SAOBRAĆAJNI FAKULTET U BEOGRADU

PREDMET:

Optički komunikacioni sistemi

Modulacije u optičkim sistemima

Srđan Jakovljević 080008

Bojan Bogosavljević 2002-1-012

B e o g r a d, 2 0 1 2.

2

SADRŽAJ:

1. UVOD ........................................................................................................................................................ 4

2. MODULACIJA ............................................................................................................................................ 4

2.1. ASK modulacija .................................................................................................................................. 5

2.2. PSK modulacija .................................................................................................................................. 6

2.3. FSK modulacija .................................................................................................................................. 6

3. KOHERENTNI OPTIČKI SISTEMI................................................................................................................. 9

3.1. Osobine koherentnih sistema ......................................................................................................... 10

4. EKSPERIMENTI VEZANI ZA PRIMENU KOHERENTNIH OPTIČKIH SISTEMA ............................................. 11

4.1. Asinhroni heterodinski sistemi........................................................................................................ 11

4.2. Sinhroni heterodinski sistemi.......................................................................................................... 11

4.3. Homodinski sistemi ......................................................................................................................... 12

5. DEMODULACIJA...................................................................................................................................... 12

ZAKLJUČAK.................................................................................................................................................. 15

LITERATURA................................................................................................................................................ 16

3

REZIME: U ovom radu će biti prikazane osnovne modulacije koje se koriste u optičkim sistemima, njihove prednosti i mane, kao i eksperimentalni rezultati koji detaljnije opisuju date tvrdnje. Akcenat će biti stavljen na koherentne optičke sisteme i sisteme sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom. ABSTRACT: This paper will demonstrate the modulation used in optical systems, their advantages and disadvantages, as well as experimental results that detailed describe the given statements. Emphasis will be placed on coherent optical systems. KLJUČNE REČI: optički sistemi, koherentni optički sistemi, ASK, PSK, FSK, modulacija, demodulacija KEY WORDS: optical systems, coherent optical systems, ASK(Amplitude Shift Keying), PSK(Phase Shift Keying), FSK(Frequency Shift Keying), modulation, demodulation

