TP 06: COMMUNICATIONS OPTIQUES Transmissions

Département Signal et Télécommunication
19/03/2009
TP 06: COMMUNICATIONS OPTIQUES
Transmissions optiques multiplexées en longueur d’ondes
MAUSSAND David
MEILHAC Alexis
THEYS Alban
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19/03/2009
Sommaire
I.
INTRODUCTION ........................................................................................................................... 3
II.
ANALYSE STATIQUE ..................................................................................................................... 3
a.
Coupleur 1→2.......................................................................................................................... 3
b.
Coupleur 8x8 ........................................................................................................................... 4
c.
Ligne de Transmission ............................................................................................................. 5
d.
Démultiplexeur Optique .......................................................................................................... 5
e.
Epissures et Connecteurs ........................................................................................................ 6
f.
Qualité de la liaison ................................................................................................................. 7
III.
ANALYSE DYNAMIQUE............................................................................................................. 7
a.
Ligne de transmission .............................................................................................................. 7
b.
Bande passante des émetteurs laser ...................................................................................... 8
c.
Diagramme de l’œil ................................................................................................................. 9
d.
Multiplexage en longueur d’onde ......................................................................................... 10
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I.
19/03/2009
INTRODUCTION
Ce TP a pour objectif de nous familiariser et d’étudier les performances d’un réseau de
communication optique multiplexées en longueur d’onde. Nous utilisons pour cela la maquette
« OPTOGIGANET » développée par THOMSON-CSF démontrant un bus de transmission très haut
débit multiplexés en longueur d’onde.
L’élément central de la maquette est un coupleur étoile à 8 vois, et comporte également :
 5 émetteurs à diode laser.
 Un démultiplexeur à 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, nous cherchons à déterminer les pertes d’insertion de chacun des
éléments constitutifs du montage :
 Coupleur 8*8.
 Coupleur 1→2.
 Ligne de transmission.
 Démultiplexeur optique.
 Epissures et connecteurs.
a. Coupleur 1→2
En considérant que le coupleur 1→2 est idéal et équilibré, de façon théorique les pertes d’insertion
par sortie du coupleur sont :
P


i
n
j
e
c
t
é
e



P
1
s
2
P

1
0
l
o
g

1
0
l
o
g

1
0
l
o
g


3
d
B



c
o
u
p
l
e
u
r
1

2
P
P
2


e
i
n
j
e
c
t
é
e





Afin de mesurer les pertes d’insertions du coupleur, nous envoyons un signal carré à l’entrée de
l’émetteur E1. Nous branchons ensuite la sortie de l’émetteur à l’entrée du récepteur afin de
déterminer les pertes dût au connecteur. Sachant que le courant est constant les pertes deviennent
un rapport de tension. Nous lisons sur l’oscilloscope une tension d’entrée de 540mV, et une tension
de sortie de 440mV :
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑛𝑒𝑐𝑡𝑒𝑢𝑟 = 10 𝑙𝑜𝑔
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440
= −1𝑑𝐵
540
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Ensuite nous branchons la sortie de l’émetteur à l’entrée du coupleur, et nous mesurons la tension
crête à crête à chacune de ses sorties, sachant que la tension d’entrée est de 440 mV . Nous
obtenons :
𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟1→2 (sortie 1) = 10 𝑙𝑜𝑔
𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑒𝑢𝑟1→2 (sortie 2) = 10 𝑙𝑜𝑔
140
= −5𝑑𝐵
440
100
= −6,4𝑑𝐵
440
Nous remarquons une différence de 2 à 3 dB par rapport au résultat théorique. Tout d’abord le
coupleur n’est pas idéal, et a donc des pertes internes (pertes par réflexions, de couplage…). De plus,
le coupleur n’est pas équilibré. Ceci est dût à sa fabrication : le cœur de la fibre n’est pas homogène
au niveau de la fusion des deux fibres, et l’indice de cette dernière peut varier.
b. Coupleur 8x8
En considérant le coupleur 8x8 est idéal et équilibré, de façon théorique les pertes d’insertions par
voie du coupleur sont:
P


i
n
j
e
c
t
é
e



P
1


s
P

1
0
l
o
g

1
0
l
o
g

1
0
l
o
g


9
d
B
8


c
o
u
p
l
e
u
r
8
*
8


P
P
8




e
i
n
j
e
c
t
é
e





Afin de mesurer les pertes d’insertion, nous branchons la sortie de l’émetteur E1, l’entrée 1 du
coupleur 8x8, puis nous mesurons la tension à chaque sortie du coupleur, sachant que la tension à
l’entrée est de 440mV :
Sortie du coupleur
Tension de sortie
Pertes d’insertion
A
34 mV
-11,11dB
B
44 mV
-10dB
C
22 mV
-13dB
D
30 mV
-11dB
E
13 mV
-15,3dB
F
24 mV
-12,6dB
G
22 mV
-13dB
H
41 mV
-10,3dB
Comme le coupleur 1→2 nous remarquons une différence allant jusqu’à 3dB par rapport aux
résultats théoriques. Cette différence proviens encore une fois du fait que le coupleur est ni idéal et
ni équilibré, dût aux mêmes raisons énoncées dans le coupleur 1→2.
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c. Ligne de Transmission
Afin de déterminer la longueur de la ligne de transmission une première méthode est d’utiliser la
c
n
relation suivante : Lvt  t
Avec :
 v : vitesse dans la fibre optique
 t : temps de propagation du signal dans la fibre
 n : indice du cœur de la fibre (n = 1.5)

