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1 Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Prof. Alberto Bononi.

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1 1 Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Università di Parma Dipartimento di Ingegneria dellInformazione Prof. Alberto Bononi Una panoramica sulle comunicazioni digitali su fibra ottica ITIS L. da Vinci, Parma 18/05/2007

2 2 Obiettivo Didattico Ripassare alcuni concetti di base di TLC del IV e V anno (ITIS) vedendo come si concretizzano nei sistemi di trasmissione su fibra ottica.

3 3 Sommario ArgomentoDenominazione ITISCorso Ingegneria TLC Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Analisi dei SegnaliTeoria dei Segnali B Ripasso: fibre otticheMezzi trasmissiviPropagazione guidata Le reti di TLC e la fibra ottica Internet, communtazione, multiplexing Reti di TLC A, B Trasmissione numerica su fibra ottica Elaborazione numerica Modulazioni Numeriche Teoria dei segnali A, B Trasmissione numerica Ripasso: principi di trasmissione numerica Comunicazioni ottiche A, B

4 4 Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: principi di trasmissione numerica Sommario Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: le fibre ottiche

5 5 dove Fourier e risposta in frequenza Tt x(t) Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier: cos( ) sin( ) Re Im e j =cos( )+j sin( ) Formula di Eulero

6 6 Usando la formula di Eulero:fasore possiamo semplificare la scrittura: dove Fourier e risposta in frequenza Tt x(t) Sapete che su un intervallo T è possibile approssimare una qualunque funzione del tempo x(t) come somma pesata di sinusoidi, secondo il Teorema di Fourier: Ecco perché si usano i fasori e i numeri complessi: per fare simultaneamente i conti per la parte dei seni e quella dei coseni reali complessi

7 7 Ma esistono infinite altre decomposizioni di x(t) sullintervallo T. Per esempio, la serie di Taylor: dove Mentre per Fourier le funzioni di base sono i fasori in Taylor esse sono i polinomi. Altro esempio è la decomposizione sulla base delle wavelet, usata nel trattamento delle immagini. dove sono dette funzioni di base. In generale, per una generica decomposizione avremo

8 8 Perché la vasta maggioranza dei sistemi fisici con cui abbiamo a che fare sono LINEARI tempo invarianti (LTI). Tali sono per esempio i dispositivi elettronici analogici, le linee di trasmissione ed in generale i canali di comunicazione (quando le potenze in gioco non sono grandi). Ma tali sono anche gli strumenti musicali, i sistemi idraulici, quelli meccanici Se diciamo luscita del sistema quando lingresso è x(t), allora è lineare se e più in generale se Perché si usa Fourier? sovrapposizione degli effetti

9 9 Le sinusoidi sono spesso il modo naturale di rispondere dei sistemi lineari a bruschi stimoli esterni (es: pizzicate una chitarra; chiudete bruscamente il rubinetto dellacqua; prendete una buca con la vostra auto: tutte le vibrazioni sono misture di sinusoidi....) Ciò che rende Fourier fondamentale per lanalisi dei sistemi LTI è che i fasori sono le uniche funzioni che se lingresso è un fasore......luscita è lo stesso fasore, moltiplicato per una costante complessa H (che dipende dalla frequenza ) H( ) si chiama RISPOSTA IN FREQUENZA del sistema. Di H si da normalmente un grafico dellampiezza e uno della fase

10 10 I coeff. di Fourier delluscita si ottengono come il prodotto di quelli dellingresso per la risposta in frequenza, valutata per ognuna delle sinusoidi di ingresso. Dunque per la linearità 0 ossia l uscita è ] Questa operazione si interpreta come filtraggio cioè modifica selettiva delle componenti armoniche del segnale di ingresso

11 11 Es: Corrente e tensione ai capi di un condensatore sono legati dalla relazione lineare Possiamo vedere questo come un sistema LTI : Se dunque e dunque allora linverso dellimpedenza del Condensatore Questa costante deve dunque essere la risposta in frequenza!