4

1. UVOD Optički telekomunikacioni sistemi postaju sve popularniji zbog velikog kapaciteta optičkog vlakna kao prenosnog medijuma. Oni se mogu konstruisati kao sistemi sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom (IM-DD), ili koherentni optički telekomunikacioni sistemi. Kod IM-DD sistema optički signal se intenzitetski moduliše korisnim signalom, a u prijemniku optički signal direktno pada na fotodiodu. Ovi sistemi se koriste za velike kapacitete (veće od nekoliko desetina Gb/s) i velika rastojanja (od preko 15000km). Kod koherentnih optičkih telekomunikacionih sistema prijemnik sadrži lokalni laser u sklopu fazne petlje. Kod ovih sistema signal može da bude amplitudno, frekventno ili fazno modulisan, a mogu se iskoristiti i polarizacione pojave za modulaciju korisnog signala. Više faktora negativno utiče na kvalitet prenosa, a jedan od najznačajnijih su svakako smetnje. Smetnje kod IM-DD sistema mogu se pojaviti u optičkom predajniku, optičkom vlaknu i optičkom prijemniku i njihovi uzroci su različiti. U optičkom predajniku pojavljuju se razne vrste šumova i interferencija. Jedan od šumova koji se javlja je aditivni šum lasera koji ima Gausovu gustinu verovatnoće. Laser može biti i uzrok i faznog šuma koji predstavlja najznačajniju smetnju kod koherentnih optičkih telekomunikacionih sistema. Obe ove vrste šumova nastaju zbog spontane emisije laserskog zračenja. Na krajevima fotodiode u prijemniku optičkih telekomunikacionih IM-DD sistema pojavljuje se kvantni šum. Amplitudne vrednosti kvantnog šuma mogu se pod određenim uslovima aproksimirati i Gausovim slučajnim procesom. Varijansa slučajnog procesa kvantnog šuma u ovom slučaju srazmerna je intenzitetu svetlosti. Značajne smetnje kod IM-DD sistema su termički šumovi koji se pojavljuju na otpornicima u prijemniku. Šumovi se takođe javljaju na ulazu u prijemnik. Analize su pokazale da ovaj šum ima Gausovu gustinu raspodele verovatnoće. Uticaj smetnji koje se javljaju na ulazu u sistem razmatran tako što je uslovna gustina verovatnoće usrednjavana po odgovarajućim parametrima [3]. 2. MODULACIJA Da bi se prenele informacije putem optičkog komunikacionog sistema potrebno je da se moduliše neka osobina svetlosti informacionim signalom. Ova osobina može biti intenzitet, frekvencija, faza ili polarizacija, bilo digitalnog ili analognog signala. Izbori su označeni karakteristikama optičkih vlakana, raspoloživim izvorima i optičkih detektora, kao i performansama celokupnog sistema. Međutim, u ovom trenutku u optičkim komunikacionim sistemima se javlja tendencija ka nekoj vrsti modulacije intenziteta optičkih izvora, kada govorimo o praktičnim sistemima. Iako je mnogo napora utrošeno, i značajan uspeh je postignut u oblasti koherentnih optičkih komunikacija, za široku primenu ovakvih sistema biće potrebno još vremena. Zbog toga intenzintetska modulacija optičkog izvora i anvelope i direktne detekcije na optičkom prijemniku verovatno će ostati glavna modulaciona strategija u budućnosti. Ovakva modulacija se može lako implementirati zajedno sa optičkim izvorima koji se trenutno primenjuju (LED i LASER-i). Ovi uređaji mogu biti direktno modulisani jednostavnim varijacijama svojih izvornih struja po stopama od nekoliko GHz. Ovakva direktna modulacija optičkog izvora je zadovoljavajuća za mnoge opsege modulacija koji su trenutno u upotrebi. Međutim, postoji veće interesovanje za uređajima sa integrisanim fotonima gde se koriste spoljni optički modulatori u cilju postizanja većeg propusnog opsega, kao i zbog korišćenja optičkih pojačavača i nekih drugih vrsta lasera (npr. IAG laser) koji ne može biti direktno modulisan na visokim frekvencijama [1].

