SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET Sveučilišni studij UTJECAJ PROSTORNOG RASPOREDA PRIJEMNIKA I PREDAJNIKA NA PROPAGACIJU SVJETLOSNOG SIGNALA SLOBODNIM PROSTOROM Diplomski rad Jelena Vlaović Osijek, 2013.
Obrazac D1: Obrazac za imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada Osijek, 31. listopad 2013. Odboru za završne i diplomske ispite Imenovanje Povjerenstva za obranu diplomskog rada Ime i prezime studenta: Jelena Vlaović Studij (smjer): Diplomski studij elektrotehnike, smjer Komunikacije i informatika Mat. br. studenta, godina upisa: D-464, 2011/2012 Mentor: Doc.dr.sc. Slavko Rupčić Sumentor: Doc.dr.sc. Davor Vinko Predsjednik Povjerenstva: Doc.dr.sc. Vanja Mandrić Član Povjerenstva: Doc.dr.sc. Davor Vinko Naslov diplomskog rada: Utjecaj prostornog rasporeda prijemnika i predajnika na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom Primarna znanstvena grana rada: Sekundarna znanstvena grana (ili polje) rada: Zadatak diplomskog rada Potpis sumentora: Optičke komunikacije Propagacija svjetlosnih signala slobodnim prostorom nalazi svoju primjenu kod realizacije sigurne komunikacije velikih brzina na udaljenostima od jednog kilometra do nekoliko desetaka kilometara ovisno o namjeni. Takva komunikacija se često koristi u urbanim prostorima za realizaciju LAN-a između susjednih objekata. Zadatak ovog diplomskog rada jest izraditi laboratorijski model za mjerenje propagacije svjetlosnog signala slobodnim prostorom s mogućnošću mjerenja utjecaja promjene udaljenosti i upadnog kuta svjetlosne zrake. Mjerni sustav mora imati mogućnosti promjene izvora svjetlosti kao i upotrebu različitih tipova detektora svjetlosti. Također, sustav mora omogućavati mjerenje propagacije i kvalitetu primljenog signala kroz različite medije, ponajprije kroz različite vrste fluida. Potpis mentora: Dostaviti: 1. Studentska služba U Osijeku, 31.listopad 2013. godine Potpis predsjednika Odbora:
IZJAVA O ORIGINALNOSTI RADA Osijek, 31. Listopad 2013. Ime i prezime studenta: Studij : Jelena Vlaović Diplomski studij elektrotehnike, smjer Komunikacije i informatika Mat. br. studenta, godina upisa: D-464, 2011/2012 Ovom izjavom izjavljujem da je rad pod nazivom: Utjecaj prostornog rasporeda prijemnika i predajnika na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom izrađen pod vodstvom mentora Doc.dr.sc. Slavko Rupčić i sumentora Doc.dr.sc. Davor Vinko moj vlastiti rad i prema mom najboljem znanju ne sadrži prethodno objavljene ili neobjavljene pisane materijale drugih osoba, osim onih koji su izričito priznati navođenjem literature i drugih izvora informacija. Izjavljujem da je intelektualni sadržaj navedenog rada proizvod mog vlastitog rada, osim u onom dijelu za koji mi je bila potrebna pomoć mentora, sumentora i drugih osoba, a što je izričito navedeno u radu. Potpis studenta:
SADRŽAJ 1. UVOD... 1 1.1. Zadatak diplomskog rada... 2 2. OPTIČKI PRIJENOS SIGNALA... 3 2.1. Fizikalne osnove... 5 2.2. Osnovna građa sustava... 9 3. SVJETLOVODNI OPTIČKI PRIJENOS SIGNALA... 12 3.1. Fizikalne osnove... 15 3.2. Svjetlovod... 19 3.3. Osnovna građa sustava... 26 4. NEVOĐENI PRIJENOS OPTIČKOG SIGNALA... 29 4.1. Fizikalne osnove... 31 4.2. Osnovna građa sustava... 36 4.2.1. Predajnici... 39 4.2.2. Svjetlosni izvori... 41 4.2.3. Prijemnici... 44 4.2.4. Fotodetektori... 46 4.3. Upotreba nevođenog optičkog prijenosa signala... 48 5. NEVOĐENI PRIJENOS OPTIČKOG DIGITALNOG SIGNALA... 50 5.1. Predajnik... 53 5.2. Prijemnik... 59 5.3. Analiza rezultata mjerenja... 62 5.3.1. Utjecaj udaljenosti između predajnika i prijemnika... 63 5.3.2. Utjecaj kuta upada svjetlosne zrake... 104 5.3.3. Utjecaj vanjskih svjetlosnih izvora... 115 5.3.4. Utjecaj medija kroz koji se propagira svjetlost... 117 6. ZAKLJUČAK... 128
LITERATURA... 129 SAŽETAK... 131 ABSTRACT... 132 ŽIVOTOPIS... 133 PRILOZI... 134
1. UVOD Danas postoje različiti komunikacijski sustavi za prijenos informacija. Osim činjenice da svi komunikacijski sustavi prenose energiju elektromagnetskog polja koja se širi u vremenu i prostoru, zajedničko im je i da svi teže ostvarivanju što veće brzine prijenosa, što veće količine informacije na određenoj udaljenosti te povećanju te udaljenosti. Komunikacijski sustavi se sve više razvijaju i već je duži niz godina poznato da je tehnologija koja koristi bakrene parice zastarjela te da više jednostavno ne može zadovoljiti sve veće potrebe korisnika za širokopojasnim pristupom informacijama. Iako optičke komunikacije nisu jedino rješenje navedenog problema, svakako su zbog svoje efikasnosti i isplativosti postale vrlo raširene. U prvom redu to su svjetlovodne optičke komunikacije kod kojih se informacija prenosi svjetlosnim signalom preko svjetlovoda. Optičke komunikacije slobodnim prostorom isprva su bile tehnologija koja nije imala isplativu primjenu te su se istraživanja i razvoj više usmjeravali na svjetlovodne prijenosne sustave. Međutim, zadnjih desetak godina nevođeni prijenos optičkog signala kod kojeg se informacija prenosi svjetlosnim signalom kroz slobodni prostor sve više pronalazi svoju primjenu. Razlog tome su mnoge prednosti u odnosu na konkurente sustave kao što su jednostavna i brza implementacija, jednake ili veće brzine prijenosa te niska cijena implementacije sustava. Efikasnost sustava koji se koriste za prijenos signala slobodnim prostorom ovisi o komponentama od kojih je sustav sačinjen. Zadatak ovog diplomskog rada je proučiti koliko i na koji način utječu različiti svjetlosni izvori i fotodetektori na prijenos signala te koliko udaljenost između prijemnika i predajnika, kut upada svjetlosti u prijemnik i medij propagacije utječu na propagaciju svjetlosnog signala. Upravo je Centar za komunikacijske tehnologije iz Brazila [1] proučavao jednu od navedenih stavki, a to je utjecaj valne duljine svjetlosnog izvora na uspješnost propagacije signala. Nakon uvoda i zadatka diplomskog rada, drugo poglavlje daje temeljna znanja iz optičkih prijenosnih sustava. Prvenstveno je to fizikalna podloga same propagacije signala putem svjetlosti, povijest optičkih sustava te osnovna građa svakog optičkog prijenosnog sustava. Treće poglavlje daje osnovna teorijska znanja o široko rasprostranjenim svjetlovodnim optičkim komunikacijama kao što su povijest, fizikalna osnova te građa sustava. Također je opisana konstrukcija i podjela svjetlovoda te proizvodnja i vrste optičkih vlakana. Četvrto poglavlje detaljno opisuje fizikalne osnove potrebne za razumijevanje nevođenog optičkog prijenosa signala, osnovnu građu sustava, primjenu nevođenog optičkog prijenosa signala te postojeće komercijalne sustave. Peto i posljednje poglavlje prije zaključka obrađuje praktični dio ovog rada, a to je izrada prijemnika i predajnika s različitim svjetlosnim 1
izvorima i fotodetektorima te testiranje propagacije i kvalitete signala pri prijenosu između dva računala. 1.1. Zadatak diplomskog rada Propagacija svjetlosnih signala slobodnim prostorom nalazi svoju primjenu kod realizacije sigurne komunikacije velikih brzina na udaljenostima od jednog kilometra do nekoliko desetaka kilometara ovisno o namjeni. Takva komunikacija se često koristi u urbanim prostorima za realizaciju LAN-a između susjednih objekata. Zadatak ovog diplomskog rada jest izraditi laboratorijski model za mjerenje propagacije svjetlosnog signala slobodnim prostorom s mogućnošću mjerenja utjecaja promjene udaljenosti i upadnog kuta svjetlosne zrake. Mjerni sustav mora imati mogućnosti promjene izvora svjetlosti kao i upotrebu različitih tipova detektora svjetlosti. Također, sustav mora omogućavati mjerenje propagacije i kvalitetu primljenog signala kroz različite medije, ponajprije kroz različite vrste fluida. 2
2. OPTIČKI PRIJENOS SIGNALA Kroz povijest ljudi su koristili različite svjetlosne signale kako bi komunicirali. U početku Kinezi, Asirci, Egipćani i Grci koristili su dimne signale kako bi komunicirali, kasnije u antici korištene su baklje na vrhovima planina, a u antičkoj Grčkoj korišteni su i svjetionici. Stari Rimljani su također koristili svjetlosne signale kao sredstvo komunikacije tako što su reflektirali sunčevu svjetlost na velike udaljenosti pomoću zrcala. Povijest optičkog prijenosa signala kakvog poznajemo danas počinje ipak u nešto ranijoj povijesti, točnije u 18. stoljeću. 1973. godine usred Francuske revolucije Claude Chappe izumio je optički telegraf kojim se uspio poslati poruku između Pariza i Lillea koji su udaljeni 230 km. 1850.-ih godina električni Morseov telegraf zamjenjuje dotadašnji optički telegraf. 1870. godine John Tyndall otkrio je da se svjetlost može širiti kroz mlaz vode. Alexandar Graham Bell je 1880. godine izumio fotofon, uređaj za komunikaciju koji je radio na principu amplitudne modulacije sunčeve svjetlosti. Sunčeva svjetlost se reflektirala od membrane koja je vibrirala pri govoru. Na udaljenosti od 183 m nalazila se ćelija od selena smještena u sredinu paraboličnog zrcala u koju je upadala modulirana sunčeva svjetlost. Sl. 1.1. Odašiljač i prijemnik fotofona koje je konstruirao A.G.Bell [35] Od 1880. do 1920. godine staklene cijevi korištene su kao sredstvo za osvjetljavanje pogotovo u medicini zbog svog svojstva da provode svjetlost. Kombiniranjem Bellovih i Tyndallovih ideja 1934. godine nastao je optički telefon. Nakon izuma poluvodičkih lasera 1962. godine optičke komunikacije se počinju ubrzano razvijati. 1971. godine životni vijek lasera bio je samo par sati, 1973. godine 1 000 sati, 1977. godine 7 000 sati, dok se već 1979. godine produžio na više od 100 000 sati. 1966. godine izumljeno je optičko vlakno s gušenjem od 1000 db/km (Charles Kao) koje je imalo brzinu prijenosa od 1 GHz, da bi se samo nekoliko godina kasnije izumilo vlakno s gušenjem manjim od 20 db/km (Corning Glass Works-SAD). Tim vlaknom prenosio se 3
signal valne duljine svjetlosnim izvorom od 633 nm. Dvije godine kasnije izrađeno je optičko vlakno sa stupnjevitom promjenom indeksa loma koje je imalo gušenje manje od 4 db/km. Danas su gušenja vrlo mala i za višemodna vlakna iznose 0,5 db/km za prijenos svjetlosnim izvorom valne duljine od 1300 nm, a za jednomodna 0,2 db/km za 1550 nm. 1977. godine u SAD-u je izrađen prvi optički prijenosni sustav. Putem infracrvenog izvora svjetlosti valne duljine 850 nm prenošen je telefonski signal brzinom od 6.2 Mbit/s i 45 Mbit/s. Zbog gubitaka od 2 db/km korišteni su elektro-optički regeneratori svakih nekoliko kilometara. Ti su uređaju pretvarali optički signal u električni, pojačavali ga i pretvarali ga opet u optički signal. 1988. godine poduzeće AT&T položilo je svjetlovod dug 5066 km koji je spajao Sjevernu Ameriku s Francuskom čije je gušenje bilo 0.4 db/km te su bili potrebni regeneratori koji su bili postavljeni svakih 65 km. Telefonski signal prenošen je svjetlosnim signalom valne duljine 1300 nm. Neovisno koji se tip podataka prenosi optičkim putem, optički prijenos informacija podrazumijeva prijenos svjetlosnim impulsima. Svaki optički prijenosni sustav se sastoji od predajnika, prijemnika i medija za prijenos signala. Ovisno o mediju koji se nalazi između prijemnika i predajnika postoje dvije vrste optičkih sustava, a to su svjetlovodni optički sustavi i nevođeni optički sustavi. Svjetlovodni optički sustavi kao medij za prijenos signala koriste svjetlovode, dok se kod nevođenih optičkih sustava signal prenosi slobodnim prostorom. Optički prijenos signala ima svoje prednosti i nedostatke. Najvažnija prednost je velika brzina prijenosa signala, preko 1Tbit/s. Za razliku od bakrenih vodova kod kojih regeneratori moraju biti postavljeni svaka 2 km, kod optičkih prijenosnih sustava regeneratori mogu biti postavljeni svakih 100 km. Ta činjenica ujedno znači i financijsku uštedu. Financijsku uštedu još više donose sustavi za optički prijenos signala slobodnim prostorom kod kojih čak niti nema infrastrukture koju je potrebno polagati u zemlju. Općenito optički prijenosni sustavi su u prednosti u odnosu na sustave s bakrenim vodovima jer u njima ne dolazi do interferencije, nema utjecaja elektromagnetskog zračenja i ne postoji mogućnost prisluškivanja. Također silicijevog dioksida od kojih se izrađuju optička vlakna za svjetlovodne sustave na Zemlji ima puno više nego bakra, dok sustavi za optički prijenos signala slobodnim prostorom uopće niti ne koriste vodove. Negativna strana optičkih sustava je činjenica da je prijenos jednosmjeran što znači da je za dvosmjernu komunikaciju potrebno imati na primjer dvije niti u slučaju svjetlovodnih optičkih komunikacije. Kod nevođenih optičkih komunikacija glavni nedostatci su to što je za prijenos signala potrebna optička vidljivost između prijemnika i predajnika te je takav oblik prijenosa osjetljiv na atmosferske prilike. Bez obzira na nedostatke, optički prijenos signala 4
danas je vrlo rasprostranjen te se više od 80% međukontinentalnih komunikacija vrši upravo optičkim putem. 2.1. Fizikalne osnove Fizikalne osnove optičkog prijenosa signala temelje se na geometrijskoj, valnoj i kvantnoj optici. Poznato je da svjetlost ima dualnu prirodu, npr. u interakciji s materijom se može promatrati kao skup čestica, a u slobodnom prostoru se može promatrati kao val. Ako su strukture kojima propagira svjetlost puno veće od valne duljine svjetlosti tada se koristi geometrijska optika za objašnjavanje nastalih pojava. Geometrijska optika odnosno teorija zraka definirana je kroz tri zakona koji opisuju propagaciju svjetlosti. Sva tri zakona geometrijske optike primjenjuju se i u svjetlovodnim i u nevođenim optičkim komunikacijama. Prvi zakon je zakon o pravocrtnom širenju svjetlosti koji kaže da se svjetlost širi pravocrtno iz izvora u optički jednolikom i prozirnom sredstvu. Drugi zakon je zakon refleksije ili zakon odbijanja koji kaže da se zraka svjetlosti koja padne na glatku površinu od nje odbije s tim da upadna zraka, odbijena zraka i normala na plohu u upadnoj točki leže u istoj ravnini. Kut koji upadna zraka svjetlosti zatvara s normalom, jednak je kutu koji reflektirana zraka zatvara s normalom (Sl. 2.1.). Sl. 2.1. Zakon refleksije [11] Potpuna ili totalna refleksija je pojava do koje dolazi kada je kut upada veći od graničnog kuta i tada se svjetlosna zraka reflektira bez refrakcije, apsorpcije i transmisije. Totalna refleksija se može definirati i kao pojava koja nastaje kada je kut loma veći od upadnog kuta odnosno kada se svjetlost širi iz optički gušćeg u optički rjeđe sredstvo. Granični kut određuje se prema izrazu (2-1). U izrazu za granični kut n1 je indeks loma jednog, a n2 indeks loma drugog sredstva. Θ c = sin 1 n 2 n 1 (2-1) 5
Sl. 2.2. Totalna refleksija (n1>n2) [36] Lomljena zraka širit će se po samoj granici sredstava kada je za neki granični kut, kut loma jednak 90 stupnjeva. Treći zakon geometrijske optike je zakon loma ili refrakcije koji govori da smjer zrake svjetlosti pri prolasku iz jednog sredstva u drugo s različitim indeksima loma mijenja. Na taj način nastaju upadna i lomljena zraka što je prikazano slikom 2.3. Upadna zraka, lomljena zraka, normala na okomicu u lomljenoj točki i odbijena zraka leže u istoj ravnini. Sl. 2.3. Zakon refrakcije [11] Snellov zakon povezuje kutove koje upadna i lomljena zraka zatvaraju s normalom. Kutovi dobiveni refrakcijom se razlikuju. n 1 sin u = n 2 sin l (2-2) Omjer brzine svjetlosti u vakuumu, c i fazne brzine svjetlosti u nekom sredstvu, v naziva se indeksom loma [11]. n 1 = c ; n v 2 = c (2-3) 1 v 2 Fizikalna optika proučava prirodu svjetlosti te se može podijeliti na čestičnu i valnu optiku. Valna optika opisuje svjetlost kao transverzalni elektromagnetski val i koristi se kada je duljina prostora približno jednaka valnoj duljini svjetlosti. Prvenstveno se koristi za opis ogiba svjetlosti, 6
interferencije i polarizacije svjetlosti. Svjetlosne zrake se prostiru okomito u odnosu na valne fronte. Ogib svjetlosti opisuje se kao širenje svjetlosti iza ugla. Postoje dvije vrste ogiba svjetlosti. Fraunhoferov ogib se definira kada su mjesto promatranja ogiba i izvor svjetlosti beskonačno udaljeni od zapreke, dok se Fresnelov ogib definira kada su te udaljenosti konačne. Interferencija se definira kao superpozicija dvaju ili više valova. S obzirom da je svjetlost transverzalni val, ima i polarizaciju. Linearna polarizacija vala znači da se može postići da se titranje vala odvija samo u jednoj ravnini i to u ravnini pravca širenja vala. Brewsterov zakon (polarizacija refleksijom) kaže da monokromatska zraka svjetlosti koja se djelomično lomi, a djelomično reflektira na granici dva sredstva različita indeksa loma ima potpuno linearno polariziranu reflektirajuću zraku ako vrijedi da je suma kutova upadne zrake i lomljene zrake jednaka 90 stupnjeva. Polarizacija raspršenjem nastaje na primjer pri upadu svjetlosti na molekulama zraka, prašini i vodenoj pari kada električno polje u elektromagnetskom valu pokrene električne naboje u molekuli na titranje, a najviše se raspršuje svjetlost manjih valnih duljina (plava, ljubičasta). Polarizacija dvolomom nastaje pri upadu svjetlosti na neizotropni kristal kod kojeg se upadna zraka lomi na dvije: redovnu i izvanrednu. Zrake koje pritom nastaju polarizirane su na način da su im ravnine polarizacije međusobno okomite. Teorija modova koja pomoću Maxwellovih jednadžbi opisuje propagaciju svjetla te gubitke koji se pritom događaju također je dio valne optike. Iz Maxwellovih jednadžbi iskazanih u diferencijalnom obliku uz pomoć relacija građe izvode se valne jednadžbe čija su rješenja modovi. Mod je skup navođenih elektromagnetskih valova s definiranim kutom upada [3]. Samo se određena količina svjetlosnih zraka s određenim upadnim kutovima odnosno određena količina modova može propagirati jer zbog refleksije i propagacije često dolazi do pomaka u fazi te ponekad dolazi do destruktivne interferencije. Uvjet propagacije svjetlosti je da valne fronte budu u fazi. Ova se teorija prvenstveno primjenjuje kada se opisuje propagacija svjetla kroz vlakna. Iako se disperzija opisuje u sklopu geometrijske optike, a apsorpcija u sklopu fizikalne optike, za oba svojstva potrebno je poznavati i kvantnu optiku. Disperzija ili rasap svjetlosti je ovisnost brzine propagacije svjetlosti u nekom prozirnom sredstvu o valnoj duljini, λ. Propagacijska konstanta, β odnosno periodička frekvencija kojom se ponavljaju fronte određenog moda s upadnim kutom, Θ dana je jednadžbom (2-4). β = 2 π sin Θ λ (2-4) Uzrok širenja svjetlosnog impulsa odnosno disperzije su promjene u propagacijskoj konstanti. Disperzija se može podijeliti na kromatsku, modalnu i disperziju polarizacijskih modova. Kromatska disperzija puno je manja od modalne, a nastaje zbog razlike u brzinama kojima 7
