Sistem Transmisi Digital

SISTEM TRANSMISI DIGITAL

Pada pembahasan sebelumnya, membicarakan tentang karakteristik pokok dari blok-blok digital link transmisi fiber optik yang terdiri dari medium transmisi fiber optik, sumber optik, photodetector, dan hal-hal yang berhubungan dengan receiver dan konektor serta bagaimana bagian-bagian ini dipakai bersama-sama untuk membentuk digital link transmisi fiber optik.

Pembahasan pertama tentang kasus yang sederhanan yaitu link point to point. Komponen-komponen dan syarat-syarat dari sistem ditetapkan melalui analisis pengaturan power apakah cocok dengan syarat-syarat pelemahan atau diperlukan repeater untuk menaikkan level daya. Langkah terakhir adalah menganalisis rise-time sistem untuk menguji bahwa semua persyaratan sistem yang ada telah terpenuhi.

Berikut ini tentang line-coding scheme dimana cocok untuk transmisi data digital melalui fiber optik. Scheme coding digunakan untuk memperlihatkan ketidakteraturan dan kelebihan pada berkas informasi digital untuk memastikan pendapatan timing yang efisien dan memudahkan dalam memonitor kesalahan pada receiver.

Metode yang sederhana tetapi sangat bermanfaat dalam pemasukan karakteristik transmisi data adalah teknik eye-patern. Metode ini telah digunakan untuk sistem kabel.

8.1 Link Point-To-Point

Transmisi paling sederhana adalah garis point-to-point yang mempunyai sebuah pemancar di salah satu ujung dan sebuah penerima di ujung yang lain, dapat dilihat pada Gambar 8-1. Tipe ini merupakan dasar dari sistem yang lebih kompleks.

Syarat-syarat yang diperlukan untuk menganalisa link adalah :

1. Jarak transmisi yang diinginkan (atau yang mungkin)

2. Rate data atau bandwidth dari channel

3. Bit error rate (BER)

Gambar 8-1

Untuk memenuhi syarat-syarat ini, maka karakteristik-karakteristik yang berhubungan dengan komponen-komponen yang dipilih adalah sebagai berikut :

1. Multimode atau single-mode fiber optik

(a) Ukuran dari core

(b) Profil indeks bias dari core

(c) Bandwidth atau dispersi

(d) Pelemahan

(e) Numerical aperture atau diameter dari mode-field

2. Sumber optik LED atau laser dioda

(a) Panjang gelombang emisi

(b) Lebar garis spectral

(c) Power output

(d) Daerah radiasi yang efektif

(e) Spektrum emisi

(f) Jumlah dari emitting modes

3. PIN atau avalanche photodiode

(a) Responsivity

(b) Operating wavelength

(c) Kecepatan

(d) Sensitivitas

Dua analisis yang biasanya digunakan untuk memastikan bahwa sistem yang diinginkan telah terpenuhi adalah link power budget dan rise-time budget sistem. Pada analisa link power budget, mula-mula menentukan rentang power antara output optikal transmitter dan sensitivitas minimum dari receiver sehingga sesuai dengan spesifikasi dari BER. Kemudian batas ini dapat dialokasikan ke konektor, sambungan dan kerugian-kerugian fiber, ditambah beberapa batasan lain yang diperlukan untuk degradasi atau efek temperatur dari komponen-komponen yang dipakai.

Setelah analisa dengan link power budget telah terbukti maka selanjutnya menggunakan analisa rise-time sistem untuk memastikan bahwa sistem yang diinginkan telah terpenuhi.

8.1.1 Sistem Pertimbangan

Pada link power budget, mula-mula kita menentukan panjang gelombang yang akan ditransmit dan kemudian memilih komponen-komponen yang beroperasi pada batas ini. Untuk jarak yang pendek maka kita beroperasi pada panjang gelombang 800-900 nm sedangkan untuk jarak yang relatif jauh maka kita beroperasi pada panjang gelombang 1300-1550 nm, hal ini agar pelemahan dan dispersinya rendah.

Setelah kita menentukan panjang gelombang maka kita menentukan karakteristik dari receiver, transmitter dan fiber optik dengan cara memilih dua karakteristik diatas, kemudian untuk karakteristik yang ketiga dihitung sehingga sesuai dengan sistem yang dikehendaki. Setelah itu kita memilih photodetector dan kemudian sumber optik.

Dalam pemilihan photodetector maka kita harus menentukan power minimum optikal yang hilang pada photodetector untuk memenuhi syarat dari BER. Receiver pin photodiode lebih stabil pada perubahan temperatur dan lebih murah dibandingkan dengan receiver avalanche photodiode. Bias voltages dari photodiode lebih kecil dari 50 V, sedangkan untuk avalanche mencapai beberapa ratus volt. Tetapi sensitifitas dari avalanche jauh lebih baik daripada pin photodetector.

Parameter-parameter yang berhubungan dengan penggunaan daripada LED atau laser diode adalah Dispersi signal, data rate, jarak transmisi dan harga. LED mempunyai lebar spectral pada daerah 800-900 nm dan limit karakteristik dispersi dari fiber silica sekitar 150 (Mb/s) km. Untuk harga yang lebih tinggi [diatas 2500(Mb/s) km] maka harus dipakai laser. Untuk laser InGaAsP dapat mencapai sampai 25 (Gb/s) km.

Laser mempunyai power 10 sampai 15 dB lebih besar dibandingkan dengan LED, selain itu laser lebih memungkinkan jarak pengulangan transmisi yang lebih besar. Hal ini menyebabkan harga laser diode lebih mahal dan rangkaian transmitternya jauh lebih kompleks.