5

Spoljni optički modulatori su aktivni uređaji koji mogu prvenstveno da se koriste da modulišu ili frekvenciju ili fazu svetlosti, ali se mogu koristiti i za vremensko multipleksiranje signala. Intenzitetska modulacija se može koristiti i kod digitalnih i kod analognih signala. Analognu intenzitetsku modulaciju je obično lakše primeniti, ali mana je to što ona zahteva relativno veliki odnos signal-šum i stoga teži da bude ograničena na relativno uzak propusni opseg pa se može primeniti na relativno kratke distance. Digitalna intenzitetska modulacija daje bolju otpornost na šum, ali zahteva šire propusne opsege. Zato je za idealan prenos optičkim vlaknima neophodno da propusni opseg bude veliki. Zbog toga se u ovom trenutku, za prenos na srednjim ili velikim distancama najviše koristi digitalna intenzitetska modulacija. 2.1. ASK modulacija Značajna prednost korišćenja tehnika koherentne detekcije je da se i amplituda i faza dobijenog optičkog signala može detektovati i izmeriti. To otvara mogućnost slanja informacija modulišući amplitudu, ili fazu, ili frekvenciju optičkog nosača, tako da imamo amplitudsku, faznu i frekvencijsku modulaciju. Električno polje povezano sa optičkim signalom se može napisati kao Es(t) = As(t)cos[ωot+φs(t)]. Kod ASK, amplituda As je modulisana dok su ω i φs konstanti. Za binarne digitalne modulacije, amplituda uzima jednu od dve fiksne vrednosti u zavisnosti da li se prenosi 1 ili 0. Najpraktičnija situacija je kada je podešen na nulu tokom prenosa 0 bita. To je onda on-off AM i identična je sa modulacionim šemama koje se obično koriste za nekoherentne digitalne sisteme. AM kod koherentnih sistema se razlikuje od sistema direktne detekcije (optički niz bita može biti generisan direktno LED diodama ili poluprovodničkim laserom) po tome što je spoljna modulacija neophodna. Razlog iza ove potrebe je povezan sa promenama faze koje se javljaju kada se amplituda menja modulisanjem struje primenjene na poluprovodničkom laseru. Za IM/DD sisteme ovakve nenamerne promene faze se ne vide od strane detektora (pošto detektor reaguje samo na optičku snagu) i nisu od velikog značaja. Situacija je potpuno drugačija u slučaju koherentnih sistema, gde odgovor detektora zavisi od faze primljenog signala. I za primenu AM koherentni sistemi zahtevaju da faza ostane skoro konstantna. To se postiže tako što je poluprovodnički laser stalno na konstantnoj struji a izlaz se moduliše pomoću eksternog modulatora. Pošto svi spoljni modulatori imaju neke umetnute gubitke, svaki put kada se koriste dolazi do pada snage, koji se može svesti na ispod 1 dB za monolitske integrisane modulatore. Najčešće korišćeni eksterni modulator koristi LiNbO3 talasovode u Mach-Zehnder (MZ) konfiguraciji. Učinak spoljnih modulatora se računa preko on-off odnosa (takođe naziva odnos gašenja) i propusnog opsega modulacije. Modulatori sa elektro apsorpcijom, napravljeni korišćenjem poluprovodnika, često dobijaju prednost jer ne zahtevaju upotrebu interferometra i mogu se monolitski integrisati sa laserom [2].

6

2.2. PSK modulacija Kod fazne modulacije niz optičkih bitova se generiše modulacijom faze u jednačini Es(t) = As(t)cos[ω0t +φs(t)] dok amplituda i frekvencija optičkog nosača su konstantne. Za binarni PSK, faza φs uzima dve vrednosti, obično se uzimaju 0 i π .Interesanto je kod PSK da optički intenzitet ostaje konstantan tokom svih bita i signal izgleda kao da ima CW formu. Koherentna detekcija je neophodna za PM pošto bi sve informacije bile izgubljene kada bi optički signal bio direktno detektovan bez mešanja sa izlazom lokalnog oscilatora. PSK zahteva eksterni modulator sposoban da menja optičku fazu kao odgovor na primenjen napon. Fizički mehanizam korišćen od strane tih modulatora se zove elektro prelamanje. Svaki elektro-optički kristal sa odgovarajućom orijentacijom se može koristiti za faznu modulaciju. LiNbO3 kristal se najčešće koristi u praksi, dizajn faznih modulatora na bazi LiNbO3 je mnogo jednostavniji nego kod amplitudskih modulatora pošto Mach-Zehnder interferometar više nije potreban I može se koristiti jedan talasovod. Promena faze δφ koja se dešava dok CW signal prolazi kroz talasovod je povezana sa promenom indeksa δn jednostavnom relacijom δ φ = (2π/λ)(δn)lm gde je lm dužina preko koje je promena indeksa izazvana primenjenim naponom. Promena Indeksa je proporcionalna primenjenom naponu, koji se bira tako da δφ=π . Dakle, fazni pomeraj od π se može nametnuti na optički nosioc primenom potrebnog napona za vreme trajanja svakog bita "1". Upotreba PSK zahteva da faza optičkog nosioca ostane stabilna tako da fazne informacije mogu se izdvojiti na prijemniku bez nejasnoća. Ovaj zahtev postavlja stroge uslove o prihvatljivim širinama lasera i lokalnog oscilatora. Ovaj uslov može biti pomalo opušten pomoću diferencijalnog PSK. U slučaju DPSK, informacija je kodirana pomoću fazne razlike između dva susedna bita. Na primer, ako je φk predstavlja fazu k-tog bita, fazna razlika ∆φ = φk-φk-1 se menja za π ili 0, u zavisnosti da li je k-ti bit 1 ili 0. Prednost DPSK je da prenosni signal može uspešno da se demoduliše sve dok faza nosioca ostaje relativno stabilna u trajanju od dva bita [2]. 2.3. FSK modulacija U slučaju FSK, informacija je kodirana na optičkom nosiocu pomeranjem frekvencije nosioca. Za binarni digitalni signal, ω0 uzima dve vrednosti, ω0+∆ω i ω0-∆ω, u zavisnosti da li 1 ili 0 bit se emituje. Pomeraj ∆f = ∆ω/2π se zove devijacija frekvencije. Količina 2∆f se ponekad naziva razmak signala, jer to predstavlja frekvencijski razmak između 1 i 0. bitova. Optičko polje za FSk format se može napisati kao: Es(t) = As cos[(ω0 ±∆ω)t +φs], gde + i - znaci odgovaraju 1 i 0 bitima. Konstatujući da argument kosinusa može biti napisan kao ω0t + (φs ± ∆ωt), FSK se može posmatrati kao neka vrsta PSK modulacije kada se nosioc faze linearno povećava ili smanjuje tokom trajanja bita. Izbor frekvencije devijacije ∆f zavisi od raspoloživog propusnog opsega. Ukupan