 08m
.s1)
c : vitesse de la lumière ( c31
Nous déterminons sur l’oscilloscope le temps de propagation du signal dans la fibre. Pour cela nous
injectons un signal carré à l’entrée l’émetteur E1 qui est reliée à une extrémité de la ligne de
transmission, l’autre extrémité de la fibre étant reliée au récepteur. A l’aide des curseurs verticaux
nous mesurons le décalage temporel entre le courant d’entrée et le courant de sortie de la fibre, et
nous obtenons :
𝑡 = 2,4𝜇𝑠 𝑜𝑢 2,48𝜇𝑠
Nous prenons deux résultats afin de prendre en compte les erreurs de mesures sur l’oscilloscope.
La longueur de la ligne de transmission est donc:
𝐿=
𝑐
3 8
𝑡 = . 10 × 2,4 × 10−6 = 480𝑚
𝑛
1, 5
𝑐
3 8
𝑡 = . 10 × 2,48 × 10−6 = 496𝑚
𝑛
1, 5
Une deuxième méthode pour déterminer la longueur de la ligne de transmission est la mesure par
rétrodiffusion. Lorsqu’une impulsion de lumière est envoyée dans la fibre, seulement une partie de
l’énergie lumineuse est diffusée, le reste étant renvoyée vers la source (phénomène de
rétrodiffusion). En collectant cette lumière nous obtenons un signal dont l’analyse nous permet de
déterminer l’atténuation de la fibre et sa longueur.
𝐿=
En mesurant la tension à la sortie de ligne de transmission, nous obtenons une tension sortie de
186mV :
𝑃𝑙𝑖𝑔𝑛𝑒 = 10𝑙𝑜𝑔
186
= −3,74𝑑𝐵
440
d. Démultiplexeur Optique
En considérant que le démultiplexeur est idéal, de façon théorique les pertes d’insertions
sont par voies du démultiplexeur sont :
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𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑥 = 10 𝑙𝑜𝑔 (
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𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟é𝑒
1
) = 10 𝑙𝑜𝑔( ) = −7,7𝑑𝐵
𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒
6
Afin de mesurer les pertes d’insertion du multiplexeur, il faut faire des concordances sur les
longueurs d’ondes entre les émetteurs et les sorties du multiplexeur. En effet certaine combinaison
ne nous donnent pas de signal à la sortie du multiplexeur. Nous déterminons que l’émetteur E1 nous
donne un signal sur la sortie 4, l’émetteur E2 sur la sortie 2 et l’émetteur E3 sur la sortie 1. Après
avoir déterminé que les tensions aux sorties des trois émetteurs sont quasiment égaux (440mV),
nous mesurons les pertes suivantes :
𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑥 (𝐸1 → 𝑆4) = 10 log (
92
) = −6,7𝑑𝐵
440
𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑥 (𝐸2 → 𝑆2) = 10 log (
45
) = −9,9𝑑𝐵
440
𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑥 (𝐸3 → 𝑆1) = 10 log (
100
) = −6,4𝑑𝐵
440
Les différences entre les résultats théoriques et les mesures viennent des imperfections du matériel
(connections, filtre du démultiplexeur), mais aussi que certaine longueurs d’ondes ne passent pas à
travers le démultiplexeur selon la voie utilisé.
e. Epissures et Connecteurs
Les pertes de couplage des connecteurs résultent des pertes dues à une différence de diamètre des
fibres (ici 5%) et une différence d'ouverture numérique (ici 10%).
𝑃𝑐𝑜𝑢𝑝𝑙𝑎𝑔𝑒 = 10 log(0,952 ) + 10log(0,902 )
NB : si on utilise n connecteurs, il faut multiplier ces pertes par n.
Ces pertes influencent les mesures, car lors de l’utilisation de connecteurs; il faut prendre en compte
les pertes de couplage dans le bilan de liaison.
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f.
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Qualité de la liaison
En optique on parle de rapport S/B dans le cas d'une liaison analogique. On parle de TEB (Taux
d'Erreur Binaire) dans le cas d'une liaison numérique.
On branche maintenant un oscilloscope sur la sortie du récepteur TVHD et on mesure à l'aide de la
fonction FFT de l'oscilloscope un niveau de bruit de -33,5dB. Or on estime qu'une marge sur la
9
sensibilité planchée du récepteur de 3,5dB permet de garantir un TEB de 10 . On en déduit donc
que la puissance minimale au niveau du récepteur pour garantir un TEB de 10
Elément
9
est de -30dB.
Pertes d’insertion (dB)
Coupleur 8*8
Entre 8, 3 et 12,1
Coupleur 1->2
5,77
igne de transmission
3,56
Démultiplexeur optique
7
Epissures et connecteurs
1.36*5=6,8
Total des pertes
Entre 31,4 et 35,2
Sensibilité des récepteurs
0.7 (A/W)
Marge sur le budget de liaison
Entre 1,4 et 5,2
Marge nécessaire pour TEB de 10-9
3,5
La sensibilité est inférieur à la somme des pertes donc nous n’observons pas de « neige » sur l'écran
mais nous obtenons la mire ce qui veut dire que la puissance reçue sur la voie SPFM est suffisante
