TRANSMISJA KOHERENTNA WYKŁAD 16 SMK Na podtawie: J. Siuzdak, Wtęp do telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, W-wa 1999 Sytemy koherentne ytemy wykorzytujące w tranmiji światłowodowej światło koherentne oraz pecyficzny poób odbioru (detekcji) ygnału wychodzącego ze światłowodu. 1. Zaady pracy ytemu koherentnego. Światło pochodzące z pp laera nadawczego o bardzo wąkiej zerokości linii widmowej modulowane jet przez modulator zewnętrzny terowany trumieniem danych i kierowane do światłowodu. Może być AM, PM lub FM (modulacja ygnału optycznego, a nie jego obwiedni). Po przebyciu żądanej odległości tranmitowany ygnał dochodzi do układu odbiorczego: w przęgaczu światłowodowym do odbiorczego ygnału dodawany jet ygnał świetlny z lokalnego laera pp (heterodyny optycznej). Superpozycja tych dwóch ygnałów zamieniana jet na ygnał elektryczny w odbiorczej fotodiodzie. Dalza obróbka dokonywana jet elektrycznie. Sytemy z detekcja bezpośrednią wykorzytują jedynie modulację amplitudową (czy ygnał jet, czy go nie ma), nie czynią użytku z zależności fazowych i czętotliwościowych fali świetlnej. W przypadku ytemów koherentnych detekcji w fotoodbiorniku podlega uma ygnału odbieranego i ygnału z lokalnego laerowego generatora. Fotoprąd w fotodiodzie: 1
I = R * P = R* E, R czuloc fotodiody Natężenie pola elektrycznego ygnału i laera lokalnego: E = P co( ω t + φ ) E = I = R[ P P co( ω t + φ ) + P + P P S co[( ω ω ) t + φ φ ] Pierwzy człon w otatnim wzorze tały prąd proporcjonalny do mocy laera lokalnego, drugi człon jet pomijalny (P >>P S ), trzeci ygnał użyteczny zawierający wzytkie informacje o amplitudzie, czętotliwości i fazie odbieranego ygnału. Jeżeli różnica między pulacjami w trzecim kładniku jet tabilna i mieści ię w zakreie czętotliwości elektrycznych, to widmo ygnału użytecznego przechodzi w zakre czętotliwości elektrycznych. Przez zwiękzenie mocy laera lokalnego wartość członu ygnałowego może być dowolnie duża, jednak nie prowadzi to do nieograniczonego wzrotu SNR, bo wzrot P prowadzi do zwiękzenia mocy zumu śrutowego. I RP i = qib = qrp B; SNR = = i qb Wielkość ta jet o 5 db więkza dla ytemów koherentnych niż dla niekoherentnych (o podobnej zybkości tranmiji). Sytemy koherentne ą, zatem znacznie czulze (do oiągnięcia określonych parametrów tranmiji w ytemie koherentnym potrzebna jet znacznie mniejza moc pociąga to za obą zwiękzenie odcinka między regeneratorami ok. 00 km przy zybkości tranmiji n GBit/). Dodatkową poprawę czułości można uzykać toując inne rodzaje modulacji ygnału (np. fazy), co w ytemach z detekcją bezpośrednią było niemożliwe. Kolejna zaleta ytemów koherentnych łatwa korekcja charakterytyki dyperyjnej światłowodu na drodze elektrycznej. Zależność zybkości tranmiji w światłowodzie od czętotliwości można kompenować toując odpowiedni filtr mikrofalowy, bądź linię opóźniającą. Dzięki przeunięciu widma ygnału do czętotliwości elektrycznych uzykuje ię dużą poprawę elektywności odbiornika. Wada ytemów koherentnych: konieczność pełnienia otrych wymagań dotyczących zerokości linii widmowych laerów przez nadajniki i odbiorniki, ich wzajemnej tabilizacji, jednakowej polaryzacji ygnałów z podziałem czętotliwości FDM.
