Modulatoare in Comunicatii Optice

8/12/2019 Modulatoare in Comunicatii Optice [PDF]

1/14

III. MODULATOARE N COMUNICAII OPTICE

III.1. MODULAII OPTICE ASPECTE GENERALE

Sunt douforme de reprezentare a unui semnal, analogici digital. Un sistem pe fibre optice are

capacitatea de a transmite ambele forme. Cteva metode de transmisie au fost stabilite n timp, n paralelcu tehnologia de moment.Existde fapt patru tehnici de modulare a semnalului ntr-un sistem pe fibroptic. Acestea sunt:1. Multiplexare opticcu divizare n timp (OTDM - Optical time division multiplexing);2. Multiplexare prin divizarea lungimii de und(WDM - Wavelength division multiplexing);3. Multiplexare cu divizare n cod (CDM - Code division multiplexing);4. Multiplexarea subpurttoarei (SCM - Sub-carrier multiplexing).WDM este o metodn care cteva purttoare optice de diferite lungimi de undsunt modulate cu

semnale electrice n banda de baz. Aceste semnale sunt combinate optic i transmise pe aceeai fibr.Acest semnal este demultiplexat folosind o tehnicopticcum ar fi un filtru optic.

OTDM este echivalentul optic al TDM. Conceptul de OTDM este acela csemnalele optice sunt

multiplexate cu o frecvenopticpurttoare pentru a produce un semnal optic compozit. Acesta efectivmodific nivelul din banda de baz a semnalelor optice ctre nivelul frecvenei optice purttoare. Cuaceast tehnic, cteva semnale optice pot fi transmise printr-un sistem utiliznd frecvene optice

purttoare diferite.

CDM pentru sistemele optice este o form codat a WDM. n locul unui canal ce folosete ofrecven optic purttoare, frecvena purttoare este aleas printr-un fel de cod. Aceasta permitesistemului sutilizeze frecvenele purttoare mai eficient ca la WDM, unde frecvenele purttoare suntutilizate tot timpul indiferent dacsemnalul optic asociat cu frecvena purttoare este folosit sau nu. Estecunoscutsub denumirea de salt de frecven.

SCM este similar naturii OTDM, cu excepia unei diferene majore. n loc ca frecvena semnaluluioptic sfie modificatn domeniul optic, acest lucru este realizat n domeniul electric folosind tehnologiaexistentde microunde. Una din principalele avantaje ale utilizrii SCM este aceea cacest sistem poatefi folosit n asociere fie cu WDM, fie cu OTDM, crescndu-i eficiena peste aceea a celor doucazuri

luate separat.

Fig.III.1. Schema bloc a unui transmitor OTDM cu N canale

Laser Amplificator

Mod.

Mod.

Mod.

Mod.

NN canale

ntrzieri

Canalul #1

2

1


2/14

Pentru a transmite informaie, o purttoare optic trebuie modulat. Prin modulaie a uneipurttoare optice se nelege modificarea unui parametru al su (amplitudine, intensitate, faz, frecven,polarizare, distribuie spaialetc.) de ctre semnalul modulator (informaional).

n principiu, exist diverse metode i posibiliti de modulaie, dei practic se utilizeaz doarcteva.

Modulaia se poate clasifica dupurmtoarele criterii:1) dupparametrul modulat:

- modulaie de intensitate;

- modulaie de faz;- modulaie de frecven;- modulaie de polarizare, spaialetc.;

2) duplocul unde acioneazsemnalul modulator:- modulaie intern- semnalul modulator acioneazdirect asupra mediului (locului) unde ia natere

radiaia optic. Un exemplu este modulaia LED-urilor sau DL n intensitate prin curentul de comand;- modulaie extern - purttoarea optic dup ce a fost generat, traverseaz un mediu ale crui

proprieti se modific (i modific parametrii purttoarei optice) n ritmul semnalului modulator, deexemplu modulatoarele electrooptice;3) dupfenomenul fizic care stla baza modulatorului:

- modulatoare electrooptice;

- modulatoare acustooptice;- modulatoare magnetooptice etc.

Aplicarea uneia sau alteia din metodele de modulaie depinde de: aplicaia concret(tipul de sursde radiaie, banda semnalului modulator, sensibilitatea receptorului, prede cost), posibilitile tehnice itehnologice, metoda de detecie etc. Practic, cele mai utilizate sunt:

- modulaia directn intensitate prin curentul de comandla sistemele necoerente;- modulaia n fazla sistemele coerente.