propusni opseg FSK signala je približno 2∆f+2B, gde je B brzina protoka]. Kada je ∆f≫B

propusni opseg se približava 2∆f i je skoro nezavisna od brzine protoka. Ovaj slučaj se često

pominje kao široka devijacija ili Širokopojasni FSK. U suprotnom slučaju ∆f≪B, nazvanom uska-

devijacija ili uskopojasni FSK, propusni opseg prilazi 2B.Odnos βFM=∆f/B, nazvan indeks

7

frekvencijske modulacija, služi da razlikujemo dva slučaja, u zavisnosti od toga da li je βFM≫1 ili

βFM ≪1 Implementacija FSK zahteva modulatore sposobne da pomeraju frekvenciju upadnog

optičkog signala. Elektro-materijali poput optičkih LiNbO3 normalno proizvode fazni pomeraj proporcionalan primenjenom naponu. Oni se mogu koristiti za FM primenom trouglastog naponskog impulsa, pošto linearna promena faza odgovara promeni frekvencije. Najjednostavniji metod za generisanje FM signala je direktna modulacija pomoću poluprovodničkih lasera. Promena struje poluprovodničkih lasera dovodi do promena amplitude i frekvencija emitovane svetlosti. U slučaju AM pomeraj frekvencije emitovanog optičkog impulsa je nepoželjan. Ali isti frekvencijski pomeraj može da se koristi za prednost u svrhu FM. Tipične vrednosti promene frekvencije su 1 GHz / mA. Dakle, samo mala promena u operativnoj struji (~ 1 mA) je potrebna za generisanje FM signala. Takve promene struje su dovoljno male da se amplituda ne menja mnogo od bita do bita. Nekoliko tehnika se može koristiti za učine FM odziv ujednačenijim. Ujednačavanje kola poboljšava uniformnost, ali i smanjuje efikasnost modulacije. Kada se FSK obavlja preko direktne modulacija, nosilac faza varira neprekidno od bita do bita. Ovaj slučaj se često pominje kao FM sa kontinualnom fazom-(CPFSK). Kada je razmak signala 2∆f izabran da bude B/2 (βFM=1/2), CPFSK se takođe zove minimalna digitalna modulacija (MSK) [2]. Slika 1 pokazuje kako izgleda jedna sekvenca bita nakon izvršene modulacije.

