opticke komunikacije by Rodoljub Rodic

SAOBRAĆAJNI FAKULTET TRAVNIK

OPTIČKA VIDLJIVOST SEMINARSKI RAD

Predmet: Optičke komunikacije Mentor:

Student: Muamer Vrtagić Broj indeksa: S-31/I-11

Viši asistent: Mr. Azra Zaimović, dipl. Travnik, novembar 2013.

Sadržaj:

1. UVOD Današnji informatički svijet zavisi od prenosa podataka i multimedijalnog sadržaja preko telekomunikacionih mreža. Iako nove tehnologije omogućavaju efikasniji prijenos informacija preko zastarjelih telefonskih linija, optičke mreže ostaju najbolji medijum za brz i siguran prenos podataka.

Postoje dva različita tipa optičkih komunikacija: jedan je optičkim kablom, a drugi optičkim bežičnim sistemima kojima je osnova Free-space optika. Za razvoj mreža na velikim udaljenostima najbolji su optički kablovi. U kombinaciji sa čestim (gustim) multipleksiranjem po talasnim dužinama (Dense Wavelength Division Multiplex - DWDM ) optički kablovi pružaju 2

mogućnost prenosa brzinom od 40 Gb/s. Medjutim, za konekciju između relativno kratkih distanci u gradovima, „poslednje milje“ između optičkog kabla i većine krajnjih korisnika, optički kablovi i bežična optika se upotpunjuju kako bi se postigao uspjeh.

2. OSNOVNE KARAKTERISTIKE FSO SISTEMA Free space optika je tehnologija koja omogućuje prijenos podataka kroz vazduh. To je bežična optička mreža, zasnovana na korišćenju slobodnog prostora (atmosfere) kao medijuma za prenos i lasera (ili LED dioda) malih snaga kao izvora svjetlosti. Optička vidljivost između primopredajnika je neophodna.

2.1. Princip rada FSO linka

Slika 1. Uprošćen FSO sistem Uprošćen FSO sistem je prikazan na slici 1, dok su optički predajnik i prijemnik detaljnije prikazani na slici.2. U pradajniku, niz bitova u osnovnom opsegu se vodi na ulaz modulatora, koji naizmjenično generiše ili prekida jednosmjernu struju koja napaja lasersku ili LED diodu. Emitovana, modulisana po intenzitetu, svjetlost zatim prolazi kroz sočivo koje oblikuje svjetlost u paralelni snop koji se prenosi atmosferom. Tokom prijenosa svjetlosti kroz atmosferu javlja se osnovno fizičko ograničenje u FSO sistemima prouzrokovano difrakcijom svjetlosti. Naime, svjetlosni zrak koji potiče od izvora koji svjetlost moduliše po intenzitetu se ne može usmjeriti na površinu manju od površine samog izvora. Pored efekata prouzrokovanim atmosferskim procesima, čak i u vakumu, tokom prostiranja svjetlosnog zraka u prostoru javljaja se divergencija ili širenje. Emitovan FSO zrak se transformiše zbog fizičkih procesa koji se javljaju u atmosferi: frekvencijski zavisna absorpcija, rasipanje (disperzija), refrakciona turbulencija, kao i zbog povremenog odstupanja od pravolinijskog usmjerenja predajnika i prijemnika, usljed pomjeranja (torzije i gibanja) zgrada ili objekata na kojima je FSO oprema postavljena. 4

Slika 2. Blok dijagram FSO komunikacionog sistema

Ovi procesi su nestacionarni, što znači da se njihov uticaj na FSO vezu mijenja nepredvidivo. Na drugom kraju FSO veze nalazi se prijemnik. Teleskop skulja i usmjerava dijelove svjetlosnog zraka na fotodetektor, koji pretvara optičke signale u električne signale. Detektovani signal se zatim pojačava i procesira.

