Referat Co 31121 Florin Tanasa [615346]

UNIVERSITATEA ȘTEFAN CEL MARE
FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ
ȘI ȘTIINȚA CALCULATOARELOR
Comunicații optice și sisteme WDM
Sisteme de comunicații optice.
Modularea semnalelor optice.
Curs
s. l. dr. ing. Alin-Mihai CĂILEAN
Lucrări laborator
s. l. dr. ing. Alin-Mihai CĂILEANAutor
mrd. ing. Florin TANASĂ
2020
1

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Cuprins
Introducere………………………………………………………………………………………………………………………….. 3
Modulația – de ce este nevoie? ………………………………………………………………………………………………. 4
Modularea – ce este ea? ……………………………………………………………………………………………………. 4
Demodularea – ce este ea? ………………………………………………………………………………………………… 6
Modulația – principalele tipuri ………………………………………………………………………………………………. 7
Modularea în amplitudine – MA ………………………………………………………………………………………… 8
Modularea cu schimbarea amplitudinii (ASK – Amplitude shift Key) ……………………………………. 8
Modularea On-Off Key – OOK …………………………………………………………………………………….. 9
Modularea ASK utilizând tranzistorul LASER (TL) ………………………………………………………. 10
Modularea cu schimbarea frecvenței (FSK – Frequency shift Key) ……………………………………… 10
Modularea ASK utilizând tranzistorul LASER (TL) ………………………………………………………. 11
Modularea cu schimbarea faze (PSK – Phase shift Key) …………………………………………………….. 12
Sisteme de comunicații optice WDM ……………………………………………………………………………………. 13
WDM dens (DWDM) …………………………………………………………………………………………………….. 14
Bibliografie:………………………………………………………………………………………………………………………. 15
2

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Introducere
Omul este o ființă socială. Pentru a trăi, omul are nevoie de: hrană, apă și căldură (adăpost). În
schimb pentru a fi, omul are nevoie și de relaționarea cu semenii săi. Cu alte cuvinte omul fără
oameni nu poate exista deoarece acesta de când se naște și până moare are nevoie de ajutor.
Relaționarea implică schimbul de mesaje, de comunicare, ce are loc între minimum două persoane
în care unul transmite un mesaj iar celălalt recepționează acel mesaj, cu condiția ca acesta din urma
să cunoască codul sau limba folosită de emițător (cel ce transmite).
Principalul mijloc de comunicare la oameni este limba, dar cum oamenii se deplasează sau trăiesc în
comunități aflate la distanțe mari unele de altele undele sonore emise de către oameni sunt puternic
atenuate de către mediu astfel că oamenii au fost nevoiți să caute alte mijloace pentru comunicarea
pe distanțe mari. În acest scop oamenii au dezvoltat diverse metode și instrumente de a transmite
informația la distanțe mari iar la început au folosit mesajul prin semne, ca:
•De exemplu transmiterea informațiilor de-al lungul zidului chinezesc în anii 400 î.e.n. se
realiza cu ajutorul semnalelor luminoase folosind focul, ca mai apoi, prin anii 200 î.e.n. a
fost elaborat un limbaj mai complex folosind steagurile;
•Telegraful optic sau telegraful semafor, inventat de francezul Claude Chappe în anii 1792,
fiind de altfel părintele termenului „Telegraf” respectiv „Semafor”;
Odată cu descoperirea electricității a apărut:
•Telegraful electric, în anul 1837 americanii Samuel Morse și Alfred Lewis Vail au inventat
telegraful cu un singur fir pentru transmiterea informației și codul Morse;
iar după descoperirea undelor radio (undele herțiene) asupra cărora Heinrich Rudolf Hertz a realizat
diverse experimente ce au fost publicate între anii 1886 – 1888 au apărut comunicațiile radio. Astfel
în anului 1894 inventatorul italian Guglielmo Marconi a început să lucreze la ideea de a folosi
undele radio, în transmiterea informației, în locul firului conductor de la Telegraful electric luând
astfel naștere Telegraful fără fir. Astfel demonstrațiile lui au reușit să transmită informația, folosind
codul Morse, la o distanță de 6 [km]. Mai târziu s-a reușit în anul 1899 să se transmită informația
peste Canalul Mânecii iar anul 1901 s-a realizat prima transmisie peste Oceanul Atlantic.
Comunicații optice au fost realizate încă de la începutul epocii moderne, mai precis în anul 1880, de
către Alexander Graham Bell împreuna cu asistentul său Charles Sumner Tainter au creat fotofonul,
cu ajutorul căruia au transmis sunetul pe o distanță de 213 [m] cu ajutorul luminii.
Odată cu descoperirea de către James Clerk Maxwell a faptului că lumina este o undă
electromagnetică oamenii de știință au căutat să folosească lumina asemeni undelor radio, ce sunt
tot unde electromagnetice, în comunicație. Astfel prin analogia cu undele radio de pot înțelege
multe fenomene.
De exemplu, pentru a ne imagina, cum un emițător radio prevăzut cu o antenă (radiator izotrop)
radiază spectrul electromagnetic, se poate face analogia cu un bec ce radiază lumina. De asemenea
introducerea unui nou element numit reflector ce are ca și scop mărirea intensității de radiație a
antenei (radio) pe o anumită direcție (antena directivă) are corespondent în abajurul/oglinda din
spatele lămpii ce alcătuiește corpul de iluminat.
3