8

Slika 1: Sekvenca bita nakon izvršene modulacije

9

3. KOHERENTNI OPTIČKI SISTEMI Bez obzira na dosadašnju nesumnjivu dominaciju u praktičnoj primeni optičkih telekomunikacionih sistema sa intezitetskom modulacijom i direktnom detekcijom (IMDD - Intensity Modulation/Direct Detection) nad koherentnim optičkim telekomunikacionim sistemima, pre svega zbog manje složenosti prijemnika, poglavlja posvećena koherentnim optičkim telekomunikacionim sistemima su nezaobilazni delovi mnogih univerzitetskih udžbenika. Takođe, zbog svoje superirornosti u performansama nad IMDD sistemima (zahtevani nivo signala na ulazu prijemnika koherentnog sistema je za oko 20 dB niži nego kod prijemnika sa intezitetskom modulacijom i direktnom detekcijom), ovi sistemi su predmet velikog broja naučnih istraživanja. Jedna od nezaobilaznih smetnji, koja se javlja u koherentnim optičkim sistemima i utiče na njihove performanse, predstavlja laserski fazni šum, koji je posledica spontane emisije svetlosti u laserima na predaji i prijemu, pa se zbog toga ova smetnja matematički modeluje pomoću slučajne promenljive faze optičkog signala, pri čemu trenutne vrednosti ove faze imaju Gaussovu funkciju gustine raspodele verovatnoće nulte srednje vrednosti i određene varijanse. Na slici 2 je prikazana šema koherentne detekcije.

Slika 2: Koherentna detekcija

Još jedan negativni efekat je promenljiva amplituda optičkog signala koji pobuđuje fotodetektor u prijemniku (intezitetski šum). Promene amplitude mogu biti posledica više efekata: pre svega, javlja se tkzv. intezitetski šum lasera, tj. izračena snaga lasera nije konstantna, već se menja u ospegu od -150 dBm/Hz do -130 dBm/Hz; zatim, promene faze optičkog signala mogu se konvertovati u promene inteziteta svetlosti ; takođe, na konektorima, pogotovo onima koji se nalaze na malom rastojanju od prijemnika, moguće je da nastanu parazitni modovi, koji u potpunosti ne "odu" u omotač pre nego što stignu do prijemnika. Optički detektori imaju relativno nisku gornju graničnu učestanost i reaguju na iradijansu, odnosno snagu signala čije je električno polje oblika E = A cos(ωt + φ ) gdje su A, ω, ф amplituda, učestanost i faza modulisnog signala. Od= RA2 (cos2( ωt + φ)) = RA2/2 , Od je odziv, a R osjetljivost detektora. Vidimo da zbog visoke učestanosti optičkog i niske gornje granične učestanosti detektora, direktnom demodulacijom možemo izvršiti detekciju samo AM signala. Prvenstveno iz ovog razloga potrebno je primjeniti posebne metode detekcije da bi i fazna i frekvencijska modulacija bile primjenjive. Kod heterodinske detekcije modulisani signal se meša sa signalom bliske

10

frekvencije koji potiče od lokalnog oscilatora (slika). Električno polje ovog signala je oblika

Odziv detektora kod heterodinske detekcije ima oblik Vidimo da odziv zavisi od amplitude, faze i frekvencije modulisanog signala, tako da bilo koji od ovih parametara može poslužiti za prenos informacije. Šematski prikaz heterodinskog prijemnika prikazan je na slici 3. Princip homodinske detekcije je sličan principu heterodinske, ali je učestanost lokalnog

oscilatora jednaka učestanosti nosioca. Odziv fotodetektora ima oblik

Vidimo da homodinskom detekcijom možemo detektovati AM i PM signale. Osim analogno modulisanih, koherentnom detekcijom možemo detektovati i digitalno modulisane signale, ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying) i PSK (phase shift keying).