putuju različite spektralne komponente. Kromatska se disperzija može podijeliti na materijalnu i valovodnu. Valovodna dispezija nastaje kao posljedica promjene efektivnog indeksa loma u ovisnosti o valnoj duljini. Kao posljedica promjene indeksa loma u ovisnosti o valnoj duljini nastaje materijalna disperzija. Superpozicija modova koji imaju jednake valne duljine λ, ali različite duljine puteva prostiranja uzrokuje modalnu disperziju. U jednomodnim vlaknima se još javljaju profilna disperzija i disperzija polarizacijskih modova. Uzrok profilne disperzije su promjene u ovisnosti indeksa loma ovojnice i jezgre. Disperzija polarizacijskih modova nastaje kao posljedica razlike u promjeni indeksa loma koju vide dva nezavisna, ortogonalno polarizirana moda. Apsorpcija je jedan od uzroka gušenja u optičkom prijenosu pri čemu se optička snaga pretvara u neki drugi oblik energije najčešće u toplinsku. Apsorpcija se očituje u smanjenju intenziteta svjetlosti prema jednadžbi (2-5). I = I 0 e a l (2-5) gdje je I0 intenzitet svjetlosti izvora svjetlosti, a koeficijent apsorpcije, a l duljina puta koju prijeđe svjetlost. Kvantna optika koristi se za opisivanje čestičnog ponašanja svjetlosti. Propagacija svjetlosti se analizira kvantnom optikom kada je duljina prostora puno manja od valne duljine svjetlosti. Čestična priroda svjetlosti znači da se svjetlosna zraka sastoji od fotona (svjetlosnih kvanta) od kojih svaki ima energiju jednaku umnošku Planckove konstante i frekvencije zračenja. Ako je taj umnožak veći ili jednak širini energetskog procijepa između valentnog i vodljivog pojasa, tada dolazi do apsorpcije fotona i unutrašnjeg fotoelektričnog efekta. Fotoelektrični efekt je pojava da metali emitiraju elektrone zbog elektromagnetskih valova. Ako je umnožak Planckove konstante i frekvencije zračenja manji od širine energetskog procijepa između valentnog i vodljivog pojasa, tada dolazi do termičkog efekta. Termički efekt je pojava kada atomi ili molekule emitiraju elektromagnetske valove zbog termičkog gibanja. 8
2.2. Osnovna građa sustava Sl. 2.4. Blok shema optičkog komunikacijskog sustava [21] Svi sustavi za prijenos optičkog signala sastoje se od predajnika, medija za prijenos optičkog signala i prijemnika. Kada se na ulaz predajnika dovede električni signal, on se u predajniku pretvara u niz svjetlosnih impulsa. Od čega će se predajnik sastojati ovisit će o namjeni optičkog sustava te radi li se o svjetlovodnom ili nevođenom optičkom sustavu. Na primjer, ako se radi o prijenosu digitalnog signala osim samog svjetlosnog izvora predajnik može imati koder i modulator. Također pobudni stupanj predajnika kod prijenosa digitalnog signala mora imati generator brzih impulsa koji uključuju i isključuju izvor svjetlosti. Kod prijenosa analognih signala potrebno je da pobudni stupanj predajnika osigura svjetlosnom izvoru nužnu struju za održavanje pozitivne i negativne promjene signala. O modulacijskom postupuku ovisit će koji će se modulator koristiti ako je uopće potreban. Postoji nekoliko modulacijskih postupaka koji se koriste u optičkom prijenosu, a mogu se podijeliti u dvije grupe: direktni modulacijski postupci kao što su 2PAM, OOK, ASK, PSK, DQPSK, DPSK, FSK i QAM i modulacije s vanjskim modulatorima. Kod direktnih modulacijskih postupaka modulacija se obavlja na svjetlećoj diodi ili laseru. Modulirat se mogu analogni i digitalni signali, a prednosti ovakvih modulacija su niska cijena i jednostavnost te se zbog toga one najčešće i koriste. Direktna, odnosno intenzitetna modulacija je modulacija kod koje se za moduliranje trenutne snage svjetlosti na željenoj valnoj duljini koristi valni oblik informacije. OOK ili on-off keying je vrlo jednostavan modulacijski postupak koji električni signal pretvara u niz nula i jedinica. Radi na principu da se promjenom jakosti struje mijenja i intenzitet svjetlosti. Kada postoji stalno protjecanje struje radi se o konstantnom upravljanju, a kada se struja modulacije povremeno uključuje, a struja praga je konstantno prisutna radi se ili o serijskom upravljanju ili o shunt upravljanju ovisno o načinu spajanja. ASK, FSK i PSK su diskretni modulacijski postupci kod kojih prijenosni signal ima sinusni valni oblik, a modulacijski signal je diskretan. ASK ili amplitude-shift keying je modulacijski postupak u kojem se amplituda pretvara u intenzitet svjetlosti. ASK je vrlo često koristi u optičkim komunikacijama. Implementacija FSK i PSK je skupa te se zato rjeđe koriste. Kod FSK modulacije ili frequency-shift keying modulacije modulacijski signal uzrok je diskretne promjene 9
frekvencije nositelja. S obzirom da bi širina laserske zrake trebala biti puno uža od pojasne širine signala i da ako se koristi FSK na prijemnoj strani je potrebna koherentna detekcija ova vrsta modulacije se rijetko koristi. PSK ili phase-shift keying modulacijski postupak znači da postoji konačan skup diskretnih vrijednosti koje se dodjeljuju relativnoj fazi moduliranog signala. QAM ili quadtrature amplitude modulation je diskretni modulacijski postupak kod kojeg se amplituda modulira pri istovremenom prijenosu dva signala na istoj prijenosnoj frekvenciji zakrenutih za 90 stupnjeva. Sl. 2.5. Grafički prikaz ovisnosti optičkog dobitna snage iskazanog u db u odnosu na OOK i iskoristivosti pojasne širine [37] Slika 2.5. prikazuje usporedbu modulacijskih postupaka s tim da je OOK korišten kao referentna vrijednost jer je odnos snage i iskoristive pojasne širine najpovoljniji. Za nevođene optičke komunikacije preporučuje se korištenje postupaka iz gornjeg desnog dijela slike jer je u tom dijelu učinkovitost iskoristivosti snage i pojasne širine maksimalna (OOK). Kod modulacije s vanjskim modulatorima modulacija se vrši u vanjskom modulatoru na svjetlosti konstantnog intenziteta. Za modulaciju s vanjskim modulatorima koriste se elektrooptički modulatori MZI (Mach-Zender inferometar), TWLPM (Traveling-wave linear phase modulator), magnetooptički modulatori i elektroapsorpcijski modulatori. Modulator modulira izlazni signal na način da mijenja intenzitet i fazu svjetlosnog signala izvora. Ova vrsta modulacije koristi se jer je mnogo brža od direktne i pogodna je za korištenje s laserima koji 10
imaju veliku snagu. Elektrooptički modulatori moduliraju signal na način da dolazi do faznog pomaka između signala zbog korištenja materijala čiji indeks loma ovisi o narinutom naponu. Magnetooptički modulatori vanjskim magnetskim poljem mijenjaju polarizaciju svjetlosti na izlazu iz modulatora. Elektroapsorpcijski modulatori vanjskim poljem mijenjaju širinu zabranjenog područja u poluvodiču. Kao izvor svjetlosti odašiljača koriste se ili laseri ili diode. Koji će se točno izvor svjetlosti koristiti ovisi o traženim karakteristikama sustava, a najčešće su to VCSEL laseri (Verticalcavity surface-emitting laser), GaAs, GaAlAs laseri, GaAlAs IR LED (GaAlAs infrared light emitting diode), GaAs IR LED i GaAsP Visible Red LED. Ako se radi o svjetlovodnom optičkom prijenosu kao prijenosni medij se koriste optička vlakna odnosno svjetlovodi. Nevođeni optički prijenos kao prijenosni medij koristi slobodni prostor odnosno zrak. Prilikom samog prijenosa signala može doći do refleksije, raspršenja, apsorpcije, disperzije, ali i pojačanja signala ovisno o uvjetima u komunikacijskom kanalu. Prijemnik se koristi za pretvaranje svjetlosnih impulsa u električni signal. Ako je za modulaciju na predajniku korištena direktna modulacija, tada se na prijemniku koristi direktna detekcija kod koje fotodetektor daje električni signal u skladu s trenutnom snagom primljenog optičkog signala. Kao detektor svjetlosti kod prijemnika se koriste fotodiode (PIN, lavinska) ili fototranzistori. Osim samog detektora svjetlosti prijemnik ima pojačalo i sklop za obnavljanje signala. S obzirom da signal slabi kada se prenosi medijem potrebno ga je pojačati. Nakon pojačanja signal ide u sklop za obnavljanje signala koji se koristi za primanje niza impulsa u ovisnosti o vremenu i rekonstrukciju poslanog signala. Često je jedan od dijelova prijemnika i filter koji se koristi kako bi se primljeni signal očistio od neželjenih smetnji koje je signal pokupio pri prijenosu kroz komunikacijski kanal. Sl. 2.6. Shema optičkog komunikacijskog sustava [13] 11
3. SVJETLOVODNI OPTIČKI PRIJENOS SIGNALA Svjetlovodne optičke komunikacije su komunikacije kod kojih se signal prenosi svjetlosnim signalom između predajnika i prijemnika. Svjetlosni signal prenosi se svjetlovodom. Prednosti korištenja optičkih vlakana za prijenos signala u odnosu na bakrene vodove su brži prijenos signala na veće udaljenosti i veća pojasna širina. Također optička vlakna izrađuju se od silicijevog dioksida kojeg na Zemlji ima u velikim količinama te je time i cijena niža u odnosu na cijenu bakra. Prednosti svjetlovodnog optičkog sustava su malo gušenje koje iznosi oko 0,2 db/km, manji i lakši kabeli (teže jednu devetinu koaksijalnog kabela), otpornost na atmosferske uvjete, na elektromagnetska zračenja te nepostojanje elektromagnetske interferencije. Također prisluškivanje je praktično nemoguće, jer da bi se prisluškivao signal koji propagira optičkim vlaknom potrebno je fizički prekinuti vlakno i spojiti se prislušnim uređajem na pukotine što se vrlo lako otkriva. Cijenu samih sustava snižava i činjenica da su kod optičkih sustava regeneratori potrebni svakih 100 km, što je 50 puta rjeđe u odnosu na bakrene parice jer su gušenja u optičkim kabelima puno manja. Svjetlovodne komunikacije imaju i svojih nedostataka. Cijene komponenti, spojnica i okončanja veće su nego kod bakrenih ožičenja te je potrebno biti oprezan pri radu sa svjetlovodima, jer su oni osjetljiviji i manje savitljivi od bakrenih parica. Iako se u većini izvora John Tyndall navodi kao začetnik svjetlovodnih optičkih komunikacija u Ženevi 1841. godine Daniel Colladon prvi je pokazao mogućnost propagacije svjetlosti refrakcijom u mlazu vode. Isto je i Jacques Babinet pokazao u Parizu godinu dana kasnije. Sl. 3.1. Tyndallov pokus [49] 12
John Tyndall je 1854. godine u Londonu neovisno o Colladonu i Babinetu također pokazao propagaciju svjetlosti kroz mlaz vode koji istječe iz bačve. Tyndall je tvrdio da je za propagaciju svjetlosti kroz mlaz vode zaslužna totalna unutarnja refleksija. Iako međusobno neovisna, ta su tri otkrića bila temelj svjetlovodnog optičkog prijenosa. Iako su staklena vlakna korištena za vođenje svjetlosti u medicini, za osvjetljavanje prostorija i slično, svoju primjenu u optičkim komunikacijama dobila su tek 1962. godine nakon izuma poluvodičkog lasera. Prije poluvodičkih lasera, 1960. godine otkriveni su koherentni izvori svjetlosti, laseri od rubina onečišćenog kromom. U početku su se poluvodički laseri izrađivali od GaAs i osim što su imali kratak vijek trajanja, također su se i pregrijavali. Problem pregrijavanja riješen je 1967. godine otkrićem dopiranja. Znanstvenici M. Panish i I. Hayashi otkrili su proces kod kojeg se spoju GaAs dodaju atomi aluminija na način da se neki atome galija zamjenjuju atomima aluminija. Nakon što je riješen problem pregrijavanja, problem vijeka trajanja lasera rješavao se postupno te je do 1979. godine povećan vijek lasera na više od 100 000 sati. Nakon što je izumljen dugotrajan stabilan poluvodički laser počela se ozbiljnije razvijati ideja o svjetlovodnim optičkim komunikacijama. Optička vlakna pokazala su se idealnim za rješenje problema prijenosa na velike udaljenosti koje je do tada bilo ograničeno zbog toga što laser daje kratkovalnu svjetlost. U početku je staklo od kojeg su se izrađivala optička vlakna imalo previše nečistoća te je pri prolasku kroz optičko vlakno kraće od 100 m svjetlost gubila 99% svoje snage. Engleska tvrtka STL je 1963. godine radila istraživanja na optičkim vlaknima koja su imala gušenje od 3000 db/km i koja su imala domet samo 20-ak metara. 1966. godine vlakna na kojima su se radila testiranja imala su gušenje od 1000 db/km, međutim već tada C. Kao i C. Hockam iz Telecommunications Laboratories tvrdili su da je to gušenje moguće smanjiti na manje od 20 db/km povećanjem prozirnosti vlakna. Iako se jednomodna vlakna danas više koriste nego višemodna, u početku znanstvenici nisu bili zadovoljni s jednomodnim vlaknima, jer su imala promjer jezgre od nekoliko mikrometara, stepeničasti indeks loma i uski frekvencijski spektar. Također je postojao problem raspršenja svjetlosti na konektoru pri ulasku svjetlosne zrake u vlakno. Iz tih razloga znanstvenici su se okrenuli proučavanju višemodnih vlakana koja su imala jezgre promjera 50 µm i 62,5 µm. Samo nekoliko godina kasnije 1970. godine u SAD-u izrađeno je vlakno s gušenjem manjim od 20 db/km. 1973. godine izrađena su optička vlakna s gušenjem od 4 db/km, a godinu dana kasnije s gušenjem od 3 db/km, oba za svjetlost valne duljine 850 nm. 1976. godine izrađena su vlakna s gušenjem od 0.5 db/km kojim je propagirala svjetlost valne 13
duljine 1300 nm. 1976. godine testiran je prvi svjetlovod u Atlanti. Postavljena su dva optička kabela od kojih je svaki imao 144 vlakna ukupne duljine 7 km. Postavljeni kabeli bili su izrađeni od vlakana koja su imala gušenje od 2 db/km s maksimalnom duljinom prijenosa 10 km. 1977. godine izrađena su prva vlakna s gradijentnim indeksom loma. 1979. godine uz korištenu valnu duljinu od 1500 nm dobiveno je gušenje od 0.2 db/km. Iako je to tehnologija koja se još uvijek razvija, vlakna koja se danas koriste imaju gušenje od 0,5 db/km za višemodna vlakna i 0,22 db/km za jednomodna vlakna. Sl. 3.2. Grafički prikaz ovisnosti gušenja o godini izrade vlakna [38] 1977. godine aktiviran je prvi optički prijenosni sustav u SAD-u. S obzirom da prijenos signala ne ovisi samo o izvoru svjetlosti i o prijenosnom mediju istraživanja su bila usmjerena na smanjenje gušenja i unapređenjem prijemnika i predajnika te je tako 1985. godine izumljeno optičko pojačalo. To je bilo prvo pojačalo koje je imalo samo optičke elemente, a izradio ga je fizičar S. B. Poole. Optički signal se pojačavao bez dodatne elektronike na način da je postojao kratki, stakleni pramen dopiran erbijem koji je bio ugrađen u optičko vlakno i koji se kada je primio energiju od vanjskog svjetlosnog izvora ponašao kao laser pojačavajući na taj način optički signal. 1991. godine u Bell laboratoriju pokazano je da sustavi koji koriste optička pojačala imaju 100 puta veći kapacitet od sustava koja koriste elektronska pojačala. Od tada optički prijenosni sustavi postali su široko rasprostranjena tehnologija koja pruža brzi prijenos informacija i kod kojih još uvijek ima prostora za razvoj. 14
3.1. Fizikalne osnove Sl. 3.3. Zakon refrakcije u vlaknu [15] Propagacija svjetlosti kroz vlakno započinje upadom svjetlosti u vlakno. Prilikom upada svjetlosti u jezgru dolazi do refrakcije svjetlosti zbog razlike u indeksima loma između jezgre, n 1 i vanjskog okruženja, n 0. Svako vlakno se sastoji od omotača i jezgre koji imaju različite indekse loma. Totalna unutarnja refleksija nastaje zbog činjenice da je indeks loma jezgre, n 1 veći od indeksa loma omotača, n 2. Propagacija svjetlosti u vlaknu posljedica je totalne unutarnje refleksije na graničnom sloju između jezgre i omotača gdje je kut upada, Θ 1 veći od graničnog kuta, Θ c. U slučaju idealnog svjetlovoda, bez nečistoća u vlaknu ne bi dolazilo do loma zrake svjetlosti i zraka bi nastavila beskonačno putovati svjetlovodom. Iz slike 3.3. se vidi da bi se zbog različitih indeksa loma zraka svjetlosti lomila i nakon nekog vremena bi se potpuno prigušila. Kut prihvata, Θ a je maksimalni kut upada zrake svjetlosti iz vanjskog okruženja pri kojem je moguće širenje upadne zrake vlaknom, a izračunava se pomoću jednadžbe (3-1). Θ a = sin 1 n 1 2 n 2 2 (3-1) n 0 Numerička apertura, NA ili veličina numeričkog otvora je još jedno od ograničenja svjetlovoda, a predstavlja sposobnost skupljanja svjetlosnih zraka optičkog vlakna. Numerički otvor određuje maksimalni kut upada zrake koji je određen graničnim kutom refleksije. NA = n 0 sin Θ a = n 2 2 n 2 1 (3-2) Veća vrijednost numeričke aperture znači i veću učinkovitost veze između izvora i vlakna. Uobičajene vrijednosti numeričke aperture su za staklena vlakna između 0,20 i 0,29, a za 15
