500 Fernsehprogramme auf einer Glasfaser? Optische Übertragung in modernen Kabelnetzen

Transkript

1 INFORMATIONSTECHNIK UND ARMEE Vorlesungen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich im Wintersemester 1996/1997 Leitung: Untergruppe Führungsunterstützung - Generalstab Divisionär E. Ebert, Unterstabschef Führungsunterstützung 500 Fernsehprogramme auf einer Glasfaser? Optische Übertragung in modernen Kabelnetzen Referent: M. Christoph Diese Vorlesung wurde durch die Stiftung HAMFU digitalisiert und als PDF Dokument für aufbereitet.

2 U37749/4 HAMFU - Seite 1

3 Zusammenfassung 2. Klassische Netztechnologie MHz Standard VHF (Band I) MHz FM Radio (Band II) MHz CATV Midband MHz Standard VHF (Band III) MHz CATV Top band MHz CATV Hyper band MHz Standard UHF (Band IV, V) 5-25 MHz CATV Rückwärtsweg 5-65MHz [zukünftigerrückwärtsweg Obere Frequenzgrenze des Systems Anzahl analoger Fernsehkanäle 300 MHz MHz MHz MHz 85 HAMFU - Seite 2

4 Tendenzen in der modernen Netztechnologie HAMFU - Seite 3

5 3-4 Interaktives Femsehen 2000 Video on demand Kommunikation, Telefon HAMFU - Seite 4

6 Optische Bauelemente 4.1. Die optische Faser Beugungsprofil I Mantel 0 = 125 um Kern = SO (im Muitimode - stufenindex-faser Mantel 125 um Kern 9 Monomode - Faser HAMFU - Seite 5

7 3-6 HAMFU - Seite 6

8 3-7 Neben der Standardfaser mit null Dispersion bei 1300 nm können auch Spezialfasern mit dem Nulldurchgang be nm oder mit flachem Verlauf zwischen dem 2 und 3 " î n ^ werden. D.ese Fasern sind jedoch teurer als die Standardfaser m ö h a ^ n T l ^ l T ^ Dampfung. Sie haben sich deshalb im Kabelfernsehen nicht durchsetzen können ' 4.2. Optische Sender i m m e r Halbleiter-Laser (zur Erinnerung: LASER steht für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Abbildung 8 zeigt den grundsätzlichen Aufbau. In einer aktiven Zone wird ähnlich wie bei einer HalWe.ter-Leuchtd.ode Licht erzeugt. Die aktive Zone ist umgeben von kleine em ; t S d e X F vergleichbar mit der Stufenindex-Faser. Zusammen mit den s p i e ^ "" gebildet, welcher die Leuchtdiode zum Lasern bringt. In diesem einfachen "Fabry Perof-Resonator können sich viele Wellen mit Ha b S V e r s ^ W e l, r, ä n 9 e A b b i l d u n» 9 W Ì r d " " K * w i e d a s de Z U e i n e m L a s e S, S l r - A u s gangsspektrum mit mehreren Spektrallinien führt Fur die Nachrichtenübertragung ist dieses Multimode-Ausgangsspektrum unerwünscht Active, layer Abb. 8 Struktur eines Fabry Perot-Lasers [3] LD gain curve Wavelength X i l iii Wavelength X Abb. 9 Ausgangssignal des Fabry Perot-Lasers [3] HAMFU - Seite 7

9 3-8 In the case of X/4 shift Facet Factt à LD gain curve Wavelength X E w s Wavelength X Single - mode Lasing Wavelength X HAMFU - Seite 8

10 m 4U Drive Current ( ma) 12 Laserdiodenkennlinien [3] Zusammenhang RF'N BIAS IN DIODE PUMPED SOLID STATE NdlYAC LASER CW LICHT OPTICAL MODULATOR P V y r LINEARIZED MODULATED LIGHT m RFIN HAMFU - Seite 9

11 Optische Empfänger 4.4 Optische Verstärker \D ERBIUM-DOPED SEGMENT SIGNAL IN SIGNAL OUT > t CURRENT Light from a diode laser pump excites erbium ions in a segment of an optical fiber. These ions then emit light and so boost a passing optical signal. HAMFU - Seite 10