Untuk fiber optiknya kita dapat memilih antara single-mode atau multimode dimana corenya juga terdiri dari step atau graded indeks. Pemilihan ini tergantung dengan cahaya sumber yang digunakan dan nilai dispersi yang dapat ditoleransi. LED biasanya digunakan untuk multimode walaupun LED juga dapat digunakan untuk single-mode. Power optikal dari LED dapat digabung, hal ini bergantung dengan perbedaan indeks dari core-cladding D , dimana dapat direalisasikan menjadi numerical aperture dari fiber (untuk D = 0,01 maka numerical aperture NA » 0,21). D bertambah maka power dari fiber gabungan tersebut juga akan naik secara bersamaan dan dispersi juga semakin besar.

Baik single-mode atau multimode dapat digunakan dengan laser diode. Single-mode dapat menghasilkan jarak bit-rate dengan harga 30 (Gb/s) km. Tetapi single-mode mempunyai ukuran core yang kecil (5 sampai 16 m m) sehingga ini lebih sulit dibandingkan dengan multimode yang mempunyai diameter core 50 m m.

Dalam memilih karakteristik pelemahan dari kabel fiber, perlu diperhatikan juga kerugian yang diakibatkan oleh proses pengabelan karena menambah pelemahan pada fiber itu sendiri. Hal ini menyangkut konektor dan rugi-rugi sambungan serta rugi-rugi induksi yang dapat disebabkan oleh variasi temperatur, efek radiasi.

8.1.2 Kerangka Power Link

Rugi-rugi power dari model point-to-point terlihat pada gambar 8-2. Power receiver pada photodetector bergantung dari jumlah gabungan sinar yang masuk ke fiber dan rugi-rugi yang ada. Tiap rugi dari elemen dapat digambarkan dalam decibels (dB) seperti :

Pout

Loss = 10 log ¾ (8-1)

Pin

dimana Pin dan Pout adalah power yang masuk dan keluar dari rugi-rugi elemen.

Gambar 8-2

Total rugi-rugi power optikal yang diperbolehkan PT adalah rugi-rugi pada pelemahan kabel, rugi-rugi konektor, rugi-rugi sambungan dan sistem batas. Apabila PS adalah power optikal yang timbul pada saat akhir fiber menerima sumber cahaya.dan jika PR adalah sensitivitas dari receiver, maka

PT = PS – PR = 2 lc + a f L + sistem batas (8-2)

dimana lc adalah rugi-rugi konektor, a f adalah pelemahan fiber (dB/km), L adalah jarak transmisi dan harga sistem batas diambil pada 6 dB. Kita asumsikan bahwa panjang kabel L mempunyai konektor hanya pada akhir (tidak diantaranya). Rugi-rugi sambungan tidak dimasukkan untuk mempermudah perhitungan .

Data rate 20 Mb/s dan BER 1exp –9. Receiver adalah silicon pin photodiode beroperasi pada 850 nm. Gambar 8-3 memperlihatkan input signal receiver adalah –42 dBm. Led GaAlAs 50 m W (-13 dBm) dimana diameter corenya 50 m m. Rugi-rugi power yang diperbolehkan 29 dB. Diasumsikan rugi-rugi 1 dB terjadi ketika fiber dihubungkan

Gambar 8-3

dengan kabel dan rugi-rugi konektor lainnya yang terjadi pada sambungan antara kabel dan photodetector adalah 1 dB. Sistem margin 6 dB, jarak transmisi yang memungkinkan pada kabel dengan pelemahan a f dB/km dapat ditemukan dari persamaan (8-2) :

PT = PS – PR = 29 dB

= 2 (1dB) + a f L + 6 dB

Jika a f = 3.5 dB/km maka jarak transmisi yang mungkin adalah 6 km. Rancangan power link dapat dilihat secara grafik pada gambar 8-4. Sumbu vertical menyatakan rugi-rugi power optikal yang diperbolehkan antara transmitter dan receiver. Sedangkan sumbu horizontal menyatakan jarak dari transmisi. Silicon pin receiver mempunyai sensitifitas –42 dBm (pada 20 Mb/s) dan LED dengan output power –13 dBm. Kita mengurangi rugi-rugi konektor setiap akhir dengan 1 dB dimana total batas 27 dB. Slope pada gambar 8-4 adalah rugi-rugi kabel 3.5 dB/km. Garis ini mulai pada –14 dBm dan berakhir pada –35 dBm. Titik potong D menyatakan maksimum dari jarak transmisi yang memungkinkan

Gambar 8-4

8.1.3. Rise Time Budget

Analisa rise time budget merupakan suatu metode yang mudah untuk mengurangi limitasi / batasan dispersi dari suatu hubungan serat optik. Dalam pendekatan ini, total rise time t_sys dari suatu link adalah akar kuadrat dari rise time tiap-tiap kontributor t_i terhadap degradasi pulsa rise time :

( 8-3 )

Empat elemen dasar yang dapat secara spesifik membatasi kecepatan adalah rise time transmitter t_{tx ,} rise time dispersi material t_mat dari serat, rise time dispersi modal t_mod dari serat dan rise time receiver t_rx. Pada umumnya, degradasi total transition-time dari suatu hubungan digital tidak boleh lebih dari 70% dari NRZ

( non-return-to-zero ) periode bit atau 35% dari data RZ ( return-to-zero ), dimana satu periode bit didefinisikan sebagai resiprocal dari data rate.

Rise time transmitter dapat dianggap berasal dari sumber cahaya dan rangkaian pembangkitnya. Hasil rise time receiver diperoleh dari respons photodetector dan bandwidth elektrik 3-dB pada ujung-ujung depan receiver. Respon dari ujung-ujung receiver dapat dirumuskan oleh filter lowpass derajat satu yang memiliki fungsi step :

dimana B_rx adalah bandwidth elektrik 3-dB dan u(t) sebagai fungsi unit step yang harganya 1 untuk dan 0 untuk t < 0. Rise time t_rx dari receiver biasanya didefinisikan sebagai interval waktu antara dan . Karena itu, jika B_rx diberikan dalam satuan megaHertz, maka rise time ujung depan receiver dalam satuan nanodetik adalah :

(8-4 )

Untuk serat-serat multimode, rise timenya tergantung pada dispersi modal dan material. Analisisnya lebih rumit, karena merupakan fungsi dari panjang serat, tipe dari sumber optik yang digunakan dan panjang gelombang yang beroperasi.

