Optik Alıcının Çalışma Prensipleri

Bir optik alıcı;bir amplifikatör,bir foto detektör,ve sinyal işleme devresinden oluşur.

Alıcı ilk olarak fiberden enerjiyi alır ve dönüştürerek elektrik sinyal haline getirir.Daha sonra amplifikatör ile sinyalin işlenebilir bir ve yeterince büyük bir düzeye yükseltilir.

Ancak bu işlemlerde çeşitli çarpıklara yol açabilir bu yüzden sinyalin yorumlanmasında hatalara yol açabilir.

Ayrıca foto detektörde alınan sinyalin büyüklüğüne bağlı olarak üretilen akım çok zayıf olabilir. Gürültüler meydana

gelebilir. Bu faktörler yüzünden optik alıcı tasarımı önemlidir.

Ortalama hata olasılığı bir dijital haberleşme sisteminin performansını ölçmek için en anlamlı kriterdir.Bir dijital optik

haberleşme alıcısı için hata olasılığının hesabı konvansiyonel elektrik sistemlerinden farklıdır. Bunun nedeni foton

varış,foton algılama süreçleri ve çığ fotodiyot rastgele kazanç dalgalanmalarının ayrık kuantum nitelik taşımasıdır.

Araştırmacılar alıcı performansı için yaklaşık tahminler türetmek için analitik çeşitli yöntemler kullanmışlardır.

Bölüm 7.1 öncelikle bir optik alıcı çeşitli aşamalarında temel operasyonel özellikleri genel bir bakış sunar.

Bölüm 7.2 sonra bit hata oranı veya sinyal-gürültü hususlara dayalı bir dijital alıcı hata olasılığını belirlemek için temel

yöntemleri özetler.Bölüm 7.3 göz diyagramları ve nasıl çeşitli sinyal

parametrelerini yorumlamak için bir yöntem açıklar.Bölüm 7.4 diferansiyel faz kaydırmalı anahtarlama (DPSK) ve Diferansiyel quadrature faz kaydırmalı anahtarlama (DQPSK)

ele alınmaktadır.

7.1.Optik Alıcı Çalışma PrensipleriAlıcısı zayıf ve çarpık sinyalleri,algılayarak ve bu bozulmuş

sinyallerin amplifiye edilip yeniden şekillenmesidir. Bir optik alıcı fonksiyonunu anlamak için, öncelikle bir fiber optik bağlantı

üzerinden gönderilen bir sinyalin ne olacağını incelemek gerekir.

7.1.1.Dijital İşaret İletimiŞekilde bir süre için bir zaman aralığı içinde bir 0 ya da 1’den oluşan bir iki-seviyeli, ikili veri akışının bir optik boyunca farklı noktalarda, bir dijital sinyal şekli göstermektedir. vardır İkili veri

göndermek için en basit tekniklerden biri genlik kaydırmalı anahtarlama (ASK) veya bir gerilim seviyesi genellikle açık veya

kapalı olan iki değer arasındaki swicthed ve on-off (OOK) 'dir

Bir optik alıcı temel bileşenleri gösterir.İlk eleman alınan güç seviyesi ile orantılı olan bir elektrik akımı üreten çığ fotodiyotdur. Bu elektrik akımı genelde çok zayıf olduğu için, bir ön uç amplifikatör sayesinde sinyal işleme devresi tarafından kullanılabilecek bir seviyeye yükseltilir.Ön uç amplifikatörden sonra, bu sinyalin bant genişliğini ayarlamak ve gürültüsünü azaltmak için bir düşük-geçiş filtresi içinden

geçer. Böylece alıcı bant genişliğini tanımlanır.Daha sonra karar devresi bulunur.Sinyal voltajını Threshould seviyesi olarak bilinen belirli bir referans gerilim ile karşılaştırır .Voltaj threshould seviyenin altında ise, alınan 0 olduğu kabul edilir.Threshould üstünde ise 1 olduğu kabul edilir.Bu, bit aralığı eşit periyodik, dalga formu yardımı ile yapılır.

Bazı durumlarda ön uç yükseltici ,foto detekdörün yerini alır.Bu sayede alıcıdaki ısısal gürültünün, sinyal-gürültü oranını bozmasını önler. Böylece çığ fotodiyotlar,optik heterodin detektörleri ve ön uç

cihazlar karşılaştırıldığında, optik amplifikatör büyük bir kazanç faktörü ve daha geniş bir bant genişliği sağlar. Bölüm 11 de optik

amplifikatörlerin sistem performansı üzerine etkilerine bakılır.

