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DIFFERENZE TRA SISTEMI DI TRASMISSIONE OTTICI E
SISTEMI DI TRASMISSIONE ELETTRICI
Descriviamo brevemente le differenze esistenti tra un collegamento di sistemi in fibra ottica e di
sistemi di trasmissione elettrici.
Le fibre ottiche utilizzano un altissimo “range” di frequenza (100-1000 THz) che richiede una
tecnologia specifica, che abbiamo già descritto nel capitolo che riguarda i componenti ottici attivi.
La luce prodotta dalle attuali sorgenti ottiche è di tipo incoerente ed ha un carattere di tipo random
simile ad un rumore con uno spettro più o meno limitato, per cui non possiamo considerare la
singola frequenza e modularla. Per questo motivo l’unico parametro della luce oggi modulabile è la
sua intensità (o potenza ottica).
Il parametro caratteristico da considerare per determinare la qualità di un collegamento ottico è
l’attenuazione che, come già detto in precedenza, è causata dall’assorbimento e dalla diffusione.
La conseguenza dell’ attenuazione del flusso luminoso è la riduzione del rapporto segnale-rumore
disponibile al ricevitore, mentre la conseguenza della dispersione è una riduzione della larghezza di
banda disponibile a causa dell’allargamento degli impulsi.
Il modello in banda base di un collegamento in fibra ottica di tipo punto-punto può essere
rappresentato dal seguente schema a blocchi:
Il circuito pilota, che agisce sul diodo laser, modula opportunamente l’impulso generato dal laser;
tale impulso viene inviato nella fibra che è caratterizzata da una funzione di trasferimento H(f) ( le
cui caratteristiche sono state descritte in precedenza ). Quindi abbiamo un fotorivelatore che
converte il segnale ottico in segnale elettrico, introducendo anche rumore. In ricezione si ha un
amplificatore più un convertitore che amplificano e convertono il segnale elettrico in ottico.
Il segnale che viaggia in fibra può essere sia analogico che numerico: oggi la maggior parte dei
segnali che viaggiano in fibra sono numerici; ma spesso vengono inviati in fibra anche segnali
analogici a larga banda (per esempio i segnali televisivi).
Nella trasmissione analogica viene utilizzata la Modulazione di Intensità (IM), in cui
la potenza ottica varia in modo continuo, proporzionalmente al segnale elettrico, come una classica
modulazione AM. Gli inconvenienti della IM sono due:
- Il comportamento poco lineare dei trasduttori genera intermodulazione
- L’informazione analogica in ricezione risente dell’effetto del rumore
Nella figura (a) si analizza il caso di semplice modulazione IM.
In ingresso abbiamo il segnale in banda base che varia nel tempo in maniera continua ed il
trasduttore elettro-ottico che modula il nostro segnale con IM, per cui il flusso luminoso varia con
una legge che è proprio quella del segnale che vogliamo trasmettere.
Nella figura (b) si analizza un tipo di modulazione mista FM-IM.
Il segnale in banda base viene inizialmente inviato in ingresso ad un modulatore FM; il segnale in
uscita viene, quindi, inviato al trasduttore elettro-ottico che effettua la modulazione di intensità.
Il terzo caso, analizzato nella figura (c), è quello in cui si effettua una modulazione del tipo
PPM-IM o PFM-IM (modulazione impulsiva in posizione). In pratica l’intensità del segnale è legata
alla distanza degli impulsi che sono il risultato della modulazione; nel caso in cui non si trasmette
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alcun segnale gli impulsi luminosi vengono trasmessi tutti alla stessa distanza; se abbiamo un
segnale in cui aumenta l’intensità, gli impulsi luminosi vengono trasmessi a distanza minore,
viceversa la distanza tra gli impulsi aumenta al diminuire dell’intensità del segnale.
Abbiamo già detto che la trasmissione più utilizzata oggi è la trasmissione numerica che presenta le
seguenti caratteristiche:
- Il segnale elettrico deve essere unipolare (possiamo trasmettere solo flussi luminosi positivi)
- Il modo binario è preferito al modo m-ario(modulazione di tipo ON-OFF).
- Un alto contenuto dell’informazione di temporizzazione è indispensabile per la sincronizzazione
del ricevitore.
- L’economia di banda è meno critica che nelle linee numeriche tradizionali: ricordiamo che la
conversione di un canale analogico di 4 KHz in canale PCM determina un allargamento di banda
che va da 32 a 64 KHz.
