Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 TP : Communications optiques Transmissions optiques multiplexées en longueur d’ondes Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 1 3BR03 Département Signal et Télécommunication I) 22/03/2010 Introduction Lors de ce TP, nous manipulerons la maquette « OPTOGIGANET » développée par THOMSON-CSF. L’objectif étant de se familiariser et d’étudier les performances de communications optiques multiplexées en longueur d’onde. Ainsi, l’élément principal de la maquette est un coupleur étoile à 8 voies. Elle comporte également : -Cinq émetteurs à diode laser (LD) -Un démultiplexeur à un réseau 11 voies -5 détecteurs à photodiode PIN. -Un coupleur optique 1→2. -Une bobine de fibre pour simuler le déport d’un terminal. II) Analyse statique Pour calculer le bilan de liaison, on cherche à déterminer les pertes d’insertion de chacun des éléments constitutifs du montage : -Coupleur 8x8 -Coupleur 1→2 -Ligne de transmission (bobine de fibre) -Démultiplexeur optique -Epissures et connecteurs 1) Coupleur 1→2 En considérant que le coupleur 1→2 est idéal et équilibré, nous pouvons estimer de façon théorique ses pertes d’insertion : 𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒 𝑃𝑠 1 2 = 10 log ( ) = 10 log ( ) = 10 log ( ) = −3𝑑𝐵 𝑃𝑒 𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒 2 Pour mesurer les pertes d’insertions liées au coupleur 1→2, nous envoyons un signal carré sur l’émetteur E1, et nous branchons la sortie de l’émetteur sur l’entrée du récepteur. Ainsi, on trouve les pertes dûes aux connecteurs. Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 2 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 Lors de nos cablages, les courants sont constants et les pertes deviennent des rapports de tension. Sur l’oscilloscope, on peut lire une tension d’entrée de 520 mV et une tension de sortie 440 mV. On trouve : 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑛𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 = 10 log ( 440 ) = −1𝑑𝐵 520 Pour mesurer les pertes du coupleur 1→2, on branche la sortie de l’emetteur 1 à l’entrée du coupleur et on mesure la tension crête crête à chacune de ses sorties. On sait que la tension d’entrée est de 440 mV. Pour la sortie 1 : 150 𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟 = 10log( ) = −4,6dB 440 Pour la sortie 2 : 90 𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟 = 10log( ) = −6,8dB 440 Lors de ces deux mesures, on remarque une différence de 2 à 3 dB par rapport à la théorie. Ceci est dû au fait que le coupleur n’est pas idéal (il a des pertes internes) et qu’il n’est pas non plus équilibré. 2) Coupleur 8x8 En considérant que le coupleur 8x8 est idéal et équilibré, nous pouvons estimer de façon théorique ses pertes d’insertion : 𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟 Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒 𝑃𝑠 1 8 = 10 log ( ) = 10 log ( ) = 10 log ( ) = −9𝑑𝐵 𝑃𝑒 𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒 8 3 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 On mesure les pertes d’insertion. Pour cela, on branche la sortie de l’émetteur E1, l’entrée 1 du coupleur 8x8 et on mesure la tension à chaque sortie du coupleur. La tension à l’entrée est toujours de 440 mV : Sortie du coupleur Tension de sortie Pertes d’insertion A 36 mV -10,8dB B 41 mV -10,3dB C 26 mV -12,2dB D 32 mV -11,3dB E 15 mV -14,6dB F 43 mV -10dB G 28 mV -11,9dB H 37 mV -10,7dB On remarque aussi que les résultats diffèrent par rapport à la théorie. Ceci est dû au fait que le coupleur n’est ni idéal, ni équilibré. 