III.2. PRINCIPII DE BAZPENTRU MODULAIA OPTIC

LED-urile i diodele laser opereazn poriunea infraroie a spectrului electromagnetic, astfel clumina emisde ele este invizibilochiului uman. Lungimile de undpe care opereazsunt alese pentru afi compatibile cu cele mai mici pierderi de transmisie ale fibrelor de sticl i cea mai mare plaj desensibilitate a fotodiodelor. Cele mai uzuale lungimi de undfolosite astzi sunt 850 nm, 1310 nm i 1550nm. Ambele, LED-uri i laseri, sunt disponibile n toate cele trei lungimi de und.

Aa cum s-a prezentat anterior, LED-urile i laserii pot fi modulai n unul din cele douvariante:on/off sau liniar. Figura III.2 prezintcircuitistica simplificatde rezolvare a fiecrei metode cu un LEDsau laser. Dupcum se poate vedea n figura III.2.a, un tranzistor este folosit pentru a comuta LED-ul sauLD deschis sau nchis (on/off) cu un semnal digital de intrare. Semnalul poate fi convertit din aproape

orice format digital de ctre un circuit adecvat, n semnal de control pe baza tranzistorului.Viteza dispozitivului este determinat de circuitistic i de viteza LED-ului i LD. Folosite naceast manier, viteze de cteva sute de megaheri sunt obinute uor pentru LED-uri i de mii demegaheri pentru LD. Circuitul de stabilizare a temperaturii pentru LD a fost omis din acest exemplu

pentru simplitate. LED-urile n mod obinuit nu necesitstabilizarea temperaturii.Modulaia liniara unui LED sau LD este realizatde circuitul cu amplificator operaional din

figura III.2.b. Intrarea inversoare este utilizatpentru a transfera semnalul modulator ctre LED sau LD ntimp ce intrarea neinversoare se folosete ca referinde curent continuu.

nco dat, circuitistica de stabilizare a temperaturii pentru LD a fost omisdin acest exemplupentru simplitate.


3/14

n general, sistemele de transmisie optice de mare vitez necesit modulaie de band larg aluminii. Aceastsarcineste realizatfolosind modulatoarele, care sunt dispozitive optice ce acioneazca nite comutatoare controlate electric. Adic ele obtureaz sau nu fasciculul de lumin care letraverseaz. Modulatoarele sunt importante pentru sistemele de comunicaie opticdeoarece ele codeazinformaia doritpe un fascicul de lumin. Informaia este apoi transportatde la o locaie la alta princablurile de fibre ca o secvenon/off de pulsuri de lumin.

Fig.III.2. Metode de modulaie a LED-urilor i LD

a) b)

Sunt civa factori ce determin performanele unui modulator, cum ar fi: limea de band,puterea de atac (drive power), pierderile optice de inserie, lirea spectrului emis.

Limea de band se refer la de cte ori modulatorul poate efectiv realiza operaia denchis/deschis i este msurat n GHz. Un gigahert este echivalentul a 1 bilion de ori pe secund; deaceea un modulator la 40 GHz poate realiza operaia de nchis/deschis de 40 bilioane de ori pe secund.

Tensiunea de control(Drive voltage), notatn literatura de specialitate cu Vp,se referlatensiunea electricnecesarpentru a determina un modulator streacdin starea deschis n starea nchisi viceversa. Un modulator eficient are o ct mai micvaloare posibila tensiunii de control. De exemplu,un modulator cu Vp= 4 voli este mai eficient dect unul cu Vp= 5 voli.

Pierderile optice de inseriese referla cantitatea de lumincare este pierdutla trecerea ei de laun capt la altul al modulatorului (nu din procesul de obturare sau nu al fasciculului). Pierderi optice mai

mari nseamnmai puinlumindisponibilpentru transportul informaiei. Un modulator cu pierderi deinserie de 3 dB (decibeli scala de msurbazatpe puteri ale lui 10) are pierderi optice de 4 ori maimici dect unul cu 9 dB.

Lirea spectrului introdusde modulator(modulator chirp) se referla variaia de culoare(deci de lungime de und) introdus fasciculului de luminde ctre operaia de nchidere/deschidere amodulatorului. n consecin, pulsul de luminva fi distorsionat la propagarea sa prin fibr, ceea ce valimita eficiena sistemului de transmisie optic. Un modulator cu un parametru chirp nul va avea

performane mai bune dect unul cu parametrul chirp unitar.Exist cteva clase de modulatoare: cu electro-absorbie (EA), interferometre Mach-Zender

(MZI), cuploare direcionale i cu reflexie intern. Cele cu absorbie i interferometrele Mach-Zender suntcel mai des utilizate n aplicaiile comerciale i sunt larg rspndite n reelele optice de transport

informaii tip voce, date, video.n modulatoarele cu electro-absorbie, intensitatea luminii este reglatprintr-o absorbie controlatn tensiune, altfel spus cantitatea de luminabsorbitde un material este controlatde un semnal electric.