Slika 3: Heterodinski prijemnik

3.1. Osobine koherentnih sistema Zaključili smo da se primenom homodinskih i heterodinskih detektora može višestruko povećati odnos signal-šum. Koherentna detekcija omogućava detektovanje vrlo slabih signala, nekoliko decibela jačih od kvantnog šuma fotodiode. Homodinska detekcija je teško izvodiva zbog obezbeđivanja istih parametara nosioca modulisanog signala i signala lokalnog oscilatora i vrlo se retko koristi. Heterodinska detekcija je primenjivija jer promenom frekvencije svetlosnog izvora možemo izabrati bilo koji kanal iz njegovog opsega biranja. Frekventna stabinost koherentnih detektora se postiže DFB (distributed feedback) laserima za ASK i FSK, gdje je najveća dozvoljena širina linije 20MHz i external cavity laserima za PSK, gdje je najveća dozvoljena širina linije 1MHz. Ovakva stabilnost omogućuje da kanali budu razdvojeni do 10GHz, što je veliki napredak u odnosu na sadašnje sisteme za multipleksiranje po talasnim dužinama kod kojih je razdvojenost kanala 150GHz. Koherentni sistemi su osetljivi na promenu polarizacije ulaznog signala. Na slici je prikazano jedno od rešenja tog problema. Svetlosni izvor prilagođava svoju polarizaciju prateći promene polarizacije modulisanog signala preko simetričnog prijemnika. Trenutno je komercijalna uptoreba koherentnih sistema zanemarljiva. Glavni razlog za to su mnogo jednostavniji i jevtiniji erbijumski pojačavači (EDFA) čijom je upotrebom, pri direktnoj detekciji, odnos signal-šum nekoliko decibela manji, što uklanja jednu od najvećih prednosti koherentne detekcije u odnosu na direktnu. Na slici 4 prikazana je šema koherentnog detektora sa simetričnim prijemnikom.

11

Slika 4: Koherentni detektor sa simetričnim prijemnikom

4. EKSPERIMENTI VEZANI ZA PRIMENU KOHERENTNIH OPTIČKIH SISTEMA Veliki broj eksperimenata je rađen 1980-ih godina, u cilju pokazivanja potencijala koherentnih optičkih sistema. Zapravo, njihov glavni cilj bio je da nam pokaže da su koherentni prijemnici dosta više osetljivi od IM/DD prijemnika. 4.1. Asinhroni heterodinski sistemi Ovi sistemi su privukli najviše pažnje za realizaciju u praksi, iz prostog razloga što su zahtevane performanse predajnika i lokalnog oscilatora nisu toliko zahtevne, tako da se mogu koristiti standardni DFB laseri. Eksperimenti koji su vršeni koristili su ASK, FSK i DPSK modulacije. Jedan eksperiment koji je rađen 1990. godine je pokazao osnovnu osetljivost (bez vlakna) od 175 fotona po bitu, uz protok od 4 Gb/s. Ova osetljivost je opala za samo 1dB kada je signal prenošen na razdaljinu od 160 km standardnim vlaknom (kada je D=17 ps/nm*km). Rezultati su bili isti kada je umesto ASK modulacije korišćena PSK. Kada je ovaj eksperiment rađen sa DPSK modulacijom, i pritom korišćen LiNbO3 fazni modulator rezultati su pokazali sledeće: osnovna osetljivost od 209 fotona po bitu uz protok od 4 Gb/s; slabljenje osetljivosti od 1.8 dB kada je signal prenošen vlaknom na 160 km. DPSK prijemnici su nastavili da privlače pažnju zbog njihove velike osetljivosti i lake implementacije, i pre svega, jer DPSK signal koji generiše prijemnik potiče od direktne modulacije DFB lasera [1]. 4.2. Sinhroni heterodinski sistemi Kao što je već rečeno, sinhroni heterodinski prijemnici su više osetljivi od asinhronih. Međutim, to sa sobom povlači i dosta težu implementaciju. Kako je osetljivost za ASK i FSK modulaciju najmanja, većina laboratorijskih eksperimenata je bila fokusirana na PSK modulaciju, za koju je osetljivost prijemnika samo 18 fotona po bitu. Najveći problem u ovakvim prijemnicima pravi takozvani fazni šum. Osetljivost može biti povećana do 235 fotona po bitu, ali sa smanjenim protokom od 2 Gb/s. Ova osetljivost i dalje nije toliko dobra kao kod asinhronih heterosinskih sistema.