2.2. Osnovna ograničenja u FSO sistemima Nestacionarni atmosferski procesi, divergencija, apsorpcija, rasipanje. refrakciona turbulencija i pomijeranje su najveći ograničavajući faktori u FSO sistemima. U nastavku je dat opis svakog procesa. Divergencija 1

Divergencija ili širenje svijetlosti predstavlja povećanje poprečnog prečnika prostirajućeg zraka

sa povećanjem rastojanja. Divergencija određuje koliko će korisne svjetlosne energije prikupiti u prijemniku koji se nalazi na kraju linka. Takođe, određuje i osjetljivost linka na smetnje usljed pomijeranja. Od svih atmosferskih procesa koji izazivaju slabljenje, divergencija je jedini proces koji je nezavistan od prenosnog medijuma, tj. javlja se u vakumu, kao i u vazduhu. Laserski zrak se može okarakterisati kao gotovo koherentni, monohromatski elektromagnetni talas. U predajniku, divergencija zraka se javlja usled difrakcije oko kružnog luka na kraju teleskopa. U praksi, emitovani zrak je u prečniku veći od sočiva u prijemniku i ovo omogućava potrebno poravnanje predajnika i prijemnika i prilikom pomeranja istih.

Apsorpcija Molekuli nekih atmosferskih gasova apsorbuju svjetlosnu energiju, to su prije svega vodena para, ugljen-dioksid (CO2) i metan (prirodni gas – CH4). Postojanje ovih gasova na putanji emitovanog zraka se nepredvidivo mijenja u zavisnosti od vremenskih uslova. Efekti gasova na FSO link su takođe nepredvidivi.

1 http://www.scribd.com/doc/52063844/48702278-Analysis-of-Free-Space-Optics-as-a-Transmission-TechnologyMar05

Rasipanje Još jedan uzrok slabljenja svjetlosnog zraka u atmosferi je rasipanje usled postojanja aerosoli i ostalih čestica. U ovom procesu aerosoli i čestice koje se javljaju usled magle, oblaka i prašine, koje su slične veličine kao talasna dužina zraka, skreću svjetlost sa njenog pravca. Neki od skrenutih delova zraka putuju dužim putem do predajnika i nisu u fazi sa pravim zrakom. Zbog ove vrste interferencije javlja se slabljenje.

Slika 3. Rasipanje svjetlosti Refrakciona turbulencija Na slici 4. je prikazana promena od glatke slojevite strukture atmosfere do turbulentne strukture.

Slika 4. Promena sturkture atmosfere U slojevitom delu prelamanje svjetlosti je predvidivo i konstantno, dok se u turbulentnom delu nepredvidivo mijenja. Male oscilacije temperature u turbulentnom dijelu izazivaju promjene indeksa prelamanja. Jedan od efekata promjenljivog prelamanja svjetlosti je svetlucanje, treperenje ili žmirkanje objekata na horizontu, koje je izazvano proizvoljnim promenama amplitude svjetlosti. Drugi efekat je proizvoljna promena faze svjetlosnih talasa. Refrakciona turbulencija je veoma česta na krovovima gde se zagrevanje površine tokom dana pretvara u emitovanje toplote noću.

2.3. FSO transmisiona formula Transmisiona formula omogućava proračun korisne snage signala prenesene od predajnika do udaljenog prijemnika preko željenog linka. FSO transmisiona formula ima eksponencijalno slabljenje i glasi: A  PR = PT ⋅  r  ⋅ T ⋅ K ⋅ e −σR  At 

(2.1)