12 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines optischen Verstärkers. Das Element in welchem die Lichtverstärkung stattfindet, ist eine mit Erbium dotierte Glasfaser Erbium S e n c h e r c h e s Bernent aus der Reihe der "seltenen Erden». Die Energiezufuhr durch den Pump astr fuhrt zu einer Anregung der Erbium-Ionen, d.h. sie werden auf ein höheres Energieniveau gehoben Ohne weitere Einwirkung würden sie nach einer Verzögerungszeit wieder auf ein tieferes Niveau zurückfallen und dabei spontan Licht emittieren. Beim optischen Verstärker wird dieser Vorganq vom Eingangslichtsignal stimuliert. Das Ausgangssignal ist dann mit Ausnahme von etwas zusätz S T n P ^ f T - ' 9 e t r e. U e S A b b i ' d d 6 S Eingangssignales, allerdings mit viel höherer Leistung ^ktrischefv^rst 9 ärker V O n l n t e r m d u l a t i o n e r v e r h ä l t s i c h a l s o i n d i e s e r ' Beziehung besser als ein Die Lichtwellenlänge, bei der eine Verstärkung stattfindet, steht in direktem Zusammenhang mit den Energieniveaus der Erbium-Ionen und der Pumpwellenlänge. Praktisch einsetzbare Verstärker gibt es bisher nur für das dritte Fenster, also für etwa 1500 nm. Alle Versuche ähnlich gescheitert V e r s t ä r k e r a u c h f ü r 1300 nm marktreif zu entwickeln, sind bisher Preisübersicht für optische Bauelemente In T abelle 4 wird die gegenwärtige Grössenordnung der Preise für aktive optische Bauelemente angegeben. Naturlich sind je nach Ausführung und Lieferant grössere Unterschiede möglich. Tabelle 4 Preisgrössenordnung für aktive optische Elemente Netzstrukturen Die Struktur moderner Kabelnetze kann auf zwei Grundanordnungen zurückgeführt werden- H FC (Hybrid Fibre/Coax) oder, allerdings viel weniger häufig, FITL (Fibre in the Loop) Es soll im folgenden Abschnitt gezeigt werden, dass diese beiden grundlegenden Strukturen eine direkte Folge der Eigenschaften der vorstehend beschriebenen "building blocks" bei den beiden Lichtwellenlängen 1300 nm und 1500 nm sind. Ausserdem wird dargestellt werden welchen Einfluss die Netzstruktur auf die Einführung neuer, vor allem interaktiver, Dienste hat HAMFU - Seite 11

13 3-12 HAMFU - Seite 12

14 3-13 Optischer Verstärker + Verteiler Analoge optische Übertragung 1550nm n = nm - HFC: Gut geeignet für Modernisierung be Netze Grosse Faserzahl ab Headend Grosse, aktive Koax-Zellen Individuelle Anspeisung jeder Zelle Einfacher optischer Rückweg Schwieriger koaxialer Rückweg Standard-Strukturen für Kabelnetze 1550 nm - FITL: Geeignet für neue Netze kleine Faserzahl ab Headend kleine, passive Koax-Zellen keine individuelle Anspeisung jeder Zelle Schwieriger optischer Rückweg Einfacher koaxialer Rückweg Wenig aktive Elemente Hohe Zuverlässigkeit HAMFU - Seite 13

15 Digitales Fernsehen HDTV EDTV SDTV LDTV High Definition Television Etwa doppelt so grosse horizontale und vertikale Auflösung wie beim heutigen Fernsehen, vor allem für Projektion Extended Definition Television Vergleichbar mit CCIR601-Studioqualität. In der Praxis nahe bei HDTV Standard Definition Television Vergleichbar mit heutigem PAL-Empfang Limited Definition Television VHS-Qualität. Eventuell für Video on demand geeignet ËDTV HAMFU - Seite 14

16 3-15 a u c h Frequenzbereich Anzahl Programme MHz 26 (analog) (digital, SDTV) 470 MHz (analog) total Quellenangaben [1] [2] [6] HAMFU - Seite 15