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
În cele ce urmează modulația în cazul comunicațiilor optice vor fi prezentate prin analogia cu
modulația undelor electromagnetice din spectrul radio.
Modulația – de ce este nevoie?
Răspunsul scurt, în cazul comunicației optice, ar fi, deoarece un semnal continuu nu poartă o
informație.
Dispozitivele electronice produc: mesaje analogice de bandă largă sub formă de mesaj audio, video
sau mesaje digitale. Pentru transmiterea informațiilor la distanță avem nevoie de o cale/canal de
comunicare, cum ar fi cablurile, undele radio, microunde sau infraroșu, lumina. Deoarece mesajele
de tip voce, video sau cele digitale au banda de frecvență mică acestea pot fi transmise la distanță
relativ ușor prin fire dar nu pot fi transmise prin unde radio, microunde, lumină.
Semnalul vocal are, în general, o bandă mică de frecvență iar pentru transmisia ei ar fi necesar o
antenă egală cu jumătate din lungimea de undă. În cazul în care, s-ar putea realiza o astfel de
antenă, ar fi mai mare de cele mai multe ori decât distanța între cel ce transmite mesajul și cel ce îl
recepționează iar în cazul în care ar fi mai mulți emițători de masaje acestea se vor suprapune având
în vedere că vor împărți aceeași bandă de frecvență.
Astfel pentru a înlătura aceste neajunsuri ne vom folosi de o undă de înaltă frecvență numită
„purtătoare” ce poate călători la distanțe lungi cu atenuare redusă deoarece frecventă este ridicată și
având în vedere lungimea de undă va fi necesar și o antenă în vederea transmiterii/recepționării
mesajului mai mică.
Modularea – ce este ea?
Semnalul purtător este un semnal sinusoidal de înaltă frecvență reprezentant de amplitudine,
frecvență și de fază.
Modularea este operațiunea de variație a amplitudinii său a frecvenței ori a fazei semnalului purtător
în funcție de amplitudinea instantanee a semnalului de bază.
Fig. 1 Schema bloc a modulării undelor radio
Semnalele de bază pot proveni de la o sursă audio, video sau un calculator. Semnalele de bază mai
sunt denumite și semnale de modulare, deoarece modulează semnalul purtătoarei.
4

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Semnalele purtătoare sunt unde de radio frecventă ce provin în general de la un oscilator.
Aceste două semnale sunt combinate în modulator. Modulatorul ia valoarea instantanee a
semnalului de bază (de bandă largă) și variază amplitudinea/frecvența/faza semnalului purtător.
Semnalul rezultat este un semnal modulat.
Semnalul modulat va fi amplificat de un amplificator de putere RF ce va alimenta antena și care va
radia astfel în eter informația.
Există două tipuri de modulație:
• analogică, unde semnalul de bază este de tip voce, video, etc;
• digitale, unde semnalul de bază sunt fluxuri de date, biți sau simboluri.
În cazul comunicației optice frecventă luminii din spectrul vizibil sau invizibil este în sine
purtătoarea.
Modularea acestei purtătoare poate avea loc:
•intern sau direct, de exemplu la diodele laser și tranzistoarele laser;
•extern sau indirect, la toate sursele de lumină.
Modularea internă are modularea curentului ce alimentează sursa de lumină și implicit a puterii de
radiație a sursei de lumină (dioda sau tranzistorul laser).
Fig. 2 Schema bloc a modulării interne sursei de lumină
În cazul modulării externe sursa va emite lumina cu putere constantă în schimb se va modula
fascicolul emis de către aceasta.
5