3) Ligne de transmission Pour déterminer la longueur de la ligne, on détermine le temps de propagation du signal dans la fibre. On injecte un signal carré à l’entrée de l’émetteur E1 qui est relié à une extrémité de la ligne. L’autre extrémité de celle-ci est directement reliée au récepteur. On mesure le décalage temporel grâce aux curseurs verticaux. On obtient 𝑡 = 2,5𝜇𝑠 La longueur de la ligne de transmission est : 𝐿= 𝑐 3 ∗ 108 𝑡= ∗ 2.5 ∗ 10−6 = 500𝑚 𝑛 1,5 Avec : L : longueur de la ligne de transmission t : temps de propagation du signal dans la fibre Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 4 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 n : indice du cœur de la fibre (n = 1.5) c : vitesse de la lumière (3 ∗ 108 𝑚. 𝑠 −1 ) La deuxième méthode pour déterminer la longueur de la ligne est la mesure par rétrodiffusion. Le phénomène de rétrodiffusion est simple : lorsqu’on envoie une impulsion de lumière dans la fibre, seule une partie de l’énergie lumineuse est diffusée, l’autre partie étant renvoyée vers la source. Ainsi on mesure l’énergie lumineuse à la source pour obtenir l’atténuation de la fibre et sa longeur : A la sortie de la ligne de transmission on obtient une tension égale à 210 mV : 𝑃𝑙𝑖𝑔𝑛𝑒 = 10 log 210 = −3,2𝑑𝐵 440 4) Démultiplexeur optique En considérant un démultiplexeur idéal, on peut calculer théoriquement les pertes d’insertion par voie sur notre montage : 𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑒𝑢𝑟 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒 1 = 10𝑙𝑜𝑔 = −7.8𝑑𝐵 𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 6 Pour mesurer les pertes d’insertion pratique du démultiplexeur, on fait la concordance des longueur d’ondes entre les émetteurs et les sorties du démultiplexeur. Certaines combinaisons ne nous donnent pas de signal à la sortie du démultiplexeur. Ainsi l’émetteur E3 donne un signal sur S1 de 153 mV : 𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑒𝑢𝑟 = 10𝑙𝑜𝑔 153 = −4.6𝑑𝐵 440 L’émetteur E1 donne un signal sur S3 de 15 mV : 𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑒𝑢𝑟 = 10𝑙𝑜𝑔 15 = −14.6𝑑𝐵 440 On observe de grandes différences avec les résultats théoriques. Celles –ci proviennent des imperfections des connections et du démultiplexeur. Certaines longueurs d’ondes ne passent pas à travers le démultiplexeur selon la voie utilisée. Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 5 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 5) Epissures et connecteurs On considère les pertes de couplage des connecteurs en considérant une différence de diamètre des fibres de 5% et une différence d’ouverture numérique de 10% : 𝑃𝐶𝑜𝑢𝑝𝑙𝑎𝑔𝑒 = 10 log(0,952 ) + 10 log(0,902 ) = −1,4𝑑𝐵 Ces pertes peuvent influer sur les mesures précédentes car lorsqu’on utilise les connecteurs, il faut prendre en compte ces pertes de couplages. Si on utilise plusieurs connecteurs, on doit multiplier ce résultat par le nombre de connecteurs pour obtenir les pertes. 6) Qualité de la liaison On parle de rapport S/B (signal sur bruit) dans le cas d’une liaison analogique. Dans le cas d’une liaison numérique, on par de TEB (taux d’erreur binaire). En branchant l’oscilloscope sur la sortie du récepteur TVHD, on peut mesure le niveau de bruit grâce à la fonction FFT. On trouve -35 dB. Une marge sur la sensibilité planché du récepteur de 3,3 dB permet de garantir un TEB de 10−9 . Ainsi, la puissance minimale du récepteur doit être de -31.5 dB. Elément Pertes d’insertion (dB) Coupleur 8x8 Entre 10 et 14.6 Coupleur 1→2 4.6 Ligne de transmission 3.2 Démultiplexeur optique Entre 4.6 et 14.6 Epissures et connecteurs 1.4*5=7 Total des pertes Entre 29.4 et 44 Sensibilité des récepteurs 0.7 A/W Marge sur le budget de liaison Entre 1,5 et 6,3 Marge nécessaire pour TEB de 10-9 3,3 Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 6 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 Nous n’observons pas de brouillage sur l’écran parce que la sensibilité est inférieure à la somme des pertes. En outre, nous obtenons la mire, ce