CAPITULO 10SISTEMAS COHERENTES DE ONDAS DE LUZ

Los sistemas de ondas de luz discutidos hasta ahora se basan en un esquema de modulacin digital sencillo en el que un flujo de bits elctricos modula la intensidad de una portadora ptica dentro del transmisor ptico y la seal ptica transmitida a travs del enlace de fibra incide directamente en un receptor ptico, que la convierte en la seal digital original de dominio elctrico. Este esquema se conoce como modulacin de la intensidad con deteccin directa esquemas alternativos (IM / DD).Muchos esquemas alternativos, conocidos en el contexto de los sistemas de comunicacin de radio y microondas [1] - [6], transmiten informacin mediante la modulacin de la frecuencia o la fase de la portadora ptica y detectan la seal transmitida por el uso de tcnicas homodinos y de deteccin heterodino. La coherencia de fase de la portadora ptica juega un papel importante en la aplicacin de estos sistemas, tales sistemas de comunicacin ptica se denominan sistemas de ondas de luz coherente. Se estudiaron ampliamente las tcnicas de transmisin coherentes durante la dcada de 1980 [7] - [16]. Despliegue comercial de sistemas coherentes, sin embargo, se ha retrasado con el advenimiento de amplificadores pticos aunque la fase de investigacin y desarrollo ha continuado en todo el mundo.La motivacin detrs del uso de las tcnicas de comunicacin coherentes es doble. En primer lugar, la sensibilidad del receptor se puede mejorar hasta 20 dB en comparacin con la de los sistemas IM / DD. En segundo lugar, el uso de la deteccin coherente puede permitir un uso ms eficiente del ancho de banda de la fibra mediante el aumento de la eficiencia espectral de los sistemas WDM. En este captulo nos centramos en el diseo de sistemas de ondas de luz coherente. Los conceptos bsicos detrs de la deteccin coherente se discuten en la Seccin 10.1. En la seccin 10.2 presentamos nuevos formatos posibles con el uso de deteccin coherente de modulacin. Seccin 10.3 se dedica a esquemas de demodulacin sncrona y asncrona utilizados por los receptores coherentes.La tasa de error de bit (BER) para diversos esquemas de modulacin y demodulacin se considera en la Seccin 10.4. Seccin 10.5 se centra en la degradacin de la sensibilidad del receptor a travs de mecanismos tales como la fase de ruido, la intensidad del ruido, el desfase de polarizacin, la dispersin de la fibra, y la retroalimentacin. Los aspectos de desempeo de los sistemas de ondas de luz coherente se revisan en la seccin 10.6, donde tambin discutimos el estado de dichos sistemas al final de 2001.

Figura 10.1: Representacin de un esquema de deteccin coherente10.1 Conceptos bsicos10.1.1 Oscilador LocalLa idea bsica detrs de la deteccin coherente consiste en combinar la seal ptica coherente con un campo ptico de onda continua (CW) antes de que caiga sobre el fotodetector (vase la Fig. 10.1). El campo de onda continua se genera localmente en el receptor utilizando un lser ancho de lnea estrecha, llamado oscilador local (LO), un trmino tomado de la literatura de radio y microondas. Para ver cmo la mezcla de la seal ptica recibida con la salida del oscilador local (LO) puede mejorar el rendimiento del receptor, vamos a escribir la seal ptica usando la notacin compleja como:(10.1.1)

donde es la frecuencia portadora, como es la amplitud, y es la fase. El campo ptico asociado con el oscilador local est dado por una expresin similar,(10.1.2)donde , , y representan la amplitud, frecuencia y fase del oscilador local, respectivamente. La notacin escalar se utiliza tanto para y despus de asumir que los dos campos estn polarizados de manera idntica (problemas de desadaptacin de polarizacin se discuten ms adelante en la Seccin 10.5.3). Desde un fotodetector responde a la intensidad ptica, la potencia ptica incidente en el fotodetector est dada por donde K es una constante de proporcionalidad. Usando las ecuaciones. (10.1.1) y (10.1.2),

Donde

La frecuencia es conocida como la frecuencia intermedia (IF). Cuando , la seal ptica es desmodulada en dos etapas; su frecuencia portadora se convierte primero a una frecuencia intermedia (tpicamente 0,1-5 GHz) antes de que la seal sea desmodulada a la banda base. No siempre es necesario el uso de una frecuencia intermedia.

