Diseño y desempeños de comunicaciones óptica. Juan José Donoso Felipe Díaz Bórquez
Introducción Temas a presentar: Resumen teórico de un Diseño de un enlace de fibra óptica. Arquitecturas Consideraciones Penalidades de Potencia Ejemplo de enlace real entre Valparaíso-Santiago.
Requerimientos adicionales Características Arquitectura Punto a Punto De Distribución Área Local Información Va de un punto a otro Distribuida a un grupo de subscriptores Interconexión entre varios usuarios Distancia <10 [km] o 20-100 [km] incluso más < 50 [km] < 10 [km] Topologías Hub Bus Anillo Estrella Requerimientos adicionales -Regeneradores (limitan velocidad) -Amplificadores -Taps incluyen perdidas en Bus, se usan amplificadores Ventajas de usar Fibra -Inmunidad a interferencia electromagnética -Velocidad de transmisión alta -Bajas perdidas -Gran ancho de Banda -Gran ancho de banda
Consideraciones de Diseño Estas consideraciones se basan en 3 tópicos: Pérdidas por atenuación: Limitan la velocidad de transmisión y la distancia del enlace. Dispersión: Pueden ser del tipo Modal, GVD, PMD. También limitan el producto BL del enlace , reducción de la potencia recibida y produce ISI. Efectos no lineales(SPM,CPM,FWM,SRS,etc)
Perdidas por Atenuación Esta limitante obedece a la siguiente relación: Donde: L [km]: largo del enlace [dB/km]: representa las perdidas incluyendo por empalmes y conectores . y [W]: las potencias promedios transmitidas y recibidas respectivamente.
Perdidas por Atenuación Cabe denotar que la distancia L se encuentra limitada por el ancho de banda B de manera logarítmica debido a la siguiente relación: En la siguiente figura se mostrara la dependencia de L sobre B para 3 longitudes de onda comunes de 0.85, 1,3 y 1.54 [um] utilizando = 2.5 , 0.4 y 0.25 [dB/km] respectivamente.
Perdidas por Atenuación Perdidas (líneas normales) y Dispersión (líneas entrecortadas) limitan la distancia de transmisión L en función del Bitrate B. La línea punteada corresponde a cable coaxial.
Perdidas por Dispersión Las perdidas por Dispersión dependerán del modo en que se trabaje: Multimodo: es utilizado para enlaces cortos, la dispersión predominante es la intermodal y se mejora con el uso de fibra con índice graduado. Monomodo: es utilizado para enlaces de largo alcance y su dispersión predominante es la intramodal. Para longitudes de onda cercanas a: 1.31 [um]: 1.55 [um]:
Efectos no Lineales En sistemas monocanal predomina la automodulación de fase (SPM). En sistemas multicanal se genera FWM, mezcla paramétrica de cuatro ondas y XPM, modulación de fase cruzada. PMD: Tanto en sistemas monocanal, como multicanal, se produce dispersión por polarización, esta se genera debido a que el índice de refracción de la fibra no es uniforme para el campo que se propaga en sentido x e y. Ruido en EDFAs: debido al efecto de emisión espontánea (ASE).
Power Budget El propósito del power budget es asegurar la potencia de recepción suficiente para mantener un desempeño durante todo el tiempo de vida del sistema. Donde: : potencia media de transmisión. : potencia media de recepción. : Margen del sistema, cuyo valor típico es entre 4 a 6 dB. : Perdidas totales en los canales.
Rise-Time Budget Tiempo necesario para que la respuesta de un elemento del sistema vaya desde el 10 al 90% de su valor final cuando la entrada es alterada abruptamente. La función de este es asegurar que el sistema pueda operar adecuadamente al bit rate requerido.
Rise-Time Budget El Rise-Time limita el bit rate dependiendo del formato de señalización:
Rise-Time Budget El Rise-Time del sistema se puede determinar separándolo por partes de la siguiente manera: Donde: : es el rise-time asociado al transmisor. : es el rise-time asociado a la fibra. : es el rise-time asociado al receptor.
Rise-Time Budget El Rise-Time del transmisor y el receptor son conocidos por el diseño del fabricante. Siendo el del transmisor determinado por los componentes electrónicos y los parásitos eléctricos de la fuente óptica: Típicamente: LED: 1 a 5 [ns] LASER : 0.1 [ns] El rise-time del receptor viene dado por el ancho de banda de 3 dB del receptor. El Rise-Time de la fibra se subdivide en dos partes:
Rise-Time Budget Se hace hincapié en la diferencia entre las dos aproximaciones para la fibra multimodo, donde la primera que se encuentra descrita es para fibras de índice escalonado y la segunda para gradual. Y que el valor del rise-time por dispersión de velocidad de grupo, Δλ es el ancho espectral de la fuente óptica.
Penalidades de Potencia Se presentarán las principales causas de penalizaciones de potencia: Dispersión de potencia por ensanchamiento. Ruido Modal Ruido por partición de modos (MPN) Retroalimentación por Reflexión y ruido. Chirping de Frecuencia.