plastična vlakna mogu biti veća od 0,50. Numerički otvor može se definirati i kao mjera količine svjetlosti koja se može spregnuti u svjetlovod koja utječe na broj modova koji se mogu koristiti. Gušenje optičke snage u optičkom vlaknu je eksponencijalno i opisuje se izrazom (3-3) gdje je α koeficijent prigušenja koji iskazuje gubitke u db/km. P(x) = P 0 10 α L 10 (3-3) Gušenje u vlaknu koje nastaje pri propagaciji svjetlosti kroz vlakno posljedica je vanjskih i unutrašnjih uzroka. Unutrašnji uzroci su nečistoće u staklu od kojih se staklena vlakna izrađuju i pri udaru fotona u nečistoće dolazi do raspršenja ili apsorpcije. U vlaknu je najčešće javljaju Rayleighovo, Ramanovog i Brillouinovo raspršenje. Rayleighovo raspršenje koje najviše utječe na gušenje (96%) nastaje kao posljedica nehomogenosti indeksa loma jezgre i osnovni je uzrok gušenja u vlaknima čija je valna duljina od 800 do 1600 nm s tim da ima sve manji utjecaj što se valna duljina povećava. Ramannovo raspršenje je raspršenje kod kojeg se dio energije pretvara u neki drugi oblik energije. Brillouinovo raspršenje je raspršenje kod kojeg dolazi do akustičke interakcije fotona i medija. Električno polje uzrokuje pomicanje molekula, mijenjanje indeksa loma i generiranje akustičkog vala. Kerov efekt je pojava kada zbog utjecaja električnog polja dolazi do izobličenja atoma i molekula. Indeks loma će u tom slučaju ovisiti o snazi optičkog signala (3-4). n = n 0 + n 2 P A eff (3-4) n0 je linearni indeks loma, n2 je Kerrov koeficijent, P je optička snaga, a Aeff je efektivna površina. Apsorpcija je drugi uzrok gušenja u vlaknima, a može se podijeliti na ultraljubičastu, infracrvenu i materijalnu apsorpciju. Apsorpcija je pojava pretvorbe optičke snage u toplinsku, a očituje se smanjenjem intenziteta svjetlosti. Ultraljubičasta apsorpcija se u vlaknu javlja kada foton pobudi elektron iz najniže ljuske. Infracrvena apsorpcija posljedica je molekularnih vibracija silicijevog dioksida. Materijalna apsorpcija posljedica je nečistoća u vlaknu čije je porijeklo nesavršenost proizvodnog procesa vlakna. 16
Sl. 3.4. Ovisnost gušenja u optičkom vlaknu o valnoj duljini [24] Iz slike 3.4. se vidi da je gušenje manje što je valna duljina veća. Sve valne duljine ispod 800 nm su neupotrebljive za prijenos signala za komercijalne svrhe. Vanjski uzroci gušenja su na primjer savijanje svjetlovoda pri čemu se mijenja put koji zrake prolaze. Optički prozori su valne duljine na kojima je gušenje najmanje. Prvenstveno se radi o smanjenju utjecaja gušenja nastalog kao posljedica materijalne apsorpcije, točnije apsorpcije na OH ionima. Postoje tri optička prozora (Sl. 3.5). Prvi optički prozor nalazi se na rasponu valnih duljina od 800 do 900 nm koji je u početku jedini korišten za prijenos signala zbog tada postojećih izvora svjetlosti, ali se uglavnom više ne koristi. U tom prozoru gušenje iznosi 2 db/km. Drugi optički prozor nalazi se oko 1300 nm i na njemu gušenje iznosi 0,5 db/km, a treći oko 1550 nm na kojem gušenje iznosi 0,2 db/km. Danas već postoje vlakna s gušenjima koja se bliže teoretskom. 17
Sl. 3.5. Grafički prikaz ovisnosti gušenja u optičkom vlaknu o valnoj duljini s istaknutim optičkim prozorima i valnom duljinom pri kojoj je apsorpcija OH iona najveća [22] Gušenje također nastaje na spoju dva vlakna, na spojevima s izvorom svjetlosti i s detektorom, ali danas su takva prigušenja zanemariva. Prigušenje najviše ovisi o materijalu od kojeg je svjetlovod izrađen, pa tako kvarcno staklo ima gušenje 0,5-2 db/m, silikatno staklo 5-10 db/km, dok su gušenja plastičnih vlakana puno veća. Disperzija je pojava da svjetlosni impulsi koji se pri propagaciji proširuju ograničavaju širinu propusnog opsega. Višemodna vlakna imaju problem modalne disperzije zbog različitih vremena prolaska prisutnih modova. Kod jednomodnih vlakana nema modalne disperzije, ali zato ima kromatske. Kromatska disperzija je kod jednomodnih vlakana uzrokovana nekoherentnošću svjetlosnog izvora i sastoji se od dvije komponente: valovodne i materijalne. Materijalna disperzija postoji zbog ovisnosti indeksa loma o valnoj duljini, a valovodna komponenta postoji zbog toga što različite valne duljine imaju različiti λ/a u odnosu na polumjer valovoda što kao posljedicu ima različita propagacijska svojstva. Kromatska disperzija za svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma iznosi 2-5 ns/km, za svjetlovode s kontinuiranom promjenom indeksa loma iznosi 0,1-2 ns/km. Modalna disperzija za višemodne svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma iznosi <20 ns/km, za višemodne svjetlovode s kontinuiranom promjenom indeksa loma iznosi <50 ps/km. Disperzija polarizacijskih modova nije značajna kada je BER (Bit Error Rate) nizak, ali se mora uzeti u obzir da se za BER iznad 5 Gbit/s uzima 0,5 db veća snaga upravo zbog disperzije polarizacijskih modova. 18
3.2. Svjetlovod Svjetlovodni kabel je skup više optičkih modula koji mogu biti spojeni na različite načine ovisno o kojoj se vrsti optičkih modula radi. Skupovi optičkih vlakana koja su spojena zajedno na različite načine nazivaju se optičkim modulima. Optičko vlakno je transparentan, cilindrično oblikovan materijal koji provodi svjetlosne zrake pomoću totalne unutarnje refleksije. Iz slike 3.6. se vidi da se svako se vlakno sastoji od jezgre, omotača jezgre, buffera te vanjskog omotača. Omotač jezgre je istog sastava kao i jezgra, ali ima nešto manju optičku gustoću, dok se vanjski omotač najčešće izrađuje od PVC-a (Poly-vinyl chloride), često nije optički providan i ima funkciju zaštite ostalih dijelova svjetlovoda od vanjskih utjecaja kao što su mehanička oštećenja, vlaga, toplina i slično. Svjetlovodna vlakna se najčešće izrađuju od silicijevog dioksida odnosno od kvarcnog stakla, ali mogu biti izrađena i od plastičnih materijala. Sl. 3.6. Građa svjetlovodnog vlakna [8] Proizvodnja vlakana se može podijeliti na tri bitne cjeline, materijale od kojih se vlakna izrađuju, proces proizvodnje i testiranje proizvedenog vlakna kako bi se vidjelo odgovaraju li njegove karakteristike traženim karakteristikama. Staklena optička vlakna se gotovo uvijek izrađuju od silicij dioksida, ali se za izradu koriste i halkogeni spojevi, spojevi s fluoraluminijem i fluorcirkonijem. Indeks refrakcije za stakla izrađena od silicij dioksida i od fluorida je većinom oko 1,5. Stakla izrađena od halkogenih spojeva mogu imati indeks refrakcije i do 3. Osim staklenih vlakana izrađuju se i plastična vlakna. Plastična vlakna su najčešće višemodna vlakna sa stupnjevitim indeksom loma čiji je promjer jezgre 0,5 mm ili veći. Gušenja su kod plastičnih vlakna veća nego kod staklenih i iznose minimalno 1 db. Vlakna od silicij dioksida imaju mnogo prednosti te je to jedan od razloga zašto su i najraširenija. Na dijelu spektra koji je vrlo blizu infracrvenom dijelu spektra, vlakna od silicij dioksida imaju vrlo mala gušenja zbog apsorpcije i raspršenja i mogu prenositi signal na širokom spektru valnih duljina. Dopiranjem s germanij 19
dioksidom i aluminij oksidom moguće je povećati indeks refrakcije vlakana izrađenih od slicij dioksida. U odnosu na ta vlakna nastala dopiranjem s elementima kojih nema na Zemlji u velikim količinama, bolja svojstva imaju vlakna od fosfata. Još jedan od razloga zašto se vlakana od silicij dioksida najviše koriste je činjenica da silicij dioksida ima puno na Zemlji. Vlakna izrađena od halkogenida mogu prenositi signal na velike udaljenosti i osobito su dobra za prijenos signala valnim duljinama iz infracrvenog dijela spektra, ali takva se vlakna teško proizvode. Također i vlakna od spojeva fluora s metalima imaju dobra optička svojstva i koriste za prijenos signala na valnim duljinama 2000 do 5000 nm, ali iako fluoridi u spoju s teškim metalima imaju vrlo malo gušenje teško ih se proizvodi i takva su vlakna lomljiva. Također imaju lošu otpornost na vlagu i različite utjecaje iz okoline. Za proizvodnju staklenih vlakana razvijeno je više različitih tehnologija koje se mogu podijeliti u dvije osnovne skupine: primjena dvije posude s tekućim staklima jezgre i omotača i kemijska depozicija u parnoj fazi. Kod postupka dvostruke posude u uređaj se odvojeno stavljaju materijali za izradu jezgre i za izradu omotača. Grijači zagrijavaju materijale i tope ih. Iz unutarnje posude izlazi jezgra vlakna koja zatim prolazi kroz vanjsku posudu i jezgra se oblaže omotačem. Vlakno se na kraju izvlači i namata se na bubanj. Općenito proces kemijske depozicije u parnoj fazi podrazumijeva proizvodnju predforme, staklenog štapa promjera dva do četiri cm, duljine do jednog metra. Predforma je uvećano vlakno iz kojeg se u indukcijskoj ili elektrootpornoj peći zagrijanoj na 2000 stupnjeva izvlači vlakno i namotava na bubanj. Postoje vanjska, unutarnja i aksijalna depozicija u parnoj fazi. Vanjska depozicija u parnoj fazi je proces kod kojeg se na noseći štap koji rotira i koji služi kao mamac taloži prvo jezgra od čistog silicij dioksida, a zatim i omotač. Nataloženi materijali se nazivaju poroznom predformom. Kad se svi slojevi materijala natalože, noseći štap se uklanja i započinje proces konsolidacije. U procesu konsolidacije vodena para se uklanja iz predforme i od staklene cijevi nastaje stakleni štap odnosno predforma. U unutarnjoj kemijskoj depoziciji u parnoj fazi proces proizvodnje predforme započinje rotiranjem šuplje cijev dužine oko 40 cm. Na jednom kraju cijevi uvode se plinovi (silicij tetraklorid, germanij teteraklorid, kisik itd.) koji se zatim zagrijavaju vanjskim plamenikom do 1600 0 C. Tetrakloridi reagiraju s vodom i nastaju silicij dioksid i germanij dioksid. Osim unutarnje depozicije postoji i modificirana depozicija u parnoj fazi. Razlika između unutarnje i modificirane depozicije je u tome što se kod unutarnje depozicije reakcija odvija samo na površini stakla, a kod modificirane se odvija u cijelom volumenu cijevi. Nastali oksidi se spajaju u velike strukture koje se zatim talože na stjenkama cijevi. Cijev se ravnomjerno okreće, a plamenik se pomiče cijelom dužinom cijevi kako bi se 20
oksidi taložili ravnomjerno. Svojstva budućeg vlakna kontroliraju se dodavanjem različitih plinova u različitim količinama u cijev kojim se na taj način kontroliraju svojstva svakog sloja taloga. Indeks refrakcije veći je kod višemodnih vlakana u odnosu na jednomodna zato što se pri stvaranju jednomodnih vlakana dodaju manje količine germanija. Nakon što je talog prave debljine, brzina kretanja plamenika se smanjuje, a temperatura se povećava i tako od cijevi spajanjem stjenki nastaje stakleni štap odnosno predforma. Kod aksijalne depozicije u uređaj se stavlja polazna predforma koja se rotira i pomiče se prema gore. Na dnu polazne predforme staklene čestice se talože zbog zagrijavanja ubačenih plinova i nastaje porozna predforma. Staklena predforma nastaje zagrijavanjem gornjeg dijela porozne predforme električnim grijačem. S obzirom da se vlakna izrađuju tako da jezgra i omotač imaju različit indeks loma, vlakna se mogu podijeliti na vlakna sa stepenastim indeksom loma i na vlakna s gradijentnim indeksom loma. Vlakna sa stepenastim indeksom loma imaju jasnu granicu između jezgre i omotača i kod njih se zraka svjetlosti prostire tako da se odbija od plašta na različitim mjestima pod različitim kutevima. Vlakna s gradijentnim indeksom loma nemaju jasnu granicu između jezgre i omotača, nego se optička gustoća postupno smanjuje. Podjela na jednomodna i višemodna vlakna odnosno na monomodna i multimodna vlakna se temelji na načinu propagacije elektromagnetskog vala. Način propagacije elektromagnetskog vala ovisi o odnosu promjera jezgre o valnoj duljini. Propagacija svjetlosti se kod jednomodnog vlakna vrši putem jedne zrake svjetlosti, putem jednog moda koji putuje centralnom osi jezgre koja ima puno manji promjer od promjera omotača. Za propagaciju svjetlosti jednomodnim vlaknom kao svjetlosni izvor se najčešće koriste laseri. Sl. 3.7. Jednomodno vlakno sa stupnjevitim indeksom loma [25] Propagacija svjetlosti se kod višemodnih vlakana vrši putem više zraka svjetlosti (do 100) od kojih svaka zraka prelazi različit put. Za svaku zraku mora vrijediti za u vlakno upada pod kutom 21
koji je manji ili jednak kutu upada. Za propagaciju svjetlosti višemodnim vlaknom kao svjetlosni izvor se najčešće koriste VCSEL laseri ili svjetleće diode. Sl. 3.8. Višemodno vlakno sa stupnjevitim indeksom loma [25] Sl. 3.9. Višemodno vlakno s gradijentnim indeksom loma [25] Vlakna su osjetljiva na savijanje, vlagu i radijalnu silu. Podvrgavanje vlakna radijalnoj sili dovodi do povećanja gušenja. Osim što pri prevelikom savijanju vlakno može puknuti, također postaje lošiji vodič svjetlosti te se povećava vjerojatnost pucanja vlakna pri utjecaju uzdužne sile. Vlaga na vlakno utječe tako da rastavlja kemijsku kompoziciju što za posljedicu ima veće gubitke i manji vijek trajanja vlakna. Tablica 3.1. prikazuje gušenje i propusni opseg za standardne dimenzije jezgre i omotača vlakna. 50/125 optičko vlakno se obično koristi u kombinaciji s VCSEL laserom za brzi prijenos signal. 62,5/125 optičko vlakno se obično koristi u kombinaciji sa svjetlećim diodama i nije pogodno za gigabitni Ethernet. Jednomodna vlakna se koriste za prijenos signala velikim brzinama na velikim udaljenostima. 22
Tab. 3.1. Gušenje i propusni opseg za standardne dimenzije jezgre i omotača vlakna. [4] Tip vlakna Višemodno, skokovita promjena indeksa loma Višemodno,stupnjevita promjena indeksa loma Višemodno,stupnjevita promjena indeksa loma Promjer jezgre/promjer omotača [µm] n 1 n 2 n 1 Gušenje [db/km], valna duljina [nm] Propusni opseg [MHz.km] 100/140 2 x 10-2 5-12, 850 20 50/125 1 x 10-2 3, 850 0,6, 1300 1000 62,5/125 1 x 10-2 1, 1300 400 Jednomodno 9/125 2,5 x 10-3 0,5, 1300 0,25, 1550 100 000 Optički moduli su skupovi optičkih vlakana koja su spojena zajedno na različite načine. Optički moduli mogu se podijeliti na klasične, žljebaste i trakaste. Kod klasičnih se modula (Sl. 3.10.) vlakna slažu koncentrično kao kod užeta, a mogu biti slobodne i čvrste strukture. Klasični modul čvrste strukture se sastoji od optičkog vlakna, primarne i sekundarne zaštite. Klasični modul slobodne strukture osim optičkog vlakna, primarne i sekundarne zaštite ima i dodatnu sekundarnu zaštitu i vodonepropusnu masu. Sl. 3.10. Klasični optički modul [4] Žljebasti optički modul prikazan slikom 3.11. ima optička vlakna uložena u utore na rubovima cilindičnog nosivog elementa koji može biti okruglog, polukružnog ili trokutastog oblika. 23
Sl. 3.11. Žljebasti optički modul [4] Trakasti optički modul (Sl. 3.12.) se sastoji od pojedinačnih vlakana koja su uložena u vrpce izrađene od poliestera ili plastificiranog aluminija. Optička vlakna u trakastom optičkom modulu mogu biti zaštićena ili nezaštićena. Sl. 3.12. Trakasti optički modul [4] Klasični i žljebasti moduli se u svjetlovodnim vlaknima slažu koncentrično, a trakasti se slažu u redove (Sl. 3.13.). Sl. 3.13. Složeni svjetlovodni kabel s klasičnim, žljebastim i trakastim optičkim modulima [26] Svjetlovodni kabel se sastoji od svjetlovodnih vlakana koja su zaštićena primarnom zaštitom i zatim posložena u optičke module. Slaganjem optičkih modula nastaje jezgra svjetlovoda. Osim optičkih modula svaki svjetlovodni kabel ima elemente za pojačanje koji služe kao zaštita od savijanja. Pojačanje može biti čelična šipka, čelična žica, plastična šipka pojačana 24
stakloplastikom, pojedinačna vlakna od poliestera, stakla ili ugljika, više upredenih ili upletenih vlakana od plastičnih masa, a smješta se u središte jezgre, kao oplet oko jezgre ili se može postaviti na periferiju jezgre. Elementi za pojačanje mogu bit smješteni u središte jezgre kabela za bolju fleksibilnost, može biti postavljeno više pojedinačnih vlakana na periferiji jezgre kao ispuna od neke plastične mase i slično. Zatim svjetlovodni kabel ima i zaštitu koja ovisi o vrsti svjetlovodnog kabela. S obzirom da svjetlovodni kabel može biti zračni, podvodni, podzemni, uvlačni i instalacijski i vanjska zaštita i dodatna pojačanja ovisit će o namjeni. Najčešće se koristi zaštita od vlage koja može biti izvedena kao punilo (thixotropic gel), traka koja nabubri u dodiru s vodom ili kao metalne folije. Vanjska zaštita jezgre kabela obično se izrađuje od PVC-a, poliuretana ili polietilena. Sl. 3.14. Svjetlovodni kabel sa žljebastim modulom i čeličnim užetom kao pojačanjem [27] Tablica 3.2. prikazuje koji vrste svjetlovoda i njihova svojstva koja se koriste za određene namjene. Na primjer, svjetlovodi koji se koriste za povezivanje gradskih automatskih centrala i komunikacijskih čvorova izrađeni su od kvarca, imaju 4, 8 ili 10 niti unutar jednog svjetlovoda. Vlakna imaju gradijentni indeks loma s gušenjem 5-10 db/km, promjer jezgre im je 50 µm, a omotača je 125 µm. Kada se koristi navedeni svjetlovod najbolje je koristiti poluvodički laser kao izvor svjetlosti, a kao detektor lavinsku fotodiodu. Tab. 3.2. Prikaz osnovnih podataka za različite vrste svjetlovodnih kabela. [38] Svjetlovodna linija Gradivni materijal Tip niti Broj niti Promjer jezgre/omotača [µm] Međugradska Kvarc Gradijentno 4,8,10 50/125 Valna duljina [µm] 1,3-1,6 Gušenje [db/km] Gradska Kvarc Gradijentno 4,8,10 50/125 0,85 5-10 Objektna Staklo Stepenasto 2,4,6 50/125 200/400 Provodna Kvarc Gradijentno 4,6 50/125 Montažna Staklo Stepenasto 1,2,4 50/125 200/400 1-3 0,85 40-40 1,3-1,6 1 0,85 Do 100 Duljina linije Stotine km Nekoliko desetaka km Nekoliko km Stotine km Nekoliko m Izvor Poluvodički laser Poluvodički laser Svjetleća dioda Poluvodički laser Svjetleća dioda Detektor Lavinska fotodioda Lavinska fotodioda Lavinska fotodioda Lavinska fotodioda Lavinska fotodioda 25
