tempo Consideriamo il worst case Segnali con stesso SOP, massima penalità Progetto del sistema Si determina il valore ideale di γ Es. BER richede γ circa 7 (17 db) Si aggiungono al valore ideale i PP Un termine per ogni effetto dannoso Ogni termine si considera indipendente dagli altri Il valore finale è quello da ottenere considerando il sistema ideale e calcolando γ come visto nel capitolo precedente 11

12 Esempio Penalità di potenza (4) BER 10-12, γ ideale 17 db PP per non idealità associate a trasmettitore, crosstalk, dispersione cromatica, non linearità, PDL, invecchiamento componenti, margine di sicurezza Alla fine si richiede γ = 31 db Il progetto prosegue come nel caso ideale 12

13 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 13

14 Parametri di progetto Potenza di uscita Laser DFB Trasmettitore (1) Da 1 mw (0 dbm) a 10 mw (10 dbm) Con amplificatore di potenza fino a 50 mw (17 dbm) Limitazione dovuta a non linearità e sicurezza Extinction ratio r (r=p 1 /P 0 ) Rapporto tra P 1 e P 0 Fissata la potenza media P si vorrebbe P 1 = 2P, P 0 = 0, r infinito In pratica, r compreso tra 10 e 20 P 0 2P r 1 P 1 2rP r 1 14

15 Trasmettitore (2) r finito implica l introduzione di una penalità PP per rumore indipendente dal segnale Riduzione di γ rispetto a sistema con r infinito a potenza media P costante r 1 PP sig ind 10 log r 1 Riduzione di γ rispetto a sistema con r infinito a potenza di picco P 1 costante PP r r 1 sig ind 10 log Limiti dipendono dall applicazione Laser e effetti non lineari: potenza di picco Sicurezza occhi: potenza media PP per rumore dipendente dal segnale PP superiore dovuta al rumore sullo 0 15

16 Trasmettitore (3) RIN (intensità di rumore relativa) Rumore dipendente dal segnale Fluttuazioni intensità del laser a causa di riflessioni da giunti e connettori Tipo di modulazione Diretta Basso costo, banda più larga a causa del chirp Riduzione del chirp riducendo l extinction ratio Penalità per dispersione e filtraggio non ideale Esterna Stabilità e accuratezza della lunghezza d onda Tempo di salita/discesa Side-mode suppression ratio 16

17 Parametri di progetto Ricevitore Sensibilità (sensibilità minima) Potenza media minima necessaria per un BER desiderato ad un bitrate fissato Misurata in genere per BER con sequenze pseudo casuali di bit Parametro di overload (sensibilità massima) Massima potenza in ingresso al ricevitore APD ampiamente usati oltre i 2.5 Gbps pinfet + preamplificatore ottico ha sensibilità simile all APD 17

18 Esempio 2040 km provocano una penalità complessiva di quasi 3 db 18

19 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 19

20 Amplificatori ottici (1) Compensazione delle perdite EDFA in banda C e in banda L, amplificatori Raman In sistemi long-haul EDFA (C + L): amplificazione concentrata Raman: amplificazione distribuita Caratteristiche degli EDFA Banda di guadagno larga 35 nm a 1550 nm Amplificazione della trama WDM in blocco Tutti i nuovi sistemi installati usano EDFA (C + L) 3 differenti configurazioni 20

21 Amplificatori ottici (2) Preamplificatore Migliora la sensibilità del ricevitore Alto guadagno e basso rumore Amplificatore di potenza Incrementa la potenza trasmessa Massima potenza di uscita possibile Amplificatore di linea Compensa le perdite del collegamento Alto guadagno, basso rumore, alta potenza di uscita EDFA non è un dispositivo perfetto Rumore ASE Guadagno dipende dalla potenza di ingresso Guadagno dipende dalla lunghezza d onda 21

22 Saturazione del guadagno (1) Potenza di uscita limitata Al crescere della potenza di ingresso, il guadagno ad un certo punto scende Modello approssimato G max guadagno non saturato P sat potenza di saturazione interna P in potenza di ingresso A bassa potenza P in, G = G max G 1 P P sat in ln G G max Ad alta potenza G tende a 1, P out tende a P in sat potenza di uscita per cui G scende di 3 db P out Funzione di potenza di pompa e parametri EDFA Valori nell ordine di mw (10 20 dbm) P sat out P sat ln 2 22