Dalam prakteknya, hubungan serat optik jarang terdiri dari suatu serat yang kontinu dan terpisah. Kesulitan dalam memperkirakan bandwidth dari suatu seri dari serat-serat yang dihubungkan dalam satu rangkaian muncul dari observasi bahwa total rute bandwidth dapat merupakan fungsi dari derajat dimana serat-serat digabungkan.

Dari pengalaman lapangan praktek telah ditemukan bahwa bandwidth B_M dalam suatu hubungan dengan panjang L dapat dinyatakan dalam suatu perkiraan yang masuk akal oleh hubungan empiris :

( 8-5 )

dimana parameter q memiliki range antara 0.5 dan 1, dan B₀ adalah bandwidth dari panjang kabel 1-km. Harga q = 0.5 menandakan percampuran mode kecil. Berdasarkan percobaan, perkiraan masuk akal adalah q = 0.7.

Pernyataan lain untuk BM berdasarkan pembentukan kurva dari data eksperimental adalah :

( 8-6 )

dimana parameter q memiliki range antara 0.5 ( penambahan secara kuadrat ) dan 1 ( penambahan secara linier ) dan B_n adalah bandwidth pada bagian serat ke-n. Oleh karena itu, persamaan ( 8-6 ) dapat dituliskan :

( 8-7 )

dimana adalah pelebaran pulsa yang terjadi melalui bagian N kabel dimana pelebaran pulsa individual diberikan oleh t_n.

Pernyataan empiris ketiga diberikan oleh Eve untuk pelebaran pulsa dalam hubungan yang terikat dengan N serat adalah :

( 8-8 )

dimana r_pk adalah koefisien korelasi antara serat ke-p dan ke-k. Magnitudenya diharapkan berada pada range antara 0 dan 1 untuk percampuran mode kecil dan kuat.

Kini kita perlu mencari hubungan antara rise time dari serat dan bandwidth 3-dB. Untuk itu kita menggunakan variasi pernyataan yang diturunkan dari Midwinter. Kita misalkan daya optik muncul dari serat memiliki respon gaussian sementara dengan persamaan :

( 8-9 )

dimana s adalah lebar pulsa rms / rata-rata.

Transformasi Fourier dari fungsi diatas adalah :

( 8-10 )

Dari persamaan ( 8-9 ) waktu dibutuhkan agar pulsa dapat mencapai setengah nilai maksimumnya, yang mana, waktu yang dibutuhkan untuk memiliki :

( 8-11 )

diberikan oleh :

( 8-12 )

Jika kita mendefinisikan waktu sebagai lebar penuh dari pulsa pada setengah nilai maksimumnya, maka :

( 8-13 )

Bandwidth optik 3-dB B_3-dB didefinisikan sebagai frekuensi modulasi pada saat tenaga optik yang diterima turun sampai 0.5 dari nilai frekuensi zero. Karena itu, dari persamaan ( 8-10 ) dan ( 8-13 ) dapat kita simpulkan bahwa hubungan antara rise time lebar penuh pada setengah maksimum dan bandwidth optik 3-dB sebagai :

( 8-14 )

Dengan menggunakan persamaan ( 8-5 ) untuk bandwidth optik 3-dB dari hubungan serat dan membiarkan menjadi rise time yang dihasilkan dari dispersi modal, maka dari persamaan ( 8-14 ) :

( 8-15 )

Jika t_mod dinyatakan dalam satuan nanodetik dan B_M dalam satuan megaHertz, maka :

( 8-16 )

Dengan mensubstitusikan persamaan ( 3-20 ), ( 8-4 ) dan ( 8-16 ) ke persamaan ( 8-3 ) maka didapatkan :

( 8-17 )

dimana semua waktu dalam satuan nanodetik, s l adalah lebar spektral dari sumber optik dan D_mat adalah faktor dispersi material dari serat dalam satuan nanodetik per nanometer per kilometer. Dalam daerah 800 – 900 nm, harga D_mat sekitar 0.07 ns/(nm.km), sedangkan untuk daerah 1300 nm dapat diabaikan.

8.1.4. Jarak Transmisi First-Window

Gambar 8-5 menunjukkan limitasi / batasan atenuasi dan dispersi dalam jarak transmisi secara berulang-ulang sebagai suatu fungsi data rate untuk kombinasi pin / LED dengan panjang gelombang pendek ( 800 sampai 900 nm ). BER diambil sebesar untuk semua data rate. Daya output LED fiber-coupled diasumsikan sebagai konstanta -13 dBm untuk semua data rate diatas 200 Mb/s. Kurva batas atenuasi kemudian diturunkan dengan menggunakan fiber loss pada 3.5 dB/km dan sensitivitas receiver seperti pada gambar 8-3.

Gambar 8-5

Batas dispersi tergantung pada dispersi material dan modal. Dispersi material pada 800 nm sebesar 0.07 ns/(nm.km) atau 3.5 ns/km untuk LED dengan lebar spektral 50 nm. Kurva diatas menunjukkan batas dispersi material tanpa dispersi modal. Batas ini diambil pada jarak dimana t_mat adalah 70% dari periode bit. Dispersi modal diturunkan dari persamaan ( 8-15 ) untuk serat dengan produk bandwidth-distance 800 MHz.km dan dengan q = 0.7. Batas dispersi modal kemudian diambil pada jarak dimana t_mod adalah 70% dari periode bit.

Jarak transmisi yang semakin besar adalah mungkin jika dioda laser digunakan dalam konjungsi dengan sebuah photodioda avalanche.