4/14

Aceste modulatoare sunt fabricate dintr-un aliaj semiconductor, de obicei LiNbO3. Datoritefectului fizicfolosit pentru a controla absorbia, aceste dispozitive au i ele dezavantajele lor:

-probleme de selectivitate a lungimii de und, ceea ce cauzeazdificulti la producia de mas(deserie);

-lirea spectrului (efectul chirp), lucru ce le poate exclude ca soluie pentru legturi pe distanemari (peste 80 km) la debite depind 10 Gbps.

Laserii DFB pe 1550 nm modulai direct nu sunt n general folosii pentru semnalele analogice din

sistemele CATV. Aceti laseri prezinto lire a spectrului emis cnd sunt folosite pe fibre DSF standardpentru 1310 nm. Pentru a depi acest neajuns, este folositmodulaie externpentru transmisia pe 1550nm. Modulaia direct a cavitii laser permite obinerea unor capsule mult mai mici n comparaie cutransmitoarele cu modulaie extern, dar lirea inerenta spectrului produs de laser determinun CSOnrutit fade acela din cazul modulaiei externe, datoritdispersiei fibrei.

nainte de a trece la prezentarea celor dou metode principale, s trecem n revist, schematic,diferena dintre ele (figura III.3):

Legturmodulatdirect Legturmodulatextern

Semnalul RF atacdirect laserul Semnalul RF atacun modulatorE/O extern laserului (EOM)

- Gamdinamicmic

- Folosit n sistemele CATV obinuite

- Gamdinamicmare

- n sisteme de mare performan

Fig.III.3. Cele doumetode de modulaie

III.3.MODULATOARE INTERNE

Modulaia intern este cea mai simpl i cunoscut metod. Principiul ei const n modulareacurentului injectat ntr-o diodlaser. Rspunsul n frecvense caracterizeazprintr-un efect de rezonanla care frecvena crete odatcu curentul injectat. Limi de bandpeste 20 GHz au fost obinute cu laseriDFB pe InP folosind aceasttehnic, dar curentul de polarizare este n general mare (peste 100 mA) i naceste condiii de operare se degradeazperformanele legturii optice.

Alte concepte de modulare au fost explorate n ideea de a depi aceast limitare. Un conceptpropus acum civa ani buni se bazeaz pe modulaia parametric. Principiul este modularea absorbieintr-o micparte a cavitii, n locul modulaiei prin curentul injectat, cum se proceda de obicei. Pentru aatinge un asemenea scop, cavitatea laserului semiconductor este separatn doupri: una este destinatamplificrii laserului, iar a doua modulaiei acestuia (figura III.4).

Aceasta nseamncelectrodul superior p+

al laserului este separat n doupri: una mai lungpentru scopuri de amplificare i n care este injectat un curent, una mai scurtpentru modulaie unde seaplicsemnalul de microunde. Aceti doi electrozi trebuie izolai electric. Comparat cu rspunsul dinamic


5/14

al laserului semiconductor clasic, rezultatele prevd o mbuntire accentuata efectelor de rezonanlaaceeai frecven, cu o cdere mai mica rspunsului dinamic la frecvene mari, 20 dB n loc de 40 dB pedecad.

Fig.III.4. Diodlaser cu doi electrozi pentru modulaie parametric

Substrat

D.C. R.F.

mas

O alternativla acest model este laserul dual cuplat lateral. Principiul este de a integra n aceeaicavitate laser dou zone active paralele. O mrire a benzii poate fi obinut prin aplicarea curentuluimodulator la un electrod i a unui curent continuu la cellalt electrod. mbuntirea benzii se poateexplica printr-un fenomen similar creterii benzii n cazul oscilatoarelor cuplate. Frecvena semnalului demicrounde crete cu diferena dintre cei doi cureni de polarizare injectai n fiecare zonactiva laseruluidual.

III.3.1. MODULAIA N AMPLITUDINE(AM - Amplitude Modulation)

Modulaia n amplitudine folosete aceeai schemca i pentru frecvenele radio. Aceasttehnicsimplnecesitn cele mai multe cazuri hardware ieftin. Cele dou tipuri de bazde tehnici AM sunt:

banda de bazi purttoare RF.ntr-un sistem n banda de bazsemnalul de intrare moduleazn mod direct intensitatea (tria)

ieirii transmitorului, n acest caz lumina.n tehnica AM cu purttoare de RF o purttoare cu o frecven mult mai mare dect cea a

informaiei codate, variazcorespunztor cu amplitudinea informaiei.Astfel, ntr-un sistem pe fibr optic, amplitudinea tensiunii aplicate la intrare se translateaz

direct ntr-o intensitate luminoascorespunztoare la ieire.Figura III.5 ilustreazmodul de operare ntr-un sistem AM.n cazul transmisiei AM pe fibroptic apare urmtoarea problem: datoritatenurilor suferite

pe traseu, intensitatea luminii transmise va scdea; acest fenomen poate fi confundat cu o reducere aamplitudinii informaiei de transmis. Se folosete o tehnic ce permite nivelului de semnal s fieinterpretat independent de pierderile n optic; pentru realizarea acesteia se poate trimite un ton pilot pe ofrecvennaltcare este mai sus sau mai jos fade frecvena informaiei codate.

ntensitatealuminoasl

aieire(%)

I

BTensiune a licatla intrare

Fig.III.5. Cazul AM


6/14

Cele trei tehnici pentru transmisia AM video sunt:

- AM n banda de baz,- AM cu purttoare RF- AM cu rest de bandlateral.

Studiind spectrele de frecven corespunztor acestor scheme de modulaie, ilustrate n figuraIII.6, se pot observa diferenele dintre ele. AM n banda de baz ocup zona de la DC (componentacontinu) la 5 MHz i necesitcea mai miclime de band(presupunnd cdiscutm despre tehnici de

codare digitalnecomprimat). Spectrul n cazul purttoarei de RF modulate este similar; el a fost doardeplasat i centrat pe o frecvennotatcu F. Aceastvariantnecesitlime de bandadiionali nuofernici un avantaj fade operarea n banda de bazntr-un singur canal dintr-un sistem pe fibr. Totuiea permite mai multor canale spoatfi combinate pe o singurfibr. La AM cu rest de bandlateraldin nou spectrul este deplasat ctre o frecvenF pozitiv(real) i prin filtrare se ndeprteazjumtateade jos (inferioar) a benzii. Ea permite o folosire mai eficient a spectrului comparativ cu AM cu

purttoare RF, necesitnd jumtate din limea de bandper canal.

Fig.III.6. Spectrul de frecvenal celor trei tehnici de transmisie AM

C.C.

Amplitudine Amplitudine

Amplitudine

AMn banda de baz

AMcu purttoare RF

AMcu rest de bandlateral

Frecven(MHz)

Frecven(MHz)

Frecven

(MHz)

C.C.

C.C.

Modulaia AM are doumari probleme. Prima, sistemul necesitcomponente foarte liniare pentrua preveni distorsiunile de semnal la trecerea prin legtura de comunicaie. A doua, receptorul nu va puteadistinge ntotdeauna bine ntre modificrile n nivelul de semnal i modificrile n pierderile opticedatorate fibrei. Controlul automat al ctigului (AGC- Automatic Gain Control) poate compensa aceste

pierderi ntr-o legturAM.n ciuda dificultilor de mai sus, sistemele AM reprezintcea mai simpli mai ieftincale de a

transmite informaie codatpe fibra optic.

III.3.2. MODULAIA DE FRECVEN(FM - FREQUENCY MODULATION)

Modulaia de frecven, numitFM, este o schemde modulaie mai sofisticatdect AM. Ea esteimun la variaiile de amplitudine cauzate de pierderile optice, una din problemele fibrei. Inima unuimodulator FM pivoteaz n jurul unei purttoare de nalt frecven. Aici n loc de schimbarea


7/14

amplitudinii purttoarei, frecvena purttoarei este schimbat n mod corespunztor cu diferenele namplitudinea semnalului informaional. Analizele matematice aratcraportul semnal/zgomot la receptor

poate fi mbuntit prin creterea deviaiei frecvenei purttoarei.FM are de asemenea avantajul eliminrii necesitii de componente optice de foarte bun

liniaritate care erau obligatorii n sistemele AM.n sistemele FM cu canale multiple fiecare semnal video este modulat pe o purttoare separat.

Aceste purttoare sunt apoi combinate pentru a modula o singur surs de lumin. Fiecare modulatorvideo FM este ajustat pentru a elimina distorsiunile, pentru a obine cel mai bun semnal-zgomot/lime de

band, plus compensarea pentru neliniaritile sursei de lumin. Cu ct sunt adugate mai multe canalevideo, indicele de modulaie total al semnalului combinat crete i degradeazraportul semnal/zgomot percanal (adicvom avea mai puinputere opticdisponibilper canal).

Dacfolosim o deviaie de frecvende 5 MHz vom obine o mbuntire cu 5 dB a raportuluisemnal/zgomot comparativ cu un sistem AM. Dacvom crete deviaia frecvenei purttoare la 10 MHz,atunci mbuntirea crete la 15,6 dB.

Figura III.7 prezintdiagrama bloc a unei legturi video FM i s-a presupus o frecvenpurttoarede 70 MHz i o deviaie de frecvende 10 MHz.

Fig.III.7. Legturvideo FM

Modulator FMCentru: 70 MHzDev.: 10 MHz

Transmitordigital pentru F.O.

Ieire optic

+5V

Comparator

Intrare video

75

Receptor digitalpentru F.O.

Ieire videoDemodulator FMCentru: 70 MHz

Dev.: 10 MHz

Amplificator

Intrare optic

75FTJ

Cele 3 tehnici pentru transmisia video FM includ: sinusoida FM, unda dreptunghiulara FM i FMpentru impulsuri. Prezena armonicilor produce diferene notabile ntre cele 3 tipuri, aa cum se poateobserva n figura III.8.

Spectrul semnalului dreptunghiular FM conine doar armonicile de ordin impar. Spectrul FM nimpuls conine toate armonicile pare i impare producnd un spectru mprtiat, nepotrivit pentru canalemultiple; totui el rmne ca o schempentru transmisie uni-canal.

La modul general modulatorul FM este proiectat astfel nct frecvena n impuls crete cu cttensiunea aplicatcrete.

Amplitudine

SinusoidFM Semnaldreptunghiular FM

Amplitudine

Amplitudine

Frecven

(MHz)

Frecven

(MHz)

Frecven

Impuls FM

(MHz)

Fig.III.8. Spectrul de frecvenal celor 3 tehnici de modulaie FM


8/14

III.3.3. MODULAIA DIGITAL(DIGITAL MODULATION)

Transmisiile digitale presupun convertirea intrrilor analogice n semnale de date cu modulaie aimpulsurilor n cod (PCM pulse-code modulation). Datele PCM sunt codate pe linie ca de exemplucodarea NRZ pentru a simplifica sincronizarea n timp, criticpentru cazul transmisiilor digitale de TV,ca i pentru a monitoriza erorile i folosirea economic a limii de banddisponibil. Semnalul PCMcodat pe linie moduleaz sursa de lumin. Aceastconversie folosete circuite analog-digitale de mare

precizie. Figura III.9 ilustreazschema de baza unui sistem de transmisie digital, unde TDM este un

bloc multiplexor n timp, iar TDDM demultiplexorul.

ConvertorA/D

TDM Transmitoroptic

Receptoroptic

TDDM

ConvertorD/A

Fibroptic

Video/Audio Video/Audio

Fig.III.9. Schema bloc a unui sistem digital

Cteva variante de PCM sunt prezentate mai jos. Primele trei descriu modulaii analog digitale,iar ultimele dousunt scheme de modulaie digitalstrict.

Modulaia impulsurilor n amplitudine (PAM - Pulse-amplitude Modulation): informaia estecodatprintr-un flux de impulsuri cu amplitudini discrete.

Modulaia Delta (DM - Delta Modulation): impulsurile sunt trimise la vitezconstantcu duratadeterminatde prima derivata semnalului de intrare.

Modulaia Delta Adaptiv(ADM - Adaptive Delta Modulation): Similar cu modulaia Delta darcu posibilitatea de a regla panta semnalului urmrit.

Modulaia cu faz modificat (PSK - Phase-shift Keying): informaia este trimis pe frecvenpurttoare constant. Faza purttoarei este deplasatntre dounivele, dupcum este determinatde bitulce urmeazsfie trimis.

Modulaia diferenialcu fazmodificat(DPSK - Differential-phase Shift Keying): o variantdePSK ce permite o decodare mai bun.

Modulaia impulsurilor n cod, aa cum numele indic, presupune asignarea unei secvene depulsuri (sau altfel spus, a unui cod) pentru a reprezenta o poriune a unui semnal. Spre exemplificare, iatdouversiuni de exprimare ale amplitudinii, anume tensiunea analogici o reprezentare binarpe 4 biia aceleiai tensiuni. Rezoluia (acurateea) codului este definitde aceti 4 bii, permind o reprezentarecu pnla 15 incremente de tensiune. Aceste tensiuni i codul pe 4 bii sunt listate n tabelul de mai jos.


9/14

Increment Cod binar Tensiune

(increment de tensiune = 0.066 voli)0 000 0 Voli--- --- ------ --- ------ --- ---7 0111 0.46 Voli

8 1000 0.53 Voli-- --- ------ --- ------ --- ---15 1111 1.0 Voli

Tabelul III.1. Codarea amplitudinilor

Observm ctensiunea nu poate fi reprezentatcorect pentru valoarea de 0,5 voli. n realitate nu

existun cod digital pe 4 bii pentru 0,5 V, doar pentru 0,46 i 0,53 V. Ar fi necesar un cuvnt mai lungpentru un cod ce ar exprima exact 0,5 voli. Incapacitatea cuvntului pe 4 bii de a descrie exact 0,5 volieste numit cuantizare. Cuantizarea depinde dinamic de panta semnalului eantionat. Pe scurt, pentru

poriunile neschimbate din imaginea video efectul de cuantizare nu este evident. Cuantizarea i codurilen impuls care sunt generate nghea semnalul ntr-o formcare este adecvat(potrivit) la transmisiace urmeazsau la procesri.

Dupce informaia analogica fost pusntr-o formdigital, canalele digitale sunt multiplexatecu diviziune n timp i trimise la emitorul laser. Semnalul digital este convertit n impulsuri luminoase;laserul este pornit pentru un 1 i oprit pentru un 0. Multiplexarea cu divizare n timp este folositdesistemele digitale fie pentru a combina mai multe semnale video pe o singur fibr, fie pentru a creasubcanale pentru semnale de date i/sau audio digitizate. TDM permite adugarea sau ndeprtarea

semnalelor dintr-un sistem fr ca acesta s aib vreo problem. Figura III.10 ilustreaz procesul deTDM.

Fig.III.10. Multiplexarea cu divizare n timp (TDM)

Canalul#1

Canalul#2

Date seriale

Date seriale

Date multiplexate

Timp

Timp


10/14

La captul de recepie, pulsurile de lumin sunt convertite napoi n pulsuri electrice. Acestepulsuri sunt demultiplexate i trimise printr-un circuit digital/analog. Acesta convertete informaia napoin semnal video n banda de baz. Ca n toate sistemele cu modulaie digital, rata de eantionare iacurateea afecteazperformana.

Totui, spre deosebire de sistemele analogice, performana nu mai este afectat de distana detransmisie, zgomotul sursei de luminsau distorsiuni. Modulaia digitalnu necesito sursde luminliniar, permind sursei de lumin a unui sistem digital s aibo gam largde parametri de operarenecritici.

Modulaia digital este imun la zgomot, astfel cperformana sistemului nu se va degrada pedistane foarte lungi, eliminnd nevoia de repetoare. Semnalele digitale pot de asemenea tolera pierderilei reflexiile de la conectori, suduri i dispozitive optice ca splittere i multiplexoare cu divizarea lungimiide und(WDM - wavelength-division multiplexers).

Transmisia corect a semnalelor modulate digital se bazeaz la capt de linie pe abilitateareceptorului de a detecta tranziiile ntre un 1 i un 0 din fluxul de date, o funcie numitcircuit dedecizie. Pentru a o asigura, fluxul de date este codat n linie folosind una din cele cteva metodecunoscute sub denumirea de scrambling: rearanjarea 1-rilor i 0-rilor din fluxul de date ntr-omanierpredeterminat, depinznd de structura datelor la intrare. Codarea de linie asigur totodat cadatele de intrare la subsistemul de refacere a tactului n receptor sfie echilibrate n secvene de bii, faptce evitalunecrile (modificrile) de fazdatorate modelelor de date frso.

III.3.4. TRANSMISIA ANALOGICVS. DIGITAL

Exist3 metode predominante de codare a semnalului de transmis. AM i FM sunt ambele schemede modulare analogice. A treia metodeste modulaia digital. Tabelul de mai jos prezintcaracteristicilede bazale celor 3 scheme de modulaie.

Parametru AM FM DigitalRaport semnal/zgomot Mic la moderat Moderat-Mare Mare

Performanvs.Atenuare

Sensbil Tolerant Invariant

Cost transmitorului Moderat-Mare Moderat MareCost receptorului Moderat Moderat-Mare Mare

Reglarea ctiguluireceptorului

Adesea necesar Nu este necesar Nu este necesar

Instalare Necesitreglaje Nu sunt necesare reglaje Nu sunt necesarereglaje

Capabiliti multicanal Necesitliniaritatefoarte bun

Cteva canale Bune

Performann timp Moderat Excelent ExcelentFactori de mediu Moderat Excelent Excelent

Tabel III.2. Comparaie ntre tehnicile AM, FM i codare digital

O diferen cheie ntre transmisia analogic i digital implic limea de band sau altfel spuscapacitatea de transmisie necesarpentru ambele scheme. Semnalele analogice solicitmult mai puin

band, doar n jur de 4,5 MHz pentru un semnal video NTSC. Comparativ unele standarde de transmisievideo digitalnecesit74,25 MHz cu un flux de date de 1485 Mbps. Cuceririle din domeniul fibreloroptice SM fac aceste rate binare mari sfie mai accesibile pe distane lungi. Coaxialul din cupru nu poatetransporta asemenea debite de date.

O alt diferen ntre transmisiile analogice i digitale const n abilitatea hardware-ului de areface semnalul transmis. Modulaia analogic, care este n continuu variabilprin natura ei, poate adeseanecesita reglaje la receptor cu scopul de a reconstrui semnalul transmis. Transmisia digitalns, deoarece


11/14

folosete doar 1-uri i 0-uri pentru a coda semnalul, ofer mijloace mai simple de a reconstruisemnalul. Ambele tipuri de modulaie pot ncorpora detecia erorilor i informaie de corectare a erorilorn semnalul transmis. Ultima orientare n transmisia de semnal este aa numitul FEC (forward errorcorrecting). Aceastschemce folosete numere binare este foarte potrivitpentru transmisiile digitale.Bii adiionali de informaie sunt ncorporai n semnalul digital permind oricrei erori de transmisie sfie corectatla captul receptor.

A treia diferen important este referitoare la costul legturilor de transmisie analogicecomparativ cu cel al legturilor de transmisie digitale. Deoarece circuitistica necesarpentru transmisia

digitaleste mai complex, costul este adeseori mult mai mare. n aplicaiile pe distane scurte modulaiaanalogicva fi aproape ntotdeauna cel mai eficient sistem. Totui cererea actualde Internet de marevitez, video la cerere (VOD video-on-demand), videoconferine i mpingerea accesului la datedirect de pe computerul de acaspresupune sisteme pe distane medii ctre lungi, cu echipamente digitale.i aa cum se ntmpln cazul oricrei forme de tehnologie, cererea mare conduce la producie de mas,conducnd inevitabil la o scdere a costului sistemelor digitale. Oricum va fi mereu valabil cdecizia defolosire a unui tip de modulaie n locul alteia implica avea n vedere aceleai consideraii pentru sistem.

III.4. MODULATOARE EXTERNE

Este o alternativla modulaia direct. n aceastvariant, un curent n undcontinueste injectatntr-o diodlaser, iar modulaia este aplicatla un modulator optic extern. n consecinse pot folosi celemai bune condiii de polarizare pentru fiecare funcie (emisie i modulaie). Pentru a mbunticaracteristica de zgomot, deci dinamica legturii, laserii solizi (YAG) pot nlocui avantajos laseriisemiconductori (DFB), dac nu sunt cerute alte limitri. Printre eforturile de a crete performanelemodulatoarelor optice, limea de bandse nscrie ca un parametru foarte important.

Putem clasifica modulatoarele n doumari categorii: electro-absorbie i electro-optice.n primul caz, un cmp electric modific transparena (sau absorbia) unui material pentru o

lungime de unda unui semnal optic.Cu acest tip de dispozitive se obin limi de band peste 40 GHz, combinat cu o tensiune de

modulaie n jur de 1 volt. Banda acestui modulator este limitatla civa zeci de nm. n ciuda tensiunii demodulaie mici, care face aceste dispozitive atractive, ele sunt n general puternic neliniare i calitatealegturii optice se poate astfel degrada.

Acesta este motivul pentru care modulatoarele electro-optice, bazate pe modulaia fazei unuisemnal optic, sunt de asemenea n studiu. Pentru a obine o modulaie n amplitudine, dispozitivul electro-optic se bazeazpe principiul interferometrului Mach-Zender: semnalul optic se divide pe doubrae delungime egal i recombinate la ieire. Dispozitivul este fabricat n optic integrat dintr-un materialelectro-optic. Electrozii sunt plasai de-a lungul uneia sau ambelor brae. Cnd o tensiune este aplicatpeunul din brae, se va produce o modificare corespunztoare n faza optic; dacdiferena de fazla ieireacelor doubrae este nul, va rezulta un nul de amplitudine (figura III.11). Sunt folosite diferite materiale:

LiNbO3, polimeri. Se remarcLiNbO3care prezintcea mai mare variaie a indicelui optic cu cmpulelectric.Un modulator extern oprete lumina funcionnd ca un obturator acionat electric. Ca dispozitive

analogice modulatoarele externe permit cantitii de lumincare este lsats treac svarieze de la oanumitcantitate maxim(PMAX) la o anumitcantitate minim(PMIN).


12/14

Fig.III.11. Modulator Mach-Zender

Semnalul optic este divizat ndoupri egale

Intrare optic

Polarizare iintrare RF

Modulaia de fazasemnalului optic ntr-un bra

Prin combinarea celor dousemnale optice, modulaiade fazeste convertitnmodulaie n intensitate

Ieire optic

Popt

V olariz

Modulatoare n Amplitudine i fazcu Litiu-Niobat

Popularitatea niobatului de litiu (LiNbO3) ca material folosit n modulatoarele externe sedatoreazpierderilor optice mici i coeficientului electro-optic ridicat. Acest coeficient se referla efectul

Fig.III.12. Caracteristica de zgomot n cazul modulaiilor interni extern

Caracteristicadezg

omot(dB)

modulaie direct

modulaie extern

Puterea laserului mW

electro-optic care apare n anumite materiale cum ar fi niobatul de litiu, n care indicele de refracie almaterialului se schimbatunci cnd se aplicun cmp electric asupra materialului. Indicele de refracie almaterialului determinlumina scltoreascla o vitezinvers proporionalcu el. Astfel, dacam puteacrete dintr-o datindicele de refracie al unui material, am putea ncetini raza de lumini viceversa.

Figura III.13 prezintdiagrama bloc a unui modulator extern tipic cu LiNbO3. Raza de luminincident ptrunde n modulatorul extern prin fibra de intrare. Lumina este mai nti mprit n doufibre folosind un splitter optic. Fibra de sus traverseazo poriune de cristal de LiNbO3. Lumina din fibrade jos va suferi o ntrziere fix. Dupce lumina traverseazcristalul de litiu-niobat i lungimea fixdefibr, un combiner optic unete cele douci. Lumina cltorete prin douci identice ca lungime fizic.


13/14

Fig.III.13. Modulator optic cu LiNbO3tipic

Cmpelectricaplicat

LitiuNiobat

Intrareoptic

Spliter Sumator(Combiner)

ntrziere fix

ntrziere variabil

Interferenconstructiv/destructiv

Lumin

Lumin

Prin aplicarea unui cmp electric materialului, indicele su de refracie se schimb. Putem vedea

acum cdacntrzierile prin fibra de lungime fixi prin cristalul de LiNbO3sunt egale, lumina va fi nfazcnd va ajunge la combiner-ul optic de ieire. Datoritnaturii luminii se observcdin moment celumina din cele dou ramuri este n faz, cele dou raze se vor aduna n mod constructiv pentru adetermina lumina maximposibilla ieire.

Indicele de refracie i viteza luminii se vor schimba dupcum variaztensiunea electricaplicat.Dacviteza se schimb suficient de mult nct s ntrzie lumina cu jumtate dintr-o lungime a sa deund, la cuplorul de ieire lumina de pe ramura cu litiu-niobat va fi n opoziie de fazcu cea de pe laturacu ntrziere fix. Lumina rezultant se va forma destructiv, producnd un minim de ieire posibil (ncazul ideal lipsa totala luminii).

Figura III.14 ilustreazcel mai simplu tip de modulator extern, modulatorul de faz. Modulatorulde faz are o singur intrare optic, o singur ieire optic i doi electrozi n jurul ghidului de und.Electrodul de jos este mpmntat n timp ce electrodul de sus este alimentat de la o surs electricexterioar. Dupcum se modifictensiunea aplicatelectrodului de sus, indicele de refracie al ghiduluide undse modifici el n mod corespunztor i alterneazviteza luminii n concordancu cretereasau scderea sa. n timp ce acest dispozitiv moduleaz faza luminii, intensitatea la ieire rmneneschimbat.

Intrare

Ghid de und

VRF Electrozi

Ieire optic

Substratde Litiu-Niobat

Fi .III.14. Modulatorul de fazsim lu

n final prezentm o comparaie ntre cele trei tipuri de modulatoare externe folosite n tehnologiaactual(figura III.15).


14/14

Fig.III.15. Modulatoarele externe de azi

Modulatorul Mach-ZenderIntrareoptic

Modulatorul cu cu lor direc ional

Ieirioptice

IntrareRF

Intrareoptic Ieiri

optice

IntrareRF

Modulatorul cu electro-absorb ie

Laser

IntrareRF

Ieireoptic

-Lime mare de band: pnla 100 GHz-Liniaritate bun-Nu prezintfenomenul de chirp (deviaia lungimii de und)-Dezvoltat i folosit pe scarlarg-Tensiuni mari folosite, deci pierderi mari RF de inserie

-Lime de bandpotenial mare-Nu sunt ncpuse la punct-Liniaritatea nu este la fel de bunca la M-Z-Apare fenomenul de chirp la modulaie-Tensiuni mari folosite, deci pierderi mari RF de inserie

-Lime mare de band: pnla 60 GHz-Integrare uoarcu diodele laser-Extrem de compacte-Sunt folosite tensiuni mici pentru controlul funcionrii-Apare fenomenul de chirp la modulaie

Modulatoare in Comunicatii Optice

Documents

Transcript of Modulatoare in Comunicatii Optice