. Problemy kontrukcji ytemów koherentnych. a). Dopaowanie polaryzacji Aby fala świetlna nioąca ygnał użyteczny i pochodząca z laera odbiorczego mogły ze obą interferować (detekcja koherentna) obie fale muzą mieć jednakową polaryzację. W światłowodach jednodomowych mogą rozchodzić ię dwa mody o ortogonalnych polaryzacjach. Między tymi modami dochodzi do przężenia (naprężenia wewnętrzne światłowodu, zmiana ciśnienia i temperatury, drgania mechaniczne). Wielkość przężenia ulega powolnym zmianom w czaie; tan polaryzacji ygnału ulega przypadkowym zmianom w czaie. Jeżeli polaryzacja światła z laera odbiorczego jet tała, to poziom mocy ygnału w odbiorniku zależy od różnicy między dwoma polaryzacjami. Gdy kąt pomiędzy wektorami chwilowych natężeń pól laera lokalnego i ygnału wynoi Φ, to moc ygnału użytecznego co Φ. Zależność ygnału odbieranego od tanu polaryzacji jet niedopuzczalna, uniemożliwia poprawne działanie odbiornika. - użycie światłowodów utrzymujących polaryzację tzn. światłowodów, w których celowo wprowadzono dużą dwójłomność tak, aby wpółczynniki propagacji fal o polaryzacjach ortogonalnych znacznie ię różniły (obzary wewnątrz światłowodu wnozące ukierunkowane naprężenia zwiękzające jego dwójłomność). Zaadniczy parametr takiego światłowodu przełuch polaryzacyjny: Py Pp = 10log10 = 10log10 th( h) Px h wpółczynnik przężenia modowego, długość światłowodu, P x, P y moce modów wzbudzonego i wprowadzonego. Wada nieco więkze tłumienie i wyżza cena, nie można zatoować tego rozwiązania w już itniejących liniach światłowodowych. - kramblowanie (okreowe przełączanie) polaryzacji polega na wielokrotnej zmianie tanu polaryzacji nadawanego ygnału w okreie trwania każdego bitu: Światło z laera nadawczego modulowane jet amplitudowo z prędkością 0 MBit/ za pomocą zewnętrznego modulatora (Macha-Zehndera). Zmodulowany ygnał wprowadza ię do układu przełączającego polaryzację (kramblera, 80 MHz). W trakcie trwania każdego bitu polaryzacja jet przełączana 4-krotnie między kładowymi ortogonalnymi. Wada komplikacja układu nadajnika i trata połowy mocy nadawanej; zybkość przełączania polaryzacji mui przekraczać zybkość tranmiji. Skramblowanie polaryzacji 3
nadaje ię do tounkowo wolnej tranmiji. Zaleta prota truktura odbiornika (nie wymaga kontroli polaryzacji). Nadaje ię do ytemów roziewczych (ytemy, w których ygnały pochodzące z jednego lub niewielkiej liczby nadajników ą rozprowadzane wśród wielkiej liczby odbiorników). - kontrola polaryzacji laera odbiorczego można kontruować układ zmieniający tan polaryzacji laera odbiorczego w takt zmian polaryzacji ygnału tak, aby obydwie te polaryzacje były jednakowe. Mikroproceor teruje kontrolerem polaryzacji tak, aby otrzymać makimum ygnału z detektora mocy. Kontrolery polaryzacji wymagają kilku ygnałów terujących, wprowadzają kontrolowaną dwójłomność do ośrodka, przez który przechodzi światło. Wada duża komplikacja układowa. - odbiór rozprozony polariation diverity polega na tym, że każda z dwóch ortogonalnych kładowych polaryzacji ygnału odbieranego detekowana jet oobno, a złożenie całego ygnału z dwóch kładowych odbywa ię na drodze elektrycznej. Polaryzacje obydwu ygnałów ą rozdzielane w ten poób, że każda para fotodiod odbiera ygnały o jednakowych polaryzacjach, które ą ortogonalne dla różnych par. Sygnały pochodzące od każdej z par fotodiod ą demodulowane i dodawane przed komparacją. 4