8.1.5. Jarak Transmisi untuk Hubungan Single-Mode

Dalam hubungan single-mode yang beroperasi pada 1550 nm, dispersi dari serat adalah mengenai efek-efek material dan waveguide, karena tidak adanya dispersi modal. Kita ambil dispersi dengan D = 2.5 ps/(nm.km) dan atenuasinya 0.3 dB/km pada 1550 nm. Sebagai sumbernya kita pilih sebuah laser feedback terdistribusi ( DFB ) yang mengkopel 0 dBm dari daya optik ke serat dan yang memiliki lebar spektral s l = 3.5 nm. Receivernya dapat menggunakan InGaAs avalanche-photodiode ( APD ) dengan sensitivitas P_r = 11.5 log B – 71 dBm atau pin InGaAs….

Gambar 8-6

8.2 Pengkodean jalur (Line Koding)

Pembuatan jalur fiber optik harus memperhatikan format dari sinyal yang akan dikirim.Hal ini penting karena dalam praktek pelaksanaan hubungan data fiber optik, sirkuit pemberi keputusan pada penerima harus bisa memberikan informasi penghitungan waktu yang tepat dari sinyal optik yang datang .Tiga tujuan utama penghitungan waktu adalah supaya sinyal dapat di-sampling oleh penerima pada saat signal-to-noise ratio pada keadaan maksimum, untuk mempertahankan jarak pulsa yang diperlukan, untuk memberi tanda mulai dan akhir dari interval waktu. Sebagai tambahan, meskipun kesalahan yang dihasilkan channel noise dan mekanisme distorsi dapat mempengaruhi proses pendeteksian sinyal, diharapkan sinyal optik dapat meningkatkan kemampuan deteksi kesalahan. Bentuk ini dapat dihubungkan dengan jalannya data dengan merestrukturisasi atau encoding.

Pe-encoding-an sinyal menggunakan suatu set peraturan untuk menyusun simbol-simbol sinyal dalam pola tertentu. Proses ini disebut channel atau pengkodean hubungan.Tujuannya adalah untuk memeriksa bermacam-macam tipe kode jalur yang cocok untuk transmisi digital pada jalur fiber optik. Kode-kode yang dimaksud di sini dibatasi pada kode biner karena paling banyak digunakan pada kode-kode elektris dan paling menguntungkan pada untuk sistem optik.

Salah satu fungsi yang paling prinsipil dari kode jalur adalah untuk memperkenalkan redundansi pada aliran data yang bertujuan untuk meminimalkan kesalahan yang dihasilkan efek pengaruh channel. berdasarkan jumlah redundansi yang yang diperkenalkan, setiap derajat transmisi yang bebas kesalahan dari data digital yang dihasilkan, diperlihatkan bahwa jumlah rata-rata data sudah termasuk redundansi adalah lebih kecil dari kapasitas channel. Hasil tersebut dikenal dengan nama teori Shannon channel-coding.

Meskipun sistem dengan bandwidth yang besar dapat digunakan pada fiber optik, semakin besar bandwidth dapat mengakibatkan kesalahan yang semakin besar, sehingga dalam pertimbangan kesalahan ini, yang diinginkan adalah bandwidth minimum. Namun, bandwidth yang besar dibutuhkan supaya data penghitungan waktu tersedia pada aliran data. Pemilihan kode jalur tertentu dibutuhkan pertukaran antara pengukuran waktu dan kesalahan bandwidth, yang ditentukan oleh karakteristik jenis aliran data.

Tiga tipe dasar kode jalur biner dua level yang dapat digunakan pada transmisi fiber optik adalah format non-return-to-zero (NRZ), format return-to-zero (FRZ), format phase-encoded (PE).

8.2.2 Kode NRZ

Bandwith kode NRZ sering digunakan sebagai referensi untuk kode grup2 lainnya. Kode NRZ yang paling sederhana adalah NRZ-Level (NRZ-L). Pada sebuah serial aliran data, sebuah sinyal hidup mati (unipolar) direpresentasikan sebagai 1 jika melewati sebuah tegangan pulsa atau cahaya yang dimasukkan pada seluruh periode bit, dan 0 dimana tidak ada pulsa yang ditransmisikan. Kode-kode itu mudah dihasilkan dan dikoding tetapi mereka tidak mempunyai pencari kesalahan yang baik atau kemampuan mengkoreksi dan tidak mempunyai penghitung waktu sendiri.

Pengkodean NRZ membutuhkan bandwith yang minimum tetapi daya input rata-rata pada penerima tergantung pada pola data.Gambar 8-8 menunjukkan efek base line wander yaitu daya yang diterima mempunyai level yang tinggi terjadi pada jalur panjang yang terdiri dari 1 bit. Efek ini disebabkan karena akumulasi ekor pulsa yang meningkat dari karakteristik frekuensi rendah dari filter ac-capling pada penerima.

Apabila penerima mengembalikan nilai sebenarnya setelah 16 bit selesai, kesalahan akan terjadi apabila 1 bit selanjutnya, kode NRZ 1 atau 0 tidak memiliki informasi penghitungan waktu. Meskipun waktu dalam system cenderung stabil, N bits bisa salah direpresentasikan menjadi N-1 atau N+1 bit, meskipun system yang stabil memakan ongkos yang tinggi dan lambat mencapai sinkronisasi. Dua teknik yang sering digunakan untuk mengurangi interval waktu yang panjang yang disebabkan tidak ada transisi level adalah kode blok dan pengacakan. Pengacakan menghasilkan pola data acak dengan penambahan modulo-z dari sequence bit dengan aliran data. Pada penerima bit tersebut juga dilakukan penambahan modulo-z dan bit asal dikembalikan seperti semula. Kode NRZ dalam eksperimen dapat ditransmisikan pada 11Gb/detik melewati 81 km.

(Gb 8-7)

(Gb 8-8)

8.2.2 Kode RZ

Pada kode RZ, untuk mencukupi bandwith margin yang ada, setiap data bit dapat encoding sebagai dua jalur kode bit optik. Kode ini melakukan transisi level sinyal pada periode bit untuk meneyediakan informasi pengukuran waktu. Pada data RZ, unipolar data bit 1 direpresentasikan pada setengah periode pulsa optik yang dapat terjadi pada setengah di depan ataupun setengah di belakang. Nol direpresentasikan dengan tidak adanya sinyal pada periode bit.