3.3. Osnovna građa sustava Sl. 3.15. Shema svjetlovodnog optičkog sustava [28] Svjetlovodni prijenosni sustav se sastoji od predajnika, svjetlovoda kao prijenosnog medija i prijemnika. Predajnik prima električni ulazni signal i pretvara ga u struju koja pobuđuje niskoimpedantni svjetlosni izvor. Pored svjetlosnog izvora najvažniji dio predajnika je modulator o kojem ovisi koji se od modulacijskih postupaka koristiti. Kod digitalnog prijenosa najčešće se koristi OOK, a kod analognog prijenosa impulsno frekvencijska modulacija. Kada modulatora nema vrši se direktna modulacija odnosno pobuda izvora svjetlosti električnim signalom koji nosi informaciju. Po izlasku svjetlosnih impulsa iz svjetlosnog izvora signal se uvodi u svjetlovod kao prijenosni medij između predajnika i prijemnika. Kao izvor svjetlosti se koriste svjetleće diode i laseri. Laserske i svjetleće diode su malih dimenzija i imaju nizak napon napajanja. Laseri su izvor koherentne svjetlosti koja ima uži spektar i za 10 db veću izlaznu snagu u odnosu na svjetleće diode. Laseri se koriste u kombinaciji s jednomodnim vlaknima. Svjetleće diode izvor su nekoherentne svjetlosti, pouzdane su, imaju nižu cijenu i dulji vijek trajanja u odnosu na lasere, jednostavne su i temperaturno stabilne. Koriste se u kombinaciji s višemodnim vlaknima. 26
Predajnik može na svjetlovod biti spojen privremenim ili trajnim spojem. Varenje i mehanički spoj su trajni načini spajanja, a konektor je privremeni način spajanja. Ako se radi o realnom sustavu koji se koristi za prijenos signala na veće udaljenosti, tada se između odašiljača i prijemnika postavljaju regeneratori odnosno retranslatori. Regeneratori se postavljaju zbog gušenja signala i disperzije u vlaknima. Zaduženi su za ispravljanje izobličenja signala i za kompenziranje gušenja. Nekada su regeneratori pretvarali optički signal u električni, pojačavali ga i opet ga pretvarali u optički kako je prikazano slikom 3.15, ali nakon otkrića optičkih pojačala, kao regeneratori se koriste pojačala koja su izvedena kao skup optičkih vlakana koja imaju posebni erbijem dopirani omotač. Erbijem dopirano pojačalo radi na principu da se prvo dovodi optički signal iz optičke pumpe koji je uobičajeno valne duljine oko 980 nm ili 1480 nm kada se prenosi signal valne duljine 1550 nm. Na početku dopiranog vlakna nalazi se valno osjetljivi sprežnik. Valno osjetljivi sprežnici sprežu ulazni signal i signal iz optičke pumpe. Isto tako na izlazu iz erbijem dopiranog vlakna se nalazi rasprežnik koji raspreže signal iz optičke pumpe i ulazni, sada pojačani, signal. Na izlazu iz pojačala se nalazi izolator koji se koristi za sprječavanje refleksije signala u pojačalo. Sl. 3.16. Pojačalo s erbijem dopiranim vlaknima [39] Prijemnik se sastoji od detektora svjetlosti, pretpojačala i sklopa za obnavljanje signala. Glavni dio prijemnika svjetlovodnog prijenosnog sustava je fotodetektor koji detektira i pretvara niz svjetlosnih impulsa u električni signal pomoću fotoelektričnog efekta. Kao fotodetektor se koriste PIN fotodiode, APD (Avalanche Photo Diode) fotodiode, PN fotodiode i fototranzistori. Glavne karakteristike PIN fotodiode su brzina i uzak propusni opseg, a lavinske fotodiode osjetljivost i širok propusni opseg. Zbog veće osjetljivosti lavinska fotodioda ima veću cijenu u odnosu na PIN fotodiodu i potreban joj je dodatni izvor napajanja. Fototranzistor ima nisku cijenu, uzak frekvencijski opseg i veliko vrijeme porasta te se rijetko koristi. Osim fotodetektora prijemnik ima pojačalo koje pojačava slabi primljeni signal prije nego ga predaje sklopu za obnavljanje signala. Primljeni signal se u sklopu za obnavljanje signala rekonstruira na osnovi pojedinačnih promjena stanja signala i promjena u vremenu u poslani signal. 27
Sl. 3.17. Ovisnost snage svjetlosnog izvora o brzini prijenosa podataka [4] Prilikom planiranja optičkog linka jedan od najvažnijih parametara na koji treba paziti je osjetljivost prijemnika. Osjetljivost prijemnika je najniži iznos snage koju neki prijemnik može detektirati uz BER od 10-9. Osjetljivost nekog prijemnika ovisi o odnosu signal šum koji ovisi o različitim izvorima šuma koji utječu i kvare korisni signal. Šum uvijek postoji, jer čak i da je prijemnik savršen, sam fotodetektor unosi mali šum (kvantni šum). 28
4. NEVOĐENI PRIJENOS OPTIČKOG SIGNALA Nevođeni optički prijenos signala-fso (Free Space Optics) je LOS (Line-of Sight) tehnologija kod koje se informacija prenosi slobodnim prostorom moduliranom zrakom vidljive ili infracrvene svjetlosti. Sustavi za nevođeni optički prijenos slični su svjetlovodnim optičkim sustavima s razlikom u mediju koji se koristi za prijenos signala što je i jedna od prednosti nevođenog optičkog sustava. Kod sustava za nevođeni optički prijenos signala svjetlosni signal se prenosi slobodnim prostorom i putuje brzinom svjetlosti, dok se kod svjetlovodnih sustava signal prenosi optičkim vlaknima u kojem se brzina prijenosa signala smanjuje na 66 % brzine svjetlosti. Područje primjene ovakvih sustava može se podijeliti na sustave koji su alternativa svjetlovodnim optičkim sustavima za povezivanje korisnika u topologiji od točke do točke kako bi se optikom došlo što bliže krajnjem korisniku i na sustave koji se koriste za povezivanje dvije LAN mreže. A.G.Bell je 1880. godine prvi puta koristio nevođeni optički prijenos signala kada je svojim fotofonom prenio ljudski govor. Fotofon je bio uređaj koji se sastojao od prijemnika i predajnika. Na predajnoj strani se nalazila membrana koja je vibrirala pri govoru i od koje se reflektirala sunčeva svjetlost, a na prijemnoj strani se na udaljenosti od 183 m nalazila ćelija od selena smještena u sredinu paraboličnog zrcala u koju je upadala modulirana sunčeva svjetlost. 1904. godine njemačka je vojska za komunikaciju koristila heliografe-telegrafske odašiljače, dok je tijekom Prvog svjetskog rata koristila tri vrste optičkih odašiljača koji su koristili Morseovu abecedu. Blinkgerät (njem. uređaj koji treperi) kako se zvao odašiljač mogao je odašiljati svjetlosni signal na 4 km preko dana i na 8 km po noći. Postojali su i posebni Blinkgerät koji su se koristili za komunikaciju s avionima, balonima i tenkovima. Carl Zeiss Jena je izumio uređaj koji je pomoću svjetlosnih zraka prenosio govor, a koji je njemačka vojska koristila tijekom Drugog svjetskog rata. NASA je razvoj nevođenih optičkih sustava kakvi se koriste danas započela paralelno sa razvojem svjetlovodnih optičkih sustava. Iako obje vrste sustava imaju svoje prednosti i nedostatake, zbog brzog razvoja optičkih vlakana svjetlovodni sustavi su dugo godina bili više zastupljeni na tržištu, međutim stvari se zadnjih godina mijenjaju. Velika poslovna i telekomunikacijska poduzeća prepoznala su mogućnosti sigurnog i brzog prijenosa informacija svjetlosnim signalima slobodnim prostorom. Također FSO rješava i problem nedostatka dovoljne širine frekvencijskog pojasa. 1967. godina bila je prekretnica u razvoju optičkih prijenosnih sustava. Te je godine izumljen dopirani poluvodički laser kojim je uklonjen problem pregrijavanja ranije izumljenih lasera. Tek se 1990. godine FSO sustavi počinju koristiti 29
u komercijalne svrhe za povezivanje LAN-ova zgrada i za komunikaciju s TV kamerama koje se nalaze na mjestu snimanja događaja. Prednosti nevođenog optičkog prijenosa su jednostavna, jeftina i brza implementacija sustava, otpornost na elektromagnetske smetnje, mala potrošnja energije, sigurnost podataka, nizak BER, prijenos podataka velikim brzinama (od 10 Mb/s do 1,25 Gb/s), jednostavnost nadogradnje i mogućnost postavljanja sustava na teško dostupnim mjestima. Nevođeni optički prijenos signala je siguran jer lasersku zraku nije moguće detektirati spektralnim analizatorima i RF-metrima što znači i uštedu na sigurnosnoj programskoj podršci koja u tom slučaju nije potrebna. Da bi se signal presreo bilo bi potrebno savršeno poravnati drugi prijemnik (koji po komponentama odgovara postojećem prijemniku) s postojećim predajnikom, što je teško ostvarivo i zato se smatra da je takav scenarij malo vjerojatan. Također većinom se koriste izvori svjetlosti iz infracrvenog dijela spektra što bilokakvo presretanje signala čini još težim zadatkom. Prednost FSO u odnosu na svjetlovodne prijenose sustave nije samo brži prijenos signala nego i činjenica da za FSO nisu potrebni kabeli niti dozvole za polijeganje infrastrukture što znači i nižu cijenu sustava. FSO može odašiljati signal i kroz prozore tako da je prijemnik i predajnik moguće postaviti i unutar zgrade što oslobađa prostor na krovu i smanjuje količinu kablova potrebnu za povezivanje prijemnika i predajnika s na primjer serverima. Na taj način se povećava i vijek trajanja opreme koja na taj način nije izložena vanjskim utjecajima. Jedino je bitno da postoji optička vidljivost između prijemnika i predajnika. Prednost FSO je i činjenica da nije potrebno rezervirati dio spektra kako bi se prenosio signal. Prednost u odnosu na svjetlovodne optičke sustave je i što je kod FSO moguć full-duplex prijenos signala jer obje strane imaju i prijemnik i predajnik kao dio jednog sustava, dok kod svjetlovodnih optičkih sustava to nije moguće nego je potrebno imati po jedno vlakno za svaki smjer komunikacije. Nedostaci nevođenog optičkog prijenosa signala su osjetljivost sustava na zagađenje zraka, sjene, treperenja, te Sunce može zagušiti dolazeći signal ako se nalazi odmah iza odašiljača. Također na gušenje korisnog signala utječu i disperzija i apsorpcija uslijed nepovoljnih atmosferskih prilika kao što su kiša, snijeg i magla. Postoje i problemi usmjerenosti zrake pri jakom vjetru. Problem prijenosa signala brzinama od Gb/s na udaljenosti veće od 1 do 2 km riješen je na način da se FSO linkovi povezuju u prstenastu ili isprepletenu topologiju. 30
4.1. Fizikalne osnove Nevođeni optički prijenosni sustav je sustav kod kojeg svjetlosni izvor s predajnika emitira svjetlosnu zraku koja pravocrtno propagira slobodnim prostorom. Fotodetektor na prijemniku prima odaslanu svjetlosnu zraku koju zatim prijemnik pretvara u električni signal. Iako je sam sustav sličan svjetlovodnim optičkim sustavima, neki se fizikalni zakoni, kao što su raspršenje i apsorpcija, pojavljuju u različitoj funkciji. Kako bi se u FSO sustavima osigurala usmjerena propagacija svjetlosti potrebne su leće. Leće koje se koriste u FSO sustavima su obično konveksne leće koje su izrađene od stakla ili plastike. U slučaju da su potrebne leće veće od 8 cm, tada se koriste Fresnelove odnosno ravne leće (Sl. 4.1.). Fresnelove leće su plankonveksne leće koje savijaju zrake svjetlosti na isti način kao i konveksne leće. Jedan od uzroka gubitaka u propagaciji svjetlosnog signala slobodnim prostorom su i nesavršenosti leća i druge optičke opreme. Za pravilnu je propagaciju potrebno paziti na kut prihvata i kut divergencije. Sl. 4.1. Fresnelova leća [29] Svjetlo se iz svjetlosnog izvora propagira u obliku stošca iz čega proizlazi da je kut divergencije jednak dvostrukom kutu osvjetljenja (slika 4.2.) odnosno kut od središnje osi stošca osvjetljenja prema rubu stošca. Rub tog stošca definiran je točka u kojoj se centralni intenzitet svjetlosti smanji za 50 %. Veća leća znači i užu zraku svjetlosti, a usmjerenija zraka svjetlosti znači manji kut divergencije. Kut divergencije i kut prihvata su potrebni kako bi bili mogući mali pomaci prijemnika bez da komunikacijska veza pukne. Kut divergencije bi dakle trebao biti dovoljno širok kako ne bi dolazilo do pucanja veze. Bez obzira na širinu kuta divergencije i ako veza nije pukla, ipak se dio korisnog signala gubi upravo zbog kuta divergencije. Pogreške nastale zbog kuta divergencije nazivaju se geometrijskim gubicima. Kut prihvata se određuje jednako kao i kut divergencije, kao kut koji je jednak dvostrukom kutu osvjetljenja. Kod i kod kuta divergencije niti kut prihvata ne bi trebao biti preuzak kako bi se lakše održavala veza između prijemnika i predajnika. 31
Sl. 4.2. Propagacija svjelosnog signala s naznačenim kutem divergencije [6] Ukupni gubici koji nastaju pri propagaciji svjetlosnog signala slobodnim prostorom su također i gubici zbog nedovoljne preciznosti prijemnika i gubici nastali zbog nedovoljno precizno usmjerenih predajnika i prijemnika. U tim slučajevima može se dogoditi da prijemnik primi signal koji je premale snage ili ima previše smetnji koje je signal pokupio prilikom propagacije kroz slobodni prostor da bi ga sklop za obnavljanje signala mogao obnoviti u koristan signal. U slučaju kada se FSO sustav nalazi u kontroliranim uvjetima u kojima nema vanjskih uzročnika gušenja signala zraka svjetlosti će prema zakonu o pravocrtnom širenju svjetlosti propagirati pravocrtno kroz slobodni prostor bez gubitaka značajnih za kvalitetu signala. Glavni uzrok gušenja i pucanja komunikacijske veze u FSO sustavima su uvjerljivo atmosferske prilike. Beer-Lambertov zakon gušenja nastaje pri propagaciji svjetlosnih zraka slobodnim prostorom pripisuje gušenje apsorpciji i raspršenju. Beer-Lambertov zakon prikazan je jednadžbom (4-1) gdje je intenzitet I 0 je intenzitet svjetlosti na predajniku, intenzitet I R je intenzitet svjetlosti na prijemniku na udaljenosti x, a γ je koeficijent gušenja. Koeficijent gušenja je jednak zbroju svih vrsta raspršenja i apsorpcija koja se pojavljuju u optičkim sustavima. I R I 0 = e ( γx) (4-1) U nevođenim optičkim sustavima od raspršenja se pojavljuju Rayleighovo i Mieovo raspršenje. Raspršenje nastaje pri sudaru elektromagnetskog vala s česticama poput molekula kisika, vodene pare i dima u atmosferi. Rayleighovu i Mieovo raspršenje se razlikuju u veličini čestica s kojima se elektromagnetski valovi sudaraju. x 0 = 2πr λ (4-2) Pomoću izraza (4-2) opisuju je raspršenje gdje je r veličina čestice s kojom se val sudara, a λ je valna duljina vala. Rayleighovo raspršenje je raspršenje koje se javlja kada se elektromagnetski val sudari s česticama manjim od valne duljine vala kao što su molekule kisika i dušika odnosno 32
kada je x0<<1. Ulazno zračenje na vezane elektrone atoma ili molekula inducira nestabilnost naboja ili pojavu dipola koji oscilira na frekvenciji ulaznog zračenja. Oscilirajući elektroni odašilju svjetlosni signal kao raspršeni val. Rayleighovo raspršenje, σs je opisano izrazom (4-3) gdje je f snaga oscilatora, e naboj elektrona, λ0 valna duljina koja odgovara prirodnoj frekvenciji (4-4), ε0 dielektrična konstanta, c brzina svjetlosti, a m masa oscilirajućeg entiteta. σ s = f e 4 λ 0 4 6 π ε 0 2 m 2 c 4 λ 4 (4-3) ω 0 = 2 π c λ 0 (4-4) Rayleighovo raspršenje se kod FSO sustava može zanemariti jer FSO sustavi rade na valnim duljinama blizu infracrvenog dijela spektra ili u infracrvenom dijelu spektra. Sl. 4.2. Ovisnost Rayleighovog raspršenja o valnoj duljini [1] Slika prikazuje ovisnost Rayleighovog raspršenja iskazanog kao relativna jedinica i valne duljine iskazane u µm. Mieovo raspršenje je raspršenje koje se javlja kada se elektromagnetski val sudari sa česticama koje su približno jednake valnoj duljini vala kao što su dim, prašina i vodena para odnosno kada je x0 1. Mieovo raspršenje, γ je opisano izrazom (4-5) gdje je V vidljivost, a λ prijenosna valna duljina. γ = 3.91 V ( λ 550 ) δ (4-5) 33
Za udaljenosti manje od 6 km vrijedi izraz (4-6), za udaljenosti od 6 do 50 km δ iznosi 1.3, a za udaljenosti veće od 50 km δ iznosi 1.6. δ = 0.585 V 1 3 (4-6) Kada je x0>>1 tada se raspršenje opisuje pomoću geometrijske optike. Posljedica raspršenja nije gubitak energije nego direkcionalna raspodjela energije koja uzrokuje značajno smanjenje intenziteta svjetlosne zrake. Apsorpcija, α se u nevođenim optičkim sustavima javlja najčešće pri sudaru s molekulama ugljikovog dioksida, vode i ozona na kojima se fotoni svjetlosne zrake apsorbiraju što dovodi do smanjenja gustoće snage svjetlosne zrake. Apsorpcija je opisana izrazom (4-7) gdje je k koeficijent apsorpcije. α = 4 π k λ (4-7) Na propagaciju signala slobodnim prostorom utječe i turbulencija zraka koja nastaje kao posljedica vrlo zagrijanog zraka i tla. Turbulencija zraka podrazumijeva da se dijelovi zraka griju više nego drugi i tada nastaju zračni džepovi. Zračni džepovi su pojave koje uzrokuju promjenu u indeksu loma koja nije stalna, nego se mijenja ovisno o zagrijanosti zračnih džepova. Upravo zbog zračnih džepova prilikom propagacije svjetlosne zrake kroz slobodni prostor mijenja se indeks loma zraka što za posljedicu ima nepredvidivo lomljenje zrake svjetlosti. Propagacijom svjetlosne zrake kroz zonu zračnih turbulencija može se dogoditi da se zraka svjetlosti nasumično lomi kako se mijenja indeks loma ili da dolazi do mijenjanja konstantne faze zrake što dovodi do treperenja (promjene intenziteta svjetlosti). Također se može dogoditi i da se zrake svjetlosti šire više nego što je predviđeno zakonom loma. Najveći utjecaj na propagaciju svjetlosnog signala nevođenim optičkim sustavima imaju atmosferske prilike odnosno vremenske neprilike poput kiše, magle i snijega. Tablica 4.1. prikazuje utjecaj vremenskih uvjeta na gušenje signala i kolika je pritom vidljivost. 34
