I sistemi a singola tratta senza amplificazione ottica

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1 I sistemi a singola tratta senza amplificazione ottica

2 Dove sono presenti A questa categoria appartengono numerose ed importanti classi di sistemi ottici: collegamenti fra componenti audio/video su distanze ultra-corte (metri o decine di metri); collegamenti fra server o supercomputer, a larga banda, su distanze ultra corte; dorsali LAN (Fast Ethernet, FDDI, Gbit Ethernet); reti metropolitane (MAN) di backbone e di accesso; collegamenti interregionali e sottomarini fino a 10 Gbit/s e fino a distanze di km.

3 La struttura tipica del ricevitore (1/2) Non vi è alcun amplificatore ottico nel collegamento. Il front-end del ricevitore è un semplice fotodiodo, che converte la potenza ottica in arrivo in una corrente elettrica. Il fotodiodo è seguito da un amplificatore elettronico che inevitabilmente produce rumore che sporca il segnale.

4 La struttura tipica del ricevitore (2/2)

5 sensitivity

6 Segnale ricevuto e rumore (1/2) Il segnale prodotto dal ricevitore è direttamente proporzionale alla potenza ottica in arrivo. Il ricevitore aggiunge al segnale una certa quantità di rumore, prodotto dai circuiti di amplificazione.

7 Segnale ricevuto e rumore (2/2) Al circuito di decisione (trascurando constanti moltiplicative) arriva dunque il segnale: st () = P () t + nt () RX Il rumore n (t ) del ricevitore è gaussiano additivo. Il decisore campiona il segnale in arrivo e stabilisce se sia stata trasmessa luce o meno (bit 0 o 1).

8 Diagramma ad occhio Criterio di decisione st ( opt ) > θ bit1 st ( opt ) θ bit0

9 Sensitivity (1/2) Il rumore può causare errore, portando sotto soglia il segnale corrispondente ad un bit a 1, oppure sopra soglia quello di un bit a 0. Affinché gli errori siano sufficientemente improbabili, occorre che la potenza ottica in ingresso al ricevitore sia sufficientemente elevata, in modo che il segnale prevalga sul rumore. I data sheets di tutti i ricevitori ottici riportano la cosiddetta sensitivity.

10 Sensitivity (2/2) DEFINIZIONE: la sensitivity è la potenza ottica media all ingresso del ricevitore necessaria per ottenere un determinato BER (Bit Error Rate) Tipicamente, i BER utilizzati nelle specifiche dei sistemi ottici variano nell ambito Nota: il BER è la stessa cosa della probabilità di errore, o P(E).

11 Valutazione del Bit Error Rate (BER)

12 Lo spazio dei segnali In assenza di ISI e di rumore, s(t opt ) può assumere solo due valori: P 0 = 0, bit zero (no luce); P 1 > 0, bit a uno (luce).

13 L espressione del BER Si tratta di un segnale ASK (Amplitude Shift Keying) unipolare in rumore gaussiano additivo. L espressione del BER per questo tipo di costellazione di segnali, come noto dalla teoria delle comunicazioni elettriche, è: 1 BER = erfc P RX 2 ( γ )

14 Il parametro gamma Si tratta di un segnale ASK (Amplitude Shift Keying) unipolare in rumore gaussiano additivo. L espressione del BER per questo tipo di costellazione di segnali, come noto dalla teoria delle comunicazioni elettriche, è: 1 BER = erfc P RX 2 ( γ )

15 L espressione del BER Il valore del coefficiente γ cambia da sistema a sistema e dipende dalla bontà del trasmettitore e del ricevitore. Nota la sensitivity P RX ad un certo BER=BER sens per un dato ricevitore, è possibile ricavare γ come segue: ( BER ) erfc 1 γ = 2 sens = P RXsens η P RXsens

16 La massima distanza raggiungibile

17 Evoluzione della potenza media I dbm sono un unità di misura molto comoda ai fini del calcolo dell andamento della potenza media nel collegamento. Grazie alla scala logaritmica, il decadimento esponenziale della potenza dovuto all attenuazione della fibra diviene, in dbm, lineare.

18 Potenza e sensitivity (1/2) La potenza di segnale decresce lungo la fibra a causa dell attenuazione. Ad un certo punto essa incontrerà il livello della sensitivity:

19 Potenza e sensitivity (2/2) Data la sensitivity del sistema vogliamo: P RX P sens Il caso-limite coincide con: P RX P sens P sens α max dbl = P P = P α L TX sens TX db max db db m m

20 Massima distanza ideale (1/2) Ricavando L max delle formule precedenti, possiamo studiare la sua dipendenza dai parametri di sistema: L 1 ( ) = L = P P 10 P log TX P max 10 αdb sens max α db TX db m sens db m

21 Massima distanza ideale (2/2) Per incrementare L max possiamo: incrementare la potenza del trasmettitore; diminuire P sens (usando una coppia trasmettitore/ricevitore migliore); diminuire αdb (usando una fibra a più bassa attenuazione). L max espressa sopra è la distanza massima ideale: altri fattori devono essere tenuti in conto per ottenere la L max effettiva.