Kerugian format RZ unipolar adalah bit 0 yang panjang dapat menyebabkan kerugian pada waktu sinkronisasi format data. Yang tidak mempunyai batasan ini adalah biphase atau kode optik manchester. Pada kode ini transisi terjadi di tengah tengah interval bit. Transisi negatif menghasilkan bit 1, transisi positif menghasilkan bit 0.

8.2.3 Kode Blok

katagori yang efesien dari kode biner redundant adalah mBnB kelas kode blok. Dalam kelas kode-kode ini, blok dari m bit biner dikonversi menjadi blok yang lebih panjang dari n>m bit biner. Blok baru tersebut ditransmisikan dalam bentuk NRZ atau RZ. Penambahan bit redundant menghasilkan penambahan bandwith sebesar rasio n/m. Dengan penambahan bandwith kode blok mBnB menyediakan cukup waktu dan informasi kesalahan, dan tidak dapat masalah baseline wander.Konsep yang digunakan pada kode blok adalah akumulasi atau pelaksanaan disparity, yaitu perbedaan kumulatif antara bit 1 dan 0.Perbedaan beberapa kode mBnB dapat dilihat pada tabel 8-1. Parameter-parameternya adalah :

1. Rasio n/m, menghasilkan penambahan bandwith

2. N max dari synbol konsekutif yang identik

3. Akumulasi disparity D

4. Persentase W dari n-bit word yang tidak terpakai.

(tabel 8-1)

8.3. Pola Mata

Teknik pola mata merupakan metode untuk kemampuan memperlakukan data dari system transmisi digital. Pengukuran pola mata dilakukan pada domain waktu dan mengijinkan efek bentuk distorsi gelombangterlihat pada osiloskop.

Output dari pseudo random pola data generator diaplikasikan dengan input vertikal dari osiloskop dan data digunakan untuk melakukan trigger horizontal. Hasil pola ini disebut pla mata karena membentuk pola mata manusia.

(Gb 8-10 : equipment dasar yang digunakan untuk menghasilkan pola mata)

(Gb 8-11 : contoh diagram pola mata)

Untuk mengukur kinerja metode pola mata dapat dilakukan dengan pendekatan sinyal data random. Sinyal tipe ini menghasilkan 1 dan 0 dalam bentuk uniform tetapi dengan cara random. Bermacam-macam pola pseudo random pola generator disediakan untuk tujuan ini.

(Gb 8-13)

Suatu sistem yang mempunyai kemampuan dalam mengirim informasi dapat dilihat pada eye-pattern display. Untuk menggambarkan eye-pattern maka pada gambar 8-13 terdapat suatu bentuk sederhana dari eye-pattern. Untuk mengetahui tentang signal amplitudo distortion, timming jitter, dan sistem rise time dapat dijelaskan sebagai berikut:

Lebar dari eye opening didefinisikan sebagai interval waktu lebih yang diterima signal. Hal ini dapat disampling tanpa error dari intersymbol interference. Waktu terbaik untuk sampling bentuk gelombng yang diterima adalah ketika tinggi dari eye opening lebar.

Tinggi dari eye opening mengakibatkan terjadinya amplitudo distortion pada signal data. Distorsi maximum terjadi saat posisi vertikal antara puncak dari eye openning dan signal pada level maximum. Besar dari eye closure sulit untuk dideteksi oleh signal.

Tinggi dari eye openning pada spesifikasi time sampling menunjukkan batas adanya noise atau kemampun signal terhadap noise. Noise margin adalah persentasi ratio dari puncak tegangan signal V₁ dibagi tegangan signal maximum V₂ . Puncak tegangan signal V₁ untuk pergantian bit sequence ( membatasi dengan tinggi dari eye openning ), sedang untuk tegangan signal maximum V₂ diukur dari level thershold, seperti ditunjukkan pada gambar 8-13.

Noise margin ( persent ) = V₁ x 100 %

V₂

Waktu rata – rata dari eye closes beragam, hal ini merupakan faktor yang mentukan sensitifitas dari sistem terhadap terjadinya error. Terjadinya error kemungkinan pada saat terjadi transisi turun dari signal.

Timing jitter ( merupakan acuan untuk edge jitter atau phase distortion ) pada sistem fiber optic timbul dari noise pada penerima dan pulse distortion pada fiber optic. Jika signal sampling pada level sedang dari interval waktu ( hal ini merupakan setengah dari waktu ketika signal menyilang pada level threshold ), kemudian terjadi distortion D T pada level threshold hal ini menunjukkan terjadinya jitter. Timing jitter ditunjukkan sebagai berikut :

Timming jitter ( percent ) = D T X 100 %

T_b

dimana T_b adalah satu interval bit.

10 sampai 90 persen waktu naik dan turun dari signal dapat dengan mudah diukur dengan menggunakan referensi 0 dan 100 persen level yang dihasilkan dengan panjang string masing – masing dari nol dan satu.

Ketidak linearan dari pengiriman cahrakteristik pada suatu chanel akan menyebabkan terjadinya asymmetry di dalam eye pattern.

8.4 Pengaruh Noise Terhadap Kemampuan System

Pada bab 8.1 kita mengasumsikan bahwa daya optic tergantung pada photodetector. Pada kenyataanya interaksi yang terjadi antara spectral imperfection pada penyebaran daya optic dan penghamburan waveguide menimbulkan variasi pada level daya optic. Yang mempengaruhi daya optic adalah modal noise, wavelength chirp, spectral broadening induced by optical reflection back into laser, dan mode-partition noise.

8.4.1 Modal Noise

Modal noise timbul ketika cahaya dari laser yang coherent menyatu didalam suatu multimode fiber. Hal ini tidak menjadi suatu masalah untuk operasi sekitar 100 Mb/s tetapi akan berpengaruh pada kecepatan sekitar 400 Mb/s dan lebih tinggi. Faktor- faktor yang dapat menimbulkan noise pada sambungan fiber optic :

Kerusakan mekanik selama penyambungan, seperti vibration conector, splice, microbend, dan sumber atau detector coupling, dapat berakibat pada perbedaan moda delay atau modal dan spatial filter pada daya optic. Hasil ini mengakibatkan fluktuasi pada specle pattern pada saat selesai menerima signal, sehingga menyebabkan modal noise pada penerima.