12

4.3. Homodinski sistemi Homodinski sistemi, sa PSK modulacijom, nude najveću osetljivost prijemnika, koja iznosi samo 9 fotona po bitu. Implementacija ovakvih sistema zahteva korišćenje optičke fazno kontrolisane petlje (phase-locked loop). U eksperimentima koji su se radili, najčešće su bili korišćeni He-Ne laser ii poluprovodnički laseri. Osetljivost prijemnika je zavisila od bitskog protoka. Na relativno malim protocima (140 Mb/s), osetljivost prijemnika je bila 26 fotona po bitu na 1.52 µm i 25 fotona po bitu na 1.32 µm, pri tom su korišćeni He-Ne i Nd:YAG laseri, respektivno. Osetljivost PSK homodinskih sistema opada, kako se povećava bitski protok. Osetljivost od 46 fotona po bitu je pronađena na protoku od 1 Gb/s, uz korišćenje poluprovodničkog lasera, na 1.5 µm i prenosu signala na 209 km standardnim optičkim vlaknom. U drugom eksperimentu, protok je povećan na 4 Gb/s. Pri tom protoku, osnovna osetljivost je bila 72 fotona po bitu. Kada je signal prenošen na 167 km standardnim monomodnim vlaknom, osetljivost prijemnika je opala za samo 0.6 dB (83 fotona po bitu), a treba pomenuti da disperzija nije bila problem ni na protoku od 4 Gb/s. 5. DEMODULACIJA Za konvertovanje primljenog optičkog signala u električnu formu mogu da se koriste bilo homodinska ili heterodinska detekcija. U slučaju homodinske detekcije, optički signal je demodulisan direktno na opseg frekvencije. Iako jednostavna u konceptu, homodinsku detekciju je teško sprovesti u praksi, jer zahteva lokalni oscilator čija frekvencija odgovara frekvenciji nosioca i mora da bude u fazi sa dolaznim signalom. Takva šema demodulacije se zove sinhrona i ključna je za homodinsku detekciju. Iako su za ovu svrhu razvijene optički fazno zaključane petlje, njihova upotreba je komplikovana u praksi. Heterodinska detekcija pojednostavljuje dizajn prijemnika, pošto nije potrebno ni fazno ravnanje ni frekvencijsko podudaranje lokalnog oscilatora. Demodulacija može da se izvrši bilo sinhrono ili asinhrono. U literaturi o optičkoj komunikaciji, izraz koherentna detekcija se koristi u širem smislu. Optički sistem se zove koherentan onoliko dugo koliko koristi lokalni oscilator bez obzira na tehnike demodulacije korišćene za konvertovanje IF signal u osnovni opseg frekvencija. Heterodinska sinhrona demodulacija je prikazana na slici 5.

Slika 5: Heterodinska sinhrona demodulacija

13

Struja generisana na fotodiodi se propušta kroz filtar propusnik opsega (BPF) smeštenog u centralnoj frekvenciji ωif. Filtrirana struja u odsustvu šuma može da se napiše kao If (t) = Ip cos (ωift-φ) gde je Ip=2R√PSPLO a φ=φlo- φS je fazna je razlika između lokalnog oscilatora i signala. Šum se takođe filtrira od strane BPF. Upotrebom kvadraturnih komponenata (u fazi i van faze) filtriranog Gausovog šuma, šum prijemnika je prikazan kroz If (t) = ( Ipcosφ+ic)cos(ωIFt)+(Ipsinφ+is)sin(ωIFt) gde su ic i is Gausove slučajne promenljive srednje vrednosti 0 I sa varijansom σ2. Kod sinhrone demodulacije, If (t) množi se sa cos (ωIFt) i propušta kroz filtar niskih učestanosti. Rezultujući signal je Id = ½ (Ip cosφ+ic) Jednačina pokazuje da samo komponente šuma koje su u fazi utiču na performanse sinhronog heterodinskog prijemnika. Sinhrona demodulacija zahteva vraćanje nosioca na centralnu frekvenciju ωIf. Nekoliko elektronskih šema može se koristiti za tu svrhu, i sve zahtevaju neku vrstu električne fazno kontrolisane petlje. Dve najčešće korišćene petlje su kvadraturna i Kostasova petlja.