12 12 Es: filtro RC i f/(1/2 RC) |H| [dB] f/(1/2 RC) fase di H [gradi] Banda a 3 dB

13 13 Es: Linea di ritardo Delay

14 14 Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: principi di trasmissione numerica Sommario Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: le fibre ottiche

15 15 Cosè la fibra ottica? E un filo di vetro che serve per guidare la luce

16 16 Inciso: la Luce La LUCE è un insieme di onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio, ciascuna caratterizzata dalla propria ampiezza e lunghezza donda. Lunghezza donda Ampiezza

17 17 Onde Elettromagnetiche

18 18 - Se la luce è composta da una sola onda, si chama luce monocromatica o luce coerente (es: quella emessa da un LASER ideale) -Più in generale la luce è composta da più onde sovrapposte (luce policromatica) ed è usuale dare in grafico la lunghezza donda e lampiezza delle onde costituenti la luce: SPETTRO Lunghezza donda Ampiezza Fine inciso

19 19 Aria Vetro Principi fisici: Rifrazione I raggi di luce entrando in un mezzo più denso rallentano e si avvicinano alla perpendicolare al piano di contatto Riflesso n1=1 n2=1.4 Indice di rifrazione n = Velocità della luce nel vuoto Velocità della luce nel mezzo Rifratto

20 20 Aria Vetro Dispersione Cromatica Il vetro appare più denso a lunghezze donda più corte (blu), che dunque sono più lente di quelle lunghe (rosso). Questa variazione della velocità delle onde a seconda del colore si chiama Dispersione Cromatica. Se dunque luce bianca (= somma di tutti i colori) incide sul vetro i vari colori (=lunghezze donda) si aprono ad angoli differenti.

21 21 Principi fisici: Riflessione totale Aria Vetro angolo critico

22 22 vetro Aria Cladding (meno denso del core) vetro Core Propagazione per riflessione totale

23 23 Nella fibra Multimodo tanti raggi (=modi) seguono cammini differenti raggio diretto raggio riflesso Il segnale viaggia in parallelo sui vari modi, con ritardi differenti dispersione modale: limita la velocità di trasmissione dei bit Fibra Multimodo (MMF) |H| [dB] Banda a 3 dB 123 frequenza Delay raggio diretto raggio riflesso

24 24 Soluzione: core + piccolo fibra Singolo-modo (SMF): solo raggio diretto Fibra Singolo-modo (SMF) Ma la fibra SMF non è in verità un canale perfetto !

25 25 Quanto attenua la fibra? fibra 1 km laser ( ) Potenza ricevuta visible infrarosso

26 26 m) atten m finestra a bassa attenuazione di circa 30 Teraherz ! fibra è un canale passabanda centrato a frequenze altissime atten. f=c/ z z grandi corrispondono a piccole f e viceversa, dunque f cresce in qui Comè il grafico della attenuazione in funzione della frequenza f=c/ |H(f)| f=c/ z z

27 27 Confronto con altri Conduttori Loss 0.2

28 28 Vantaggi della fibra Larghissima Banda Bassissima Attenuazione Non è un conduttore Immune alle interferenze elettro-magnetiche Piccolo diametro e leggerezza Fatta in silice (sabbia) costo materiale più basso del rame

29 29 Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: principi di trasmissione numerica Sommario Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: le fibre ottiche

30 30 Dove sono oggi le fibre ottiche? Tutte le linee interurbane Telecom (dorsale a lunga distanza) Fibre della Società autostrade (cablaggio parallelo alle autostrade) Fibre di FFSS (cablaggio a fianco dei binari) e poi ancora: Fibre di Enel+France Telecom (Wind) (accanto ai fili dellalta tensione) e ancora: cablaggio metropolitano A PR Fibre Amps+British Telecom (Albacom) (lungo i condotti del gas); Fibre Fastweb a Mi, To,.....

31 31 Dove sono le fibre ottiche? Rete globale sottomarina intorno al 2000 (Source:G. Agrawal )

32 32 Cosa ha scatenato questa enorme richiesta di fibra? Internet + Liberalizzazioni in TLC

33 33 Rete in fibra FFSS Come Funziona Internet ? Rete in fibra Telecom Rete in fibra Wind BA MI TO NA VE...affitta delle linee dedicate da una (o più) delle reti telefoniche in fibra. Tali linee sono telefonate aperte per tutto il tempo di affitto....col patto di lasciar transitare pacchetti altrui ma con la ricompensa che i propri pacchetti possono raggiungere qualunque utente in questa rete di reti, cioè internet. Un consorzio di Service Providers (SP) essi costriscono una Rete Virtuale logicamente separata dalle reti fisiche da cui affittano le linee. Interconnettendo queste linee con dei commutatori a pacchetto (Router)... La rete si connette con altre reti simili...