Fluktuasi pada frekewensi yang terjadi pada optical source dapat juga timbul pada intermodal delay. Pada waktu yang choherent suatu sumber choherent berbentuk speckle pattern lebih besar daripada intermodal dispersion d T pada fiber, jika sumber frekwensi mempunyai lebar d f, kemudian dengan waktu choherent adalah 1/ d f. Modal noise terjadi ketika speckle pattern berfluktuasi, hal ini terjadi ketika sumber waktu choherent menjadi lebih kecil daripada intermodal dispersion time. Modal distortion terjadi dari interferensi diantara suatu single pair dari mode ketika timbul suatu rippel sinusoidal pada frekwensi.

f = d T df _source

dt

dimana df_source / dt adalah rata – rata dari frekwensi optic.

Beberapa penemuan menyelidiki bagaimana kemampuan modal noise mengatasi bit error rate ( BER ) pada saluran digital. Sebagai contoh pada gambaar 8-14 digambarkan error rata- rata dengan penambahan pada modal noise untuk sistem penerima avalanche-photodiode. Dari analisa didapat untuk 280 Mb/s pada 1200nm dengan suatu penerima pulsa gaussian-shaped. Faktor M’ pada gambar ini relatif untuk angka oada speckles pada photodetector. Untuk angka yang sangat luas pada speckles ( M’ = 2910 ), kurva error rata- rata sangat menutup. Hal ini terjadi ketika tidak ada modal noise. Ketika M’= 50 , ada penambahan sebesar 1.0 dB pada penerima daya optic untuk menjaga error rata – rata pada 10^-6. Ketika M’=20 terjadi satu penambahan lagi menjadi 2.0 dB pada daya optic untuk menjaga pada 10^-6 BER , hal ini terjadi pada kejadian tanpa modal noise. Angka ini akan menjadi 4,9 dB ketika M’ = 4.

Kemampuan dari high-speed, laser-basedmultimode pada saluran fiber sulit untuk diprediksi, karena pengaruh noise yang timbul dapat mempengruhi hal tersebut. Keamanan yang paling baik adalah melakukan tahap menjauhkan diri dari noise. Untuk itu dapat dilakukan hal-hal berikut :

Gunakan LEDs ( yang mempunyai dumber inchoherent ). Hal ini menjauhkan dari modal noise.

Gunakan laser yang mempunyai large number pada mode longitudinal ( 10 atau lebih). Tambahkan graininess pada speckle patern, kemudian kurangi intensits fluktuasi pada mechanichal distruption pada saluran.

Gunakan fiber dengan large numerical aperture.

Gunakan suatu single-mode fiber. Hal ini mencegah terjadinya modal interferensi karena hanya ada satu moda.

(Gb 8-15)

Gambar 8-15 menggambarkan suatu conector atau splice point bergabung

bersama pada daya optic dari mode dasar didalam higer-order pertama ( LP11 mode ). Pada sistem single-mode moddal noise terjadi pada short connectorized patch-cord, didalam laser diode flyleads, atau ketika dua high-loss splices berada pada jarak terpendek.Sedang mode coupling tidak mempunyai masalah didalam saluran yang mempunyai long fiber length diantara conector dan splice.

8.4.2 Mode-Partition Noise.

Noise-partition adalah kumpulan moda dengan intensitas fluktuasi didalam moda longitudinal pada laser diode.Hal ini sangat dominan pada single mode fiber. Intensitas fluktuasi dapat terjadi diantara beberapa mode pada multimode laser ketika sekuruh output optic konstant seperti ditampilkan gambar 8-16. Distribusi daya dapat sangat significant keduanya dalam pulsa dan dari pulsa untuk pulsa.

(Gb 8-16)

Karena output pattern pada laser diode adalah hihly directional maka sinar dari mode yang berfluktuasi dapat di couple didalam single-mode fiber dengan efisiensi yang tinggi. Beberapa mode longitudinal didalam fiber yaitu perbedaan attenuasi dan time delay dicouple menjadi satu.

Signal to noise ratio yang terjadi pada mode-partiiton noise adalah berdirisendiri pada signal daya, sehingga rata-rata error seluruh sistem tidak dapat di perbaiki diluar dari limit set dari noise ini. Hal ini sangat penting selain dari degradasi dari sensitivitas penerima dengan dispersi chromatik.

Mode-partition noise menjadi pasti untuk rata- rata bit tinggi. Error untuk mode-partittion noise dapat di kurangi dan dieliminasi dengan setting pada bias point pada laser diatas thershold. Biasanya timbulnya level daya output berkurang akibat adanya daya dari signal-pulse.

Oleh karena adresses two-mode laser yang lain, terletak disamping mode, dibawah lasing threshold. Dua hal tersebut menarik untuk dipraktekkan, karena penyebaran dari mode-partition fluctuation adalah penguraian dari gaussian. Maksudnya bahwa fluktuasi dapat mengakibatkan tingkat kesalahan sangat tinggi pada sluruh laser kecuali yang terletak pada non lasing mode adalah tertutup dengan baik.

Gambar 8-17 memperlihatkan hasil dari sebuah analisis tradeoff diantara mode-partition-noise BER dan sistem dari BER yang tidak terdapat pada mode-partition-noise. Garis membelok tersebut mewakili penampilan keseluruhan sistem untuk kemungkinkan terjadi kesalahan pada 10^-9 dan 10^-12. Sebagai contoh, untuk memperlihatkan keseluruhan sistem BER dari 10^-9 dan juga mempunyai penerima error probability 10^-12, ukuran kesalahan yang dikehendaki untuk mode partitioning adalah lebih sedikit dari 10^-12, seperti terlihat pada point A. Perbandingan ini untuk sebuah rasio mode-intensity dari Io/Jo @ 50, dimana Io adalah rata-rata intensity dari lasing mode utama dan Jo adalah rata-rata intensity dari mode nonlasing yang paling kuat.