23 Saturazione del guadagno (2) Gli EDFA possono lavorare anche in saturazione Ricordando che il guadagno è ridotto Amplificatori di potenza tipicamente lavorano in saturazione Es. saturazione del guadagno in EDFA G max = 30 db, P sat = 10 dbm 23

24 Equalizzazione del guadagno (1) Necessità di banda di guadagno piatta Problema critico per WDM con cascata di EDFA Piccole differenze di guadagno diventano grandi differenze di potenze di uscita Elevate differenze tra OSNR dei vari canali Es. 1 db max differenza per EDFA, cascata di 10 EDFA, squilibrio della catena 10 db Si cercano EDFA con guadagno piatto Tra nm si ottengono facilmente Tra nm no L-EDFA hanno banda piatta tra 1565 e 1625 nm 24

25 Equalizzazione del guadagno (2) Tecniche per ottenere il guadagno piatto: Preequalizzazione Si varia opportunamente la potenza trasmessa (b) Bassa dove il guadagno è alto Più alta dove il guadagno è basso Si cerca di ottenere stesso OSNR per tutti i canali E si riportano tutti i segnali nel range dinamico Non si può variare molto la potenza di ingresso Difficile da realizzare in reti 25

26 Equalizzazione del guadagno (3) Tecniche per ottenere il guadagno piatto: Equalizzazione Canali equalizzati ad ogni stadio EDFA (c) Demux, attenuazione selettiva, mux Impraticabile, non efficiente Uso di filtri multicanale 26

27 Equalizzazione del guadagno (4) Filtri equalizzatori AOTF ( Acousto-Optic Tunable Filter ) Una frequenza RF per ogni canale Attenuazione ad hoc per ogni canale Potenza RF elevata (ordine del watt) Equalizzazione di massimo 2 4 canali Elevate perdite di inserzione, crosstalk Soluzione ottima Filtro integrato nell EDFA con risposta in frequenza opportuna Filtri a film sottile dielettrico Cascate di LPG ( Long Period Grating ) Elemento di perdita con risposta in frequenza facilmente tunabile 27

28 Cascate di amplificatori (1) Sistema di lunghezza L, con EDFA a distanza l Perdita di ogni span di fibra e -αl Ogni EDFA introduce rumore ASE OSNR degrada progressivamente lungo la catena Il guadagno deve compensare le perdite dello span Altrimenti l OSNR degrada velocemente lungo il link Ip. di partenza G max > e -αl Nei primi stadi la potenza di ingresso (ASE + segnale) cresce Fino a che si supera la potenza di saturazione degli EDFA Condizione stazionaria spaziale Guadagno e potenza di uscita costanti a ogni stadio l P oute G 2Pn Bo G 1 Pout P segnale OSNR= ASE l 5 amplificatori in cascata OSNR Wavelength (nm) P S P ASE 28

29 Cascate di amplificatori (2) Equazione precedente a sistema con quella relativa al guadagno vs. potenza Osservazione: G Ge P P e sat 1 l out l G ln G Effetto dell ASE: il guadagno dello stato stazionario è inferiore alle perdite dello span Nel progetto di cascate di EDFA si deve scegliere G il più possibile vicino alle perdite dello span Modello semplificato della cascata di EDFA l Perfetta compensazione G e Numero di EDFA nel sistema L/l 1 max l G 1L / l 2P B e 1L l noise Ptot 2Pn Bo n o / 29

30 Cascate di amplificatori (3) Dato l OSNR desiderato, si ricava la potenza trasmessa P P noise l OSNR P OSNR 2P B e 1L l tot n o / OSNR = 50 n sp = 2 B o = 20 GHz Si cerca di massimizzare l Ma aumenta la potenza trasmessa!! Attenuazione 0.22 db/km L = 1000 km 30

31 Penalità per spaziatura tra EDFA (1) Idealmente ogni EDFA deve compensare la perdita dello span Es. l = 80 km, α = 0.25 db/km, G = 20 db Se G disponibile minore, ridurre lo span Effetto della lunghezza dello span sul rumore l noise G e P 2LP B G 1 / ln G Caso ideale: minimo effetto dell ASE per G = 1 e numero infinito di EDFA (guadagno distribuito) Penalità dovuta a guadagno concentrato G = 20 db, PP = 13.3 db G = 10 db, PP = 5.9 db tot ASE totale ridotto di 7 db riducendo la spaziatura da 80 a 40 km n o PP lumped G 1 ln G 31