Tab. 4.1. Utjecaj vremenskih uvjeta na gušenje signala [1] Mieovo raspršenja je vrlo često prouzrokovano maglom, a gustoća magle određuje koliko će pritom biti gušenje. Magla se sastoji od kapljica vode koje imaju promjer od nekoliko stotina µm. Magla može bit uzrok velikih gušenja signala, ali najčešće ne dovodi do prekida komunikacijske veze. Osim raspršenja magla uzrokuje i apsorpciju i refleksiju. Osim magle koje je najveći problem od atmosferskih prilika koje utječu na propagaciju signala i kiša uzrokuje gušenja. Kišne kapi su bitno veće od valne duljine svjetlosne zrake odašiljača, tako da kiša uzrokuje gušenje signala koje je značajno tek s povećanjem udaljenosti. Na primjer za kišu koja pada 2.5 cm/sat, gušenje će biti 6 db/km što i nije puno s obzirom da komercijalni sustavi mogu podnijeti gušenje od 25 db, a i FSO sustavi se često postavljaju na udaljenostima manjim od 1 km (LAN). S obzirom da su snježne pahuljice još veće od kiše, a time i od valne duljine odašiljača, snijeg vrlo rijetko predstavlja problem. Kao i kod bilo koje druge oborine, sama gustoća oborine utječe na gušenje signala, tako da kada je snijeg izrazito gust moguće je da će biti gušenja. Međutim čak i izrazito gust snijeg neće uzrokovati veće gušenje nego kod umjereno guste magle ili lagane kiše. Raspršenje u FSO sustavima nije uzrokovano snijegom. Kratkotrajni prekid u prijenosu svjetlosnog signala mogu uzrokovati fizičke prepreke kao što su na primjer ptice. Taj je problem riješen odašiljanjem više istovjetnih svjetlosnih zraka. 35
4.2. Osnovna građa sustava Sustavi nevođenog optičkog prijenosa signala se kao i oni svjetlovodni sastoje od tri glavna dijela, a to su predajnik, prijemnik i medij za prijenos svjetlosti, u ovom slučaju slobodni prostor odnosno zrak (Sl. 4.3.). Sl. 4.3. Osnovna građa nevođenog optičkog sustava [21] Predajnik se sastoji od izvora svjetlosti, modulatora i pojačala, ali ovisno o namjeni sustava može imati i druge dijelove kao što su sklopovi za kodiranje i filtriranje ulaznog signala. Osim samog izvora svjetlosti optički dio predajnika ima i leću ili parabolično zrcalo koja usmjerava zraku svjetlosti prema prijemniku. Prijemnik koji prima većinu poslane zrake svjetlosti sastoji se od fotodetektora, demodulatora, sklopa za obnavljanje signala i pojačala, a ovisno o namjeni kao i predajnik može imati i druge dijelove kao što su dekoder i filter. Optički dio prijemnika se sastoji od fotodetektora i leće. Od modulacijskih postupaka kod digitalnog prijenosa signala se najčešće koristi OOK, dok se kod analognog prijenosa signala najčešće koristi impulsno frekvencijska modulacija. Pri propagaciji svjetlosnog signala ne smiju postojati čvrste prepreke između predajnika i prijemnika. Sl. 4.4. Građa nevođenog optičkog prijenosa [17] Sustav nevođenog optičkog prijenosa signala može prenositi analogni ili digitalni optički signal. Sl. 4.5. Prijenos analognog optičkog signala [23] 36
Sustav za prijenos analognog optičkog signala na predajnoj strani ima linearni svjetlosni izvor koji ulazni električni signal pretvara u svjetlosni niz. Predajnik mijenja intenzitet svjetlosti svjetlosnom nizu proporcionalno električnom signalu. Na prijemniku se nalazi linearni svjetlosni detektor koji detektira različite intenzitete svjetlosti i rekonstruira početni električni signal. Sl. 4.6. Prijenos digitalnog optičkog signala [23] Građa sustava za prijenos digitalnog optičkog signala ovisit će o tome je li ulazni signal analogan ili digitalan. Ako je ulazni električni signal analogan, tada se prvo analogni signal pretvara u digitalni A/D pretvornikom (analogno/digitalni pretvornik), a zatim se taj signal putem impulsnog svjetlosnog izvora prenosi slobodnim prostorom. Ako je ulazni signal digitalan, signal se odašilje putem impulsnog svjetlosnog izvora. Nakon prijenosa signala slobodnim prostorom, impulsni svjetlosni detektor na prijemniku prima digitalni optički signal. Ako je potrebno da se izlazu iz prijemnika dobije analogan signal, tada još na prijemniku slijedi D/A pretvorba signala. U FSO sustavim se za prijenos signala koriste svjetlosni izvori koji daju svjetlost valne duljine prvog ili trećeg optičkog prozora, dakle između 780 i 900 nm i između 1500 i 1600 nm. Drugi optički prozor koji se često koristi za prijenos signala u svjetlovodnim optičkim komunikacijama se u FSO sustavima ne koristi zbog slabog isijavanja u atmosferu. Prednost FSO sustava koji signal prenose u prvom optičkom prozoru u odnosu na one koji signal prenose u trećem optičkom prozoru je niža cijena komponenata, dok je prednost prijenosa u trećem optičkom prozoru mogućnost sigurnog korištenja lasera veće snage. Razlog tome je što rožnica ljudskog oka asimilira valne duljine veće od 1400 nm što omogućuje oku upijanje većeg intenziteta svjetlosnog zračenja. Kod valnih duljina manjih od 1400 nm, svjetlost se usmjeruje izravno kroz rožnicu na mrežnicu što je štetno za ljudsko oko. Osim dijelova od kojih se FSO sustav nalazi propagacija signala će ovisiti i o položaju prijemnika i predajnika. Postoje tri načina pozicioniranja prijemnika i predajnika u prostoru koji se koriste u FSO sustavima: nasuprotan, retro-reflektivan i difuzno reflektivan. Nasuprotno pozicioniranje prijemnika i predajnika se koristi kada su prijemnik i predajnik postavljeni jedan nasuprot drugoga i ne postoje nikakve prepreke između njih (Sl. 4.7.). Ovaj način pozicioniranja se najčešće koristi za prijenos signala na velike udaljenosti. Dio svjetlosnog signala neće doći do 37
prijemnika što zbog različitih utjecaja na svjetlosnu zraku pri prijenosu slobodnim prostorom što zbog činjenice da se svjetlost iz predajnika širi konusno. Sl. 4.7. Nasuprotno pozicionirani predajnik T i prijemnik R [21] Kod retro-reflektivne konfiguracije prijemnik i predajnik su pozicionirani jedan pored drugoga (Sl. 4.8.), a svjetlosna zraka se odbija od plastičnog reflektora koji se nalazi nasuprot prijemnika i predajnika. U ovoj se konfiguraciji koristi kutni reflektor koji se osim plastike izrađuje i od stakla. Kutni reflektori većinu svjetlosti vraćaju u smjeru iz kojeg je svjetlost i došla, ali je reflektirana svjetlosna zraka paralelna primljenoj i na nju ne utječe. To je razlog iz kojeg prijemnik i predajnik moraju biti smješteni vrlo blizu. Učinkovitost kutnog reflektora se može povećati postavljanjem Fresnelove leće ispred kutnog reflektora. Sl. 4.8. Retro-reflektivno pozicionirani predajnik T i prijemnik R [21] Slika 4.9. prikazuje difuzno reflektivnu konfiguraciju se najčešće koristi za prijenos signala na manje udaljenosti gdje se koriste refleksije o objekte za prijenos signala. Dakle u ovom slučaju predajnik nije usmjeren prema prijemniku nego prema objektima od kojih se svjetlost reflektira prema prijemniku. Koliko će od svjetlosne zrake iz svjetlosnog izvora doći do prijemnika ovisit će o karakteristikama objekta od koje se svjetlost reflektira. Na primjer svijetle površine reflektirat će više svjetlosti od tamnih, također glatke površine će reflektirati više svjetlosti od grubih površina. 38
Sl. 4.9. Difurzno reflektivno pozicionirani predajnik T i prijemnik R [21] 4.2.1. Predajnici Predajnici optičkog signala su uređaji koji ulazni električni signal pretvaraju u izlazni modulirani svjetlosni signal. Ovisno o ulaznom signalu, izlazni signal može imati linearno promjenjiv intenzitet svjetlosti koji se mijenjaja između dvije unaprijed određene granice intenziteta ili onoff promjenu intenziteta što znači da izlazni signal ovisno o ulaznom signalu može imati samo dva moguća stanja intenziteta svjetlosti (Sl.4.10). Sl. 4.10. Modulacije u FSO sustavima[40] U FSO sustavima se kao izvor svjetlosti koriste svjetleće ili laserske diode. Pojednostavljene sheme odašiljača prikazane su slikom 4.11. neovisno koristi li se svjetleća ili laserska dioda kao izvor svjetlosti. Na slici 4.11. A prikazana je on-off promjena intenziteta za digitalni ulazni signal za što se tranzistor koristi kao sklopka. Brzina prijenosa signala ovisit će o brzini same diode i o brzini sklopa. Brzina prijenosa kada se koristi svjetleća dioda je nekoliko stotina megaherca, a kada se koristi laserska dioda je nekoliko tisuća megaherca. Shema sklopa za linearnu promjenu intenziteta svjetlosti prikazana je slikom 4.11. B. Iz slike se vidi da se ulazni signal modulira pomoću operacijskog pojačala. Osim linearne i OOK modulacije koriste se i impulsno širinska modulacija i impulsno frekvencijska modulacija. 39
Sl. 4.11. Pojednostavljene sheme predajnika: A-Predajnik s OOK modulacijom; B-Predajnik s linearnom modulacijom [40] Ispred same diode se može staviti i leća koja se odabire prema željenoj žarišnoj udaljenosti kako bi se smanjio kut divergencije i kako bi što više svjetlosti došlo do prijemnika (Sl. 4.12.). Ako se za prijenos signala koristi dioda sa širokim kutom divergencije koristit će se leća s kratkom žarišnom udaljenosti. Suprotno tome, za diodu s uskim kutom divergencije koristit će se leća s duljom žarišnom udaljenosti. Sl. 4.12. Ovisnost kuta divergencije o žarišnoj udaljenosti leće [21] 40
4.2.2. Svjetlosni izvori Dijelovi od kojih se predajnik sastoji ovisit će o vrsti signala koji se prenosi, je li signal analogan ili digitalan, izvoru signala koji se prenosi, o jačini signala i udaljenosti od prijemnika. Svaki predajnik ima svjetlosni izvor koji se koristi za pretvorbu električnog signala u svjetlosni. U nevođenim optičkim sustavima se u pravilu koriste različite vrste svjetlećih i laserskih dioda odnosno izvori svjetlosti koji se temelje na poluvodičkoj tehnologiji. Svjetleće diode su poluvodičke komponente koje emitiraju svjetlost kada su propusno polarizirane. U sustavima za prijenos optičkog signala slobodnim prostorom svjetleće diode se koriste za sustave za prijenos signala na manje udaljenosti brzinama do 155 Mb/s. Prednosti svjetlećih dioda u odnosu na laserske diode su dugotrajnost i niska cijena što ih čini dostupnima i prikladnima za korištenje u kućanstvima. Svjetleće diode imaju širu uporabu u odnosu na laserske diode iako su relativno male snage. Nevođeni optički sustavi većinom koriste infracrvene svjetleće diode čija je valna duljina 800-900 nm ili 1500-1600 nm jer izvori svjetlosti na tim valnim duljinama imaju veću učinkovitost i slažu se sa silikonskim fotodetektorima. Svjetleće diode koje se koriste u FSO sustavima su: GaAs IR LED, GaAlAs IR LED i GaAsP Visible Red LED. GaAs IR LED je svjetleća dioda koja se često koristi u sustavima kod kojih se zahtjeva prijenos optičkog signala na kratke udaljenosti prosječnom brzinom. Osim u FSO sustavima, GaAs IR svjetleće diode se ponekad koriste i u svjetlovodnim optičkim sustavima. Ova vrsta svjetleće diode je starija verzija GaAlAs IR svjetleće diode. Razlika između GaAs IR LED i GaAlAs IR LED je u tome što je GaAs IR LED manje učinkovita od GaAlAs IR LED i emitira samo šestinu intenziteta svjetlost. Prednosti GaAs IR LED u odnosu na GaAlAs IR LED su što u kombinaciji s malim lećama ima uži kut divergencije i ima do 10 puta veću brzinu prijenosa. GaAlAs IR svjetleće diode se koriste za prijenos signala na kraće do srednje udaljenosti. To su najčešće korišteni modulirani infracrveni svjetlosni izvori jer pri niskim vrijednostima struje imaju dobru učinkovitost pri pretvorbi električnog signala u optički. Ako se na predajnoj strani optičkog sustava nalaze GaAs IR ili GaAlAs IR svjetleće diode, tada se na prijemnoj strani najčešće koriste silikonski PIN detektori od 900 nm. 41
Sl. 4.13. Emisijski spektar GaAlAs IR LED [6] GaAsP Visible Red LED je svjetleća dioda koja ima veću brzinu prijenosa signala u odnosu na infracrvene svjetleće diode, ali je zato manje učinkovita. Prednost ove svjetleće diode s vidljivim zrakama je i olakšano usmjeravanje odašiljača i prijemnika. GaAsP Visible Red LED se koristi u FSO sustavima malih udaljenost za pretvaranje električnog u svjetlosni signal i omogućava prijenos prosječne brzine, a može odašiljati i do 2 milijuna svjetlosnih impulsa u sekundi. Sl. 4.14. Emisijski spektar GaAsP Visible Red LED [6] Laserske diode (laseri) se mogu podijeliti na lasere s čvrstom jezgrom, lasere sa slobodnim elektronima, lasere s bojilima, poluvodičke, kemijske i plinske lasere. U FSO sustavima se koriste poluvodički laseri s čvrstom jezgrom i plinski laseri. Laserske diode su poluvodičke komponente koje emitiraju zrake malog kuta divergencije. Prednosti poluvodičkih laserskih dioda su velika snaga, male dimenzije i cijena koja odgovara visokom stupnju učinkovitosti. 42
Najčešće korištene laserske diode s čvrstom jezgrom su GaAs laserske diode, GaAlAs laserske diode i VCSEL laserske diode. GaAs laserske diode su najstarije poluvodički laserske diode koje još uvijek imaju praktičnu primjenu. Prednosti ove vrste laserskih dioda su velika snaga, do 20 W, izlazna zraka ima uzak kut divergencije, zbog čega nisu potrebne velike leće te na prijemniku daje povećan raspon korisnog signala. Nedostatci ove laserske diode su činjenica da je radni ciklus manji od 0,1% i moraju imati malu maksimalnu širinu pulsa, zahtijevaju minimalni početnu struju od 20 A do 30 A, što je dosta visoko, dosta su skupi i relativno su kratkog vijeka. GaAs laseri se primjenjuju u optičkim sustavima na veće udaljenosti kod kojih nije potrebna velika brzina prijenosa signala. GaAlAs laserske diode su infracrvene poluvodičke laserske diode koje su se u početku koristile u laserskim printerima, CD-ROM čitačima i telefax uređajima, međutim paralelno s njihovim razvojem i njihova se primjena proširila na optičke prijenosne sustave. GaAlAs laserske diode su relativno skupe, ali imaju mogućnost vrlo brze modulacije (do milijardu impulsa u sekundi) te imaju mali kut divergencije. Sl. 4.15. Emisijski spektar GaAlAs laserske diode [6] VCSEL laserske diode su laserske diode koji se prvenstveno primjenjuju u optičkim prijenosnim sustavima. Iako se trenutno većinom koriste u svjetlovodnim optičkim sustavima, VCSEL laseri imaju svijetlu budućnost u nevođenim optičkim sustavima zbog vrlo velike brzine modulacije (više milijardi impulsa po sekundi) koja omogućava prijenos signala velikim brzinama između korisnika. VCSEL laserske diode malih su dimenzija, imaju učinkovitost od 40 % i većinom se proizvode kao nizovi laserskih dioda umjesto pojedinačnih dioda. Na 1 cm 2 stane 100 milijuna VCSEL laserskih dioda. 43
Plinski laseri koji se koriste u FSO sustavima su HeNe laser, CO2 laser i Ar laser. Plinski se laseri sastoje od cijevi ispunjene plinom ili smjesom plinova na čijim se krajevima nalaze zrcala. Nakon što se atomi plina pod tlakom pobude električnim pražnjenjima kroz plin, atomi se u cijevi odbijaju od zrcala u oba smjera. Dio svjetlosti izlazi kroz zrcalo kao vrlo usmjerena monokromatska zraka. Nedostatci ove vrste lasera su uzak kut divergencije, visoka cijena, vrlo mala učinkovitost pri pretvorbi električnog u optički signal i nezgrapnost. Prednost plinskih lasera je otpornost svjetlosne zrake ove vrste lasera na dim i maglu. U FSO sustavima se osim svjetlećih i laserskih dioda koriste i fluorescentni izvori svjetlosti i izvori koji koriste izboj plina. 4.2.3. Prijemnici Prijemnici u FSO sustavima su uređaji koji primaju svjetlosni signal, pretvaraju ga u električni signal, pojačavaju ga, filtriraju i obnavljaju. Svaki se prijemnik sastoji od nekoliko dijelova kao što su pojačalo, sklop za obnavljanje signala, filter, ali osnovni dio je svakako fotodetektor. Fotodetektori koji se koriste u FSO sustavima su najčešće PIN i lavinske diode. Detekciju signala opisuju vanjski i unutarnji fotoelektrični efekt. Oba efekta zaslužna su za pretvaranje svjetlosnog signala u električni. PIN i lavinske diode temelje detekciju signala na unutarnjem fotoelektričnom efektu, dok vakumske i fotomultiplikacijske cijevi detekciju temelje na vanjskom fotoelektričnom efektu. Odziv detektora, ρ se definira omjerom izlazne struje detektora, i i snage ulaznog optičkog signala, P (4-8). ρ = i P (4-8) Nakon prijenosa signala slobodnim prostorom, signal koji dolazi do fotodetektora često je male snage te prijemnici obično imaju analogno pretpojačalo. Kao i kod predajnika i prijemnici mogu biti digitalni ili analogni. Slika 4.16. prikazuje pojednostavljeni analogni prijemnik optičkog signala. Na ulazu u prijemnik se nalazi operacijsko pojačalo koje je spojeno kao strujno naponski pretvornik (operacijsko pojačalo u invertirajućem spoju s ulaznim otporom jednakim nuli) i koje malu struju s fotodetektora pretvara u napon u milivoltima. Signal se zatim pojačava pomoću operacijskog pojačala spojenog u invertirajućem spoju iz čijeg se izlaza dobiva željeni izlazni signal. 44
Sl. 4.16. Analogni prijemnik optičkog signala [40] Slika 4.17. prikazuje pojednostavljeni digitalni prijemnik optičkog signala. Na ulazu u prijemnik se nalazi operacijsko pojačalo koje je spojeno kao strujno naponski pretvornik koje malu struju s fotodetektora pretvara u napon u milivoltima. Izlaz iz operacijskog pojačala se odvodi na ulaz komparatora koji kao izlaz daje digitalni signal kratkog vremena porasta signala. Dio za podešavanje razine okidanja koristi se kako bi popravio analogni signal na mjestima gdje će doći do okidanja kako bi odluka o okidanju bila jednostavnija. Sl. 4.17. Digitalni prijemnik optičkog signala [40] 45
4.2.4. Fotodetektori Fotodetektor se koristi za detekciju svjetlosnih impulsa i pretvorbu primljenog optičkog signala u električni signal. U FSO sustavima kao fotodetektori se koriste različite vrste poluvodičkih fotodioda, fototranzistori, fotomultiplikacijske cijevi i vakumske cijevi. Najjednostavnije poluvodičke diode su PN diode, ali se u FSO sustavima većinom koriste PIN diode. PIN diode između p i n sloja imaju intrisični sloj. Otpor instrinsičnog sloja je velik jer ne postoje slobodni naboji što za posljedicu ima postojanje jakih sila električnog polja između slojeva (Sl. 4.18.). Sl. 4.18. Shematski prikaz strukture PIN diode [1] Prednosti poluvodičkih dioda su velika osjetljivost, velika brzina detekcije, male dimenzije i činjenica da mogu raditi na širokom spektru valnih duljina (Sl. 4.19.). Silicijske PIN diode koje se koriste u FSO sustavima najbolje rade pri valnim duljinama od 800 do 900 nm odnosno u prvom optičkom prozoru (Sl. 4.19.). Sl. 4.19. Odziv silicijske PIN fotodiode [6] 46