Dispersión por ensanchamiento Se produce por el ensanchamiento de los pulsos, lo que provoca: Introducir ISI Deterioro de SNR por disminución de potencia dentro del bit slot. Ecuaciones de diseño: Minimizando ISI:
Ruido Modal Esta asociado a fibras multimodo. Ocurre debido a que cada modo puede viajar a distintas velocidades en la fibra, degradando la SNR en el receptor.
Ruido por partición de Modos (MPN) El LASER genera distintos modos de emisión que se desincronizan entre si provocando interferencia entre ellos. La penalidad que este fenómeno impone a la potencia está dada por la siguiente expresión:
Chirping de Frecuencia Depende de la forma y ancho del pulso óptico, se origina en la modulación de la señal por la variación de la frecuencia de la fuente. Esto provoca una degradación de SNR y ensanchamiento del pulso. La penalidad que este fenómeno impone está dado por las siguientes expresiones: Para asegurar que no se tenga ISI:
Retroalimentación por Reflexión y Ruido Se produce por discontinuidades en el índice de Refracción del enlace, ya sea por conectores, terminaciones e incluso Aisladores entre transmisor y fibra. Esto introduce ruido al sistema y afecta las capacidades del receptor y transmisor. Donde: :Nivel relativo de ruido en ausencia de Feedback MSR :Razón de supresión de modo, separación espectral entre la portadora y su banda lateral más próxima. N :Grado de retroalimentación
Enlace Real Valparaíso- Santiago El ejemplo que se demostrara muestra un enlace que se encuentra funcional entre la UTFSM y Reuna. Se transmiten 2 canales y además se encuentran dispuestos 2 canales mas para realizar pruebas. La velocidad de transmisión de los dos canales operacionales es de 1.25 Gbps (Gigabit Ethernet). El tendido se realiza con fibra G-652 por lo cual se trabaja alrededor de los λ = 1550[nm] .
Enlace Real Valparaíso- Santiago
Enlace Real Valparaíso- Santiago El sistema que se utiliza es el Cisco ONS 15252. Los canales que se utilizan para transmitir son: Canales λ [nm] Operativo Pruebas 23 1558.98 X 25 1557.36 27 1555.75 29 1554.13 Transmisión Recepción Potencia 5.2 dBm -23.2 dBm (BER ) Rise Time 100 [ps] 150 [ps] Ambos incluyen perdidas de 1.8 dB
Enlace Real Valparaíso- Santiago Fibra G-652 Dmax=18.7206 [ps/km-nm] Atenuación: 0.2 [dB/km] Tramos de 5 [km]
Posible Solución: Dispersión cromática Utilizando las ecuaciones provistas por la ITU Canales λ [nm] D[ps/km-nm] 23 1558.98 18.7206 25 1557.36 18.6282 27 1555.75 18.5361 29 1554.13 18.4433
Enlace Real Valparaíso- Santiago Amplificador: ONS 15216 EDFA2 Rango de Señales de entrada: 1530-1563 [nm] Pin min = -27 dBm Pout sat = 17 dBm Ganancia = 20 dB Figura de ruido máximo = 7 dB
Posible Solución: Power Budget
Posible Solución: power Budget Clip en 7 dBm
Posible Solución: power Budget Clip en 0 dBm
Penalidades de Potencia Penalidad [dB] Motivo Dispersión por Ensanchamiento 0.612 Existe Dispersión Ruido Modal No Fibra monomodo, no existen distancias cortas entre conectores. Partición de Modos 1.44 Peor caso k=1 Chirping de Frecuencia 0.0898 Laser posee C=-0.33 Retroalimentación Supondremos conexiones sin reflexión y vapor de agua despreciable pues λ=1.55[μm]
Penalidades de Potencia
Posible Solución: Rise-Time Budget T_tr 0.1 [ns] T_rec 150[ps] D 18.7206[ps/km-nm] Δλ 0.1[nm] L 211.85[km]
Conclusiones Un enlace real mediante Fibra Óptica, tiene una gran cantidad de problemas que no se pueden ver en un ejercicio típico donde los datos son entregados, por ejemplo, en nuestro caso, se dio que no existe documentación completa sobre los datos del transeiver utilizado en el enlace. Solo pudimos recuperar ciertos datos, y otros son valores típicos de instrumentos que se encuentran actualmente en el mercado.
Conclusiones No fue necesario considerar las penalidades de potencia por efectos no lineales del sistema, pues la magnitud que estas alcanzaron estaban por debajo del margen obtenido en los dos casos del Power Budget. Por esto, las penalidades que logramos percibir en el enlace fueron despreciables, debido a la configuración que se utilizo en su instalación. Debido al cálculo de nuestro RiseTime pudimos obtener que la velocidad máxima con la que pueden operar los dos lambda sin utilización es mayor a la usada actualmente(con NRZ).