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Fig. 3 Schema bloc a modulării externă a fascicolului luminos
Modularea externă se realizează prin efect: electro-optic, acusto-optic și magneto-optic;
Demodularea – ce este ea?
Demodularea este procesul invers modulării. Modulatorul este parte a procesului de emisie iar
demodulatorul este parte a procesului de recepție. De exemplu telecomanda în IR a unui dispozitiv
(TV) face parte din procesul de modulație iar fotoreceptorul în IR face parte din procesul de
demodulație. În aceste cazuri fiecare se ocupă de un singur proces (modulare sau demodulare).
Dar sunt echipamente care se ocupă atât în a modula cât și de a demodula semnalul de bază. Cel
mai cunoscut (comun) în acest moment sunt router-ele conectate la fibra optică prin care primim
cele trei servicii: de telefonie fixă, de internet și TV .
Demodularea reprezintă procesul în care amplitudinea, frecvența sau faza variată a semnalului
purtător este extrasă pentru a construi semnalul original al mesajului.
Fig. 4 Schema bloc a demodulării a undelor radio
6

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Fig. 5 Schema bloc a demodulării fascicolului luminos
Modulația – principalele tipuri
În principal sunt două tipuri de modulații: analogice și digitale.
Fig 6 Tipuri de modulații a undelor radio
În plus, în comunicațiile optice întâlnim, în funcție de unde are loc modulația, următoarele tipuri:
• intern sau direct, de exemplu la diodele sau tranzistoarele laser;
• extern sau indirect, la toate sursele de lumină.
Fig. 7 Tipuri de modulații a undelor luminoase
7

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Modularea în amplitudine – MA
Modularea în amplitudine sau MA este procesul de variație a amplitudinii instantanee a semnalului
purtător în funcție de amplitudinea instantanee a semnalului mesajului .
Astfel, dacă m(t) este semnalul mesajului și c(t)=Acosωct a purtătoarei atunci semnalul MA S (t) se
scrie:
S(t) = Acosωct+m(t)cosωct =[A+m(t)]cosωct (1)
MA este cel mai simplu mod de modulare. Proiectarea hardware a transmițătorului și a receptorului
este foarte simplă și este mai puțin costisitoare.
În figura de mai jos este prezentat grafic formele de undă a semnalului de transmis/de modulat
(mesajul), semnalul purtătoarei și semnalul modulat.
Fig. 8 Modularea în amplitudine – MA
Modularea cu schimbarea amplitudinii (ASK – Amplitude shift
Key)
Când amplitudinea instantanee a semnalului purtător este variată proporțional cu a mesajului m(t)
avem o purtătoare modulată de forma m(t)cosωct unde cosωct este semnalul purtător. În modulația
digitală față de cea analogică semnalul de modulare are două niveluri în cazul semnalului binar, 1 și
0.
Astfel în ASK sistemul binar este reprezentat cu ajutorul a două purtătoare ce au amplitudinea
diferite.
8

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Fig. 9 Modularea cu schimbarea amplitudinii – ASK
Se poate constata cu ușurință din figura de mai sus că frecvență și faza celor două purtătoare sunt
egale.
Modularea On-Off Key – OOK
Un caz particular reprezintă modulația OOK (On-Off ) ce este o formă mai simplificată a
modulației ASK. În acest caz avem numai o singură purtătoare, cea ce cu care reprezentăm 1.
Fig. 10 Modularea On-Off Key – OOK
Ecuația semnalelor modulație ASK sunt de forma:
c(t)={A1⋅cos⋅ω⋅tpentru1
A2⋅cos⋅ω⋅tpentru0}pentruOOKA2=0 (2)
9

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Procesul de modulare/demodulare OOK este simplu de implementat.
Modulare internă se poate realiza de curând și în cazul tranzistoarelor LASER.
Tranzistorul LASER este un dispozitiv semiconductor ce funcționează ca un tranzistor cu o ieșire
electrică și una optică. Este descoperit relativ recent de către o echipa condusă de Milton Feng și
Nick Holonyak, Jr. iar cercetările asupra tranzistorului LASER au avut loc după ce au creat primul
tranzistor cu emisie de lumină în 2004.
Cercetărorii A. Horri și R. Faez prezintă modalitatea de realizare a modulației de tip ASK și FSK cu
ajutorul tranzistorului LASER (TL).
Modularea ASK utilizând tranzistorul LASER (TL)
Fig. 11 Schema modulatorului ASK cu TL Fig. 12 Răspunsul optic al TL în modulația ASK
Din schema electrică (Fig. 11) se poate constata că semnalul digital (V BE), mesajul, se aplică
joncțiunii BE (bază-emitor) a TL și de asemenea un semnal sinusoidal (V CE) este aplicat joncțiunii
CE (colector-emitor).
Când semnalul digital (V BE) este „0” tranzistorul laser este blocat iar acesta nu emite fotoni (ieșirea
optica este „0”), iar când semnalul digital (V BE) este „1” tranzistorul laser intră în conducție și la
ieșirea optică vom avea fotoni a căror număr va fi corelat cu frecvența semnalului V CE aplicat
joncțiunii colector-emitor (Fig.12).
Modularea cu schimbarea frecvenței (FSK – Frequency shift
Key)
Atunci când datele sunt transmise prin variația instantanee a frecvenței purtătoarei spunem că
modularea se realizează cu schimbarea frecvenței. În cazul acestei modulări avem două purtătoare
cu frecvențe predefinite una pentru bitul 1 ( ωc1) și una pentru bitul 0 ( ωc0).
c(t)={A⋅cos⋅ωc1⋅tpentru1
A⋅cos⋅ωc0⋅tpentru0}(3)
10