qui veut dire que la puissance reçue sur la voie SPFM est suffisante par rapport aux pertes de la ligne. Cela permet de garantir le rapport S/B nécessaire. III) Analyse dynamique C’est l’élément qui a la plus petite bande passante qui est l’élément limitant de la liaison. La bande passante des récepteurs est de 12 Ghz. On cherche à déterminer la bande passante de la ligne de transmission et des émetteurs : 1) Ligne de transmission En théorie, la bande passante de la fibre est de 1 Ghz/km. D’après nos calculs, la bobine de fibre fait 500m. La BP de notre fibre est de 0.5 Ghz. Pour mesure de façon pratique la BP de la fibre, on envoie un signal carré, et on mesure le temps de montée sur l’oscilloscope. On applique ensuite la formule : 𝐵𝑃 = 0,35 𝑡𝑚 Avec tm = temps de montée (secondes) On mesure tm=200ns → BP = 1.7 Mhz Ceci est très éloigné de la théorie (0.5 Ghz). Cette différence est dût au fait qu’on utilise un oscillocope qui a une BP de 500 Mhz. On ne peut pas voir non plus l’atténuation de 3 dB qui aurait pu nous permettre de déterminer la fréquence de coupure. 2) Bande passante des émetteurs lasers Pour vérifier que l’émetteur laser peut être assimilé à un système du premier ordre, on observe les déformations du signal carré qui passent par l’émetteur. Normalement, lorsqu’on augmente la fréquence, on voit que les fronts du signal sont atténués. Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 7 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 On réalise cette vérification en observant les déformations d’un signal carré qui passent par l’ émetteur. L’émetteur transforme le signal électrique carré en signal optique, qui est retransformé en signal électrique par le récepteur. On observe les résultats sur l’oscilloscope. Lorsqu’on augmente la fréquence du signal du GBF, on observe que les fronts du signal sont atténués, ce qui implique que les hautes fréquences qui composent le signal sont amoindries. On peut donc penser que les émetteurs laser peuvent être assimilés à des systèmes du premier ordre. 3) Diagramme de l’œil Pour obtenir le diagramme de l’œil du montage, on module un signal aléatoire. Ce signal est la mire de télévision qu’on synchronise sur l’horloge et qu’on visualise sur l’oscilloscope à persistance. Le signal électrique émis par le récepteur optique est aussi visualisé sur le même oscilloscope. Un bit est transmis et affiché à chaque front d’horloge. Il se place en surimpression sur les bits déjà affichés sur l’oscilloscope. Nous ne visualisons pas correctement le diagramme de l’œil à cause de la BP de l’oscilloscope, qui est limitée à 500 Mhz, le débit de l’émetteur TVHD étant : D = 144 Mhz * 12 bits = 1.7 Ghz On obtient le diagramme de l’œil suivant : Figure 01 – Diagramme de l’œil Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 8 3BR03 Département Signal et Télécommunication 22/03/2010 En visualisant le diagramme du même émetteur après la transmission du signal dans la chaîne complète, on peut voir que le diagramme se ferme, les marges sur le seuil de détection sont plus faibles que le diagramme précédent. Ceci implique que le nombre d’erreurs commises sera plus important lors de cette transmission. Lorsqu’on branche l’ensemble de la chaîne de transmission, on obtient plus d’erreurs que lorsqu’on visualise directement à la sortie de l’émetteur, ceci est cohérent. 4) Multiplexage en longueur d’onde Afin de déterminer le pouvoir séparateur du démultiplexeur , on alimente un émetteur et on le module. On mesure ensuite la tension à la sortie du démultiplexeur, on trouve 14 mV. On refais la même opération sur un autre émetteur et on mesure une tension en sortie du démultiplexeur de 0.3 mV. On peut ainsi trouver le pouvoir séparateur du démultiplexeur : 𝑃 = 10𝑙𝑜𝑔 Le Quinio Laurent Maquis Vincent Sadik Arthur 14 = 16.7𝑑𝐵 0,3 9 3BR03