Deteccin homodinaEn esta tcnica de deteccin coherente, se selecciona la frecuencia del oscilador local para coincidir con la frecuencia de la seal del portador de manera que . A partir de la ecuacin. (10.1.3), la fotocorriente (I = RP, donde R es responsabilidad del detector) est dada por:

Tpicamente, El ltimo trmino de la ecuacin. (10.1.5) contiene la informacin transmitida y es usado por el circuito de decisin. Consideremos el caso en el que la fase de oscilador local est bloqueado en la fase de la seal de modo que . La seal homodina est dada por:

La principal ventaja de la deteccin homodina es evidente a partir de la Ec. (10.1.6) si tenemos en cuenta que la corriente de la seal en el caso de deteccin directa viene dada por . Denotando la potencia ptica promedio por , la potencia elctrica media se incrementa por un factor de con el uso de la deteccin homodina. Pues se puede hacer mucho ms grande que , el poder de la energa puede exceder 20 dB. Aunque el ruido de disparo tambin se ha mejorado, se muestra ms adelante en esta seccin que la deteccin homodina mejora la relacin seal-ruido (SNR) por un factor muy alto.Otra ventaja de la deteccin coherente es evidente a partir de la Ec. (10.1.5). Debido a que el ltimo trmino en esta ecuacin contiene la fase de la seal de forma explcita, es posible transmitir informacin mediante la modulacin de la fase o frecuencia de la portadora ptica. La deteccin directa no permite la modulacin de la fase o frecuencia, como toda la informacin sobre la fase de la seal se pierde. Los formatos de modulacin para sistemas coherentes se discuten en la Seccin 10.2.Una desventaja de la deteccin homodina tambin resulta de su fase de sensibilidad. Ya que el ltimo trmino de la ecuacin. (10.1.5) contiene la fase del oscilador local , claramente debe ser controlado. Idealmente, y deben permanecer constantes, excepto para la modulacin intencional de . En la prctica, ambos y fluctan con el tiempo de una manera aleatoria. Sin embargo, su diferencia puede estar forzada a permanecer casi constante a travs de un circuito de fase ptica. La implementacin de tal circuito no es simple y hace que el diseo de receptores pticas homodinas sea bastante complicado. Adems, el emparejamiento del transmisor y de las frecuencias del oscilador local pone estrictos requisitos de las dos fuentes pticas. Estos problemas se pueden superar mediante el uso de la deteccin heterodina, que se discuten a continuacin.10.1.3 Deteccin HeterodinaEn el caso de deteccin heterodina la frecuencia de oscilador local es elegido para diferir de la frecuencia de la seal portadora de tal manera que la frecuencia intermedia es 10.1. CONCEPTOS BSICOSEn la regin de microondas ( ~ 1 GHz). Utilizando la Ec. (10.1.3), junto con I = RP, la fotocorriente ahora est dada por:

Pues en la prctica, el trmino de corriente continua (dc) es casi constante y se puede quitar fcilmente usando filtros de paso - banda. La seal heterodina entonces dada por el trmino de corriente alterna (ac) en la Ec. (10.1.7) o por

Similar al caso de la deteccin homodina, la informacin puede ser transmitida a travs de la amplitud, o la fase modulacin de frecuencia de la portadora ptica. Ms importante an, el oscilador local todava amplifica la seal recibida por un factor muy alto, mejorando as la SNR. Sin embargo, la mejora SNR es menor por un factor de 2 (o por 3 dB) en comparacin con el caso homodino. Esta reduccin se conoce como la sancin a la deteccin heterodino. El origen de la pena de 3-dB puede ser visto considerando la potencia de la seal (proporcional al cuadrado de la corriente).Debido a la naturaleza de ac de , la potencia media de la seal se reduce por un factor de 2 cuando es promediado sobre un ciclo completo de la frecuencia intermedia. (Recordemos que el promedio de .La ventaja obtenida a expensas de la sancin de 3 dB es que el diseo del receptor se simplifica considerablemente debido a una fase ptica PPL ya no es necesaria.Las fluctuaciones en ambos y todava necesitan ser controlados usando lseres semiconductores de menor ancho de lnea para ambas fuentes pticas. Sin embargo, como se discute en la Seccin 10.5.1, los requisitos de anchura de lnea son bastante moderados cuando se utiliza un esquema de demodulacin asincrnica. Esta caracterstica hace que el esquema de deteccin heterodino sea muy adecuado para la aplicacin prctica de los sistemas de ondas de luz coherente.10.1.4 Relacin seal ruidoLa ventaja de deteccin coherente para los sistemas de ondas de luz se puede hacer ms cuantitativa considerando la SNR de la corriente del receptor. Para este propsito, es necesario extender el anlisis de la Seccin 4.4 para el caso de deteccin heterodino. La corriente del receptor flucta debido al ruido del disparo y el ruido trmico. La varianza de fluctuaciones de corriente se obtiene mediante la adicin de las dos contribuciones de modo que

Donde

La notacin usada aqu es la misma que en la Seccin 4.4. La principal diferencia con el anlisis de la seccin 4.4 se presenta en la contribucin del tiro -ruido. La corriente I en la ecuacin. (10.1.10) es el total de fotocorriente generada en el detector y est dada por la ecuacin. (10.1.5) o Eq. (10.1.7), dependiendo de si se emplea la deteccin homodina y heterodina. En la prctica, y I en la ecuacin. (10.01.10) se puede sustituir por el termino nominante dominante para ambos casos.