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Fig. 13 Modularea cu schimbarea frecvenței – FSK
Modularea cu schimbarea frecvenței poate fi realizată atât intern cât și extern.
Modularea ASK utilizând tranzistorul LASER (TL)
În schema din Fig. 14 este prezentată schița electrică de principiu al modulatorului FSK folosind de
acesta dată două tranzistoare LASER și două semnale sinusoidale, de frecvențe diferite, ce sunt
aplicate fiecare câte unui tranzistor LASER.
Fig. 14 Schema modulatorului FSK cu TL Fig. 15 Răspunsul optic al TL în modulația ASK
Mesajul (VBE1) este aplicat inițial joncțiunii bază-emitor a primului tranzistorului LASER. Acest
mesaj este apoi inversat cu ajutorul unui inverter iar semnalul rezultat (V BE2) este aplicat joncțiunii
baza-emitor al celui de al doilea tranzistor LASER. Primul tranzistor laser are supusă joncțiunea
11

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
colector-emitor unui semnal sinusoidal V( CE1) iar cel de al doilea tranzistor LASER are de
asemenea joncțiunea colector-emitor supusă unui alt semnal sinusoidal (V CE2), de frecvență diferită
față de (VCE1).
În vederea obținerii semnalului modulat FSK cele două ieșire optice ale tranzistoarelor sunt
însumate optic.
Când mesajul are starea „0” primul TL este blocat și cel de al doilea TL intră în conducție iar la
ieșirea sumatorului optic vom avea un „mesaj optic” a cărui variație al numărului de fotoni va fi
direct proporțional cu frecvența semnalului (V CE2) aplicat joncțiunii colector-emitor a celui de al
doilea TL.
Când mesajul are starea „1” primul TL intră în conducție și cel de al doilea TL este blocat iar la
ieșirea sumatorului optic vom avea un „mesaj optic” a cărui variație al numărului de fotoni va fi
direct proporțional cu frecvența semnalului V( CE1) aplicat joncțiunii colector-emitor al primului TL.
În Fig. 15 se observă cum frecvența semnalului la ieșirea sumatorului optic se schimbă odată cu
trecerea mesajului digital din „0” în „1” și din „1” în „0”.
Modularea cu schimbarea faze (PSK – Phase shift Key)
În cazul modulării cu schimbarea fazei datele sunt transmise prin deplasarea fazei purtătoarei
Informația binară 1 și 0 este reprezentată cu ajutorul a două purtătoare a căror defazaj este 1800.
c(t)={A⋅cos⋅(2⋅π⋅fc1⋅t)pentru1
A⋅cos⋅(2⋅π⋅fc1⋅t+π)pentru0} (4)
Fig. 16 Modularea cu schimbarea fazei – PSK
Modularea PSK este realizată extern se bazează de obicei pe utilizarea unui modulator optic integrat
ce încorporează un interferometru cu ghid de undă Mach-Zehnder ce este fabricat pe o placă de
niobat de litiu (LiNbO 3). Ghidul de undă este realizat printr-un proces litografic similar construcției
12