Untuk mencegah terjadi sebuah sistem yang tinggi pada bit error rate perlu pembagian kekuatan diantara keterbatasan tekanan pada side mode, salah satunya harus menyeleksi laser dengan teliti. Untuk mengevaluasi dinamika dari side mode, dapat mengukur time-resolved photo statistic yang lain dari laser out[ut atau karakteristik ukuran kesalahan yang sedikit dibawah kondisi biasyang realitas.

8.4.3 Chirping

Suatu laser yang berisolasi dengan cara longitudinal tunggal dibawah operasi CW mungkin akan mengalami pelebaran garis yang dinamis pada waktu arus injeksi dimodulasi secara langsung. Pelebaran garis ini adalah suatu frekuensi "Chirp" dengan modulasi yang diinduksi berubah-ubah dalam kepadatan frekuensi pembawanya (carrier). Laser chirping dapat menunjukkan pengaruh dispersi yang penting untuk pulsa dari intensitas modulasi pada waktu panjang gelombang dari emisi laser tidak ditempatkan pada panjang gelombang zero-dispersion dari fiber. Hal ini merupakan suatu kenyataan yang benar dalan operasi sistem pada 1550 nm, dimana dispersi fiber jauh lebih besar daripada 1300 nm.

Supaya perkiraan kita baik, maka perubahan frekuensi time-dependent dari lase dapat diberikan denga syarat output dari daya optik P(t) sebagai:

dimana a adalah faktor peningkatan dari pelebaran garis dan ... adalah faktor frequency-independent yang mana tergantung dari struktur laser. Faktor a mempunyai range dari -3,5 sampai -5,5 untuk AlGaAs laser dan dari -6 sampai -8 untuk laser InGaAsP.

Salah satu jalan untuk meminimumkan chirp adalah dengan menaikkan level bias dari laser, maka kemudian arus modulasi tidak dapat dikendalikan hingga dibawah ambang batas dimana InP dan P berubah dengan cepat. Tetapi hasil ini berada dalam perbandingan yang rendah (perbandingan dari on-state power ke off-state power) yang menuju ke penalty daya extinction-ratio pada peneriima karena mengurangi rasio signal-tobackground. Penalty ini satuannya biasanya dalam decibell. Gambar 8-18 memberi contoh dua buah tipe struktur laser. Untuk extinction-ratio (rasio pelemahan) yang lebih besar, daya penalty extinction-ratio diturunkan. Tetapi daya penalty chirping-induced dinaikkan denga level bias yang lebih rendah.

(Gb 8-18)

Cara terbaik untuk meminimalkan pengaruh chirp adalah memilih panjang gelombang emisi laser yang mendekati panjang gelombang zero-dispersion dari fiber. Percobaan denga cara ini tidak ditunjukkannya penurunan pada sensitivitas laser yang disebabkan oleh dispersi chromatic.

(Gb 8-19)

Gambar 8-19 menggambarkan efek dari chirping pada kecepatan transmisi 5 Gb/s yang perbedaannyaberhubungan dengan fiber single-mode. Disini laser side-mode lebih besar dari 30 dB, daya umpan balik refleksi dari optik lebih besar dari 30 dB yang berada dibawah sinyal transmisi, dan rasio extinction 8 dB. Pada 1576 nm standart fiber mempunyai dispersi D= 17,3 ps/(nm x km) dan pergeseran dispersi dari fiber adalah D= 10 ps/(nm x km). Kombinasi rangkaian fiber terdiri dari rangkaian optik standart positive-dispersion dan dispersi negativ. Ini merupakan petunjuk tekanan spektral dari sinyal yang kemudian terjadi perubahan dispersi. jadi gambar 8-19 menunjukkan aksi reduksi dalam chirping penalty pada waktu menggunakan pergeseran dispersi optik, atau pada waktu menggabungkan fiber dengan dispersi positiv dan negativ.

8.4.4 Reflection Noise

Pada saat cahaya melewati fiber, beberapa daya optik yang mendapat pembelokan pada index-pembiasan tidak diteruskan seperti pada splias, couplers, dan filter atau pada hubungan interface udara ke gelas. Pembelokan sinyal dapat menurunkan performa kedua transmitter dan receiver. Daya pembelokan ini disebabkan umpan balikoptik yang dapat menyebabkan laser tidak stabil pada kecepatan sistem yang tinggi. ketidakstabilan ini dapat berbentukseperti ketidaktepatan daya output, filter (penurunan pulsa), atau fasa noise dalam laser, dan semua ini dapat merubah panjang gelombang, lebar garis, dan arus batas. Karena dapat memperkecil rasio signal-to-noise, semua ini menyebabkan dua tipe dari power penaltis pada sensitivitas receiver . Petama, sebagaimana yang telah ditunujukkan pada gambar 8-20a, perkalian titi-titik refleksi membuat suatu rongga interferometric yang mempunyai daya umpan balik ke rongga laser, karena itu terjadi perubahan tingkatan dari noise ke intensity noise. Yang kedua, diciptakan dari perkalian optical path adalah wujud dari sinyal palsu yang datang pada penerima dengan variabel delay, karena itu terjadi percampuran intersimbol. Gambar 8-20b proses ilistrasi.

