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Reti in fibra ottica

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In questa sezione si affronteranno:

Formati di modulazione ottici

Prestazioni sistemi ottici

Tecniche di rigenerazione del segnale

Tecniche di multiplazione nei sistemi ottici.

Cosa c’è nella lezione

ovcin

© 2004 Politecnico di Torino 1

ovcin

Reti in fibra ottica Modulazione, rigenerazione e multiplazione ottica

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Formati di modulazione ottici 1/2

I formati di modulazione ottici sonoestremamente semplici:

1. Si usa solo modulazione binaria.2. Si “spegne” e “accende” la sorgente,

modulandone dunque la sua potenza.Power

time

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Formati di modulazione ottici 2/2

Terminologia:

IM: Intensity Modulation

OOK: On/Off Keying.

L’informazione digitale è codificata tramite lapotenza del segnale ottico.

Non si usano invece (almeno fino ad ora) modulazioni di fase o di frequenza.

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Modulazioni NRZ e RZ

“1” “0” “1” “1” “0”“0”)(tx

)(tx BT

t

t

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“1” “0” “1” “1” “0”“0”

NRZ: Not-Return to Zero

)(tx

)(tx BT

t

t

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“1” “0” “1” “1” “0”“0”

NRZ: Not-Return to Zero

RZ: Return to Zero

)(tx

)(tx BT

t

t

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Modulazione ottica e spettri

Per un segnale NRZ in banda base, il segnalerisultante in banda base ha uno spettro cheoccupa una banda approssimabile con il bit rate.

Spettro del segnalein banda base

)(tx

BT

{ })()( txFfX =

RBB ≅ f

t

R

RB

R

BB

BT

B

≅=

==

=

occupata banda

1bit di tempo

ratebit

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Richiami sui diagrammi ad occhio

Tipica modalità dirappresentazione dellemodulazioni digitali binarie

)(tx BT

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)(tx BT

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)(tx BT

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)(tx BT

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)(tx BT

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)(tx BT

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Eye diagram

)(tx BT

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Diagrammi ad occhio

Experimental eye diagram

I diagrammi ad occhio al ricevitore sono utiliper capire la qualità del segnale ricevuto.

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Le prestazioni dei sistemi ottici

A livello fisico/trasmissivo, i sistemi ottici sonolimitati dai seguenti due fenomeni:

Accumulo del rumore

Distorsione

Nelle prossime slides, rappresenteremo l’effettodi questi fenomeni sui diagrammi ad occhio.

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Diagrammi ad occhio ideali 1/2

Diagrammi ad occhio per sistemi ideali, senzarumore né distorsione.

Tempo

Rappresentazione“tradizionale”

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Tempo (2 intervalli di bit)

Diagrammaad occhio

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Istanti di campionamento ottimi

Diagrammaad occhio

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Occhio completamente“aperto”

Diagrammaad occhio

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Diagrammi ad occhio e rumore 1/2

Diagrammi ad occhio per segnali affetti darumore.

I diagrammi risultati hanno andamenti casuali,caratterizzabili solo tramite grandezze statistiche.

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Fascia di rumorerelativa ai bit a “1”

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Distorsione e ISI 1/2

Distorsione: insieme di effetti che portano unachiusura deterministica (non casuale) deldiagramma ad occhio.

La distorsione è tipicamente dovuta ad effetti:

Lineari(filtraggi stretti, dispersione della fibra, etc)

Non lineari(saturazione dispositivi elettrici, effetti Kerr in fibra, etc.).

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Distorsione e ISI 2/2

La distorsione solitamente tende ad “allargare”nel tempo il segnale trasmesso.

Al trasmettitore il segnale corrispondente ad un bit è contenuto entro un tempo Tb

Al ricevitore, la distorsione tende ad allargarlooltre un tempo Tb generando ISI.

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ISI: Inter Symbol Interference

-Tb

t

Transmitted signal(without noise)

0 +Tb +2Tb

-Tb

t

Received and filteredSignal (without noise)

0 +Tb +2Tb

“1” “1”“0”

0t

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Distorsione e diagrammi ad occhio 1/2

Sistema con sola distorsione.

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Sistema con sola distorsione.

ISI

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Sistema con distorsione e rumore

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Sistema con distorsione e rumore

Chiusura del diagrammaad occhio

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Rigenerazione 1/2

In un qualunque sistema di trasmissione, rumoree distorsione tendono a crescere al crescere delladistanza di trasmissione.

Al di là di una determinata distanza, il segnaledeve essere “rigenerato” con opportunetecniche.

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Rigenerazione 2/2

RXTX

Apparati di rigenerazione

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Rigenerazione 2/2

RXTX

Segnale in ingresso al rigeneratore


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Rigenerazione 2/2

RXTX


Segnale in uscitaal rigeneratore


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Rigenerazione 2/2

RXTX



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Rigenerazione 2/2

RXTX


Segnale in uscitaal rigeneratore


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Classificazione: rigenerazione 1R 1/2

1R: (Restore)

Pura amplificazione lineare del segnale.

Ingressi ed uscite del rigeneratore sono“analogici”.

Tecnica di rigenerazione

Semplice

Trasparente ai formati di modulazione.