Straty w porównaniu do przypadku dopaowania polaryzacji ą zależne od tounku podziału mocy ygnału, α, między obydwie gałęzie. Najwiękzą wartość traty przyjmują dla α równego 0 lub 1, czyli gdy cały ygnał wejściowy jet tylko w jednej gałęzi. b). Stabilizacja linii widmowych laerów pp. Aby umożliwić detekcję koherentną, różnica czętotliwości między laerem nadawczym, a heterodyną optyczną mui być tabilna i mieścić ię w zakreie pama elektrycznego odbiornika. Długość emitowanej przez laer fali ulega zmianom wraz z temperaturą (typowo 0.1-1 nm/k) i prądem (typowo 0.01-0.1 nm/ma). Zmiany te ą powodowane zależnością wpółczynnika załamania rezonatora od temperatury i koncentracji nośników). Schodkowy charakter zależności wynika ze zjawika przekakiwania między modami (mode hopping). Aby utrzymać tabilną długość fali laerów nadawczego i odbiorczego precyzyjna tabilizacja ich temperatur i prądów (układy przężenia zwrotnego z użyciem np. termitora jako czujnika temperatury i elementu Peltier jako jej regulatora). aer pp wraz z czujnikiem temperatury, którego napięcie wyjściowe zależy od temperatury laera ą umiezczone w jednej obudowie oddzielonej od radiatora elementem Peltier. W tanie równowagi (temperatura laera równa jet żądanej temperaturze) ygnał wyjściowy ze wzmacniacza różnicowego jet zerowy i integrator utrzymuje kierunek i wartość prądu płynącego przez element Peltier. Wzelkie odchyłki od żądanej temperatury 5
powodują powtanie napięcia niezrównoważenia terującego integrator. Uzykuje ię tabilizację 0.01 K. Stabilizacja czętotliwości laera w zakreie ±10 MHz wymaga tabilizacji prądu z dokładnością kilku µa. Sygnał elektryczny z fotodiody o czętotliwości równej różnicy między czętotliwościami obydwu laerów ulega wzmocnieniu, a natępnie dochodzi do cyfrowego dzielnika i detektora czętotliwości. Sygnał wyjściowy detektora czętotliwości (proporcjonalny do chwilowej czętotliwości różnicowej) jet porównywany z ygnałem odnieienia odpowiadającym żądanej czętotliwości różnicowej. Jeśli wytąpi zmiana czętotliwości różnicowej, zmianie też ulega prąd tały laera, który kompenuje zmianę czętotliwości. 3. Rodzaje modulacji i detekcji Ze względu na zależność czętotliwości generowanego przez laer promieniowania od wartości prądu, jedyną możliwą do oiągnięcia bezpośrednią modulacją laera jet modulacja czętotliwości oiągana przez niewielką modulacje prądu. Pozotałe rodzaje modulacji oiągane ą przez modulatory zewnętrzne (elektrooptyczne). Z uwagi na możliwość odbić 6
wtecznych, promieniowanie laera wprowadzane jet do światłowodu przez izolatory optyczne Faraday a. Odbiór promieniowania świetlnego może być homodynowy, gdy różnica czętotliwości między laerem lokalnym, a nadajnikiem jet zerowa i ą one fazowane lub heterodynowy, kiedy obydwa laery emitują falę różniącą ię o określoną wielkość czętotliwość pośrednią (IF). a). Modulacja amplitudy ASK i odbiornik z detekcją obwiedni: Schemat blokowy odbiornika heterodynowego ASK z detekcją obwiedni Po tranmiji w światłowodzie i zmiezaniu w fotodetektorze ze światłem pochodzącym z laera lokalnego, powtały ygnał elektryczny przechodzi przez filtr pośredniej czętotliwości, a natępnie detekowana jet jego obwiednia. Dolnoprzeputowy filtr wyjściowy łuży do filtracji wyżzych harmonicznych. Elementowa topa błędów: P 1 exp( SNR e = ) 4 b). Modulacja czętotliwości FSK (o dużej dewiacji): Konfiguracja odbiornika FSK z dwoma filtrami Sygnał wejściowy jet filtrowany przez dwa filtry pośredniej czętotliwości, z których każdy dotrojony jet do czętotliwości f o (górny) lub f 1 (dolny) odpowiadającej ymbolowi 0 lub 1. Przefiltrowane ygnały poddawane ą detekcji obwiedni, a wartości ygnałów na wyjściu detektorów ą od iebie odejmowane. Na podtawie znaku ygnału na wyjściu układu różnicowego podejmowana jet decyzja dotycząca nadanego ymbolu. Elementowa topa błędów: P 1 exp( SNR e = ). 7