PR gde je

PT snaga optičkog signala u prijemniku,

emitovana optička snaga lasera ili LED At

Ar diode,

je površina teleskopskog sočiva prijemnika,

emitovanog zraka na mestu prijemnog sočiva, efikasnost,

je površina poprečnog preseka

je kombinovana predajno-prijemna optička

je koeficijent koja ima vrednost 1 za laserske izvore svjetlosti, a razlomljenu

vrednost za LED diode,

je daljina između predajnika i prijemnika (dužina linka) i

predstavlja empirijski koeficijent slabljenja u atmosferi. Transmisiona formula daje osnovne smjernice u projektovanju FSO sistema. Prilikom izbora izvora svjetlosti potrebno je naći kompromis između dvije vrste izvora (laserski ili LED), njihovih cijena, talasnih dužina i dozvoljenih snaga kako bi bili bezbedni za oko. Količnik površina omogućuje balansiranje između divergencije i neporavnanja primopredajnika. Veća divergencija podrazumeva manju gustinu snage, tj. slabiji signal na prijemniku, ali omogućuje veću toleranciju na pomeranje primopredajnika. Iako je neporavnanje usljed pomjeranja primopredajnika, kao slučajni proces, uračunato u koeficijent slabljenja

, ono se može

At kompenzovati podešavanjem

, tj. kontrolisanjem divergencije. Takođe, dužina linka

eksponentu formule predstavlja projektni zahtev, i njen uticaj na divergenciju implicitno utiče na Ar površinu teleskopskog sočiva prijemnika

. Parametri

primopredajnu opremu. Na kraju, koeficijent slabljenja atmosferskim procesima. Za praktična izračunavanja

su striktno vezani za

sadrži sve efekte slabljenja u

se dobija iz grafika za raličite

vremenske uslove (oblaci, magla, izmaglica) u funkicji talasne dužine. PR Pored računanja snage optičkog signala u prijemniku

, potrebno je procijeniti postojanje šuma

koji se javlja prilikom procesa detekcije signala u prijemniku. Može se pokazati da je odnos PR digitalni signal/šum (digital signal-to-noise ratio - DSNR) proporcionalan sa

preko zbira

Gaussian promenljivih za unutrašni termalni šum detektora i spoljašni šum zračenja

3. IZBOR TALASNIH DUŽINA U narednom dijelu biće razmatran jedan od najbitnijih problema sa ekonomskog apekta, a to je izbor talasne dužine optičkog linka. Postoje nekoliko transmisionih prozora koji skoro da ne izazivaju slabljenja (manje od 0,2 dB/km) u opsegu od 700 nm do10000 nm. Prozori koji se najčešće koriste su 780 nm – 850 nm i 1520 nm – 1600 nm2.

Slika 5. Spektar elektromagnetnih talasa i transmisioni prozori u infracrvenom dijelu spektra Istorijski gledano, najveći broj FSO sistema koristio je talasne dužine u skoro vidljivom infra crvenom spektru (780 nm do 850 nm), najviše zbog dostupnosti izvora svetlosti zasnovanih na efikasnim i pouzdanim poluprovodničkim diodama na ovim talasnim dužinama, kao i zbog cenovne prednosti koju imaju uređaji koji rade na talasnoj dužini od 780 nm, jer se ista dužina koristi i u CD rekorderima. Iako je cena značajan faktor u izboru talasne dužene, moraju se uzeti u obzir i ostali faktori i ograničenja, pre svega u pogledu bezbednosti ljudskog oka. Ostali važni tržišni kriterijumi u izboru talasne dužine uključuju performanse sistema, kao i potencijal za razvoj i skalabilnost sistema. Kada se uzmu u obzir svi ovi faktori, postaje jasno da je pametnije koristiti talasne dužine oko 1550 nm, isto kao i kod komercijalnih kablovskih optičkih komunikacionih sistema. 2 http://www.opticsinfobase.org/jocn/abstract.cfm?uri=jon-2-6-178