32 Penalità per spaziatura tra EDFA (2) Riduzione dell ASE riducendo la spaziatura - 7 db da 80 a 40 km Ma aumentano i costi Raddoppia il numero degli EDFA necessari Amplificazione distribuita può ridurre l ASE senza aumento dei costi! Amplificatori Raman Progettisti non vedono l aumento dell ASE in amplificatori concentrati come penalità Piuttosto a parità di guadagno si dice che quello distribuito ha minore figura di rumore equivalente Può essere addirittura negativa! Es. G = 20 db, PP = 13.3 db caso concentrato Caso distribuito F n = 3.3 db, F n effettiva -10 db ASE accumulato è lo stesso di una catena concentrata con F n = -10 db 32

33 Controllo automatico del guadagno (1) In reti WDM con cascate di EDFA Problema dei transitori di potenza Variazione del guadagno in funzione della potenza nell EDFA Se alcuni canali si guastano, aumenta G Worst case: W canali, W 1 sono guasti: il sopravvissuto vede G molto più elevato! Variazione del guadagno in funzione dei canali presenti Attivazione e/o disattivazione di canali provoca variazioni nel guadagno Necessità di controllo del guadagno degli EDFA AGC (Automatic Gain Control) Potenza di uscita per canale costante 33

34 Controllo automatico del guadagno (2) 1 solo EDFA: transitorio di potenza causato da guasti piuttosto lungo (circa 100 μs) Cascate di EDFA: transitorio veloce (pochi μs) Rischio di malfunzionamento temporaneo dei canali Necessità di sistemi AGC molto veloci Tipologie di AGC Semplice AGC Monitoraggio della potenza di uscita Variazione opportuna della potenza di pompa Tempo di risposta inadeguato 34

35 Controllo automatico del guadagno (3) AGC retroazionato Prelievo, filtraggio e retroazione all ingresso di una parte della potenza di uscita Controllo del guadagno del loop attraverso un attenuatore variabile Il feedback fa laserare il loop alla frequenza del filtro Di conseguenza il guadagno dei canali viene tagliato ad un valore indipendente dalla potenza in ingresso In una cascata si posiziona l AGC sul primo stadio Basta a compensare l intera cascata Leggero aumento della figura di rumore e leggero decremento della potenza di uscita 35

36 Controllo automatico del guadagno (4) Lunghezza d onda di compensazione Canale non informativo introdotto in ingresso al link e prelevato all uscita Si varia la sua potenza per compensare variazioni della potenza di ingresso dei canali Necessità di laser addizionale, pochi canali compensati, non efficiente dal punto di vista dei costi AGC introduce volutamente dei loop In generale, sono da evitare loop di fibra Guadagno del loop paragonabile alle perdite Il loop rischia di laserare!! Estrazione della potenza dai canali informativi Problema critico in reti ad anello con OADM Basta l ASE per innescare l oscillazione Soluzioni: scegliere il guadagno leggermente minore delle perdite, aprire gli anelli in punti determinati 36

37 Progetto del sistema di trasmissione ottico Progetto del sistema di trasmissione ottico Modello del sistema Penalità di potenza Trasmettitore e ricevitore Amplificatori ottici Crosstalk Dispersione Non linearità Progetto complessivo del sistema 37

38 In generale Crosstalk Sovrapposizione di altri segnali con il segnale desiderato Tutti i componenti inducono crosstalk Opportune penalità di potenza Tipologie di crosstalk Crosstalk intercanale Frequenze abbastanza diverse in modo che la differenza sia fuori banda (elettronica) Non linearità, modulazione del guadagno Crosstalk intracanale Frequenze uguali o vicine in modo che la loro differenza sia in banda (elettronica) Crosstalk coerente, è il più dannoso 38

39 Crosstalk intracanale (1) Principali cause Riflessione Si tiene facilmente sotto controllo Cascata di dispositivi mux, demux, switch Molto dannoso nelle reti Es. mux-demux: soppressione non perfetta All uscita due copie sfasate dello stesso canale Es. switch: isolamento non perfetto All uscita sovrapposizione di canali diversi 39

40 Crosstalk intracanale (2) Worst case Segnali interferenti con stessa polarizzazione e sfasati di π In realtà fase e SOP variano casualmente Calcolo del crosstalk intracanale P potenza media ricevuta, εp potenza media di crosstalk, identica lunghezza d onda Campo elettrico al ricevitore 2f t ( t) 2Pd ( t)cos2f t ( ) E( t) 2Pd ( t)cos t S c d s, d x = [0, 1], P potenza media s Tutti i canali hanno extinction ratio infinito x c x 40

