Modulačné techniky v optickom prenosovom médiu

Modulačné techniky v optickom prenosovom médiu I

20. Máj, 2009, Autor článku: Bartovič Kamil, Elektrotechnika, Študentské práce
Ročník 2, číslo 5 Pridať príspevok

Ľudia už od nepamäti hľadali prostriedky ako sa dorozumievať. Pozorovaním okolitých dejov v prírode sa naučili vnímať ich podstatu, pretvoriť ich, či využiť vo svoj osoh. Iste tomu bolo tak aj pri jednej z najdokonalejších foriem komunikačných systémov, aké dnešný svet pozná. Je to optická komunikácia.

Kvantum informácií v priebehu jednej sekundy, mizivá bitová chybovosť, je to takmer dokonalý, neobmedzený komunikačný kanál, ktorý bude spĺňať požiadavky na nároky stále sa zvyšujúcej prenosovej rýchlosti. Alebo azda má aj svoje hranice, ku ktorým sa pomaly blížime? Je niekde strop, ktorý nás ďalej nepustí? V čom spočívajú obmedzenia? Opýtajme sa inak. Ako tieto problémy riešiť? Jedna z odpovedí: Použime modulácie.

Ako už bolo spomenuté, problematika, ktorú budem rozoberať sa týka modulačných techník. Pojednáva o metódach, ktoré sa využívajú pri optických prenosoch cez optický prenosový kanál, o ich výhodách a nevýhodách, realizáciách, efektívnosti a nasadeniach v systémoch. Optický vlnovod vykazuje nedostatky pri prenosoch s vysokými rýchlosťami, ktoré sa prejavujú znehodnoteným prenosu. Hoci súčasné technologické procesy prispeli k zníženiu týchto nedostatkov, bolo by neekomické prerábať nanovo kompletnú infraštruktúru optickej sieti. Tieto riešenia sú len čiastočné. Preto sa pristupuje k ekonomicky výhodnejším metódam ako sú modulácie.

Modulácie

Modulácia je vo všeobecnosti prispôsobenie prenášaného signálu danému prenosovému kanálu. Digitálna modulácia je proces vtláčania digitálnych symbolov do signálu vhodného pre prenos cez komunikačný kanál. Digitálne modulácie všeobecne, ale aj v optickom prostredí, môžeme rozdeliť na 2 základné skupiny:

Modulácie v základnom pásme
Modulácie v preloženom pásme

Modulácie v základom pásme sú modulácie, ktoré sa využívajú pri prenosoch na relatívne krátku vzdialenosť. V týchto moduláciách sa využívajú linkové kódy. Známe sú unipolárne a bipolárne signály. Nakoľko záporné svetlo nie je technicky možné zrealizovať, budeme uvažovať len unipolárne signály. Všeobecne sa dajú linkové signály deliť na:

NRZ (non return to zero)
RZ (return to zero)
odvodená CSRZ (Carrier-Suppressed Return-to-Zero)

Obr.1 Linkové kódy

Modulácie v preloženom pásme sú modulácie využívané na diaľkových alebo vzdušných prenosoch. Sú taktiež nazývané nosné modulácie (carrier modulation). Pri týchto moduláciách sa využíva samotná postupnosť digitálnych symbolov na ovplyvnenie a tým samotné zdeterminizovanie parametrov stochastického vysokofrekvenčného harmonického (sínusového) signálu. Tento nosný signál má 3 základné parameter, ktoré moduláciami ovplyvňujeme:

fáza
frekvencia
amplitúda

Moduláciou sa dosahuje zmena základných parametrov. Vo všeobecnosti hovoríme potom o modulácii:

FSK (frequency shift keying)
PSK (phase shift keying)
ASK-OOK( amplitude shift {on/off } keying)

Optické systémy môžeme rozdeliť z hľadiska modulácie na:

koherentné
nekoherentné (on/off keying) [1]

Cieľom týchto systémov (koheren./nekoheren.) je zvyšovanie prenosovej kapacity média. Zistilo sa, že maximálna prenosová rýchlosť pri on/off modulácii je približne 10 GB/s. Preto sa začína pristupovať ku koherentným systémom, ktoré využívajú viacstavovú moduláciu (FSK, PSK, ASK ).[2]

Faktory limitujúce prenos

Pri použití ľubovolnej modulačnej techniky musíme mať na zreteli faktory, ktoré nejakým spôsobom limitujú prenos. Limitujú v zmysle zhoršenia vlastností prenosového média. V našom prípade optického vlnovodu. Sú to napr.:

tlmenie, disperzia, polarizačná módová disperzia
nelineárne efekty: Brillouinov rozptyl, vlastná fázová modulácia – (SPM – self phase modulation) Ramanov rozptyl, štvorvlnové zmiešavanie[3]

V skratke si priblížime dva primárne faktory, ktorých vplyv sa najviac prejavuje pri optických prenosoch.