34 34 Come Cresce Internet ? Rete in fibra Telecom Rete in fibra Wind Rete in fibra FFSS BA MI TO NA VE Gli utenti si collegano al SP più vicino al costo di una chiamata urbana, ma possono trasmettere su tutta internet (in tutto il mondo), pagando solo per il volume di pacchetti inviato/ricevuto dalla rete, e non per il tempo di connessione o la distanza della chiamata.

35 35 Come è fatta la rete telefonica ? BA MI TO NA VE E una rete MAGLIATA come Internet. I router qui si chiamano CENTRALI DI COMMUTAZIONE. I collegamenti tra centrali (in rosso) costituiscono la RETE DI TRASPORTO e sono in fibra. I collegamenti tra centrale ed utenti (giallo) costituiscono la RETE DI ACCESSO, e sono invece ancora per la maggior parte composti da conduttori in rame. La differenza fondamentale da Internet è che nella rete telefonica un utente paga la chamata per tutta la durata del collegamento, anche se (almeno in media) per la metà del tempo ascolta e non parla. La tariffazione è a tempo, e dipende dalla distanza dal chiamato. E improponibile per traffico dati tra compter, in cui la trasmissione va a impulsi, ed il canale è in media utilizzato per meno del 5 % del tempo.

36 36 La Multiplazione E la soluzione per ridurre il numero di cavi in una rete telefonica Mixer Palco Mixer Multiplexer De-mux TDM FDM...

37 37 Frequency Division Multiplexing (FDM) E la multiplazione standard nei canali radio, e fu la prima forma di multiplazione sui cavi telefonici tra centrali (telefonia analogica). cos( 1 t) s 1 (t) cos( 3 t) s 3 (t)

38 38 Time Division Multiplexing (TDM) E la multiplazione standard nella telefonia digitale (PCM = pulse coded modulation)

39 39 Time Division Multiplexing (TDM) 2 Via via che si raccolgono più flussi base, li si possono ulteriormente aggregare per formare una trama TDM a bit rate più elevato....

40 40 Time Division Multiplexing (TDM) 3...fino a che i flussi aggregati da diverse zone arrivano al commutatore (la CENTRALE) per poter essere instradati verso le linee (urbane o extraurbane) desiderate.

41 41 E su fibra che MUX si fa? Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....) Laser Fibra Mux Dmux (prisma) cos( 1 t) s 1 (t) cos( k t) s 1 (t)

42 42 E su fibra che MUX si fa? Wavelength Division Multiplexing (WDM) (è essenzialmente un FDM....) Laser Fibra Mux Dmux (prisma) WDM

43 43 Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: principi di trasmissione numerica Sommario Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: le fibre ottiche

44 tempo Modulazione ON/OFF (OOK) con impulsi NRZ Segnale elettrico (informazione) Sorgente luminosa fotodiodo Segnale elettrico Amplificatore ottico Fibra ottica Convertitore luce-corrente Trasmissione numerica su fibra ottica

45 45 (Si) 0.85 segnale elettrico modula la corrente di bias del LED spettro largo (20 nm) (Anni 75-80) 1° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<1 Mb/s ) dalla lentezza di modulazione del LED Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Sorgente luminosa LED APD Fibra MMF Avalanche photodiode I I

46 46 (Anni 80-85) (InGaAsP) 2° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<100 Mb/s su distanze L=10 km) dalla dispersione modale nelle MMF Evoluzione dei sistemi OOK su fibra segnale elettrico modula la corrente di bias del FP 1.3 spettro a righe (2 nm) Sorgente luminosa Laser FP APD Fibra MMF Avalanche photodiode I I La dispersione cromatica è minima a 1.3 m

47 47 Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Ripetitore RRRRRRRR FP Per trasmettere più lontano bisognava rigenerare il segnale digitale: Ma i ripetitori costano! Preferiremmo metterne meno, spaziandoli di più.... APDFP ripetitore L=10km bit decisi rigenerazione elettrica APDFP ripetitore L=10km bit decisi