41 Crosstalk intracanale (3) Potenza ricevuta in banda dal ricevitore P Pd ( t) Pd ( t) 2 Pd ( t) d ( t)cos ( t) ( t) r Ip. ε << 1 (basso crosstalk) Termine proporzionale a ε trascurabile Worst case: sfasamento di π, cos(*) = -1 Potenze ricevute per i bit 1 e 0 Ricevitore con rumore indipendente dal segnale Ricevitore con rumore dipendente dal segnale N canali interferenti s x P r ( 1) P 1 2 r PP sigind 10 log 1 2 PP 10log 12 sig dip s N i1 i x P(0) s P x 41

42 Crosstalk intracanale (4) Es. PP limitati da rumore termico per crosstalk in funzione del livello di crosstalk (10log(ε)) intracanale e intercanale PP = 1 db richiede crosstalk intracanale -20 db 42

43 Crosstalk intercanale (1) Principali cause Filtro o demultiplexer ottico che seleziona un canale senza perfetta soppressione degli altri Switch con isolamento non perfetto tra le porte Stime di PP Differenza tra le frequenze fuori banda elettronica P r Pd s ( t) Pd ( t) x 43

44 Worst case Crosstalk intercanale (2) P r ( 1) P (0) P PP per rumore indipendente dal segnale 10 log PP per rumore dipendente dal segnale N canali interferenti Sistema WDM non amplificato con filtro centrato sul canale da ricevere Crosstalk dominante tra canali adiacenti P r PP sig ind 1 PP PP=0.5 db richiede crosstalk intercanale -13 db 10log 1 sig dip N i1 i 44

45 Crosstalk in reti ottiche Crosstalk problema critico in reti Segnale si propaga attraverso molti nodi Accumula crosstalk a mux, demux e switch N sorgenti di crosstalk, con livello ε s fisso In genere, si è in presenza di cascate di EDFA Rumore dominante dipendente dal segnale PP calcolate dalle formule precedenti Es. N = 10, crosstalk intracanale PP = 1 db richiede un livello di crosstalk di -35 db per ogni elemento 45

46 Sistemi bidirezionali (1) Trasmissione in entrambe le direzioni lungo la stessa fibra Effetti di crosstalk addizionali In principio, si può usare la stessa lunghezza d onda nelle due direzioni, ma In pratica le riflessioni inducono crosstalk Molto difficile controllare le riflessioni in fibra Tipicamente sistemi bidirezionali usano lunghezze d onda diverse nelle due direzioni Separazione dei canali con mux/demux o circolatori Oppure in reti di accesso TDM alternando le direzioni 46

47 Sistemi bidirezionali (2) Mux/demux Crosstalk dovuto a riflessione di segnale trasmesso in porta di ricezione Progetto ad hoc per minimizzare il crosstalk Circolatore Crosstalk dovuto a imperfetto isolamento 47

48 Riduzione del crosstalk (1) Metodo più semplice ed usato Riduzione del crosstalk a livello di dispositivo Problema trasferito al progettista dei dispositivi Il progettista della rete calcola le specifiche ed il crosstalk massimo per ogni elemento In base al numero di elementi e alla massima penalità ammessa Topologie che riducono il crosstalk Scelte architetturali, in particolare per gli switch Dilatazione spaziale Dilatazione delle lunghezza d onda 48

49 Riduzione del crosstalk (2) Dilatazione spaziale Architettura con porte inutilizzate Tipicamente si raddoppiano le porte Livello di crosstalk da ε a ε 2 Svantaggio: costo elevato legato alla ridondanza 49

50 Riduzione del crosstalk (3) Dilatazione delle lunghezze d onda Riduzione del crosstalk intracanale usando più switch Utile ad esempio per gli AOTF 2 switch invece di 1, uno per i canali pari e uno per i dispari Raddoppio del channel spacing Raddoppio del costo Per le architetture mux/demux Filtro tra i due stadi che aumenta l isolamento 50

51 Filtri in cascata (1) In reti ottiche è molto comune avere cascate di filtri o mux/demux Banda passante della cascata ridotta rispetto al singolo elemento Stabilità ed accuratezza delle lunghezze d onda Requisito sempre più stringente man mano che si riduce la banda passante dei filtri Tuning in temperatura 51

52 Filtri in cascata (2) Caso particolare: cascate di mux/demux Se le lunghezze d onda non sono centrate Perdite addizionali e crosstalk Penalità di potenza dovute al crosstalk Tuning in temperatura (difficoltoso) 52