UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA FACOLTÀ DI INGEGNERIA Tesi di Laurea Triennale in Ingegneria delle Telecomunicazioni Recupero Ottico del Sincronismo Mediante Tecniche di Mode Locking su Segnali NRZ Relatore: Dott. Andrea Reale Candidato: Luigi Vesce Anno Accademico 2002-2003
Introduzione Il presente è ricco di grandi cambiamenti che stanno trasformando completamente e radicalmente la volta e l industria delle telecomunicazioni, sempre caratterizzate, soprattutto negli ultimi anni, da continue evoluzioni. Quanto accade oggi sta però cambiando completamente le regole del gioco. Uno dei trend principali sembra essere l enorme aumento della capacità di trasporto in via d installazione: una fibra ottica è in grado di trasportare tutto il traffico transcontinentale negli USA. Il progetto CRT Oxigen prevede l installazione di 275000 km di cavi sottomarini che collegheranno 175 paesi alla capacità di 1 Tb/sec, equivalente a tutto il traffico voce di oggi nel mondo. Il fenomeno comporterà senza dubbio una forte riduzione dei prezzi della capacità di banda per i clienti finali. Il secondo elemento di grande interesse è dato dalla crescita enorme del traffico dati che raddoppia ogni anno: nel 2010 il 95% del traffico di telecomunicazioni sarà costituito dalla trasmissione dati. La ragione principale è da attribuire ad Internet. La diffusione dello standard Internet Protocol (IP), permettendo di avere nell industria una piattaforma comune su cui girano i vari software, sembra avere lo stesso impatto che il PC ebbe nel rivoluzionare l industria dei computer negli anni ottanta. Infine, lo sviluppo di Internet ha generato, principalmente, l ampia diffusione sia di nuovi servizi di comunicazione quali la posta elettronica, la video conferenza, sia di servizi di transazioni come il commercio elettronico, che stanno trasformando completamente il nostro modo di svolgere le attività economiche. In questo contesto, va però evidenziato che, fino ad oggi, le aziende italiane hanno utilizzato, in misura estremamente limitata, le opportunità offerte dai servizi avanzati di telecomunicazioni. Un dato quanto mai indicativo è offerto dalla penetrazione dei servizi di trasmissione dati nelle aziende: l 80% della clientela business spende in trasmissioni dati meno del 5% della spesa complessiva per servizi di telecomunicazioni. Il sistema industriale italiano, invece, proprio perché caratterizzato dalla presenza di numerose piccole e medie imprese, troverebbe enormi vantaggi dalla diffusione dei servizi avanzati di telecomunicazioni. È necessario, dunque, mettere a disposizione delle aziende e dei servizi globali tutta la progettualità possibile per basare la nuova frontiera dei distretti industriali sull information and communication technology. Bisogna implementare nuovi sistemi di telecomunicazione che lavorino 1
in un dominio completamente ottico, tralasciando i sistemi elettronici divenuti fortemente anti-economici. Il primo capitolo, del presente lavoro, dà una mappatura generale della rete di telecomunicazioni attuale con i sistemi ad essa annessi. Il secondo offre, previa l esplicazione dello stato dell arte delle tecniche ottiche di clock recovery e di mode locking, gli elementi teorici necessari per l intraprendimento dell attività di ricerca svolta nei laboratori della Fondazione Ugo Bordoni presso il Ministero delle Comunicazioni. Il terzo è il resoconto, corredato di setup ed immagini catturate dagli strumenti del laboratorio, della sperimentazione effettuata rivolta allo studio, attraverso tecniche di mode locking, di un apparato interamente ottico per il prezioso recupero del segnale di sincronismo dai sistemi di comunicazione ad alta velocità. 2