7.1.2. Gürültü Kaynakları

Şekil 7.3 'de gösterildiği gibi tespit mekanizması ile hatalar ve sinyal algılama sistemi ile ilişkili çeşitli ses ve rahatsızlıkların ortaya

çıkmasını sağlanır. Gürültü kaynağı sistemin iç ya da dış etkenlerden kaynaklanabilir. Burada, iç gürültü ile ilgili incelemeler yapılır. Ses ya da elektrik akımı gibi termal gürültüler, gerilimde kendiliğinden dalgalanmalara neden olur. Isıl gürültü elektronun

rasgele hareketinden kaynaklanmaktadır. Bu gürültü, sinyal seviyesine bağlıdır ve pin ve çığ fotodiyot alıcıları için özel bir önem

taşımaktadır. Bir çığ fotodiyot kullanıldığında, ilave bir vuruş gürültüsü oluşmaktadır.Ek fotodetektör sesleri ile bu gürültü

seviyesi artar.Karanlık akımı ve kaçak akımı oluşur.

Yük direncine gelen ve amplifikatörden kaynaklanan Termal gürültü bir pin fotodiyot kullanılarak, düşük sinyal-gürültü oranına sahip

olması sağlanır.

Isıl gürültü Gauss bir yapıya sahip olduğundan, bunlar kolaylıkla standart teknikler ile giderilebilir.

Bu detektörde bilinen bir optik güç olayı tarafından oluşturulan, kaç elektron-hole çifti olduğunu tam olarak tahmin etmek mümkün

değildir. Ortalama çığ kazanç M ve iyonlaşma hızı oranı k olan bir dedektör için,aşırı gürültü faktörü F (M) dir.

Bu denklem genellikle ampirik ifadesi ile yaklaşır.

Bir başka hata kaynağı, darbe fiber optik yayılmama sonuçlarından, simgeler arası girişim (ISI) olarak adlandırılır. Şekil 7.4'de

gösterildiği gibi bir darbe, belirli bir zaman aralığında iletilir, darbe enerjisinin çoğu, alıcıya karşılık gelen zaman aralığı içindedir.

Ancak,darbe fiber boyunca yayıldığı gibi fiber tarafından uyarılan, iletilen enerjinin bir kısmı giderek komşu zaman dilimleri halinde

yayılır.

: ‘ye komşu zaman dilimleri halinde yayılan enerjinin fraksiyonudur.

;

7.1.3 Ön-uç KuvvetlendiriciBir alıcının ön ucunda gürültü kaynağı duyarlılığı ve bant genişliğine hakim

olmak için ön-uç amplifikatörü tasarlanmıştır. Fiber optik haberleşme sisteminde kullanılan Ön uç amplifikatörler ,yüksek empedans ve

transimpedance tasarımı olarak 2’ye ayrılır.

Ön uç dizaynda temel yük direnci Rl dir. Rl ısıl gürültü en aza indirmek için mümkün olduğunca büyük olmalıdır.Yüksek-empedanslı ön uç için, düşük gürültü, yüksek yük direnci sağlanır ancak düşük bir alıcı

bant genişliği de oluşur. Denkleştiriciler bazen bant ,bit oranından çok daha az olması durumunda, bant genişliğini arttırmak için

uygulanabilir olmasına rağmen, bu tür bir ön-yükseltici de kullanılamaz

Fig.7.6 gösterilen transimpedance amplifikatör tasarımı büyük ölçüde yüksek-empedanslı bir amplifikatörün dezavantajlarının üstesinden gelir. Bu durumda,Rl,bir ters amplifikatör çevresinde

negatif bir geri besleme dirençi olarak kullanılır.

7.2 Dijital Alıcı Performansı

7.2.1 Hata OlasılığıBir sayısal veri akımı içinde hata oluşumunun oranının ölçülmesi

için birçok yöntem vardır. Bölüm’14 bu yöntemlerden bazıları açıklanmaktadır. iletilen darbe sayısı, belli bir zaman aralığında t

üzerinde meydana gelen hata ise;

Fiber optik telekomünikasyon sistemleri için tipik hata oranları

arasındadır. Bu hata oranı alıcıda sinyal-gürültü oranına bağlıdır. Sistem hata oranı gereksinimleri ve alıcının gürültü seviyeleri

dolayısıyla fotodetektör de gerekli olan optik sinyal güç seviyesi ile ilgili bir alt limit ayarlanmalıdır.

Alıcıda bit hata oranı hesaplamak için, ekolayzer çıkıştaki sinyalin olasılık dağılımı bilmek zorundadır.