48 48 Evoluzione dei sistemi OOK su fibra Fu così che si passò alle fibre a singolo modo (SMF), che eliminano la dispersione modale e permettono di andar più lontano, anche se sono più difficili da connettere sia con il laser, sia tra loro (giuntatura, in figura)

49 49 Sorgente luminosa Laser FP APD Fibra SMF Avalanche photodiode 1.3 I spettro a righe (2 nm) (Anni 85-90) 2° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s su distanze L=50 km) dalla dispersione cromatica residua a causa delle righe multiple del FP Evoluzione dei sistemi OOK su fibra segnale elettrico modula la corrente di bias del FP I

50 50 Sorgente luminosa Laser DFB APD Fibra SMF Avalanche photodiode I (Anni 90-95) 3° finestra di trasmissione Bit rate limitato ( R<2.5 Gb/s su distanze L=100 km) dalla dispersione cromatica Evoluzione dei sistemi OOK su fibra 1.55 spettro a 1 riga I segnale elettrico modula esternamente il laser DFB opaco / trasparente

51 51 Evoluzione dei sistemi OOK su fibra 1 2 m optical mux 1 2 m optical demux 1 2. m optical fiber (Anni 90-95) DFB Per aumentare la capacità dei sistemi ottici si cominciò ad adottare il WDM trasmettendo più canali in parallelo sulla stessa fibra SMF

52 52 Evoluzione dei sistemi OOK su fibra DWDM multiplexer … … R R R R … R R R R … R R R R … R R R R … La trasmissione a lunga distanza era però molto costosa, per il grande numero di ripetitori richiesti: uno per ogni canale su ogni tratta. Ma nel 90 viene inventato e nel 95 diventa commerciale un dispositivo che rivoluziona le comunicazioni ottiche: lamplificatore in fibra drogata (erbium doped fiber amplifier = EDFA)

53 53 EDFA Qui gli ioni di erbio immagazzinano energia da un laser ausiliario (detto di pompa). Quando lEDFA è carico, ogni fotone di segnale entrante crea una valanga di fotoni identici a se stesso sottraendo energia agli ioni di erbio: il segnale si amplifica per emissione stimolata. E un dispositivo passivo (a parte la pompa) potenzialmente a basso costo, capace di amplificare su tutta la terza finestra (1530 nm – 1620 nm: quasi 30 THz di banda !!!).

54 54 R R R R Optical amplifier … …… R R R R OA … … Gli amplificatori ottici EDFA possono amplificare il segnale composito WDM senza dover fare demux e conversione in elettrico per rigenerare i segnali. –Tratte tra rigeneratori > 2000 km –drastica riduzione del numero di rigeneratori e dunque del costo. Oggi si realizzano sistemi long-haul sottomarini senza rigeneratori per tratte fino a oltre km, con 128 canali (e oltre) a R=10 Gb/s con compensazione della dispersione cromatica (standard telecom). Il 40 Gb/s per canale è di prossima installazione. Evoluzione dei sistemi OOK su fibra

55 55 Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB Rack dei laser DFB (fino a 16)

56 56 modulatori esterni Mach Zehnder a 10 Gb/s + Bit Error Rate Tester (BERT) per modulare OOK e misurare il tasso derrore (bit error rate BER) su ciascun canale WDM. Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB

57 57 Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB WDM multiplexer/ demultiplexer

58 58 Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB Rack amplificatori ottici in fibra EDFA

59 59 Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA) per reti ottiche metropolitane

60 60 Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche R R R R … …… R R R R OA … … 1 m DFB 400 km di fibra speciale per trasmissione sottomarina...più vari altri tipi di fibra per TLC

61 61 R R R R Optical amplifier … …… R R R R OA … … Il nostro Laboratorio di Com. Ottiche...e poi abbiamo una grande varietà di componentistica elettronica di supporto alla parte ottica dei sistemi di TLC

62 62 A Parma abbiamo da ben 10 anni un contratto di ricerca con il centro ricerche principale dellazienda leader mondiale delle TLC su fibra ottica: Alcatel-Lucent

63 63 Ripasso: Fourier e risposta in frequenza Ripasso: principi di trasmissione numerica Sommario Le reti di TLC e la fibra ottica Trasmissione numerica su fibra ottica Ripasso: le fibre ottiche

64 Trasmissione Binaria Ideale Anche se il segnale OOK arriva indistorto al campionatore, cè comunque linevitabile rumore del sistema (canale+ricevitore) 10 campionatore rumore tempo di bit T 110 Il tasso derrore (BER) è grande quando è grande la varianza del rumore rispetto alla distanza tra 1 e 0.