La SNR se obtiene dividiendo la potencia media de la seal por la potencia media de ruido. En el caso heterodino, se da por

En el caso homodina, la SNR es mayor por un factor de 2 si suponemos que en la ecuacin. (10.1.5). La principal ventaja de la deteccin coherente se puede ver de la ecuacin. (01.10.11).Dado que la energa del oscilador local se puede controlar en el receptor, se puede hacer lo suficientemente grande para que el receptor de ruido este dominado por el ruido de disparo. Especficamente, cuando

En las mismas condiciones, la contribucin de la corriente oscura al ruido de disparo es insignificante . La SNR se da entonces por;

Donde fue utilizada a partir de la Ec. (4.1.3). El uso de una deteccin coherente permite lograr el lmite del ruido - disparo incluso para receptores cuyo rendimiento generalmente est limitado por el ruido trmico. Por otra parte, en contraste con el caso de receptores de fotodiodos de avalancha (APD), este lmite se realiza sin aadir ningn exceso de ruido de disparo.Es til expresar la SNR en trminos del nmero de fotones, Np, recibidos dentro de un solo bit.A la velocidad de bits B, la potencia de la seal esta relaciona con como .Tpicamente, Mediante el uso de estos valores y en la ecuacin. (10.01.13), el SNR est dado por una simple expresin.

En el caso de la deteccin homodina, SNR es mayor por un factor de 2 y viene dado por . Seccin 10.4 analiza la dependencia de la BER en SNR y muestra como el receptor de sensibilidad mejor por el uso de la deteccin coherente.10.2 FORMATOS DE MODULACIN

Como se discute en la Seccin 10.1, una ventaja importante de la utilizacin de las tcnicas de deteccin coherente es que tanto la amplitud y la fase de la seal ptica recibida pueden ser detectados y medidos. Esta caracterstica abre la posibilidad de enviar informacin ya sea mediante la modulacin de la amplitud, la fase, o la frecuencia de una portadora ptica.

En el caso de los sistemas de comunicaciones digitales, las tres posibilidades dan lugar a tres formatos de modulacin conocida como modulacin por desplazamiento de amplitud (ASK), por desplazamiento de fase (PSK), y por desplazamiento de frecuencia (FSK) [1] - [6] . La figura 10.2 muestra esquemticamente los tres formatos de modulacin para un patrn especfico de bits. En las siguientes subsecciones se considera cada formato por separado y se discute su aplicacin en los sistemas de ondas de luz prcticos.FORMATOS DE MODULACION

Figura 10.2: Formatos de modulacin ASK, PSK, FSK para un patrn de bits especfico.10.2.1 Formato APKEl campo elctrico asociado con una seal ptica se puede escribir como [tomando la parte real de la ecuacin. (10.1.1)]