- La presenza della componente continua nel segnale non presenta problemi.
Nello schema seguente mettiamo in evidenza alcune tecniche di codifica dei segnali luminosi
numerici in fibra.
In figura (a) abbiamo la tecnica NRZ (non ritorno a zero) di tipo unipolare, in cui la presenza di un
impulso luminoso significa presenza di un bit uno, l’assenza di luce indica bit zero.
In figura (b) abbiamo la tecnica CMI, in cui in presenza di bit 0 si ha per metà tempo assenza di
impulso e per l’altra metà presenza di impulso luminoso, mentre in presenza di bit 1 si ha per il
primo bit presenza totale di impulso luminoso, mentre per il secondo bit 1 assenza totale di impulso
luminoso, e così alternativamente per i successivi bit 1.
In figura (c) abbiamo la tecnica MCMI, in cui quando si ha una lunga sequenza di 0 o di 1 si
utilizza una tecnica detta HDB3, in cui si codifica con +1 una sequenza 11, con 0 una sequenza 01 e
con -1 una sequenza 00.
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Il parametro che ci da la precisione di un collegamento in fibra ottica è la probabilità di errore che
dipende da:
- Rumore (quantico e termico).
- Interferenza intersimbolica causata dalla dispersione prodotta dalla fibra.
Se si vuole effettuare un progetto di un collegamento in fibra ottica di tipo punto-punto bisogna
tenere conto dei seguenti parametri di progetto:
- Frequenza di cifra (per esempio un collegamento a 2.5 Gbit/s);
- Lunghezza del collegamento;
- Probabilità di errore accettabile (es. 10-9); ovviamente tanto maggiore è il bit-rate tanto minore
deve essere la probabilità d’errore;
Lo scopo del progetto è quello di massimizzare il passo di rigenerazione noti i parametri prima
citati.
L’ideale sarebbe di non dover inserire amplificatori rigeneratori lungo il collegamento: ma e
seconda dei parametri da soddisfare tale scelta potrebbe essere obbligata!
La distanza fra i rigeneratori è determinata da:
- Potenza ottica media lanciata in fibra (potenza del diodo laser all’ingresso della fibra);
- Attenuazione e dispersione della fibra;
- Larghezza spettrale della sorgente;
- Sensibilità del ricevitore (minima potenza in ricezione che mi garantisce una certa probabilità di
errore).
Per calcolare il passo di rigenerazione posso effettuare un bilancio energetico:
se Aomax è l’attenuazione massima tollerabile, cioè il rapporto della potenza ottica del trasmettitore
e della minima potenza ottica in ricezione, deve essere:
ΣAi < Aomax
dove ΣAi è la somma di tutte le attenuazioni tra trasmettitore e ricevitore.
L’attenuazione totale della sezione di rigenerazione tra trasmettitore e ricevitore è:
AT=Afo+Aconn+Ag+As ( dB )
Dove:
Afo = attenuazione delle diverse pezzature di fibra della sezione
Aconn = attenuazione dei connettori
Ag = attenuazione dei giunti
As = attenuazione supplementare (per cablaggio e manutenzione)
Indicando con:
- αf = attenuazione chilometrica della fibra (dB/km)
- l = lunghezza della fibra
- αc = attenuazione del connettore (dB)
- y = n. di connettori in una sezione ( in genere 2)
- αg = attenuazione del giunto (dB)
- n = numero di giunti in una sezione; se lpè la lunghezza della pezzatura, sarà n=l/lp
- M = margine di manutenzione (in dB/km)
Si ottiene che
ΑΤ= αfl + αgn + αcy + Ml (dB)
Indicando con:
PT= livello di potenza medio in trasmissione
Sric= sensibilità del ricevitore alla frequenza di cifra (in dBm)
Mapp= margine di costruzione ed invecchiamento apparati
Il bilancio energetico dà:
PT-Sric= AT+ Mapp
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Da cui, sostituendo l’espressione di AT, si ha che la massima lunghezza l del nostro collegamento
affinché siano rispettati tutti i parametri di progetto è:
E’ logico che nel caso in cui tale l calcolata risultasse minore della distanza da coprire bisogna
mettere un rigeneratore di segnale!
Per elevate frequenze di cifra, la dispersione causa IIS, limitando la larghezza di banda disponibile
delle fibre monomodali; si ha che:
0,44
BT =
MHz
∆λ ⋅ σc ⋅ l ⋅ 10^-6
da cui si determina la lunghezza massima del collegamento.
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