Analyse statique

Département Signal et Télécommunication
22/03/2010
TP : Communications optiques
Transmissions optiques multiplexées en longueur d’ondes
Le Quinio Laurent
Maquis Vincent
Sadik Arthur
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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.
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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
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𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒
𝑃𝑠
1
8
= 10 log ( ) = 10 log (
) = 10 log ( ) = −9𝑑𝐵
𝑃𝑒
𝑃𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡é𝑒
8
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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
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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 = −7.8⁡𝑑𝐵
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
= −4.6⁡𝑑𝐵
440
L’émetteur E1 donne un signal sur S3 de 15 mV :
𝑃𝑑é𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑒𝑥𝑒𝑢𝑟 = 10𝑙𝑜𝑔
15
= −14.6⁡𝑑𝐵
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.
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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 ) = −1,4⁡𝑑𝐵
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
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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.
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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
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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
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14
= 16.7⁡𝑑𝐵
0,3
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