Sl. 4.20. Odziv InGaAs PIN fotodiode [6] Osim silikonskih PIN fotodioda, koriste se i InGaAs PIN fotodiode (Sl. 4.20.) koje su nešto skuplje, ali rade na valnim duljinama od 900 do 1700 nm. Lavinska fotodioda (APD) je poluvodička fotodioda koja se koristi kada do fotodetektora stiže signal niskog intenziteta. Sl. 4.21. Shematski prikaz strukture lavinske fotodiode [1] Lavinska multiplikacija uzrokuje promjenu struje svakim primljenim optičkim impulsom. Prednost lavinske diode u odnosu na PIN diode je manji odnos signal-šum te se zato koristi kada je potrebno detektirati signale niskog intenziteta. Ako do PIN fotodiode dolazi signal niskog intenziteta, tada je taj signal potrebno pojačati čime se pojačava i šum što kao posljedicu ima lošiji odnos signal-šum. Lavinske diode nisu dobar izbor kao fotodetektor kada se na predajniku 47
koriste svjetleće diode kao izvor svjetlosti jer u tom slučaju one detektiraju i dodatne šumove iz okruženja. Ipak lavinske diode se većinom ne koriste u FSO sustavima zbog puno veće cijene u odnosu na PIN diode i zbog toga što zahtijevaju kompliciraniji ostatak prijemnika. Fototranzistor je jedan od najzastupljenijih fotodetektora u amaterskim sustavima zbog svoje niske cijene, pristupačnosti i jednostavnosti uporabe, no u komercijalnim sustavima se rijetko koristi. Kvaliteta signala primljenog fototranzistorom nešto je lošija od onog primljenog silikonskom PIN fotodiodom, iako im je krivulja odziva slična. Također fototranzistor ima manju brzinu odziva te veći odnos signal-šum. Većina fotodetektora i izvora svjetlosti koji se koriste u FSO sustavima najbolje radi u infracrvenom dijelu spektra, međutim fotomultiplikacijske cijevi najbolje rade u područjima vidljive i ultraljubičaste svjetlosti, iako novije cijevi mogu raditi i u infracrvenom dijelu spektra. Fotomultiplikacijske cijevi se koriste za detekciju vrlo slabih svjetlećih impulsa kojima povećavaju struju. Nedostatci fotomultiplikacijskih cijevi su osjetljivosti na šumove uzrokovane osvjetljenjem okruženja u kojem se nalazi fotodetektor, potreba za korištenjem lasera s vrlo uskim kutom divergencije na odašiljaču, potreba za kompliciranim ostatkom prijemnika, visoka cijena, veličina fotodetektora i osjetljivost na lomove, jer su cijevi izrađene od stakla. Sve navedeno je razlog iz kojeg fotomultiplikacijske cijevi nemaju širu primjenu iako se odlikuju velikom brzinom i najvećom postojećom osjetljivost nekog uređaja na svjetlost. 4.3. Upotreba nevođenog optičkog prijenosa signala Sustavi nevođenog optičkog prijenosa signala se već desetljećima koriste u vojsci. Međutim kao komercijalni proizvod postoje zadnjih 10-ak godina. Zbog svojih prošlih ograničenja i zbog brzog širenja svjetlovodnih optičkih sustava, nevođeni optički sustavi se još uvijek nisu značajno proširili tržištem iako je većina problema FSO sustava odavno riješena. FSO sustavi koji rade na kraće udaljenosti se koriste za: kontrolu osvjetljenja prostora, kontrolu medicinske elektronske opreme, kontrolu pogona u monitora u raznim postrojenjima, otvaranje garažnih vrata, muzejske interaktivne vodiče, brojanje i nadgledanje prometa i kontrolu sigurnosnih sustava. FSO sustavi koji rade na veće udaljenosti se koriste kao optički radari, elektronski mjerači udaljenosti i za telekomunikacijski link. FSO se koristi i kao zamjena za postojeći sustav bežične komunikacije ili njegova nadogradnja. Nevođene sustave za prijenos optičkog signala moguće je koristiti za prijenos podataka između dvije zgrade što je sada vjerojatno najpopularnija primjena FSO sustava zbog velike brzine prijenosa podataka i velike sigurnosti prijenosa. Također je moguća i optička veza preko koje se prenose signali između računala i pisača, između dojavljivača 48
suradnika, ali i informacije na bazi grada ili između ureda. Osim između dvije zgrade, sve se više razvija FSO komunikacija u pomorstvu gdje se ova vrsta komunikacije osim između dva broda koristi i za komunikaciju između broda i kopna za pomoć pri plovidbi, za razmjenu informacija unutar broda te općenito za razmjenu informacija na kraćim udaljenostima. Nevođeni optički prijenos signala se može koristiti i kao privremeni način komunikacije na primjer u svrhu održavanja predavanja na mjestu gdje nema drugih načina povezivanja ili isti nisu u funkciji. Također se koristi i kao telemetrijski odašiljač koji je spojen na geografski udaljene monitore koji odašilju prikupljene podatke. FSO se može koristiti i za povezivanje većih područja kao što je kampus brzim ili gigabitnim Ethernetom u MAN. Jedna od primjena FSO sustava je i prijenos signala preko područja koje nije u vlasništvu vlasnika sustava, preko mora, autocesta i slično. Također se može koristiti i kao sigurnosni sustav ako postojeći na primjer svjetlovodni sustav otkaže. Osim svega navedenog FSO sustavi imaju veliku primjenu i za povezivanje Zemlje sa svemirskim stanicama i satelitima. FSO sustavi koji se koriste za povezivanje sa satelitima imaju mogućnost prijenosa signala nekoliko tisuća kilometara brzinom od nekoliko desetaka megabita po sekundi. FSO sustavi su vrlo sigurni te su tako uz ostale karakteristike vrlo dobra alternative za korisnike koji svakodnevno prenose vrlo važne informacije. Vjerojatno najveći potencijal FSO sustavi imaju za prijenos signala od optičkog vlakna do samog korisnika za što se još uvijek vrlo često koriste bakrene parice. Nevođeni optički prijenos signala može imati široku upotrebu, ali se još uvijek ne koristi dovoljno što će se promjeniti u skoroj budućnosti. 49
5. NEVOĐENI PRIJENOS OPTIČKOG DIGITALNOG SIGNALA Praktični dio ovog diplomskog rada je projektiranje predajnika i prijemnika za dva laboratorijska modela pomoću kojih bi se vršio nevođeni optički prijenos digitalnog signala između dva računala. Sl. 5.1. Shema principa rada sustava za nevođeni optički prijenos digitalnog signala između dva računala [30] Prvi model prikazan slikom 5.2. će se koristiti za mjerenja utjecaja udaljenosti između prijemnika i predajnika na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom. Sl. 5.2. Prvi laboratorijski model 50
Na istom modelu radit će se i mjerenja utjecaja vrste i karakteristika svjetlosnih izvora i fotodetektora na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom. Također će se mjeriti i utjecaj propagacijskog medija, prvenstveno različitih fluida na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom. Sl. 5.3. Drugi laboratorijski model Drugi model prikazan slikom 5.3. će se koristiti za mjerenje kuta divergencije svjetlosnih izvora i fotodetektora i utjecaja vanjskih izvora svjetlosti na prijenos signala. Oba modela bit će preko USB (Universal Serial Bus) na TTL (Transistor-Transistor Logic) konvertera (Sl. 5.4.) spojena na računala. USB na TTL konverter koristi stabilan i pouzdan čip C2012 [42] koji se koristi kao most USB na UART (Universal Asynchronus Receiver/Transmitter). Jedna strana konvertera ima standardni muški konektor tipa A, a druga strana ima 6-pinski TTL konektor s oznakama 3.3V, RST (Reset), TXD (Transmitt Data), RXD (Receive Data), GND (Ground) i 5V. Konverter omogućuje prijenos signala brzinama od 300 bit/s do 1.5 Mbit/s. Prijemni buffer je jedan bajt, a odašiljački 640 bajta. 51
Sl. 5.4. USB na TTL konverter Brzina prijenosa signala i sami podaci koji se prenose određivat će se programom SimpleTerm. U predajniku se signal primljen iz računala pretvara u svjetlosne impulse koje zatim prijemnik prima putem fototranzistora. Signal primljen prijemnikom prenosi se preko USB na TTL konvertera do drugog računala gdje se primljeni signal interpretira (Sl. 5.1.). Kao predajno računalo korišteno je stolno računalo čija je konfiguracija u prilogu P. 5.1. Za određivanje brzine prijenosa podataka i niza podataka korišten je SimpleTerm Gold v5.7. Kao prijemno računalo je korišteno prijenosno računalo Toshiba Satellite L300-1A3 (P. 5.2.). Osim računala u sustavu su korišteni odašiljači i prijemnici opisani potpoglavljima 5.1. i 5.2. 52
5.1. Predajnik Predajnik prikazan slikom 5.6. je sklop za odašiljanje signala primljenog iz USB na TTL konvertera putem svjetlosnog izvora, D1. Kao dio diplomskog rada izrađeno je ukupno sedam predajnika čija je glavna razlika bio korišteni svjetlosni izvor. Korišteni svjetlosni izvori su: 1. Svjetleće diode: GaAlAs IR LED (SFH 484), GaAs IR LED (TSTS7102), crvena svjetleće dioda 5mm, 3600 mcd, plava svjetleća dioda 5mm, 4200 mcd 2. Laserske diode: GaAlAs IR laser, GaAsP Visible red laser, InGaAs laser Na ulazu u sklop (Sl. 5.6.) postavljen je potenciometar R11 od 4.7 kω. Funkcija R11 je da kao otporno dijelilo prilagođava razinu ulaznog napona kako ne bi dolazilo do izobličenja signala u slučajevima kada bi ulazni napon bio veći od 10 V. Nakon potenciometra signal dolazi do neinvertirajućeg operacijskog pojačala U2.1. spojenim kao naponsko slijedilo. Korišteno je TL082 [32] operacijsko pojačalo čiji je raspored izvoda prikazan slikom 5.5. Sl. 5.5. Raspored izvoda operacijskog pojačala TL082 Nakon izlaza pojačala postavljen je kondenzator C3 od 22 μf (470 μf) čija je funkcija uklanjanje istosmjerne komponente ulaznog signala. Potenciometar R1 od 100 Ω (500 Ω) se koristi za podešavanje statičke radne točke izvora svjetlosti. Otpornik R4 od 20 Ω (25 Ω) koristi se kao zaštitni otpornik izvora svjetlosti. Zaštitni otpornik je potreban jer je napon koji dolazi do diode veći od maksimalnog napona na kojem rade standardne diode, a to je od 3 do 3,6 V. Otpornik R3 je zaštitni otpornik diode D2, a dioda D2 je signalizacija da sklop ima spojeno napajanje. Elektronički osigurač radi na principu mjerenja pada napona na otporniku poznate veličine R4 (Sl. 5.6.). Iznos otpornika je izračunat tako da pri maksimalnoj dopuštenoj struji predajnika napon na otporniku R4 bude dovoljan da provede dioda D2 (1N4148). Kada dioda provede na invertirajućem ulazu operacijskog pojačala U2.2 je doveden napon koji se uspoređuje s naponom na potenciometru R8 na neinvertirajućem ulazu. U slučaju da je napon na serijskom otporniku R9 veći od napona praga otvaranja diode te da napon na invertirajućem ulazu veći od 53
podešenog napona na potenciometru, operacijsko pojačalo napon na izlazu spušta sve dok se MOSFET BS170 ne zatvori (sklopka režim rada). Kada se ostvare gore navedeni uvjeti elektronski osigurač je isključio predajnik te se može resetirat jedino isključivanjem i ponovnim uključivanjem cijelog sklopa. Maksimalna struja pri kojoj se osigurač aktivira se može podešavati mijenjanjem iznosa napona na neinvertirajućem ulazu operacijskog pojačala preko trimera R1 sa sheme. Otpornik R2 osigurava da je MOSFET uključen pri uključenju predajnika, a otpornik R9 i kondenzator C1 osiguravaju da se osigurač ne aktivira prilikom uključenja predajnika. Sl. 5.6. Shema predajnika Ispravnost sheme prvo je provjerena na eksperimentalnoj pločici (Sl. 5.7). 54
Sl. 5.7. Odašiljač na eksperimentalnoj pločici Nakon što je utvrđeno da je shema ispravna u programu DipTrace izrađen je nacrt buduće pločice prikazan slikom 5.8. Dil letve preko kojih će se dovoditi napajanje na sklop stavljene su na dvije strane, tako da i u slučaju da se predajnik i krivo okrene i dalje će sklop dobiti sva potrebna napajanja, ulazni signal i uzemljenje. Isto je napravljeno i kod prijemnika. Napajanje predajnika od +/- 10 V je izvedeno pomoću naponskih regulatora 7810 i 7910. Sl. 5.8. Nacrt pločice predajnika izrađen u DipTrace-u Nakon ispisa slike 5.8. na prozirnu foliju, pločica se razvija fotopostupkom. Fotopostupak započinje pripremanjem pločice. Dobro je prije osvjetljavanja pločice, pločicu izrezati na potrebnu veličinu, zatim je potrebno prozirnu foliju sa shemom zalijepiti na pločicu namijenjenu za fotopostupak (Sl. 5.9.). 55
Sl. 5.9. Pločica pripremljena za osvjetljavanje UV svjetlom Pločica za fotopostupak na površini bakrenog sloja ima zaštitni sloj laka osjetljivog na ultraljubičasto svjetlo. Nakon što je pločica pripremljena za osvjetljavanje potrebno ju je osvijetliti UV svjetlom od 5 do 6 minuta (Sl. 5.10.). Duljina ekspozicije utvrđena je eksperimentalno. Sl. 5.10. Pločica pod UV svjetlom Kao UV svjetlo korišteno je 70 UV svjetlećih dioda napajanih s 3,3 V. Nakon što je pločica osvjetljena UV svjetlom, potrebno ju je staviti u otopinu natrijevog hidroksida kako bi se uklonio lak s pločice (Sl. 5.11.). 56
Sl. 5.11. Pločica u otopini natrijevog hidroksida Otopina se priprema tako da se na 1 L vode stavi 7g natrijevog hidroksida. Nakon što je lak uklonjen pločicu je potrebno staviti u otopinu solne kiseline u koju je dodan hidrogen na 15 do 20 minuta kako bi se uklonio višak bakra s pločice. Otopina se priprema tako da se na 500 ml 19 postotne solne kiseline doda 100 ml vode i 40 ml tridesetpostotnog hidrogena. Sl. 5.12. Pločica u otopini solne kiseline i hidrogena 57
Sl. 5.13. Proces bušenja rupa i lemljenja komponenti Na kraju je na razvijenoj pločici potrebno probušiti rupe i zalemiti komponente (Sl. 5.13). Slika 5.14. prikazuje predajnike prije provjere ispravnosti. Sl. 5.14. Predajnici 58
5.2. Prijemnik Kao dio diplomskog rada izrađeno je ukupno sedam prijemnika čija je jedina razlika bila u korištenim fotodetektorima. Korišteni fotodetektori su: 1. Silikonske PIN fotodiode: BPW 83, BPW 43 2. Fototranzistori: BP 103-3, BPW 40, BPW 41 3. InGaAs PIN fotodioda (EXT 300T) 4. Lavinska fotodioda (AD 500) Sl. 5.15. Shema prijemnika 59
Prijemnik (Sl. 5.15.) se sastoji od fotodetektora za prijem signala, operacijskog pojačala za njegovo pojačavanje te Schmittovog sklopa za regeneriranje signala. Fotodetektor se napaja preko potenciometra R11 iznosa 4.7 kω za podešavanje statičke radne točke koja odgovara intenzitetu prijemnog signala na način da ne dođe do izobličenja. Iza fotodetektora je otpornik R2 iznosa 10 kω koji služi kao zaštita od previsoke struje u slučaju da se potenciometar postavi na minimalnu vrijednost. Također ima i dvostruku ulogu kao mjerna točka za informacijski signal. Između operacijskog pojačala (TL082) i fotodetektora (otpornika u seriji iza njega) je kondenzator C1 koji služi za odvajanje istosmjerne komponente s neinvertirajućeg ulaza operacijskog pojačala. Da bi se dobio signal koji se može dalje koristiti s obzirom na promjenjiv intenzitet prijemnog signala operacijsko pojačalo radi s maksimalnim pojačanjem. S obzirom da se prenosi digitalni signal nije važan valni oblik nego integritet signala. Maksimalnim pojačanjem signala prijemni signal se očuva te amplitudno pojača do napona napajanja operacijskog pojačala. Prilagodba naponskih granica i daljnja regeneracija signala se radi na Schmittovom sklopu (Sl. 5.16). Sl. 5.16. Raspored izvoda Schmittovog sklopa 74HC14 [43] Korišteni Schmittovi sklopovi također invertiraju signal te se za vraćanje signala u izvorni oblik koriste dva sklopa. Dvostruko invertiranje signala rezultira originalnim valnim oblikom. Regeneracija signala na Schmittovom sklopu osim standardne funkcije rekonstruiranja signala na temelju dvije naponske granice predstavlja i popravljanje nagiba rubova pravokutnog valnog oblika (slew rate). Nagib rubova pravokutnog signala ovisi o brzini promjene napona u određenom vremenu sklopa koji obrađuje signal. Schmittov sklop ima brži odziv od korištenog operacijskog pojačala te kao rezultat toga daje valni oblik koji je bliži izvornom obliku odaslanog informacijskog signala. Napajanje prijemnika je izvedeno na odvojenoj pločici od napajanja predajnika. Na napajanje prijemnika se dovodi +/- 10 V i uzemljenje s napajanja predajnika te se na pločici nalazi naponski regulator 7805 kako bi se osiguralo pozitivno napajanje od +5 V za Schmittov sklop. 60
Ispravnost sheme sa slike 5.15. prvo je provjerena na eksperimentalnoj pločici (Sl. 5.17.). Sl. 5.17. Prijemnik na eksperimentalnoj pločici Na osnovi slike 5.15. u programu DipTrace izrađen je nacrt buduće pločice prikazan slikom 5.18. Sl. 5.18. Nacrt pločice prijemnika izrađen u DipTrace-u 61
Nakon razvijanja pločice pomoću fotopostupka te bušenja rupa i lemljenja komponenata dobiveni su prijemnici prikazani slikom 5.19 spremni za daljnje testiranje. Sl. 5.19. Prijemnici 5.3. Analiza rezultata mjerenja Izrađeni prijemnici odnosno predajnici koristit će se u mjerenjima utjecaja udaljenosti između prijemnika i predajnika za propagaciju digitalnog svjetlosnog signala slobodnim prostorom. Također će se mjeriti kut upada svjetlosne zrake na predajnike s fotodetektorima različitih upadnih kuteva kada se koriste svjetlosni izvori različitih kuteva divergencije. Potom će se promatrati utjecaj dodatnog predajnika koji odašilje digitalni signal na uspješnost propagacije svjetlosnog signala između prijemnika i predajnika. Na kraju će se raditi mjerenja uspješnosti propagacije digitalnog svjetlosnog signala između prijemnika i predajnika kada se između njih nalaze različiti mediji (voda, jestivo ulje i motorno ulje). Prilikom svih mjerenja radit će se s više različitih prijemnika i predajnika kako bi se napravila usporedba njihovih tehničkih karakteristika. 62