3.2. Uticaj talasne dužine na performanse sistema Najznačajniji izazov sa kojima se susreću bežični FSO sistemi nastaje usljed atmosferskog slabljenja, naročito zbog magle. Zbog toga se nameće pitanje da li će atmosfersko slabljenje favorizovati određeni opseg talasnih dužina. Neki od procesa slabljenja koji se javljuju u atmosferi su veoma zavisni od talasne dužine, kao što je Rejlijevo (Rayleigh) rasipanje uljsed molekula vazduha. Slabljenje usljed ovog procesa je znatno veće na kraćim talasnim dužinama, tj. obrnuto je proporcionalno četvrtom stepenu talasne dužine. Međutim, Rejlijevo rasipanje, kao i drugi slični procesi, nisu najznačajniji za slabnjenje u FSO sistemima. Najveće slabljenje je prouzrokovano Mie rasipanjem usljed magle. Zavisnost Mie rasipanja od talasne dužine veoma zavisi od specifične prirode kapljica magle, jer je to rezonantni proces koji je najveći kada je veličina kapljica magle otrilike ista kao i talasna dužina svjetlosti. U izmaglici i slabijoj magli Mie rasipanje generalno rezultuje manjim slabljenjem na većim talasnim dužinama. Ipak, mjerenje slabljenja u uslovima slabe vidljivosti su pokazala da prednost većih talasnih dužina nije uvek primetna.

Slika 6. Slabljenje u zavisnosti od talasne dužine I pored toga, činjenica da sistemi bazirani na talasnoj dužini od 1550 nm omogućuju prijenos 50 puta veće snage favorizuje veće talasne dužine. Podrazumevajući da su svi ostali faktori isti, veća snaga 1550 nanometarskih sistema rezultuje mnogo boljem prodiranju svjetlosti kroz maglu, kao i bolje ponašanje svjetlosti u drugim procesima koji prouzrokuju slabljenje, a koji su nominalno isti za različite talasne dužine. Postoji jedno svojstvo prostiranja talasa koje, na prvi pogled, daje prednost kraćim talasnim dužinama, a to je difrakcija. Prema zakonima o difrakciji, za isti prenosni medijum i za otvor izvora svjetlosti iste veličine, širenje svjetlosti usljed difrakcije je linearno proporcionalno talasnoj dužini. Ovaj princip pokazuje da, izostavljajući ostale efekte širenja svjetlosti i podrazumevajući da su ostali faktori jednaki, svjetlost talasne dužine 780 nm može proizvesti za 6 dB jači intenzitet na prijemniku, nego svjetlost talasne dužine 1550 nm. Ipak, ova prednost se ne može realizovati u praktičnim FSO sistemima, jer se emitovani zrak skoro uvek širi i preko difrakcione granice. Ovakvo širenje zraka omogućuje povećanje tolerancije na pomijeranja primopredajnika3. Do sada je razmatrana samo predajna strana FSO linka, tj. predajnik, ali se u obzir mora uzeti i uticaj talasne dužine na prijemnoj strani, posebno na fotodiodu u prijemniku. Generalno, visokokvalitetne fotodiode imaju sličnu efikasnost na 780 nm i 1550 nm talasne dužine. Pošto je za detektovanje impulsa potreban određeni broj fotona i pošto znamo da foton talasne dužine 1550 nm ima duplo manje energije od fotona talasne dužine 780 nm, proizilazi da, za isti šum pretpojačavača, optički impuls talasne dužine 1550 nm može da se detektuje sa otprilike 3 dB manje snage. Talasna dužina od 10000 nm je relativno nova u komercijalnim FSO sistemima i razvijena je usled nekih tvrdnji da poseduje bolje prenosne karakteristike u uslovima magle. O tim, navodno boljim, prenosnim karakteristikama se još uvijek vode debate, zato što veoma zavise od vrste i trajanja magle. Nedostatak ove talasne dužine je što svjetlost ne prolazi kroz staklo, pa se ne može koristiti u sistemima koji se projektuju tako da se primopredajnici nalaze iza prozora. 3 http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=896476

Dobra strana slabog prijenosa kroz staklo svjetlosti ove talasne dužine je da se emitovana svjetlost veoma teško može fokusirati korišćenjem optičkih pomagala (kao što je dvogled) pa je bezbednost povećana