En el caso del formato ASK, la amplitud es modulada mientras se mantiene constante. Para la modulacin digital binaria, toma uno de los dos valores fijos durante cada perodo de bits, dependiendo de si se est transmitiendo 1 o 0 bits. En situaciones ms prcticas, como se establece en cero durante la transmisin de 0 bits. El formato ASK entonces se llama de encendido y apagado (OOK) y es idntico al esquema de modulacin de uso comn para (IM / DD) sistemas no coherente de ondas de luz digitales.La implementacin de ASK para sistemas coherentes difiere del caso de sistemas de deteccin directa en un aspecto importante. Considerando que el flujo de bits pticos para sistemas de deteccin directa puede ser generado mediante la modulacin de un diodo emisor de luz (LED) o un lser semiconductor directamente, la modulacin externa es necesaria para los sistemas de comunicacin coherente.La razn detrs de esta necesidad est relacionada con cambios de fase que se producen invariablemente cuando la amplitud AS (o la potencia) se cambia por la modulacin de la corriente aplicada a un lser semiconductor (vase la Seccin 3.5.3).Para los sistemas de IM / DD, tales cambios de fase no intencionales no son vistos por el detector (ya que el detector responde slo a la potencia ptica) y no son motivo de gran preocupacin. La situacin es completamente diferente en el caso de sistemas coherentes, donde la respuesta del detector depende de la fase de la seal recibida. La implementacin del formato ASK para sistemas coherentes requiere la fase para permanecer casi constante. Esto se logra haciendo funcionar el lser semiconductor de forma continua a una corriente constante y la modulacin de su salida mediante el uso de un modulador externo (vase la Seccin 3.6.4). Dado que todos los moduladores externos tienen algunas prdidas de insercin, una penalizacin de potencia o energa incurre cada vez que se utiliza un modulador externo; se puede reducir hasta por debajo de 1 dB para moduladores monolticamente integrados.Como se discute en la Seccin 3.64, un modulador externo comnmente utilizado hace uso de guas de ondas LiNbO3 en una configuracin Mach-Zehnder (MZ) de [17]. El rendimiento de moduladores externos se cuantifica a travs de la relacin on-off (tambin llamada relacin de extincin) y el ancho de banda de modulacin. Los Moduladores LiNbO3 proporcionan una relacin on-off por encima de 20 y pueden ser modulados a velocidades de hasta 75 GHz [18]. El voltaje de activacin es tpicamente de 5 V, pero puede ser reducido a cerca de 3 V con un diseo adecuado. Otros materiales tambin pueden ser utilizados para hacer moduladores externos.Por ejemplo, un electro-ptico polimrico modulador MZ requiere solamente 1,8 V para desplazar la fase de una seal de 1,55 micras por en uno de los brazos del interfermetro MZ [19].A menudo se prefieren los moduladores de Electroabsorcin, hechos de semiconductores, debido a que no requieren el uso de un interfermetro y pueden integrarse monolticamente con el lser (vase la Seccin 3.6.4). Los Transmisores pticos con un modulador de electroabsorcin integrado capaz de modular a 10 Gb / s estaban disponibles comercialmente por 1999 y se utilizan rutinariamente para sistemas IM / DD de ondas de luz [20]. Para el ao 2001, tales moduladores integrados exhiban un ancho de banda de ms de 50 GHz y tena el potencial de funcionar a velocidades de bits de hasta 100 Gb / s [21]. Y son propensos a ser empleados para sistemas coherentes tambin. 10.2.2

10.2.2 FORMATO PSKEn el caso del formato PSK, el flujo de bits ptica se genera mediante la modulacin de la fase en la ecuacin (10.2.1) mientras que la amplitud AS y la frecuencia de la portadora ptica se mantienen constantes. Para PSK binario, la fase toma dos valores, comnmente elegido para ser 0 y . La figura 10.2 muestra el formato PSK binaria esquemticamente para un patrn de bits especfico. Un aspecto interesante del formato PSK es que la intensidad ptica permanece constante durante todos los bits y la seal parece tener una forma CW. Una deteccin coherente es una necesidad para PSK ya que toda la informacin se perdera si la seal ptica fuera detectada directamente sin mezclarlo con la salida de un oscilador local.La implementacin de PSK requiere un modulador externo capaz de cambiar la fase ptica en respuesta a cierto voltaje. El mecanismo fsico utilizado por dichos moduladores se llama electro refraccin. Cualquier cristal electro-ptico con una orientacin adecuada puede ser utilizado para la fase de modulacin. Un cristal LiNbO3 se utiliza comnmente en la prctica.El diseo de moduladores de fase basados en LiNbO3 es mucho ms simple que la de un modulador de amplitud Mach-Zehnder, ya que no se necesita un interfermetro, y una nica gua de ondas puede ser utilizada. El desplazamiento de fase que ocurre mientras que la seal CW pasa a travs de la gua de onda est relacionado con el cambio de ndice por simple relacin.