Slika 6: Heterodinska asinhrona demodulacija

Asinhroni heterodinski prijemnik ne zahteva vraćanje nosioca na centralnu frekvenciju, što dovodi do mnogo jednostavnijeg dizajna prijemnika. Filtrirani signal If(t) se konvertuje u osnovnom opsegu pomoću detektora anvelope, koga prati filtar propusnik niskih učestanosti. Signal koji je primilo kolo za odluku je Id = |If | Glavna razlika je da i fazne i van fazne kvadraturne komponente šuma prijemnika utiču na signal. Odnos signal/šum je tako degradiran u poređenju sa slučajem sinhrone demodulacije. Degradacija osetljivosti usled smanjenog SNR je veoma mala (oko 0,5 dB). Kako su zahtevi za faznom stabilnošću veoma skromni u slučaju asinhrone demodulacije, ova šema (Slika 6) se obično koristi za koherentne optičke sisteme. Prikazani asinhroni heterodinski prijemnik na slici zahteva izmene kada se koriste FSK i PSK formati modulacije.

14

Asinhrona demodulacija se ne može koristiti u slučaju PSK jer predajnik (laser) i lokalni oscilator nisu fazno kontrolisani i mogu odstupati sa vremenom. Međutim, upotreba DPSK formata dozvoljava asinhronu demodulaciju pomoću šeme kašnjenja prikazane na slici 7. Ideja je da se pomnoži dobijeni niz bitova replikom koja je odložena za jedan bitni period. Rezultujući signal ima komponentu cos (φk-φk-1), gde je φk faza k-tog bita, koja se može koristiti da povrati bitni obrazac pošto je informacija kodirana u faznoj razlici φk - φk -1. Takva šema zahteva faznu stabilnost i samo tokom nekoliko bitova i može se sprovesti korišćenjem DFB poluprovodničkih lasera. Šema demodulacije sa kašnjenjem se takođe može koristiti za CPFSK. Iznos kašnjenja u tom slučaju zavisi od razmaka signala i bira se tako da je faza odloženog signala pomerena za π.

Slika 7:Asinhrona demodulacija

15

ZAKLJUČAK U praktičnoj primeni, optički telekomunikacioni sistemi sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom (IM-DD - Intensity Modulation/Direct Detection) imaju prednost nad koherentnim optičkim telekomunikacionim sistemima, pre svega zbog manje složenosti prijemnika. Iako koherentni optički telekomunikacioni sistemimi imaju bolje performance, zahtevani nivo signala na ulazu prijemnika koherentnog sistema je za oko 20 dB niži nego kod prijemnika sa intezitetskom modulacijom i direktnom detekcijom, tako da će u bliskoj budućnosti ovakvi sistemi sigurno ostati primarno korišćeni što se tiče realnih sistema.

16

LITERATURA: [1] John M. Senior, assisted by M. Yousif Jamro “Optical Fiber Communications Principles and Practice,

Third Edition”, ISBN: 978-0-13-032681-2; Chapter 7: Optical sources 2: the light-emitting diode [2] Govind P. Agrawal, “Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition.” Copyright 2002 John Wiley & Sons, Inc. ISBN: 0-471-21571-6 (Hardback); 0-471-22114-7 (Electronic); Chapter 10: Coherent

Lightwave Systems [3] Stanić Predrag, “Analiza šuma homodinske i heterodinske detekcije u fiberoptičkim komunikacijama”, X Telekomunikacioni forum TELFOR, Beograd 2002.