3.3. Uticaj postojeće infrastrukture na izbor talasnih dužina Osim prednosti koje su razmatrane u predhodnom delu, a koje su zasnovane na osnovnim principima fizike, sistemi sa talasnom dužinom od 1550 nm imaju još neke značajne prednosti. Pošto se ova talasna dužina koristi i u optičkim kablovskim mrežama, prateća tehnička infrastruktura za ovu talasnu dužinu je ogromna i stalno raste zahvaljujući milionskim investicijama. Takođe, intenzivna cenovna trka koja karakteriše optičku komunikacionu industriju potvrđuje da će 1550 nanometarski sistemi uvijek moći da se prilagode novim jeftinijim tehnologijama nudeći bolje performanse. Postojeća upotrebljivost ove ogromne komercijalne infrastrukture je ključni faktor koji obezbeđuje da se 1550 nanometarski FSO sistemi stalno razvijaju zajedno sa kablovskim optičkim mrežama. 1550 nanometarske laserske diode koje mogu raditi na 2.5 Gb/s su već široko rasprostranjene, dok se uređaji koji mogu raditi na 10 Gb/s razvijaju. Poređenja radi, najveća bitska brzina komercijalne 785 nanometarske diode je oko 622 Mb/s, sa malim željama da se ta brzina poveća. Takođe, širom rasprostranjene komponente za multipleksiranje po talasnoj dužini (wavelengthdivision multiplexing - WDM) za 1550 nm sisteme stvaraju mogućnost povećanja brzine prenosa. Takve komponente ne postoje za sisteme 780 nm do 850 nm. Na kraju, jedna od očekivanih prednosti 780 nm dioda je mala cena usled velike proizvodnje za CD rekordere. Ovo očekivanje nije opravdano jer je proizvodnja 1550 nm dioda takođe velika. Činjenica je da je moguće napraviti 1550 nm lasersku diodu sa otprilike istom cijenom koštanja po emitovanom 1 mW snage kao i 780 nm diode.

6. ZALJUČAK Poslednjih godina tehnološki napredak u razvoju novih optičkih predajnika i prijemnika je omogućio da se ideja o prenosu optičkim sistemima u slobodnom prostoru praktično realizuje, iako se ideja javila još 60-ih godina prošlog veka. Razvoj ovih sistema podržavala je najviše američka vojska. Ideja je bila da se napravi sistem koji će omogućavati pouzdan prenos velikog broja informacija, a koji će biti teško prisluškivati i ometati. Za te svrhe je veoma pogodno zračenje iz infracrvenog spektra, a naročito značajno je bilo što je 50-ih godina, sa razvojem nuklearne tehnike, postala poznata teorija fotodetektora. Optički komunikacioni sistemi u slobodnom prostoru su širokopojasna komunikaciona tehnologija koja zahteva optičku vidljivost između primopredajnika i koja koristi optičke impulsno modulisane signale da bi bežično prenosila informacije. Skraćeno se ovakvi sistemi nazivaju FSO sistemima (Free Space Optics). Umesto optičkog kabla, kao medijum za prenos se koristi vazduh kroz koga se prostire laserski snop. To je u osnovi i najbitnija razlika između optičkog kablovskog i bežičnog prenosa, jer je optičko vlakno medijum čije se karakteristike prenosa znaju unapred (poput slabljenja, disperzije itd.), dok je vazduh nestabilan medijum i njegove karakteristike nisu poznate unapred. Interesantno je pomenuti da se svetlost prostire brže kroz vazduh (≈ C0 , odnosno približno brzini svetlosti u vakuumu) nego kroz optičko vlakno (≈ 2/3 C0).

Literatura

Izvor : •

http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=896476

•

http://www.opticsinfobase.org/jocn/abstract.cfm?uri=jon-2-6-178

•

http://www.scribd.com/doc/52063844/48702278-Analysis-of-Free-Space-Optics-as-aTransmission-Technology-Mar05