Donde es la longitud sobre la que el ndice de cambio es inducido por el voltaje aplicado. El cambio de ndice n es proporcional a la tensin aplicada, que se elige de tal manera que . Por lo tanto, un desplazamiento de fase de puede ser impuesta a la portadora ptica aplicando el voltaje requerido para la duracin de cada bit "1".Los semiconductores tambin pueden ser utilizados para hacer moduladores de fase, especialmente si una estructura de mltiples fuentes cunticas se utiliza (MQW). El efecto electro-refraccin procedente del rgido efecto confinamiento cuntico que se ve reforzada por un diseo de pozo cuntico. Tal moduladores de fase MQW se han desarrollado [22] - [27] y son capaces de operar a una velocidad de bits de hasta 40 Gb / s en el rango de longitud de onda de 1.3 a 1.6 . Ya en 1992, dispositivos MQW tenan un ancho de banda de modulacin de 20 GHz y requiere solamente 3,85 V para la introduccin de un cambio de fase cuando se opera cerca de 1,55m [22]. La tensin de servicio se redujo a 2,8 V en un modulador de fase basado en el efecto electro absorcin en una gua de ondas MQW [23]. Un convertidor de punto de tamao a veces se integra con la fase modulador para reducir las prdidas de acoplamiento [24]. Se logra el mejor rendimiento si un modulador de fase de semiconductores est integrado monolticamente dentro del transmisor [25]. Tales transmisores son muy tiles para los sistemas de ondas de luz coherentes.El uso del formato PSK requiere que la fase de la portadora ptica se mantenga estable de modo que la informacin de fase se puede extraer en el receptor sin ambigedad. Este requisito pone una condicin rigurosa en las anchuras de lnea tolerables del lser transmisor y el oscilador local. Como se discute ms adelante en la Seccin 10.5.1, el requisito de anchura de lnea puede ser algo relajado mediante el uso de una variante del formato de PSK, conocido como diferencial modulacin por desplazamiento de fase (DPSK). En el caso de DPSK, la informacin se codifica mediante el uso de la diferencia de fase entre dos bits vecinos. Por ejemplo, si representa la fase del bit k-ensimo, la diferencia de fase se cambia por o 0, dependiendo de si k bit es un 1 o 0 bits. La ventaja de DPSK es que la seal de transmisin puede ser de modulada con xito siempre y cuando la fase de la portadora se mantiene relativamente estable a lo largo una duracin de dos bits.

10.2.3 Formato FSKEn el caso de la modulacin FSK, la informacin se codifica en la portadora ptica desplazando la frecuencia portadora en s [ver Ec. (10.2.1)]. Para una seal digital binaria, toma dos valores, y , dependiendo de si un bit 1 o 0 es transmitida. El cambio se llama la desviacin de frecuencia. l es a veces llamado espaciamiento tono, ya que representa la separacin de frecuencias entre 1 y 0 pedacitos. El campo ptico para el formato FSK se puede escribir como

donde signos + y - corresponden a 1 y 0 bits. Observando que el argumento del coseno puede escribirse como , el formato FSK tambin se puede ver como una especie de PSK modulacin de tal manera que los aumentos de fase portadora o disminuye linealmente durante el bit duracin.La eleccin de la desviacin de frecuencia depende de la anchura de banda disponible. El ancho de banda total de una seal FSK se da aproximadamente por , donde B es la tasa de bit [1]. Cuando , el ancho de banda se acerca y es casi independiente de la tasa de bits. Este caso se conoce como gran desviacin o FSK de banda ancha a menudo. En el caso contrario de , llamada desviacin estrecha o FSK de banda estrecha, el ancho de banda enfoque 2 B. La relacin , llama la modulacin de frecuencia (FM) de ndice, sirve para distinguir los dos casos, dependiendo de si or .La implementacin de FSK requiere moduladores capaz de desplazar la frecuencia de la seal ptica incidente. Materiales electro-pticos como normalmente producir un desplazamiento de fase proporcional a la tensin aplicada. Pueden ser utilizados para FSK mediante la aplicacin de un pulso triangular de tensin (dientes de sierra), ya que un cambio de fase lineal corresponde a un cambio de frecuencia. Una tcnica alternativa hace uso de la dispersin acstica de olas Bragg. Tales moduladores se llaman moduladores acstico-ptico. Su uso es algo engorroso en forma masiva. Sin embargo, pueden ser fabricados en forma compacta usando ondas acsticas de superficie en una gua de ondas de la losa. La estructura del dispositivo es similar a la de un filtro acstico-ptico utilizado para DWDM (WDM) aplicaciones (Vase la Seccin 8.3.1). El cambio de frecuencia mxima est limitada normalmente por debajo de 1 GHz para tales moduladores.El mtodo ms simple para producir una seal FSK hace uso de la modulacin directa capacidad de lseres semiconductores. Como se discuti en la Seccin 3.5.2, un cambio en el funcionamiento actual de un lser semiconductor conduce a cambios tanto en la amplitud y frecuencia de la luz emitida. En el caso de ASK, el desplazamiento de frecuencia o el sonido del pulso ptico emitido es indeseable. Pero el mismo desplazamiento de frecuencia puede ser utilizado para ajustar ventajosa para el propsito de FSK. Los valores tpicos de cambios de frecuencia son ~ 1 GHz / mA. Por lo tanto, slo se requiere un pequeo cambio en la corriente de funcionamiento (~ 1 mA) para producir la seal FSK. Tales cambios actuales son lo suficientemente pequeos que la amplitud no hace muchos cambios de poco a poco. Para el propsito de FSK, la respuesta de FM de una realimentacin distribuida (DFB) lser debe ser plana sobre un ancho de banda igual a la tasa de bits. Como se ve en la Fig. 10.3, ms DFB lseres exhiben un bao en su respuesta de FM a una frecuencia cerca de 1 MHz [28]. La razn es que dos fenmenos fsicos diferentes contribuyen al desplazamiento de frecuencia cuando la corriente del dispositivo cambia. Los cambios en el ndice de refraccin, responsables del cambio de frecuencia, pueden ocurrir ya sea debido a un cambio de temperatura o debido a un cambio en la densidad de portadores. Los efectos trmicos contribuyen slo hasta frecuencias de modulacin de aproximadamente 1 MHz a causa de su lenta respuesta. La respuesta de FM disminuye en la gama de frecuencias 0,1-10 MHz porque la contribucin trmica y la contribucin densidad de portadores se producen con fases opuestas. Varias tcnicas pueden ser usadas para hacer la respuesta de FM ms uniforme. Un circuito de ecualizacin mejora la uniformidad, sino tambin reduce la deficiencia de modulacin. Otra tcnica hace uso de cdigos de transmisin que reducen la baja frecuencia componentes de los datos donde la distorsin es mayor. Lseres DFB multiseccin se han desarrollado para realizar una respuesta uniforme FM [29] - [35]. La figura 10.3 muestra la respuesta de FM de una de dos secciones DFB lser. No slo es uniforme hasta aproximadamente 1 GHz, pero su eficiencia de modulacin tambin es alta. An mejor rendimiento se realiza mediante el uso de tres secciones.10.3. ESQUEMAS DEMODULACIN