5.3.1. Utjecaj udaljenosti između predajnika i prijemnika Za mjerenje utjecaja udaljenosti i brzine prijenosa podataka na propagaciju digitalnog svjetlosnog signala između dva računala korišten je model prikazan slikom 5.2. U prvom je slučaju udaljenost između prijemnika i predajnika bila konstantna i iznosila je 10, 15 i 20 cm te su mjerenja odrađena s jednim predajnikom (LED 880 nm) i više različitih prijemnika. Korišteni predajnik odašilje svjetlosni signal valne duljine 880 nm koji pripada prvom optičkom prozoru. Korišteni fotodetektori su APD fotodioda, BPW 83, BP 103 B i BPW 43. APD fotodioda AD500-8 ima valnu duljinu 740 nm (400-1100 nm). Lavinska dioda je korištena kao jedan od fotodetektora jer u odnosu na PIN diode je manji odnos signal-šum i zato što ima veću spektralnu osjetljivost. Koristi se kada je potrebno detektirati signale niskog intenziteta. Lavinske diode nisu dobar izbor kao fotodetektor kada se na predajniku koriste svjetleće diode kao izvor svjetlosti jer u tom slučaju one detektiraju i dodatne šumove iz okruženja što bi mjerenja trebala i pokazati. Sl. 5.20. Grafički prikaz ovisnosti spektralne osjetljivosti lavinske diode AD500-8 o valnoj duljini [45] BPW 83 je fotodioda s valnom duljinom 950 nm (790-1050 nm). BPW 43 je fotodioda valne duljine 900 nm (420-1130 nm). Navedene fotodiode odabrane su zbog različitih upadnih kuteva i različite spektralne osjetljivosti (Sl. 5.21. i 5.22.). Upadni kut BPW 83 je ±65º dok je upadni kut BPW 43 ±25º. Fotodiode su korištene zbog svoje velike osjetljivosti, velike brzine detekcije, malih dimenzija te odgovarajućeg opsega valnih duljina u kojima rade (prvi optički prozor). 63
Sl. 5.21. Grafički prikaz ovisnosti spektralne osjetljivosti fotodiode BPW 83 o valnoj duljini [46] Sl. 5.22. Grafički prikaz ovisnosti spektralne osjetljivosti fotodiode BPW 43 o valnoj duljini [47] BP 103 B je fototranzistor valne duljine 850 nm (420-1130 nm). Iako fototranzistori nemaju praktičnu primjenu u optičkim komunikacijama, korišten je jedan kako bi se ipak napravila usporedba između različitih tehnologija izrade fotodetektora. Fototranzistori se često koriste u amaterskim sustavima zbog svoje niske cijene i jednostavnosti upotrebe. S obzirom da fototranzistori imaju manju brzinu odziva te veći odnos signal-šum u odnosu na fotodiode očekivani rezultati mjerenja su da će propagacija signala između dva računala biti uspješnija pomoću fotodioda. 64
Sl. 5.23. Grafički prikaz ovisnosti spektralne osjetljivosti fototranzistora BP 103 B o valnoj duljini [48] Sl. 5.24. Prikaz sustava za mjerenje utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala U tablicama 5.1. do 5.12. se nalaze rezultati mjerenja za prvi slučaj kada je korišten jedan predajnik LED 880 nm i više različitih prijemnika i kada je udaljenost između prijemnika i predajnika bila konstantna i iznosila je 10, 15 i 20 cm. 65
Tab. 5.1. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.2. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 15/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 66
Tab. 5.3. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 5/20 1200 20/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.4. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 17/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 67
Tab. 5.5. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.6. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 12/20 1200 20/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 68
Sl. 5.25. Prikaz sustava za mjerenje utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i prijemnikom BPW 83 pri 20 cm Tab. 5.7. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 11/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 69
Tab. 5.8. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 2/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.9. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 70
Tab. 5.10. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 16/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.11. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 11/20 9600 17/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 71
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH Tab. 5.12. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 11/20 9600 18/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Grafički prikazi: 10 CM, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.26. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri 10 cm 72
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 15 CM, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.27. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri 15 cm 20 CM, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.28. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri 20 cm Iz grafičkih prikaza prikazanih slikama 5.26, 5.27 i 5.28. se može vidjeti da se u sva tri slučaja povećanjem brzine prijenosa signala, broj pogrešno primljenih znakova povećava. Razlog tome je ograničena brzina potrebna da fotodetektor provede odnosno prestane voditi. Također povećanjem udaljenosti između prijemnika i predajnika se smanjuje najveća brzina pri kojoj je moguć prijenos signala. Povećanjem udaljenosti, smanjuje se amplituda odaslanog signala što na prijemniku znači veću pogrešku. Za 10 i 15 cm najslabije performanse je očekivano imala 73
lavinska dioda, dok je najbolje preformase imala fotodioda BPW 43. Korišteni fototranzistor BP 103 B je također očekivano radio pri manjih brzinama nego fotodioda BPW 43, no komunikacija je bila uspješnija nego kada su se koristili lavinska dioda i fotodioda BPW 83. S obzirom da se očekivalo da će obje PIN fotodiode raditi pri većim brzinama od lavinske fotodiode i fototranzistora postavlja se pitanje zašto je PIN fotodioda BPW 83 prestala voditi pri manjim brzinama od fototranzistora. Razlog tome je činjenica da je vrijeme potrebno da PIN fotodioda BPW 83 provede, odnosno prestane voditi 100 ns. PIN fotodioda BPW 43 koja je radila pri najvećim brzinama od promatranih svjetnosnih izvora provede, odnosno prestane voditi za 4 ns. U slučaju kada je udaljenost bila 20 cm, BPW 83 je imao nešto lošije rezultate od lavinske fotodiode, jer iako oba fotodetektora imaju vrijeme otvaranja duže od BPW 43 i fototranzistora, lavinska fotodioda ima veću osjetljivost što je vidljivo pri povećanju udaljenosti prijemnika i predajnika. U drugom je slučaju udaljenost između prijemnika i predajnika konstantna i iznosi 10, 15 i 20 cm te su mjerenja odrađena s jednim prijemnikom (BPW 40) i više različitih predajnika. Korišteni prijemnik ima fototranzistor valne duljine 780 nm (520-950 nm) kao fotodetektor koji je odabran prvenstveno zbog niske cijene i što prima signal valnih duljina koje pripadaju prvom optičkom prozoru. Korišteni svjetlosni izvori su laserske diode od 850 nm i 650 nm te svjetleće diode valnih duljina 630 nm i 880 nm. Odabrane infracrvene laserske i svjetleće diode pripadaju prvom optičkom prozoru dok su crvena laserska dioda i crveni laser odabrane kako bi se radila usporedba sa svjetlonim izvorima koji ne pripadaju jednom od optičkih prozora. Očekivano je da će uspješnost propagacije signala biti veća kada se koriste infracrveni svjetlosni izvori u odnosu na svjetlosne izvore koji odašilju svjetlost crvene boje. Također, zbog veće usmjerenosti i jačine signala koji odašilju laserske diode pretpostavlja se da će propagacija biti uspješnija kada se signal odašilje laserskim diodama u odnosu na svjetleće diode. 74
Tab. 5.13. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 15/20 14400 18/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.14. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 2/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 2/20 9600 17/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 75
Tab. 5.15. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 4/20 9600 18/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.16. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 11/20 14400 17/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 76
Tab. 5.17. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 12/20 14400 17/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.18. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 0/20 14400 12/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 77
Tab. 5.19. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 18/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.20. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 17/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 78
Tab. 5.21. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.22. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 10 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 18/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 79
Tab. 5.23. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 15 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 17/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.24. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim brzinama prijenosa uz udaljenost od 20 cm između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 17/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 80
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH Grafički prikazi: 10 CM BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.29. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri 10 cm 15 CM BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.30. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri 15 cm 81
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 20 CM BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 100 1000 10000 100000 BRZINA PRIJENOSA [BAUD] Sl. 5.31. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri 20 cm Slikama 5.29, 5.30 i 5.31 prikazani su grafički prikazi rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri udaljenostima 10, 15 i 20 cm. Iz priloženog se vidi da se povećanjem brzine prijenosa povećava i broj pogrešno primljenih znakova što je rezultat ograničene brzine otvaranja i zatvaranja svjetlosnog izvora i fotodetektora. Povećanjem udaljenosti između prijemnika i predajnika se smanjuje maksimalna brzina prijenosa za promatrane kombinacije prijemnika i predajnika. Prijenos je najuspješniji kada se kao izvor svjetlosti koristi crvena laserska dioda, iako ista nije iz prvog optičkog prozora te infracrvena svjetleća dioda. Na uspješnost prijenosa signala utječe činjenica da se radi o 5 mw laserskoj diodi i da se signal prenosi pri malim udaljenostima za lasersku diodu navedene snage. Prijenos je najmanje uspješan kada se koristi crvena svjetleća dioda što je i očekivano jer njezina valna duljina ne pripada prvom optičkom prozoru te ima snagu mnogo manju od laserskih dioda. Infracrvena dioda je ovdje poseban slučaj i iako se radi o diodi snage 5 mw koja ima valnu duljinu iz prvog optičkog prozora, mjerenja su pokazala da se signal prenosi nešto lošije nego kad se odašilje s LED 880 nm ili LD 650 nm. Razlog tome je činjenica da laserska dioda odašilje usmjerenu zraku svjetlosti koji je vrlo teško usmjeriti kada se radio o infracrvenoj diodi. 82
U trećem je slučaju brzina prijenosa signala između prijemnika i predajnika konstantna i iznosi 110, 600 i 2400 i 4800 bauda te su mjerenja odrađena s jednim predajnikom (LED 880 nm) i više različitih prijemnika. Korišteni fotodetektori su APD fotodioda, BPW 83, BP 103 B i BPW 43 kao i u slučaju kada su mjerenja rađena s konstantnom udaljenosti između prijemnika i predajnika. Tab. 5.25. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.26. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 83
Tab. 5.27. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 20/20 10 20/20 15 20/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.28. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (APD fotodioda) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 20/20 2 20/20 5 20/20 10 20/20 15 20/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 84
Tab. 5.29. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.30. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 8/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 85
Tab. 5.31. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 12/20 10 17/20 15 20/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.32. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 83) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 20/20 2 20/20 5 20/20 10 20/20 15 20/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 86
Tab. 5.33. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.34. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 87
Tab. 5.35. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.36. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BP 103 B) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 20/20 2 0/20 5 11/20 10 20/20 15 20/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 88
Tab. 5.37. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.38. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 20/20 50 20/20 89
Tab. 5.39. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.40. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 16/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 90
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH Grafički prikazi: 110 BAUDA, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.32. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda 600 BAUDA, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.33. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 600 bauda 91
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 2400 BAUDA, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.34. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 2400 bauda 4800 BAUDA, LED 880 NM AD 500 BPW 83 BP 103 B BPW 43 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.35. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 4800 bauda Slikama 5.32. do 5.35. prikazani su grafički prikazi rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s predajnikom LED 880 nm i više različitih prijemnika pri brzinama od 110, 600, 2400 i 4800 bauda. Iz priloženih grafičkih prikaza se može zaključiti da se povećanjem udaljenosti povećava broj pogrešno primljenih znakova. Što je i očekivano jer se s povećanjem udaljenosti smanjuje amplituda odaslanog signala te se povećava utjecaj šuma. Također povećanjem brzine prijenosa signala smanjuje se udaljenost pri kojoj se signal uspješno prenosi i povećava se broj pogrešno primljenih znakova. Signal se prenosi pri najvećim 92
udaljenostima kada se kao svjetlosni izvor koristi PIN fotodioda BPW 43. Nešto lošiji rezultati su kada se koristi fototranzistor BP 103 b. Najlošiji rezultati mjerenja dobiveni su kada se kao fotodetektor koristila lavinska fotodioda. PIN fotodioda BPW 83 je i u ovom slučaju zbog svog vremena otvaranja i zatvaranja od 100 ns tek nešto bolja od lavinske fotodiode. U četvrtom je slučaju brzina prijenosa signala između prijemnika i predajnika konstantna i iznosi 110, 600 i 2400 i 4800 bauda te su mjerenja odrađena s jednim prijemnikom (BPW 40) i više različitih predajnika. Korišteni svjetlosni izvori su laserske diode od 850 nm i 650 nm te svjetleće diode valnih duljina 630 nm i 880 nm kao i u slučaju kada su mjerenja rađena s konstantnom udaljenosti između prijemnika i predajnika. Tab. 5.41. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 16/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 93
Tab. 5.42. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 7/20 30 18/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.43. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 15/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 94
Tab. 5.44. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 4/20 25 18/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.45. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 2/20 95
Tab. 5.46. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 0/20 Tab. 5.47. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 2/20 96
Tab. 5.48. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 2/20 35 5/20 40 7/20 45 12/20 50 14/20 Tab. 5.49. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 1/20 30 1/20 35 1/20 40 1/20 45 0/20 50 0/20 97
Tab. 5.50. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 3/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 0/20 Tab. 5.51. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 11/20 20 20/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 98
Tab. 5.52. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 1/20 5 5/20 10 15/20 15 16/20 20 17/20 25 20/20 30 20/20 35 20/20 40 20/20 45 20/20 50 20/20 Tab. 5.53. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 0/20 99
Tab. 5.54. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 600 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 0/20 Tab. 5.55. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 2400 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 0/20 35 0/20 40 0/20 45 0/20 50 0/20 100
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH Tab. 5.56. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri zadanim udaljenostima uz brzinu prijenosa od 4800 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) UDALJENOST [cm] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 1 0/20 2 0/20 5 0/20 10 0/20 15 0/20 20 0/20 25 0/20 30 11/20 35 11/20 40 11/20 45 12/20 50 14/20 Grafički prikazi: 110 BAUDA, BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.36. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 110 bauda 101
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 600 BAUDA, BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.37. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 600 bauda 2400 BAUDA, BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.38. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 2400 bauda 102