65 65 Trasmissione Binaria Reale canale trasmissione campionatore rumore poca distorsione, poco rumore poca distorsione, tanto rumoretanta distorsione, tanto rumore tanta distorsione, poco rumore

66 66 Interferenza Intersimbolica (ISI) Come si misura lISI ?

67 67 i Supponiamo che il blocco (canale+ricevitore) abbia una risposta in frequenza equivalente ad un filtro passabasso RC Esempio 1: Canale passabasso segnale OOK

68 68 f -R 2R R0 -2R Spettro segnale OOK (~Trasf. Fourier del singolo bit, modulo quadro) f/(1/2 RC) |H| [dB] f/(1/2 RC) fase di H [gradi] Banda a 3 dB Per intuire quanta distorsione introduce il filtraggio, si osserva dove sta R rispetto alla banda a 3 dB Risposta in AmpiezzaRisposta in Fase

69 69 3dB Filter BandW = 1*R normalized time t/T Waveform chunks that make the eye Nero: sequenza trasmessa Colore: sequenza ricevuta normalized time t/T Eye Abbiamo così formato il diagramma ad OCCHIO

70 70 3dB Filter BandW = 1*R normalized time t/T Waveform chunks that make the eye Nero: sequenza trasmessa Colore: sequenza ricevuta normalized time t/T Eye Dallocchio si deduce il miglior istante di capionamento, e lammontare dellISI a tale istante. Per filtri con banda maggiore o uguale al bit rate R non ce distorsione apprezzabile e dunque ISI: occhio APERTO

71 71 0B3B f |H| [dB] R Ora dimezziamo la banda del filtro:

72 72 Per filtri con banda fino a R/2 ISI è limitata: poca chiusura occhio

73 73 0B3B f |H| [dB] R dimezziamo ancora la banda del filtro:

74 74 Per filtri con banda

75 75 E dunque un metodo semplice per valutare sperimentalmente, con un oscilloscopio a campionamento, quanto grande è l ISI in un collegamento numerico Il Diagramma ad occhio

76 76 |H(f)| f=c/ z z |H(f)| f=c/ z G z ZOOM R=10 Gb/s Il singolo canale centrato sulla propria portante laser vede un canale piatto in ampiezza non distorce in ampiezza !!! E un canale con risposta in ampiezza: Esempio 2: Fibra SMF

77 77 Canale non distorcente Un canale che, sulla banda del segnale attorno alla portante f 0 è piatto in ampiezza ed ha fase rettilinea, non distorce il segnale La pendenza della retta tangente alla fase in f 0 si chiama ritardo di gruppo g v g = 1/ g è la velocità di gruppo. Quando la velocità di gruppo varia con f (cioè la fase non è rettilinea) il segnale è distorto in fase e si ha dispersione di velocità di gruppo (GVD)

78 78 Fibra SMF Dunque la fibra SMF è un canale con sola distorsione di fase, che in ottica si chiama dispersione cromatica, o GVD. Si può definire una banda equivalente del canale visto dal singolo segnale WDM su fibra SMF come il bit rate massimo al quale gli impulsi raddoppiano la propria larghezza. Le distorsioni di fase provocano in genere un allargamento degli impulsi (i bit della OOK) su ciascun canale WDM. A rigore, non ha senso qui parlare di banda a 3 dB!

79 79 Esempio di occhio distorto dalla dispersione cromatica Esempio di occhio prima della trasmissione su fibra. Oggi la disp. crom. si sa compensare: ecco come si raggiungono distanze transoceaniche.

80 80 Per saperne di più su chi siamo e cosa facciamo :

81 81 Desidero ringraziare il Prof. Canali per linvito a questa presentazione divulgativa, che ha lobiettivo di rafforzare il legame tra Università e ITIS. Ringraziamenti Questo seminario è per noi anche un modo di ringraziare lamico Maurizio Sirocchi per limportante supporto tecnico che ha fornito al nostro laboratorio di ottica.


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