Capitolo 1 La Rete di Trasporto Ottico ad Alta Velocità Numerose sono state le cause scatenanti il frenetico cambiamento verso nuovi obiettivi strategici che porteranno, allo stesso tempo, ad un miglioramento della crescita e dell efficienza delle reti di telecomunicazioni [1]. Possono essere annoverati i seguenti moventi di maggior rilievo: passaggio del traffico vocale dall accesso fisso a quello mobile; ingresso di nuovi Operatori nel mercato; espansione dei servizi che usufruiscono del protocollo IP (Internet Protocol); integrazione, nella rete di trasporto, di fonia, dati e video. 1.1 Crescita e obiettivi della OTN (Optical Transport Network) Di fondamentale importanza, dunque, è la creazione, dall architettura tradizionale, di una rete open, che sia capace di integrare le diverse piattaforme di rete con al loro interno l utilizzo del protocollo IP. In previsione di questo nuovo scenario si assisterà alla diminuzione dei livelli gerarchici, alla concentrazione in pochi nodi di complicate funzioni d elaborazione e all assottigliamento dei costi di gestione. Per raggiungere tutto ciò si dovrà, inoltre, pervenire alla copertura nazionale della rete ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) e all introduzione della VSDL (Very high bit rate Digital Subscriber Line) e della SDSL (Symmetric DSL). Accanto a questo si deve dar spazio anche alla generazione di una backbone (dorsale ottica), grazie all utilizzo di nuovi sistemi DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing). La request di servizi ad elevato bit-rate ha assunto proporzioni notevoli, simultaneamente ad un repentino abbassarsi del costo del bit/km. Le reti in fibra ottica hanno risposto egregiamente all evoluzione della comunicazione globale; alla comunicazione tra persone si è affiancata quella tra macchine, mutando le caratteristiche del traffico. Il cambiamento del tipo di domanda e la sua crescita hanno determinato, per lo svantaggio economico che possono arrecare, la fine dell uso di singoli sistemi elettronici. 3
Capitolo 2 Possibili Soluzioni per il Recupero del Clock e Laser Mode Locking L estrazione della componente di clock dal flusso dei dati, per risincronizzare il treno d impulsi, diventa d uopo nel momento in cui le fluttuazioni temporali, dovute all instabilità della frequenza portante e allo stress termico e meccanico della fibra, non assumono più un carattere trascurabile, a causa dell aumento della velocità di cifra, del periodo d osservazione e della lunghezza del percorso. Il segnale di sincronismo rilevato deve avere una scarsa rumorosità, deve rimanere stabile nel tempo (basso jitter di fase) e deve essere indipendente dal formato di modulazione. I sistemi elettronici per il recupero del clock diventano inutili e antieconomici non appena la velocità di cifra supera la banda di tali strumenti; ragion per cui diventa indispensabile la progettazione di sistemi optoelettronici o interamente ottici per il recupero del clock [7]. 2.1 I formati di modulazione La modulazione di una sorgente ottica con una sequenza di bit avviene attraverso due principali tecniche: la modulazione NRZ (Not Return to Zero) e RZ (Return to Zero) (fig. 2.1, pagina seguente). La modulazione NRZ presenta la caratteristica di avere l impulso ottico del livello logico 1 con durata uguale all intero tempo di bit (T), senza, quindi, variazioni d ampiezza del segnale in T. La modulazione RZ ha, invece, l impulso ottico relativo al livello logico 1 con durata inferiore a T; il livello alto viene mantenuto per una frazione del tempo di bit, tornando a zero per il restante tempo, con conseguente duty cicle (pari alla durata impulso/t) di 0.5. Ne deriva che le variazioni di ampiezza per una modulazione RZ di uno streaming di bit devono essere il doppio più veloci delle variazioni in una modulazione NRZ. La riga di clock è presente per la modulazione RZ, mentre è assente per la modulazione NRZ; questo si spiega per il fatto che nell RZ le transizioni livello alto-basso sono molto più frequenti. 14
Capitolo 3 Sperimentazione in Laboratorio Nasce l esigenza di sperimentare nuovi setup di laboratorio per la realizzazione di un recupero completamente ottico del segnale di sincronizzazione. Il presente capitolo è il frutto dell attività di ricerca svolta presso i laboratori della Fondazione Ugo Bordoni per la suddetta messa in opera di estrattori di sincronismo che funzionino, in maniera corretta e con prestazioni sufficientemente elevate, con ritmi binari variabili e con il più ostico formato di modulazione: l NRZ. 29