Figura 10.3: Respuesta de FM de un tpico lser semiconductor DFB exhibiendo un chapuzn en la frecuencia oscilar desde 0,1 hasta 10 MHz. (Despus Ref [12]; 1988 IEEE; reimpreso con permiso.)Los lseres DBR se describen en la Seccin 3.4.3 en el contexto de lseres sintonizables. Respuesta de FM plana de 100 kHz a 15 GHz se demostr [29] en 1990 tales lseres. Por 1995, el uso de ganancia acoplados, desplazada en fase, lseres DFB ampli la gama de respuesta de FM uniforme desde 10 kHz a 20 GHz [33]. Cuando FSK se realiza a travs de modulacin directa, la fase de la portadora vara continuamente de bit a bit. Este caso es a menudo referido como fase continua FSK (CPFSK). Cuando el tono separacin es elegido para ser CPFSK tambin se llama modulacin por desplazamiento mnimo (MSK).10.3 Esquemas de demodulacin

Como se discuti en la Seccin 10.1, ya sea homodino o deteccin heterodino se pueden utilizar para convertir la seal ptica recibida en una forma elctrica. En el caso de deteccin homodino, la seal ptica es demodulada directamente a la banda base. Aunque simple en concepto, deteccin homodino es difcil de aplicar en la prctica, ya que requiere un oscilador local cuya frecuencia coincide con la frecuencia portadora con exactitud y cuya fase se bloquea con la seal entrante. Tal esquema de demodulacin se llama sncrono y es esencial para la deteccin homodina. Aunque el enganche de fase ptica bucles se ha desarrollado para este propsito, su uso es complicado en la prctica. Deteccin heterodino simplifica el diseo del receptor, ya que no se requiere ni de bloqueo de fase ptica ni coincidente frecuencia del oscilador local. Sin embargo, la seal elctrica oscila rpidamente a frecuencias de microondas y debe ser demodulada de la banda de IF a la banda de base utilizando tcnicas similares a las desarrolladas para sistemas de comunicacin de microondas [1] - [6]. La demodulacin puede llevarse a cabo de forma sincrnica o de forma asncrona. Demodulacin asincrnica tambin se llama incoherente en la literatura de comunicacin por radio. En la literatura de comunicacin ptica, la deteccin coherente trmino que se utiliza en un sentido ms amplio. Un sistema de ondas de luz se llama coherente, siempre y cuando se utiliza un oscilador local con independencia de la tcnica de demodulacin utilizado para convertir la seal de IF para frecuencias de banda base. Esta seccin se centra en la sincrnica y esquemas de demodulacin asncronas para los sistemas de heterodinas.Figura 10.4: Diagrama de bloques de un receptor heterodino sncrono.