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Classificazione: rigenerazione 1R 2/2

1RRegeneration

Signal in Signal out

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Rigenerazione 2R

2R: (Restore & Reshape)

Amplificazione del segnale e “discretizzazione” dei livelli di uscita

Il segnale di uscita presenta solo due livelli

Poco utilizzata.

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Rigenerazione 3R 1/2

3R: (Restore, Reshape & Retime)

Amplificazione del segnale, recupero del clock e dei livelli di uscita

Un rigeneratore 3R è dunque constituitosostanzialmente da un ricevitore digitalecompleto seguito da un trasmettitore completo.

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Rigenerazione 3R 2/2

Prestazioni molto elevate

Più costosa delle tecniche 1R

È una rigenerazione NON trasparente a bit rate e formati di modulazione.

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Rigenerazione 1R, 2R e 3R

Input Signal

1R regeneration2R regeneration

3R regeneration

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Rigenerazione nei sistemi ottici 1/2

Rigenerazione 3R

Si implementa tramite circuiti di ricetrasmissione completamente elettrici

Richiede una conversione da ottico ad eletrico(O/E optical to electrical) e successivamente daelettrico ad ottico (E/O electrical to optical)

È spesso indicata con la sigla OEO (optical to eletrical to optica).

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Rigenerazione nei sistemi ottici 2/2

Rigenerazione 1R

In ottica, è molto diffusa grazie agliamplificatori ottici

Non richiede conversione OEO.

Rigenerazione 2R

Per ora, poco usata, salvo esperimenti di laboratorio.

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Tecniche di multiplazione

Multiplazione: trasmissione simultanea di variflussi di informazione sullo stesso canale fisico

Nelle trasmissioni ottiche si utilizza:

Time Division Multiplexing (TDM)

Optical Frequency Division Multiplexing, indicata come “Wavelength Division Multiplexing” (WDM) in ottica.

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Time Division Multiplexing TDM

I flussi di bit provenienti dai vari canali sono“interallacciati” (a livello di bit, byte o word)nel tempo.

Rch

chB

chR

BdurationbitT

channelperratebitB

1==

=

Channel 1

Channel 2

Channel N

.

.

.

TDM MUX

t

t

t

Input channels

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Time Division Multiplexing TDM

I flussi di bit provenienti dai vari canali sono“interallacciati” (a livello di bit, byte o word)nel tempo.

Channel 1

Channel 2

Channel N

.

.

.

TDM MUX

t

t

t

t

Rch

chB

chR

BdurationbitT

channelperratebitB

1==

=N

TT

BNBch

BoutB

chR

outR

=

⋅=

Output Digital Stream

Input channels

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Time Division Multiplexing TDM 1/3

Bit rate dei protocolli SONET/SDH:

155 Mbit/s

155.520 Mbit/s

STM-1OC-3STS-3

51.840 Mbit/s

OC-1STS-1

Bit Rate

approx.

Bit RateSDHOptical

Carrier

SONET

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2.5 Gbit/s

2488.320 Mbit/s

STM-16OC-48STS-48

622 Mbit/s

622.080 Mbit/s

STM-4OC-12STS-12

Bit Rate

approx.

Bit RateSDHOptical

Carrier

SONET

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40 Gbit/s

39813.12 Mbit/s

STM-256OC-768

10 Gbit/s

9953.280 Mbit/s

STM-64OC-192STS-192

Bit Rate

approx.

Bit RateSDHOptical

Carrier

SONET

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Wavelength Division multiplexing (WDM)

λ1

λ2

λN

λ1 λ2 λN

λ

SpettroOttico

…WDM MUX

λ1

λ

SpettroOttico

λ2

λ

λN

λ

.

.

.

.

.

.

Salvo la diversa terminologia, si trattasemplicemente della classica multiplazionea divisione di frequenza.

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Wavelength Division multiplexing (WDM)

λ1

λ2

λN

λ1 λ2 λN

λ

SpettroOttico

…WDM MUX

λ1

λ

SpettroOttico

λ2

λ

λN

λ

.

.

.Il multiplatore WDM è, in ottica, implementato da un dispositivo (filtro o accoppiatore ) totalmentepassivo.

.

.

.

Salvo la diversa terminologia, si trattasemplicemente della classica multiplazionea divisione di frequenza.

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Spaziatura canali WDM

λ1 λ2 λ3

λ

SpettroOttico

Si definisce come “spaziatura” tra i canali WDM la distanza spettrale tra il centro di due canaliadiacenti.

Spaziatura∆λ

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WDM – terminologia 1/2

La trasmissione WDM è talvolta indicata come“Colored Transmission”

Analogia lunghezze d’onda-colori.

Coarse WDM (CWDM): pochi canali (da 2 a 8), molto distanziati in frequenza (a 1300 e/o 1550 nm).

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WDM – terminologia 2/2

Dense WDM (DWDM) :molti canali (fino a 80-100) nella finestraspettrale a 1550 nm

Esistono oggi sistemi commerciali con 80 lunghezze d’onda, ciascuna a 10 Gbit/s, per un totale di 800 Gbit/s per fibraI sistemi DWDM attuali sonostandardizzatida ITU-T su una “griglia” con 100 GHz ( o multipli) di spaziaturatra i canali.

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