22 L max per i ricevitori commerciali L max ideale per quattro ricevitori di esempio, assumendo P TX =-3dB,ed un BER richiesto di 10-9

23 Power budget e Link Budget Il link budget è il bilancio tra il power budget e tutte le cause di attenuazione e degrado del segnale. Il power budget èdato da: P TX db m P sens db m Le cause di degrado del segnale possono portare ulteriore attenuazione, oltre a quella della fibra, o possono distorcere il segnale in altri modi. In generale, si cerca di ricondurre ogni degrado ad una perdita equivalente che possa essere sommata come tale alle perdite propriamente dette.

24 Loss Budget L attenuazione e il degrado del segnale sono compendiati nel loss budget (in db): α L + α + α + α + α + μ db giunti curve conn prop dove: α giunti è l attenuazione dei giunti a fusione, tipicamente 0.1 db per giunto; α conn è l attenuazione dovuta ai connettori, tipicamente db per coppia; α curve è l attenuazione in eccesso dovuta alle curve del cavo ottico nei condotti; α prop è una perdita equivalente dovuta al degrado del segnale per effetti propagativi, come la dispersione della fibra.

25 Margine di sistema (1/2) μ è il MARGINE DI SISTEMA, che consiste in un margine di sicurezza che tiene conto di possibili ulteriori cause (note e ignote) di degrado del sistema od imperfezioni degli apparati. Tiene inoltre conto del degrado delle prestazioni dovute all invecchiamento dei componenti fino alla durata programmata della vita del sistema (tipicamente 25 anni).

26 Margine di sistema μ è il MARGINE DI SISTEMA, che consiste in un margine di sicurezza che tiene conto di possibili ulteriori cause (note e ignote) di degrado del sistema od imperfezioni degli apparati. Tiene inoltre conto del degrado delle prestazioni dovute all invecchiamento dei componenti fino alla durata programmata della vita del sistema (tipicamente 25 anni). Attenzione: talvolta il margine di invecchimento è già compreso nei numeri dei data sheets dei componenti e non occorre conteggiarlo ulteriormente.

27 Bilancio (1/2) Affinché il sistema funzioni con il BER specificato per la sensitivity, deve essere soddisfatto il link budget, ovvero: Power Budget >= Loss Budget P P α L+ α + α + α + α + μ TX db sens db db giunti curve conn prop m m

28 Bilancio (2/2) Pertanto la lunghezza massima effettiva del collegamento, Lmax,eff, che si raggiunge quando la formula precedente vale con il segno di uguaglianza, è: L max, eff = P TX db sens db giunti curve conn prop m P α α α α μ m α db

29 Il limite quantico

30 Il limite quantico (1/5) Qual è la massima possibile sensitivity per un ricevitore ottico? Assumendo che il rumore dell amplificatore elettronico possa essere reso trascurabile, e che tutto il resto sia ideale, resta una sola sorgente di rumore: il RUMORE QUANTICO.

31 Il limite quantico (2/5) Il rumore quantico è dovuto al fatto che la luce ha una granularità intrinseca, nel senso che è veicolata da fotoni di energia pari ad hν. Gli istanti di arrivo di questi fotoni al fotodiodo sono casuali e ciò provoca una rumorosità fondamentale nel segnale del ricevitore.

32 Il limite quantico (3/5) Si può dimostrare che il miglior ricevitore possibile, in rumore quantico, garantisce un BER pari a: BER 2 e dove è N RX il numero medio di fotoni per bit al ricevitore: = 1 2 N RX N RX PRX PRXT = = hν R B hν

33 Il limite quantico (4/5) Si noti che è semplicemente un altro modo di esprimere la potenza media in arrivo al ricevitore La sensitivity del ricevitore ottimo in rumore quantico, per un BER = 10-9, vale:

34 Il limite quantico (5/5) Il rumore elettronico dei ricevitori reali è ordini di grandezza maggiore del rumore quantico. La sensibilità a BER = 10-9 dei ricevitori commerciali presentati precedentemente è infatti: Newport AD200ir: fotoni/bit; Newport AD50ir: fotoni /bit; Nortel AT10G: 1984 fotoni /bit; Agere Gbit Ethernet Transceiver Netlight NLP12: 3970 fotoni /bit; rispetto ai 10 fotoni per bit del limite quantico.