10.3.1 Heterodino sncrono demodulacinLa figura 10.4 muestra un receptor heterodino sincrnico esquemticamente. La corriente generada en el fotodiodo se pasa a travs de un filtro de paso de banda (BPF) centrado en la frecuencia intermedia . La corriente filtrada en la ausencia de ruido se puede escribir como [Ver la Ec. (10.1.8)].

Donde y es la diferencia de fase entre el oscilador local y la seal. El ruido tambin se filtra por el BPF. El uso de los componentes de cuadratura en fase y fuera de fase filtra el ruido de Gauss [1], el receptor del ruido est incluido a travs de

Donde y son variables aleatorias gaussianas de cero significa con varianza dada por la ecuacin. (10.1.9). Para demodulacin sncrona, es multiplicada por y se filtra por un filtro de paso bajo. La seal de banda base resultante es

donde parntesis angulares indican el paso bajo filtrado utilizado para rechazar la oscilante componentes de corriente alterna a las . La ecuacin (10.3.3) muestra. que slo el componente de ruido en fase afecta al rendimiento de los receptores heterodinas sncronas. La demodulacin sncrona requiere la recuperacin de la portadora de microondas a la frecuencia intermedia .Varios esquemas electrnicos pueden ser utilizados para este propsito, todo requiere una especie de bucle de enganche de fase elctrica [36]. Dos bucles utilizados son el bucle de la cuadratura y el bucle de Costas. Un bucle cuadratura utiliza un dispositivo ley cuadrtica IF a obtener una seal de la forma que tiene un componente de frecuencia a . Este componente se puede utilizar para generar una seal de microondas a .10.3.2 Heterodino asncrono demodulacinLa figura 10.5 muestra un receptor heterodino asncrono esquemticamente. No hace exigir la recuperacin de la portadora de microondas a la frecuencia intermedia, resultando en un diseo del receptor mucho ms simple. La seal filtrada se convierte a la banda base

Figura 10.5: Diagrama de bloques de un receptor heterodino asncrono.usando un detector envolvente, seguido de un filtro de bajo paso. La seal recibida por el circuito de decisin es slo donde es dada por la ecuacin (10.3.2). Se puede escribir como

La principal diferencia es que tanto el en fase y componentes en cuadratura fuera-de-fase del ruido del receptor afecta a la seal. La SNR es por lo tanto degradada en comparacin con el caso de demodulacin sncrona. Como se discuti en la Seccin 10.4, la degradacin de la sensibilidad resultante de la SNR reducida es bastante pequeo (alrededor de 0,5 dB). A medida que la fase de estabilidad los requisitos son bastante modesto en el caso de demodulacin asincrnica, este esquema se utiliza comnmente para los sistemas de ondas de luz coherentes.El receptor heterodino asncrono se muestra en la Fig. 10.5 requiere modificaciones cuando se utilizan los formatos de modulacin FSK y PSK. La figura 10.6 muestra dos esquemas de demodulacin. El receptor de filtro dual FSK utiliza dos ramas separadas para procesar los bits 0 y 1 frecuencias portadoras, y por lo tanto las frecuencias intermedias, son diferente. El esquema se puede utilizar siempre que el espaciamiento de tono es mucho mayor que las tasas de bits, por lo que los espectros de 1 y 0 bits tienen superposicin insignificante (gran desviacin FSK). Los dos BPF tienen sus frecuencias centrales separados exactamente por la separacin de tono de modo que cada BPF que pasa slo sea 1 o 0 bits. El receptor de doble filtro FSK puede ser pensado como dos ASK, solo o receptores de filtro en paralelo cuyos resultados se combinan antes de llegar al circuito de decisin. Un receptor de filtro simple de la Fig. 10.5 se puede utilizar para la demodulacin FSK si su ancho de banda es elegido para ser lo suficientemente amplia como para pasar la totalidad de flujo de bits. La seal es procesada por un discriminador de frecuencia para identificar 1 y 0 bits. Este esquema funciona bien slo para la desviacin estrecha FSK, para la que el espaciamiento de tono es menor que o comparable a la tasa de bits La demodulacin asncrono no se puede utilizar en el caso de que el formato PSK porque la fase del lser transmisor y el oscilador local no estn bloqueados y puede derivar con el tiempo. Sin embargo, el uso del formato DPSK permite la demodulacin asincrnica usando el esquema de retardo se muestra en la Fig. 10.6 (b). La idea es multiplicar el flujo de bits recibida por una rplica de lo que se ha retrasado por un periodo de bit. La seal resultante tiene un componente de la forma donde es la fase de la k-ensima bit, que puede ser utilizado para recuperar el patrn de bits ya que la informacin est codificada en la diferencia de fase . Este esquema requiere estabilidad de fase slo sobre unos pocos bits y puede ser implementado mediante el uso de lseres de semiconductores DFB. El esquema de retardo de demodulacin tambin se puede utilizar para CPFSK. La cantidad de retraso en ese caso depende del espaciado de tono y se elige de manera que la fase se desplaza por para la seal retardada.