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
semiconductoarelor. Regiunea ghidului de undă este ușor dopată cu impurități pentru a crește
indicele de refracție astfel încât lumina să fi ghidată prin acest dispozitiv.
Fig. 17 Modulator extern – interferometru Mach-Zehneder
Lumina intră în modulator, prin intermediul unui conector al fibrei optice, și este împărțită în două
căi. Una din căi, care nu modulează, nu aduce nici un fel de modificare undei de lumină. Cea de a
doua cale, cea care va modula, este prevăzută cu electrozi. Deoarece LiNbO 3 este un material
electro-optic, iar la aplicarea unei tensiuni asupra electrozilor va face ca indicele de refracție al
acestuia să se modifice și va produce întârziere de fază ce este proporțională cu amplitudinea
tensiunii aplicată (RF).
Lumina iese din modulator ca fiind o recombinare a undelor luminoase rezultate din combinarea
celor două unde, modulată și nemodulată. Atunci când cele două unde vor fi în fază interferența va
fi constructivă iar ieșirea va fi activa, iar când cele două unde vor fi defazate interferență lor va
deveni destructivă și respectiv undele se vor anula reciproc. Tensiunea aplicată modulatorului ce
produce un defazaj de 1800 poartă denumirea de V π. Defazajul poate fi determinat cu formula:
Δθ=1800⋅Vintr
Vπ (5)
unde:
Vintr – este tensiunea aplicată modulatorului.
Sisteme de comunicații optice WDM
WDM reprezintă abrevierea din engleză a termenului Wavelength-Division Multiplexing și
reprezintă una dintre cele mai uzitate tehnologii în cadrul sistemelor de comunicații optice de mare
capacitate, deoarece pe aceeași fibră comunicația se realizează prin multiplexare și divizare a
lungimii de undă a luminii.
În figura de mai jos este prezentat schematic un astfel de sistem.
13

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Fig. 19 Sistem de transmisie WDM

În figura de mai sus observăm că în partea stângă a transmițătorului sunt mai multe emițătoare
optice, unde fiecare are lungimea sa de undă, ce trimit semnale individuale care apoi sunt
multiplexate cu ajutorul unui multiplexor. Semnalele luminoase sunt apoi transmise pe o linie
principală de transmisie (fibra optică) ce sunt apoi preluate de către un demultiplexor și
demultiplexate după care aceste semnale sunt transferate receptoarelor.
Principalul avantaj al acestei tehnologii este reducerea considerabilă a numărului de fibre optice
utilizata de către linia principală. În general astfel de linii au distanțe considerabile, uneori de
ordinul miilor de kilometri, iar costul fabricării și instalării unui astfel de linii este o problemă de
eficiență economică deoarece instalarea și manipularea unui cablu optic cu un conținut mare fibre
optice nu este tocmai ieftin.
WDM dens (DWDM)
Pentru a transmite semnale la distanțe mari (>100km), sunt necesare amplificatoare pentru a
compensa pierderile de energie datorate deplasării prin mediu (fibra optică) a unui astfel de semnal.
Deoarece lărgimea de bandă a câștigul unui amplificator optic este limitat este necesar ca și lățimea
de bandă a semnalului să fie cât mai mică pentru a însera un număr cât mai mare de canale în
lățimea de bandă a amplificatorului optic.
Tehnologia DWDM a fost dezvoltată în scopul transmiterii semnalelor la distanță mare, utilizând
cât mai mult din lărgimea de bandă a amplificatoarelor pentru fibră optică dopate cu erbiu (EDFA).
EDFA prezintă un câștig în banda C și în banda L, de exemplu un total de 115 canale (lungimi de
undă) pot fi transmise printr-o singură fibră optică cu un spațiu în frecvență de 100GHz, ca în figura
de mai jos.
Fig. 20 Frecventa centrală a lungimii de undă DWDM

14

Florin Tanasă – Sisteme de comunicații optice.Modularea semnalelor optice. – RCC -31121b
Bibliografie :
[1] Alin-Miahi Căilean „Study, implementation and optimization of a visible light communications
system. Application to automotive field.” în: Universitatea din Versailles Saint-Quentin en Yvelines
YVELINES Ecole Doctorale STV și Universitatea „Ștefan cel Mare” Suceava, 2014, Teză de
Doctorat pag. 53
[2] Nick Massa „Fiber Optic Telecommunication” în: 2000 Universitatea din Connecticut, pag.327
[3] A. Horri a and R. Faezb „Optical ASK and FSK Modulation By Using Quantum Well Transistor
Lasers”, în: International Journal of Optics and Photonics (IJOP), V ol. 6, No. 2, Summer-Fall 2012,
pag. 109-110
[4] Keang-Po Ho „Phase-Modulated Optical Communication Systems” în: Springer, pag. 21-23
[5] Gheorghe Cristina, http://www.psiholog-logoped.ro/doc_4_Ce-este-comunicarea-_pg_0.htm
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Telegraphy
[7] http://www.equestionanswers.com/notes/modulation-analog-digital.php
[8] http://www.ele.uri.edu/Courses/ele436/labs/ASKnFSK.pdf
[9] Jack Browne, Basics of Modulation and Demodulation, https://www.mwrf.com
[10] https://www.fiberlabs.com/glossary/about-wdm/
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_laser
[12] http://www.srmuniv.ac.in/sites/default/files/files/TN0501%20lab%20mannual.pdf
15