c). Modulacja CPFSK (przepływności 1 Gbit/) Modulację czętotliwości można toować przy małej dewiacji, kiedy widma ygnałów odpowiadających różnym ymbolom pokrywają ię. Wymaga to modulacji z ciągłą fazą: Schemat blokowy odbiornika ygnału CPFSK z demodulatorem z linią opóźniającą. 1 Elementowa topa błędów: P e = exp( SNR). d). Różnicowa modulacja fazy DPSK konfiguracja odbiornika taka ama jak dla CPFSK tylko z innym czaem opóźnienia w demodulatorze = czaowi trwania jednego bitu T. 1 Elementowa topa błędów: P e = exp( SNR) Powyżze odbiorniki toują tzw. demodulację aynchroniczną. Przy takiej demodulacji w odbiorniku nie jet odtwarzana pośrednia czętotliwość odbieranego ygnału. Itnieje również demodulacja ynchroniczna, przy której czętotliwość pośrednia jet odtwarzana i wykorzytywana natępnie do detekcji ygnału. Ten poób demodulacji zapewnia więkzą czułość odbioru (0.4 db), jet rzadziej toowany komplikacja układowa. Czułość różnych rodzajów demodulacji (SNR wymagany do oiągnięcia BER=10-9 ) Sytemy detekcji heterodynowej ą znacznie łatwiejze do zatoowania w porównaniu z homodynowymi, ale pamo przeputowe jet razy > niż w homodynowych. Ponadto wymagają one obróbki elektrycznej ygnału na wyżzych czętotliwościach. 8
d). Struktury odbiorników z rozprozonym odbiorem fazowym: 4. Skończona zerokość linii widmowych laerów Światło emitowane przez laery pp charakteryzuje ię tounkowo dużą zerokością linii widmowej, która w układzie elektrycznym przejawia ię w potaci zumu fazowego (emija pontaniczna fotonów). Wkutek zumów fazowych typowy laer jednodomowy DFB na długość fali 1.55 µm ma zerokość linii widmowej 10-100 MHz. Niezerowa zerokość linii widmowej generuje zmiany widma zmodulowanego ygnału w porównaniu z idealnym przypadkiem widma o bardzo małej zerokości. Jeśli widmo ygnału (ASK) modulującego jet M(f), a widmo laera S(f) to wypadkowe widmo: W(f)=S(f)*M(f) Wypadkowa zerokość widma ygnału rośnie ze wzrotem zerokości widmowej laera. W przypadku detekcji heterodynowej wymaga to zwiękzenia pama przeputowego filtru pośredniej czętotliwości = zwiękzenia mocy przepuzczanych przez ten filtr zumów. Aby traty SNR powodowane wzrotem zerokości pama były < 1 db, pełniony mui być warunek: ν FWHM T < 0.18 Jeżeli wkutek zumu fazowego ygnał znajdzie ię poza pamem przeputowym filtru pośredniej czętotliwości, powoduje to błąd w odbiorze. 9
Część mocy ygnału znajdująca ię poza pamem przeputowym nie zależy od SNR. Przyczyna zum fazowy odbieranego ygnału przenoi ię na fluktuację jego czętotliwości. Zjawiko to trzeba eliminować. Zjawiko zumów fazowych jet jezcze bardziej krytyczne dla innych rodzajów modulacji. Wprowadza to określone ograniczenia na umaryczną zerokość linii widmowych laerów w tounku do zybkości tranmiji: - detekcja homodynowa (PSK): ν T < 10 4 FWHM - różnicowa modulacja fazy (DPSK) i modulacja czętotliwości z ciągłą fazą (CPFSK): 3 ν T < 3 10 FWHM - modulacja czętotliwości (FSK) i amplitudy (ASK) z detekcją obwiedni: ν T < 10 1 FWHM W prawidłowo zaprojektowanym ytemie zwiękzenie SNR towarzyzy zawze zmniejzenie BER. Jeżeli powyżze wymagania nie ą pełnione, wówcza powyżej pewnej wartości SNR zwiękzaniu SNR nie towarzyzy malenie BER (ry. 10.0). Aby uzykać znacznie wężze linie widmowe touje ię laery pp z zewnętrznym rezonatorem: 5. Trendy w rozwoju telekomunikacji koherentnej - badania nad światłowodowymi liniami telekomunikacyjnymi o bardzo dużych przepływnościach i długich odcinkach międzyregeneratorowych, - rozwijanie ieci lokalnych AN i ytemów roziewczych pracujących ze zwielokrotnieniem FDM, - tworzenie optyczno-elektronicznego układu calonego umożliwiającego odbiór rozprozony (polaryzacyjny i fazowy), - rozwiązanie problemu tabilizacji emiji wielu ygnałów optycznych w niewielkich odtępach czętotliwościowych do realizacji ytemów ze zwielokrotnianiem FDM, - kontrukcja jednodomowego laera o wąkiej linii widmowej i zerokim zakreie przetrajania. 10