Figura 10.6: (a) FSK filtro Dual y (b) DPSK receptores heterodinos asncronos.10.4 Tasa de errores BitLas tres secciones precedentes han proporcionado suficiente material de referencia para el clculo de la tasa de bits errneos (BER) de los sistemas de ondas de luz coherente. Sin embargo, el BER, y de ah la sensibilidad del receptor, dependen del formato de modulacin, as como en el esquema de modulacin utilizado por el receptor coherente. La seccin considera cada caso por separado.

10.4.1 Receptores sncrono ASKConsideremos primero el caso de deteccin heterodino. La seal utilizada por el circuito de decisin est dada por la Ec. (10.3.3). La fase generalmente vara al azar a causa de fluctuaciones de fase asociado con el lser transmisor y el oscilador local. Como se discuti en la Seccin 10.5, el efecto de las fluctuaciones de fase puede hacerse insignificante utilizando lseres semiconductores cuya anchura de lnea es una pequea fraccin de la velocidad de bits. Asumiendo que este sea el caso y la configuracin en la ecuacin (10.3.2), la seal de decisin est dada por

Donde toma valores o dependiendo de si se detecta un bit 1 o 0. Consideremos el caso de que en la que no se transmite ninguna potencia durante los 0 bits. Excepto para el factor de en la ecuacin. (10.4.1), la situacin es anloga al caso de deteccin directa discutido en la Seccin 4.5. El factor de no afecta el BER ya que tanto la seal y el ruido se reducen por el mismo factor, dejando la SNR sin cambios. De hecho, uno puede usar el mismo resultado [Eq. (4.5.9)],

Donde Q est dada por la Eq. (4.5.10) y puede ser escrita como

Las ecuaciones (10.4.4) y (10.4.5) se pueden usar para calcular la sensibilidad del receptor a una especfica BER. Al igual que en el caso de deteccin directa discutido en la Seccin 4.4, podemos definir la sensibilidad del receptor como el promedio recibido de potencia requerida para la realizacin de una BER de o menos. A partir de las ecuaciones. (10.4.2) y (10.4.3), cuando o cuando . Para el caso heterodino ASK podemos usar la Ec. (10.1.14) relacionar SNR a si observamos que simplemente porque la potencia de la seal es cero durante los 0 bits. El resultado es

Para el caso homodino ASK, es menor por un factor de 2 debido a la ventaja de deteccin de homodyne 3-dB se discute en la Seccin 10.1.3. Como ejemplo, para un ASK receptor heterodino con = 0,8 y , la sensibilidad del receptor es alrededor de 12 nW y reduce a 6 nW si se utiliza la deteccin homodino. La sensibilidad del receptor es citado a menudo en trminos del nmero de fotones usado en las ecuaciones (10.4.4) y (10.4.5) como tal eleccin la hace independiente del ancho de banda del receptor y la longitud de onda de funcionamiento. Adems, tambin se establece en 1 para que la sensibilidad corresponde a un fotodetector ideal. Es fcil comprobar que para la realizacin de un BER de , debe ser 72 y 36 en los casos heterodinos y homodinos, respectivamente. Es importante recordar que corresponde al nmero de fotones dentro de un solo 1 bit. El nmero medio de fotones por bit, , Se reduce por un factor de 2 si suponemos que 0 y 1 bits son igualmente probables que ocurra en una secuencia larga de bits.10.4.2 Receptores PSK sncronos Considere primero el caso de deteccin heterodino. La seal en el circuito de decisin est dada por la ecuacin. (10.3.3) o por

La principal diferencia con el caso que pido es que es constante, pero la fase toma valores 0 o dependiendo de si un 1 o 0 se transmite. En ambos casos, es una variable aleatoria Gaussiana pero su valor promedio es o , dependiendo del bit recibido. La situacin es anloga al caso ASK con la diferencia de que en lugar de ser cero. De hecho, se puede utilizar la ecuacin. (10.4.2) para la BER, pero Q es ahora dada por

Donde y fue usado. Mediante el uso de de la ecuacin. (10.1.14), el BER est dada por

Como antes, la SNR se mejora por 3 dB, o por un factor de 2, en el caso de deteccin homodino PSK, de modo que

La sensibilidad del receptor con un BER de se puede conseguir mediante el uso de y la ecuacin (10.1.14) para SNR. