TECNOLOGIE DELLA TRASMISSIONE OTTICA Anno accademico BER e Power Budget. Pierpaolo Boffi

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1 TECNOLOGIE DELLA TRASMISSIONE OTTICA Anno accademico BER e Power Budget Pierpaolo Boffi 100mV/div 100mV/div 100ps/div 50ps/div

2 Sistema di comunicazioni ottiche Trasmettitore Link Ricevitore Analog Distorsion & noise Digital Bit error

3 Valutazione delle prestazioni di un sistema SNR / OSNR BER Power Budget

4 Signal-to-Noise Ratio (SNR) La qualità di un segnale ricevuto in un sistema è ben rappresentata dal rapporto tra il segnale elettrico ricevuto (dopo il ricevitore) e la potenza di rumore elettrico(srn). Si può naturalmente aumentare il SNR aumentando la potenza di segnale (se ciò non comporta un aumento di rumore). In presenza di rumore l ammontare di potenza di segnale da aggiungere in modo da compensare il rumore e produrre il medesimo SNR è detto power penalty (espressa in db). Il rumore è in parte dovuto al fotoricevitore stesso. Altre cause di rumore sono legate alla propagazione in fibra (dispersione e non-linearità).

5 Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR) La qualità di un segnale ricevuto in un sistema è ben rappresentata dal rapporto tra la potenza ottica del segnale elettrico ricevuto (prima del ricevitore) e la potenza di rumore ottico (OSNR). Si può naturalmente aumentare il SNR aumentando la potenza di segnale (se ciò non comporta un aumento di rumore). In presenza di rumore l ammontare di potenza di segnale da aggiungere in modo da compensare il rumore e produrre il medesimo OSNR è detto power penalty (espressa in db). Il rumore considerato è ottico, non dipende quindi dal fotoricevitore utilizzato.

6 Bit Error Rate (BER) Il BER è un indicatore che misura la qualità trasmissiva del sistema di comunicazione ottica. E un indicatore sintetico funzione di altri parametri, quali il bit-rate e la potenza ricevuta. Indica all operatore cosa si deve aspettare quando si impiega il sistema di comunicazione ottica, ma non mostra e non indica l origine dell errore trasmissivo. Non è in generale possibile valutare a priori quale sarà il BER di un sistema trasmissivo, ma sulla base dell esperienza e della teoria, è possibile valutare quale sarà l impatto che un particolare fenomeno di disturbo avrà sul BER. Questo disturbo si definisce come penalty introdotta nel sistema. La penalty si esprime in db e rappresenta la potenza che si deve fornire al sistema per ripristinare le condizioni preesistenti di funzionamento, ovvero di BER.

7 BER: definizione errore si decide bit 0 quando invece si è trasmesso bit 1 si decide bit 1 quando invece si è trasmesso bit 0 BER = P(1)P(0 /1) + P(0)P(1/ 0) probabilità di ricevere 1 probabilità di decidere 0 quando si è ricevuto 1 probabilità di decidere 1 quando si è ricevuto 0 probabilità di ricevere 0

8 Bit Error Rate (BER) La definizione di BER presuppone l esistenza di un meccanismo di soglia (ovviamente elettronico) che decide quando il bit in arrivo vale 1 oppure 0. La stima del BER è quindi svolta nelle condizioni trasmissive in cui vi sia ambiguità nell assegnare i corretti valori al bit, ovvero nelle condizioni in cui il segnale è immerso in un rumore significativo. La misura del BER sarà quindi : - dipendente dal SNR con cui il segnale si presenta al ricevitore; - dipendente dal sincronismo con cui il segnale si presenta al ricevitore rispetto ad un prefissato clock; - dipendente da come si fissa il valore di soglia; - dipendente dal tipo di codifica utilizzato per la trasmissione. Tradizionalmente un sistema trasmissivo può essere definito error-free nel caso presenti un BER di circa (con l evoluzione dei sistemi verso prestazioni sempre più spinte, oggi si tende a definire error-free un sistema con BER pari a )

9 Bit Error Rate (BER) Per misurare correttamente un tasso d errore di 10 -N si devono prendere in considerazione almeno 10 N+1 bit 10 Gbit/s per misurare BER= BER Tester x 100 ps = 10 s (misura in tempo reale)

10 Curve di BER & penalità curva di riferimento in back-to-back back cioè to nelle backcondizioni di solo stadio di TX e RX dbm curva nelle condizioni di propagazione BER db di penalty [dbm] La penalità ad un dato BER esprime in modo quantitativo il peggioramento delle proprietà del segnale. Lo esprime in termini di potenza aggiuntiva che deve essere data al segnale per avere al ricevitore lo stesso valore di BER.

11 Stima del BER Si supponga di compiere una trasmissione on-off e che sia il bit 1 che il bit 0 si presentino al fotoricevitore con una statistica di tipo gaussiano. Nell ipotesi di una equa distribuzione di 1 e 0, alla soglia ottima si ha allora: BER = 1 2 erfc µ 1 µ 0 2 σ 1 + σ 0 ( ) dove: µ valor medio σ deviazione standard della probabilità gaussiana erfc 2 π ( x) = x e t dt approssimativamente BER = 1 erfc 2 SNR 2

12 Q del sistema A volte anzichè l SNR, si utilizza il cosiddetto Q del sistema. Q = µ 1 ( σ σ ) 1 + µ 0 0 dove: µ valor medio σ deviazione standard della probabilità gaussiana

13 Stima del BER vs Q Trasmissione on-off : ipotesi di una equa distribuzione di 1 e 0, alla soglia ottima (statistica di tipo gaussiano ) BER = 1 2 erfc µ 1 µ 0 2( σ 1 + σ 0 ) dove: µ valor medio σ deviazione standard della probabilità gaussiana erfc 2 π ( x) = x e t dt Q = µ 1 ( σ σ ) 1 + µ 0 0 approssimativamente BER = 1 2 erfc SNR 2 = 1 2 erfc Q 2

14 BER = 1 2 erfc Q 2 BER=10-9 Q lineare =6 Q db =20log(6)=15.56dB BER=10-12 Q lineare =7 Q db =20log(6)=16.9dB

15 POWER BUDGET Qualifica le complessive prestazioni di sistema di un collegamento ottico. Potenza trasmessa finita Modulazione non ideale Guadagni / perdite ottici Sensitivity del ricevitore Perdite di propagazione Imperfezioni elettroniche Impatto sulle performances del collegamento

16 POWER BUDGET L obiettivo è assicurare che la potenza di segnale al ricevitore sia maggiore della sensibilità del ricevitore ad un dato bit-rate (cioè maggiore della potenza che assicura di operare error-free, cioè con un certo BER). Nei sistemi ottici il POWER BUDGET deve tenere conto di tutte le perdite di segnale intercorse durante il cammino (accoppiatori, giunti, dispositivi e componenti, attenuazione della fibra, ecc.). Le perdite e gli eventuali guadagni (per amplificazione) sono sommati in db. Bisogna tenere conto anche di un certo margine (è desiderabile almeno di qualche db) che garantisca una specie di riserva del sistema per futuri upgrading o deterioramenti. E di preacauzione. Si devono tenere conto di tutte le power penalties : potenza che sarebbe necessario addizionare al sistema al fine di ripristinare le condizioni ottimali di funzionamento.

17 POWER BUDGET: definizione (Potenza del trasmettitore) Σ(penalties) - Margine = (Sensibilità del ricevitore)

18 POWER BUDGET: penalità PENALTIES CANALE OTTICO attenuazione componenti passivi (connecttori, giunti, componenti, ect.) crosstalk lineare tra canali WDM dispersione cromatica PMD effetti non-lineari (SPM, XPM, FWM, Raman, Brillouin) high bit-rate

19 POWER BUDGET: esempio (Potenza del trasmettitore) Σ(penalties) + Σ(G) - Margine = (Sensibilità del ricevitore) Esempio: Output power trasmettitore: P T = - 8 dbm Receiver sensitivity (@ 10-9 BER): P R = -35 dbm Fiber span length: L = 45 km Fiber loss (@ 1300nm): α = 0.35 db/km Connector losses ( 1 db): L c = 4 db Splice losses ( 0.2 db): L S = 1.8 db Dispersion loss 10-9 BER): P D = 1 db Miscellaneous losses (backreflections,ecc): P M = 0.4 db Margine x future 4 repair splices: M R = 0.8 db Margine x WDM upgrading: M WDM = 3 db

20 POWER BUDGET: esempio Esempio: Output power trasmettitore: P T = - 8 dbm Receiver sensitivity (@ 10-9 BER): P R = -35 dbm Fiber span length: L = 45 km Fiber loss (@ 1300nm): α = 0.35 db/km Connector losses ( 1 db): L c = 4 db Splice losses ( 0.2 db): L S = 1.8 db Dispersion loss 10-9 BER): P D = 1 db Miscellaneous losses (backreflections,ecc): P M = 0.4 db Margine x future 4 repair splices: M R = 0.8 db Margine x WDM upgrading: M WDM = 3 db P T αl L c L S P D P M M R M WDM = P R = > 35 Il livello di potenza al ricevitore è dentro la sensibilità del ricevitore al dato bit-rate. Non è richiesta amplificazione.