Celakanya efek ini adalah sinyal yang bersifat tergantung, maka diterima atau dikirim optical power yang tidak memperbaiki penampilankecepatan bit error. Cara yang dapat ditemukan untuk eliminate reflection. Mari kita lihat yang pertama pada magnitudenya. Sebagaimana kita lihat dari Eq.(5-10) sebuah penyediaan silica-fiber end face in air typically akan memantulkan kira-kira

1,47 – 1.0

R =

1.47 + 1.0

Kesesuaian untuk sebuah optical return loss dari 14,4 dB turun dari incident sinyal. Aturan fibers ends dapat membuat sebuah permukaan layer yang tipis dengan sebuah peningkatan refractive index tentang 1.6. Peningkatan reflectance tersebut mencapai 5,3%. Peningkatan berikutnya pada optical feedback level terjadi ketika jarak antara perkalian titik-titik refleksi sama dengan sebuah integral number dari setengan panjang gelombang dari pengiriman panjang gelombang. Oleh karena itu semua roundtrip jaraknya sama dnegan sebuah integral number dari in-phase wavelength, maka timbul constructive interference. Reflection bercabang empat mencapai 14% atau 8,5dB untuk unpolished end faces dan mencapai lebih dari 22% untuk polished end faces.

Power penalties tersebut dapat mengurangi beberapa dari 10 DB, melalui penyimpanan kembali nilai baris bawah yang hilang dari -15 sampai -32dB untuk ukuran data yang bervariasi dari 500 Mb/s ke 4 Gb/s. Teknik untuk memperkecil optical feedback adalah sebagai berikut :

Menyiapkan fiber end faces dengan permukaan yang berbentuk kurva atau bersudut terserah untuk memancarkan laser. Sinar direfleksikan secara langsung jauh dari pusat fiber, sehingga tidak bisa memasukkan kembali waveguide.

Kembali kehilangan dari 45 dB atau lebih dapat tercapai dengan sudut end face sebesar 5 sampai 15 derajat. Bagaimanapun juga, ini menambah kedua penyelipan kehilangan dan kekomplekan dari konektor.

Menggunakan sejumlah mminyak atau gel yang sesuai pada sambungan udara ke gelas. Pengembalian kehilangan dengan teknik ini selalu lebih baik dari 30dB. Hal Ini tidak direkomendasikan jika konektor selalu membutuhkan untuk dihubungkan lagi sejak yang tercampur terkumpul dalam interface.

Menggunakan konektor pada end face yang membuat kontak physical (disebut PC konektor). Mengembalikan lossesdari 25 sampai 40 dB yang sudah teratur dengan konektor.

Menggunakan isolator optik dengan modul transmitter laser. Device ini mudah mencapai 25 dB return losses, tetapi mereka juga bisa mengawali sampai 1 dB dari kehilangan awal di link.

8.5 Pemodelan dengan bantuan komputer

Dengan mendesain hubungan fiber optik, diharapkan jarak transmisi dapat dimaksimumkan dengan mempertahankan bit rata-rata kesalahan tertentu dan menyimpan daya yang cukup untuk mengatasi efek degradasi.

Hal ini berkaitan dengan perencanaan daya optik dengan mengasumsikan nilai terburuk dari kerugian fiber, daya output laser, sensitivitas penerima, dan degadrasi berkaitan dengan efek umur dan temperatur.

Kerugian dalam perencanaan daya optik yaitu tidak memperlihatkan hubungan antara kerugian dan penanggulangannya. Hal ini bisa diatasi dengan model simulasi komputer yang dapat menghitung ukuran kinerja keseluruhan seperti rata-rata kesalahan, daya margin, daya penalti yang dibutuhkan untuk menanggulangi dispersi dan noise, teknik modulasi, dan level noise.

Untuk menunjang kinerjanya, model tersebut harus bisa mengukur pada sistem yang sebenarnya dimana parameter-parameter komponen dapat berubah-ubah. Seluruh komponen-komponen tidak akan bekerja pada nilai terburuk mereka, tetapi akan bekerja di daerah nilai rata-rata mereka sehingga perencanaan dengan nilai terburuk akan mempengaruhi perencanaan. Para insinyur dapat menghemat ongkos pada peralatan transmisi dengan mendesain penambahan daya beberapa persen menurut waktunya. Dengan metode ini repeater pada hubungan jarak jauh dapat ditingkatkan diatas nilai terburuk, meskipun dapat mengurangi margin sistem dimana beberapa repeater mengalami kegagalan. Pendekatan ini disebut desain secara statistik.

Gambar blok diagram simulasi komputer terdapat pada gambar 8-21. Input untuk sumber optik dipilih seperti kode output pada pseudorandom data generator. Datanya adalah biner sequence random dengan panjang word yang mencukupi untuk efek individual maupun kombinasi. Contoh perhitungan

M bits : jumlah kombinasi yang dimungkinkan pada pola bit input

M è panjang memori pada sistem.

Panjang maksimal sequence pseudorandom dari N=2 berisi seluruh kombinasi dari panjang M. Untuk melakukan karakteristik grup delay atau efek dispersif pada fiber single moda dan filter setempat sekuensial bit 64-1024 (M=6 s/d 10) mencukupi.

Pengkodean jalur dapat digunakan untuk meminimalkan jarak sequence 1 dan 0, dan untuk membentuk densitas spektral dari bentuk gelombang yang ditransmisikan, sekaligus menyederhanakan sirkuit pengirim dan penerima. Output sumber dikopel oleh komponen optik seperti konektor, kepler, atau filter.

Karakteristik yang penting dari pengirim adalah spektrum optik dan bentuk gelombang output.

Pada blok selanjutnya, dispersi dan kerugian karakteristik dari fiber mempengaruhi sinyal fiber dapat dibentuk menjadi domain daya optik atau domain medan optik. Model pertama diasumsikan bahwa fiber merupakan sistem linier pada domain daya optik. Asumsi ini valid dengan range dari input bit rata-rata dan panjang fiber sistem deteksi langsung. Model domain daya menjadi tidak akurat pada saat lebar sumber spektral bila dibandingkan dengan bandwith sinyal modulasi. Pada model domain medan optik, fiber dideskripsikan sebagai bandpass filter dengan amplitudo yang lurus dan linier group delay melewati bandwith sinyal modulasi base band.

Pada penerima terdapat cermin dari komponen optik yang terdapat pada transmitter.

Posted in: Sistem Komunikasi Serat Optik