İki sinyal olasılık dağılımlarını şekil 7.7 şekillerde gösterilmiştir.

ve

Fonksiyonları koşullu olasılık dağılım fonksiyonları vardır; yani, bir x olduğunda verilen

çıkış gerilimi y’nin olasılığıdır.,

eşik gerilim ise, o zaman hata olasılığı olarak tanımlanır

,

İstatiksel örnekleme zaman çıkış gerilimini çok kesin bir hesaplama yapmak oldukça zordur.İkili optik fiber alıcı performansını

hesaplamak için farklı yakın bir dizi kullanılmıştır. Bu yaklaşımları uygularken, bir hesaplama sonuçlarının basitlik ve doğruluk

arasında degişim yapmak zorundadır. En basit yöntem, bir Gauss yaklaşımıdır.. Bu yöntem, bu optik giriş darbelerinin dizisi

biliniyorsa, ekolayzer çıkış voltajı bir Gauss rasgele değişkeni olduğu kabul edilir. Böylece, hata olasılığını hesaplamak için,

bilmeniz gereken tek şey, ortalama ve standart sapmadır.

f (s): olasılık yoğunluk fonksiyonu

s: sinyal

m :ortalama deger

: gürültü varyansı

: olasılık dağılımın genişliğinin bir ölçüsü olan standart sapmadır.

Her hangi bir veri akışı için hata olasılığını belirlemek için olasılık yoğunluk fonksiyonunu kullanabiliriz.

hata olasılığıdır. Indis 0, bit 0 varlığını simgelemektedir

burada indis 1, bit 1 varlığını gösterir.

indis 0 ve 1 darbeler olasılıkları eşit olasılıklı ise

Böylece, bit hata oranı veya hata olasılığı olur.

Erf asimptotik açılımı (x) elde edilir.

Burada, parametresi olarak tanımlanmıştır.

faktörü yaygın olarak belli bir bit-hata değerlendirici için kullanılır. Çeşitli matematiksel kitaplarda tablolaştırılmıştır hata

fonksiyonudur. Özellikle de, bu optical fiber sistem gürültü gücünde varyanslar genellikle alınan mantıksal 0 ve 1 darbe için farklı olduğu

göz önünde bulundurur.

için BER 6’dır.

özel bir durumunu düşünelim. eşik voltaj

Böylece

genellikle rms gürültü denir.

3-6dB bir performans güvenlik marjı kabul edilir. Hat zayıflama, veya gürültü gibi sistem parametreleri zaman ile değişir

7.2.2 Optik Alıcı DuyarlılığıHaberleşme sistemlerinin, belirli bir iletim bağlantısında uygulama performansı gereksinimlerini belirtmek için bir BER değeri kullanılır. Gigabit Ethernet ve Fiber Kanal ‘ dan fazla bir BER gerektirir oysa Örneğin, SONET / SDH ağları, BER veya daha düşük olması gerekir. Belirli bir hızda istenilen BER elde etmek için, belirli

bir minimum ortalama optik güç düzeyinde fotodetektör ulaştırılmalıdır. Bu minimum güç seviyesinin değerinin alıcı

duyarlılıgı olarak adlandırılır.

Ortalama güç foto detektör’dur. Alternatif olarak fotodetektör çıkış akımında bir tepeden-tepe açısından verilen bir optik modülasyon genliği (OMA) olarak tanımlanmaktadır. Alıcı duyarlılığı, belirli bir zamanda belirli bir hızda maksimum BER korumak için gereken

minimum ortalama güç veya OMA ile ilgili bir ölçü verir.

Bir fiber iletim bağlantısında optik amplifikatör varsa, o zaman termal gürültü ve atış gürültü alıcı baskın gürültü etkileri

vardır.Termal gürültüden gelen optik sinyalin güç bağımsızdır,fakat atış gürültü alınan güç’e bağlıdır.Bu nedenle,gürültü 0 ve varyans 1

için;

F (M) fotodiyot gürültü seviyesi ve elektriksel bant alıcı olup yarısı bit hızı B’dir.

ısıl gürültü akımı varyansı;

7.2.3 Kuantum SınırıBir optik sistem tasarımı, bu temel fiziksel sınırlarının sistem

performansı üzerinde ne etkisi olduğunu bilmek yararlıdır. Bizi bu sınır foto detektör süreci için ne olduğunu görelim. Elektron-hole

çiftleri bir optik sinyalin yokluğunda oluşturulur, yani; birlik kuantum verimi ve hangi herhangi bir karanlık akım sahip ideal bir foto

detektör olduğunu varsayalım. Bu durum göz önüne alındığında, en az bir dijital sistem içinde, belirli bir bit-hata-oranı performans için

gerekli olan optik güç alan bulmak mümkündür. Bu tüm sistem minimum parametreleri uygun kabul edilmektedir ve performansı sadece istatistik foto detektör ile sınırlı olduğundan güç seviyesi,

kuantum limit olarak bilinir.

n= 0 elektron = bir zaman aralığı yayılan olasılığı

N= elektron-hole çiftlerinin ortalama sayısı,

Pratikte, en alıcılarının duyarlılığı nedeniyle tranmission bağlantı içinde çeşitli doğrusal olmayan bozulmalar ve parazit etkileri

kuantum sınırından daha yaklaşık 20 dB daha yüksektir. Dahası, kuantum sınırı belirlerken, bir ortalama güç ve maksimum güç

arasında ayrımı dikkatli yapmak zorundadır.