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 4800 BAUDA, BPW 40 LD 850 LD 650 LED 630 LED 880 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 UDALJENOST [CM] Sl. 5.39. Grafički prikaz rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 4800 bauda Slikama 5.36. do 5.39. prikazani su grafički prikazi rezultata mjerenja utjecaja udaljenosti na propagaciju svjetlosnog signala s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzinama od 110, 600, 2400 i 4800 bauda. Iz priloženih grafičkih prikaza se može zaključiti da se povećanjem udaljenosti povećava broj pogrešno primljenih znakova. Navedeno se prvenstveno događa zato što se povećanjem udaljenost smanjuje amplituda odaslanog signala te se povećava utjecaj šuma. Također povećanjem brzine prijenosa se povećava broj pogrešno primljenih znakova te se smanjuje udaljenost pri kojoj je moguć prijenos signala. Usporedbom korištenih svjetlosnih izvora može se zaključiti da se signal prenosi pri najvećim udaljenostima i na najvećim brzinama kada se koristi laserska dioda LD 650 nm i svjetleća dioda LED 880 nm. Iako laserska dioda valne duljine 650 nm ne pripada prvom optičkom prozoru zbog male udaljenosti prijenosa signala za diodu od 5 mw prijenos signala je uspješan i pri graničnim uvjetima ovog mjerenja. Vrlo slični rezultati su dobiveni infracrvenom svjetlećom diodom puno manje snage čija valna duljina pripada prvom optičkom prozoru. Najlošiji rezultati mjerenja dobiveni su kada se za odašiljanje signala koristila crvena svjetleća dioda male snage čija valna duljina ne pripada prvom optičkom prozoru. Mjerenja dobivena kada se za odašiljanje svjetlosnog signala koristila infracrvena laserska dioda se ne mogu uzeti u obzir jer je povećanjem udaljenosti eksponencijalno postalo teže usmjeriti lasersku diodu s prijemnikom. 103
5.3.2. Utjecaj kuta upada svjetlosne zrake U prvom će se slučaju raditi mjerenja pogrešno primljenih znakova pri brzini prijenosa 110 bauda pri različitim kutevima upada svjetlosne zrake na fotodetektor BPW 40 kada se svjetlosna zraka odašilje svjetlosnim izvorima s različitim kutom divergencije. Udaljenost je pri svim mjerenjima konstantna i iznosi 10 cm. Kao izvori svjetlosti korišteni su laserska dioda od 650 nm i 950 nm te svjetleće diode od 430 nm i 630 nm. Sl. 5.40. Prikaz sustava za mjerenje utjecaja kuta upada svjetlosne zrake 104
Tab. 5.57. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 0 20/20-40 0 20/20-30 0 20/20-20 0 20/20-10 0 20/20 0 980 0/20 10 0 20/20 20 0 20/20 30 0 20/20 40 0 20/20 50 0 20/20 60 0 20/20 70 0 20/20 Tab. 5.58. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 430 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -90 0 20/20-80 48 20/20-70 56 0/20-60 68 0/20-50 78 0/20-40 82 0/20-30 96 0/20-20 120 0/20-10 340 0/20 0 400 0/20 10 200 0/20 20 180 0/20 30 180 0/20 40 112 0/20 50 76 0/20 60 74 0/20 70 64 0/20 80 64 0/20 90 16 20/20 105
Tab. 5.59. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -90 70 0/20-80 80 0/20-70 88 0/20-60 104 0/20-50 120 0/20-40 168 0/20-30 208 0/20-20 488 0/20-10 640 0/20 0 1040 0/20 10 1020 0/20 20 280 0/20 30 200 0/20 40 160 0/20 50 120 0/20 60 96 0/20 70 80 0/20 80 56 0/20 90 10 20/20 Tab. 5.60. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LD 950 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 0 20/20-40 0 20/20-30 0 20/20-20 0 20/20-10 0 20/20 0 960 0/20 10 0 20/20 20 0 20/20 30 0 20/20 40 0 20/20 50 0 20/20 60 0 20/20 70 0 20/20 106
AMPLITUDA [MILIVOLT] Grafički prikazi: 110 BAUDA, BPW 40 LD 650 LED 430 LED 630 LD 950 1200 1000 0-100 - 50 0 50 100 Sl. 5.41. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i amplitude pri mjerenju s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 110 bauda Slika 5.41. prikazuje grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 110 bauda. Iz slike se vidi da se laserskim diodama signal prenosi samo kada kut upada svjetlosne zrake iznosi 0 stupnjeva odnosno kada su prijemnik i predajnik savršeno usmjereni. Amplituda crvene laserske diode veća je od amplitude infracrvene diode zbog veće efikasnosti crvene diode. Približno jednaku amplitudu amplitudi crvene laserske diode ima i crvena svjetleća dioda s razlikom da kada se svjetlosni signal odašilje crvenom svjetlećom diodom zbog neusmjerenosti svjetleće zrake, prijemnik prima signal na ±90º. Pri istim upadnim kutevima se signal prima i kada se odašilje plavom svjetlećom diodom no zbog valne duljine i efikasnosti diode, amplitude su nešto manje nego kad se signal odašilje crvenom svjetlećom diodom. 800 600 400 200 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] 107
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 110 BAUDA, BPW 40 LD 650 LED 430 LED 630 LD 950 0-100 - 50 0 50 100 Sl. 5.42. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 110 bauda Slika 5.42. prikazuje grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s prijemnikom BPW 40 i više predajnika pri brzini od 110 bauda. Iz priloženog se vidi da se broj pogrešno primljenih znakova povećava povećavanjem kuta upada svjetlosne zrake. Kada se signal odašilje laserskom diodom, tada je isti uspješno primljen na prijemniku samo u slučaju kada su prijemnik i predajnik savršeno usmjereni zbog usmjerenosti laserske diode. Kada se za prijenos signala koriste svjetleće diode tada se broj pogrešno primljenih bitova povećava kako se povećava kut upada svjetlosne zrake. 25 20 15 10 5 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] U drugom će se slučaju raditi mjerenja pogrešno primljenih znakova pri brzini prijenosa 110 bauda pri različitim kutevima upada svjetlosne zrake na fotodetektore s različitim upadnim kutem kada se svjetlosna zraka odašilje pomoću svjetleće diode valne duljine 880 nm. Udaljenost je pri svim mjerenjima konstantna i iznosi 10 cm. Kao fotodetektoru su korišteni BPW 41n, BPW 43 i BPW 40. Također su napravljena mjerenja kada je kao izvor svjetlosti korištena svjetleća dioda od 630 nm, a kao fotodetektori BPW 43 i BPW 40. 108
Tab. 5.61. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 41n) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 0 20/20-40 30 0/20-30 48 0/20-20 72 0/20-10 96 0/20 0 104 0/20 10 104 0/20 20 96 0/20 30 84 0/20 40 84 0/20 50 56 0/20 60 56 0/20 70 40 0/20 80 0 20/20 Tab. 5.62. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 43) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 0 20/20-40 0 20/20-30 64 0/20-20 88 0/20-10 128 0/20 0 88 0/20 10 80 0/20 20 65 0/20 30 40 0/20 40 20 0/20 50 0 20/20 60 0 20/20 70 0 20/20 109
AMPLITUDA [MILIVOLT] Tab. 5.63. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] Grafički prikazi: AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 0 20/20-40 0 20/20-30 0 20/20-20 0 20/20-10 60 0/20 0 70 0/20 10 50 0/20 20 0 20/20 30 0 20/20 40 0 20/20 50 0 20/20 60 0 20/20 70 0 20/20 110 BAUDA, LED 880 NM BPW 41n BPW 43 BPW 40 140 120 100 80 60 40 20 0-100 - 50 0 50 100 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] Sl. 5.43. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i amplitude pri mjerenju s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda Slika 5.43. prikazuje grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i amplitude pri mjerenju s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda. Iz grafičkog prikaza se vidi da je najveća amplituda primljenog signala kada se kao prijemnik koristi 110
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH fotodioda BPW 43, a najmanja kada se koristi fototranzistor BPW 40. Najširi raspon kuteva pri kojima je moguća komunikacija dobije se kada se kao fotodetektor koristi fotodioda BPW 41n, a najuži je raspon kada se kao fotodetektor koristi fototranzistor BPW 40. Prema podacima proizvođača [50] deklarirani kut osjetljivosti fotodiode BPW 41n je ±65º (130º). Mjerenjima je polazano da se u relanim uvjetima karakteristika naginje u jednom smijeru (-40º - +70º ), no ukupni raspon kuteva odstupa za samo 20º (110º). Iz podataka proizvođača [33] fototranzistora BPW 40 može se vidjeti da je deklarirani upadni kut ±20º. Mjerenjima je dobiveno da isti iznosi ±10º što je kao i u prethodnom slučaju manje nego što je proizvođač naveo u karakteristikama fotodetektora. Kod fotodiode BPW 43 koja je imala najveću amplitudu primljenog signala izmjerena širina upadnog kuta je (-30º - +40º) što je šire od širine kuta navedenog u podacima proizvođača [47] (±25º). 110 BAUDA, LED 880 NM BPW 41n BPW 43 BPW 40 0-100 - 50 0 50 100 Sl. 5.44. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda Slika 5.44. prikazuje grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s predajnikom LED 880 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda. Mjerenja se slažu s teorijskom podlogom rada u smislu da dobiven veći broj pogrešno primljenih znakova kada se kao fotodetektor koristi fototranzistor u odnosu na fotodiode. Najmanje je pogrešno primljenih znakova kada se kao fotodetektor koristila fotodioda BPW 41n koja i deklarirano ima najširi upadni kut. 25 20 15 10 5 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] 111
U prethodnim mjerenjima je kao odašiljač korištena infracrvena dioda te fotodetektori koji mogu primati signal valne duljine od 880 nm. U sljedećim mjerenjima korištena je crvena svjetleća dioda valne duljine 630 nm. Kao fotodetektori su korišteni fotodioda BPW 43 i fototranzistor BPW 40 kako bi se napravila usporedba između fotodiode i fototranzistora kada se kao izvor svjetlosti koristi intracrvena odnosno crvena svjetleća dioda. Tab. 5.64. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 43) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -70 0 20/20-60 0 20/20-50 88 0/20-40 104 0/20-30 132 0/20-20 164 0/20-10 192 0/20 0 192 0/20 10 176 0/20 20 144 0/20 30 96 0/20 40 92 0/20 50 0 20/20 60 0 20/20 70 0 20/20 112
AMPLITUDA [MILIVOLT] Tab. 5.65. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 10 cm uz brzinu prijenosa od 110 bauda između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) za različite upadne kutove KUT UPADA LASERSKE ZRAKE [ ] AMPLITUDA [mv] POGREŠNI/UKUPNI BROJ -90 26 0/20-80 64 0/20-70 88 0/20-60 112 0/20-50 152 0/20-40 176 0/20-30 200 0/20-20 224 0/20-10 512 0/20 0 520 0/20 10 520 0/20 20 260 0/20 30 220 0/20 40 160 0/20 50 160 0/20 60 112 0/20 70 112 0/20 80 72 0/20 90 40 0/20 Grafički prikazi: 110 BAUDA, LED 630 NM BPW 43 BPW 40 600 500 400 300 200 100 0-100 - 50 0 50 100 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] Sl. 5.45. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i amplitude pri mjerenju s predajnikom LED 630 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda 113
BROJ POGREŠNO PRIMLJENIH 110 BAUDA, LED 630 NM BPW 43 BPW 40 25 20 15 10 5 0-100 - 50 0 50 100 KUT UPADA SVJETLOSNE ZRAKE [ ] Sl. 5.46. Grafički prikaz ovisnosti kuta upada svjetlosne zrake i broja pogrešno primljenih znakova pri mjerenju s predajnikom LED 630 nm i više prijemnika pri brzini od 110 bauda Iz grafičkih prikaza prikazanih slikama 5.45. i 5.46. vidi se da je smplituda primljenog signala veća kada se kao fotodetktor koristi fototranzistor BPW 40 u odnosu na fotodiodu BPW 43. Također broj pogrešno primljenih znakova manji je kada se koristi BPW 40. Mjerenjima dobiveni upadni kutevi fotodetektora su u oba slučaja veći od onih deklariranih datasheet-ovima. S obzirom da su mjerenja s infracrvenom i crvenom laserskom diodom rađena pod istim uvjetima, može se zaključiti da je do razlike u mjerenjima došlo zbog različitih snaga odašiljačkih dioda. Veća osvijetljenost prijemnog sklopa kao posljedicu ima uspješniji prijenos signala. Činjenica da je u ovom slučaju prijenos signala bio uspješniji a fototranzistorom objašnjava se s karakteristikama ovisnosti valne duljine o relativnoj spektralnoj osjetljivosti iz kojih se vidi da je valna duljina crvene svjetleće diode od 630 nm bliže najvećoj spektralnoj osjetljivosti fototranzistora BPW 40 (780 nm) nego što je to kod fotodiode BPW 43 (900 nm). 114
5.3.3. Utjecaj vanjskih svjetlosnih izvora Sl. 5.47. Prikaz sustava za mjerenj utjecaja vanjskih svjetlosnih izvora na propagaciju svjetlosnog signala između dva računala Osim mjerenja utjecaja udaljenosti između prijemnika i predajnika i kuta između prijemnika i predajnika na propagaciju svjetlosnog signala slobodnim prostorom, napravljena su i mjerenja utjecaja vanjskih izvora svjetlosti na propagaciju digitalnog signala između dva računala. U mjerenju su korištena dva odašiljačka računala i jedno prijemno računalo. Primarni odašiljač i prijemnik i odašiljač u bili usmjereni pod kutem od 0º, dok je sekundarni odašiljač bio pod kutem od 40º. Mjerenja su rađena pri brzini prijenosa od 110 bauda na udaljenosti od 10 cm. U prvom je slučaju kao primarni izvor svjetlosti korištena infracrvena svjetleća dioda od 880 nm, a kao fotodetektor je korišten fototranzistor BPW 40. Kao sekundarni izvor svjetlosti je korištena crvena svjetleća dioda valne duljine 630 nm. U ovom slučaju sekundarni izvor svjetlosti nije utjecao na prijem signala s primarnog izvora svjetlosti zato što je kao primarni izvor svjetlosti korištena infracrvena svjetleća dioda čija je valna duljina bliže najvećoj spektralnoj osjetljivosti fotodetektora BPW 40. 115
Sl. 5.48. Prikaz sustava za mjerenj utjecaja vanjskih svjetlosnih izvora na propagaciju svjetlosnog signala koji odašilje LED 880 nm između dva računala U drugom je slučaju je kao sekundarni izvor svjetlosti korištena infracrvena svjetleća dioda valne duljine 950 nm. U ovom slučaju sekundarni izvor svjetlosti nije utjecao na prijenos signala između primarnog odašiljača i prijemnika. Zatim je na primarni odašiljač stavljena crvena svjetleća dioda valne duljine 630 nm, a na sekundarni plava svjetleća dioda valne duljine 430 nm. Niti u ovom slučaju sekundarni izvor svjetlosti nije utjecao na prijenos korisnog signala što je i očekivano s obzirom da je valna duljina od 430 nm na rubu spektralne osjetljivosti fototranzistora BPW 40. U sljedećem je slučaju na mjesto sekunadrnog izvora svjetlosti stavljena infracrvena dioda valne duljine 880 nm koja je bliže najvećoj spektralnoj osjetljivosti BPW 40 i u ovom slučaju prijenos signala nije bio moguć. Na kraju su napravljena mjerenja kada su se kao primarni izvori svjetlosti koristile laserske diode. U prvom se slučaju kao primarni izvor svjetlosti koristila laserska dioda valne duljine 650 nm, a kao sekundarni izvor svjetlosti svjetleća dioda valne duljine 630 nm. U ovom se slučaju signal uspješno prenosio bez obzira na sekundarni izvor svjetlosti. U slučaju kada se kao sekundarni izvor svjetlosti koristila infracrvena dioda valne duljine 880 nm, prijenos signala nije bio moguć. Iz navedenog se može zaključiti da kada signal odašilje izvorom svjetlosti čija je valna duljina blizu ili jednaka valnoj duljini pri kojoj fotodetektor ima najveću spektralnu osjetljivosti, vanjski izvori svjetlosti neće utjecati na prijenos signala. 116
5.3.4. Utjecaj medija kroz koji se propagira svjetlost U prvom će se slučaju raditi mjerenja pogrešno primljenih znakova pri različitim brzinama prijenosa između različitih prijemnika i predajnika kada se između njih nalazi staklena cijev ispunjena vodom. Udaljenost je pri svim mjerenjima konstantna i iznosi 21 cm. U mjerenju su korišteni sljedeći parovi svjetlosni izvor-fotodetektor: LD 1550 nm-ingaas PD, LD 850 nm- BPW 40, LD 650 nm-bpw 40, LED 630 nm-bpw 40 i LED 880 nm-bpw 40. Sl. 5.49. Prikaz sustava za mjerenj utjecaja medija-vode kroz koji se propagira svjetlost Tab. 5.66. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 1550 nm) i prijemnika (InGaAs PD) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 3/20 300 6/20 600 2/20 1200 0/20 2400 2/20 4800 15/20 9600 18/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 117
Tab. 5.67. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 3/20 300 8/20 600 3/20 1200 2/20 2400 4/20 4800 16/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.68. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 0/20 9600 16/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 118
Tab. 5.69. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 1/20 4800 17/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.70. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 20/20 300 20/20 600 20/20 1200 20/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 119
JESTIVO BILJNO ULJE Tab. 5.71. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 1550 nm) i prijemnika (InGaAs PD) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 17/20 300 14/20 600 7/20 1200 3/20 2400 5/20 4800 15/20 9600 17/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.72. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 850 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 18/20 300 16/20 600 9/20 1200 7/20 2400 0/20 4800 15/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 120
Tab. 5.73. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LD 650 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 16/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 Tab. 5.74. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LED 630 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 0/20 300 0/20 600 0/20 1200 0/20 2400 0/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 121
Tab. 5.75. Pogrešni/ukupni broj znakova primljenih pri udaljenosti od 21 cm uz različite brzine prijenosa između predajnika (LED 880 nm) i prijemnika (BPW 40) BRZINA PRIJENOSA [baud] POGREŠNI/UKUPNI BROJ 110 20/20 300 20/20 600 20/20 1200 20/20 2400 20/20 4800 20/20 9600 20/20 14400 20/20 19200 20/20 38400 20/20 56000 20/20 57600 20/20 115200 20/20 128000 20/20 MOTORNO ULJE Sl. 5.50. Prikaz sustava za mjerenj utjecaja medija-motornog ulja kroz koji se propagira svjetlost 122