Tlmenie

Optické žiarenie pri prechode optickým vláknom stráca energiu, teda je tlmené. Veľkosť strát vo vlákne závisí okrem iného i od prenášanej optickej dĺžky žiarenia. Tlmenie v kremennom skle je zapríčinené rozptylom, absorpciou a ohybom. Celkový koeficient tlmenia $\alpha$ sa vypočíta zo súčtu jednotlivých prispievateľov:

$\alpha=\alpha_s+\alpha_a+\alpha_b \hspace{5 mm} [dB]$

(1)

kde $\alpha_s$ je koeficient strát spôsobený rozptylom, $\alpha_a$ je koeficient tlmenia spôsobený absorpciou hydroxylových OH iónov a $\alpha_b$ koeficient tlmenia spôsobený ohybom.

Disperzia

Ak sa impulz šíri vláknom dôsledkom disperzie sa časovo rozšíri a na konci vlákna sa jednotlivé impulzy začínajú zlievať, vzniká medzisymbolová interferencia (ISI). Disperzia pozostáva z dvoch hlavných zložiek: módová disperzia a chromatická disperzia, tie sa následne ďalej špecifikujú. Všeobecne sa disperzia udáva pre optické vlákno v jednotke: ps/(nm.km) [4]

Pokračovanie nájdete v zajtrajšom článku internetového časopisu Posterus.SK

Literatúra

Fuqin XIONG, Digital Modulation Techniques kap. 2. Baseband modulation, str. 17 ~ 85, 2000
40G Transmission in DWDM Long-Haul Networks:
http://downloads.lightreading.com/wplib/siemens/40G_Transmission_DWDM.pdf
40Gb/s in metro and regional optical networking:
http://www.terena.org/events/tnc2006/core/getfile.php?file_id=707
Jozef Magdolen, Základy prenosu optickými vláknami, kap 4.1.4 str.45, 1996
Investigation of 80 Gbit/s signal transmission with carrier-suppressedreturn-to-zero signal format:
http://www.ee.ucl.ac.uk/lcs/prog01/LCS074.pdf
Jin Wang,Performance Evaluation of DPSK Optical Fiber Communication Systems:
https://inst.eecs.berkeley.edu/~ee290f/sp04/DissertationTalk.ppt April 22, 2004
Duobinary Modulation For Optical Systems:
http://www.inphicorp.com/products/whitepapers/DuobinaryModulationForOpticalSystems.pdf

Práca bola prednesená v súťaži ŠVOČ 2009 na FEI STU Bratislava v sekcií Telekomunikácie. Vedenie práce zabezpečil doc. Ing. Rastislav Róka, PhD. Práca získala cenu IEEE.

Napísať príspevok

Rubriky

Category Order could not understand your category HTML. Please do the following:

Disable all plugins except for category order to see if some other plugin is causing the problem. If the problem goes away, re-enable each plugin until you find the incompatible one.
Try switching to a different theme, like the WordPress default theme.

Once you have tried the above steps, email david@coppit.org with the results of these debugging steps. Also include the following information:

Original HTML:
<li class="cat-item cat-item-34"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=34" >Elektrotechnika</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-54"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=54" >Humanitné vedy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-6"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=6" >Informácie pre autorov</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-15"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=15" >Informačné technológie</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-7"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=7" >MATLAB/Comsol</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-17"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=17" >Medicína</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-1"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=1" >Nezaradené</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-5"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=5" >O webe</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-36"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=36" >Oznamy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-22"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=22" >Prírodné vedy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-23"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=23" >Strojárstvo</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-35"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=35" >Študentské práce</a>
</li>

Processed HTML:
<li class="cat-item cat-item-34"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=34" >Elektrotechnika</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-54"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=54" >Humanitné vedy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-6"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=6" >Informácie pre autorov</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-15"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=15" >Informačné technológie</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-7"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=7" >MATLAB/Comsol</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-17"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=17" >Medicína</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-1"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=1" >Nezaradené</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-5"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=5" >O webe</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-36"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=36" >Oznamy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-22"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=22" >Prírodné vedy</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-23"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=23" >Strojárstvo</a>
</li>
<li class="cat-item cat-item-35"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=35" >Študentské práce</a>
</li>

Category pattern:
/http\:\/\/www\.posterus\.sk\/\?cat\=(\d+)/

Items:
Array
(
    [0] => <li class="cat-item cat-item-34"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=34" >Elektrotechnika</a> </li>
    [1] => <li class="cat-item cat-item-54"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=54" >Humanitné vedy</a> </li>
    [2] => <li class="cat-item cat-item-6"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=6" >Informácie pre autorov</a> </li>
    [3] => <li class="cat-item cat-item-15"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=15" >Informačné technológie</a> </li>
    [4] => <li class="cat-item cat-item-7"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=7" >MATLAB/Comsol</a> </li>
    [5] => <li class="cat-item cat-item-17"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=17" >Medicína</a> </li>
    [6] => <li class="cat-item cat-item-1"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=1" >Nezaradené</a> </li>
    [7] => <li class="cat-item cat-item-5"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=5" >O webe</a> </li>
    [8] => <li class="cat-item cat-item-36"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=36" >Oznamy</a> </li>
    [9] => <li class="cat-item cat-item-22"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=22" >Prírodné vedy</a> </li>
    [10] => <li class="cat-item cat-item-23"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=23" >Strojárstvo</a> </li>
    [11] => <li class="cat-item cat-item-35"><a href="https://www.posterus.sk/?cat=35" >Študentské práce</a> </li>
)