par rapport à la somme des pertes sur toute la ligne. Ainsi cela permet de garantir le rapport S/B.
III.
ANALYSE DYNAMIQUE
L’élément de la maquette ayant la plus petite bande passante détermine la bande passante de la
liaison et sera considéré comme l’élément limitant de cette liaison. Nous savons que la bande
passante des récepteurs est de 12GHz, nous cherchons donc à déterminer la bande passante de la
ligne de transmission, et des émetteurs.
a. Ligne de transmission
En théorie la bande passante de la fibre optique est de 1GHz par Km. Sachant que la longueur
indiquée est de 500m, la bande passante théorique de la ligne de transmission est de 2GHz.
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Pour déterminer la bande passante de la fibre de manière pratique, nous envoyons un signal carré, et
mesurons le temps de monté sur l’oscilloscope, puis appliquons la relation suivante :
BP
0,35
.
tm
Nous mesurons un temps de montée de 180 ns, ce qui nous donne une bande passante de 2MHz.
Cette grande différence avec la valeur théorique est dût au fait que nous utilisons un oscilloscope
d’une bande passante de 500MHz. Ceci nous empêche aussi de visualisation une atténuation de 3dB
qui nous aurait permis de déterminer une fréquence de coupure.
b. Bande passante des émetteurs laser
Afin de vérifier que l’émetteur laser peut être assimilé à un système du premier ordre nous
observons les déformations du signal carré passant par l’émetteur.
En augmentant la fréquence du signal carré nous remarquons que les fronts du signal sont atténués
Pour vérifier ce postulat nous allons observer les déformations d’un signal carré passant par
l’émetteur. Un générateur délivrera à l’émetteur un signal électrique carré, l’émetteur transformera
le signal électrique en signal optique. Ce signal optique sera transmis sur une fibre (dont on
s’assurera que la bande passante soit suffisante pour ne pas fausser l’expérience) jusqu’au récepteur
(dont nous connaissons la bande passante). Le signal optique sera converti en signal électrique que
nous pouvons observer à l’oscilloscope.
En augmentant la fréquence du signal délivré par le générateur on observe que le signal subit des
déformations. Les fronts du signal sont atténués ce qui implique que les hautes fréquences
composant le signal sont amoindries. Nous pouvons donc penser que les émetteurs laser peuvent
être assimilés à des systèmes du premier ordre.
Sur la maquette Optogiganet la bande passante du récepteur SPFM indiqué est de 1,3 GHz.
Dans le cas de la TVHD, le format est 4/3, la résolution est de 1024x768 et chaque composante R, V,
B est codé sur 12bits avec une fréquence d'image de 100Hz. Ainsi on obtient un débit :
D=12x1024x768x100=944MHz
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c. Diagramme de l’œil
Afin d’obtenir le diagramme de l’œil de cette transmission nous devons obtenir un signal numérique
aléatoire que l’on modulera. Pour cela on utilise une mire de télévision dont on synchronisera
l’horloge sur un oscilloscope à persistance. On visualise le signal électrique émis par le récepteur
optique, sur le même oscilloscope. A chaque front d’horloge, un bit est transmis et affiché en
surimpression avec les bits précédemment émis.
La bande passante de l'oscilloscope n'étant que de 500MHz nous ne pouvons pas visualiser un
diagramme de l'œil très explicite. Nous obtenons:
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L’ouverture de l’œil permet d’effectuer l’étalonnage de la chaîne de réception, mais permet aussi de
caractériser ses performances globales.
Ce diagramme nous renseigne aussi sur le bruit apporté par la chaîne de transmission ainsi que sur
les imprécisions apportées par la Gigue (Jitter).
Nous nous apercevons que, par rapport au diagramme de l’œil précédent, l’œil se ferme. Les marges
sont plus faibles que précédemment ce qui implique que le nombre d’erreurs commises dans cette
transmission sera plus important que précédemment. Le fait de visualiser le diagramme de l’œil de la
chaîne de transmission complète nous permet de souligner les imperfections accumulées sur
l’ensemble cette chaîne.
d. Multiplexage en longueur d’onde
On alimente un émetteur puis on le module et on mesure en sortie du démultiplexeur une tension de
12mV. On réitère l'opération sur un autre émetteur et on mesure en sortie du démultiplexeur une
tension de 0,25mV.
On obtient ainsi le pouvoir séparateur du démultiplexeur optique :
12
𝑃 = 10 log(
) = 16.8𝑑𝐵
0.25
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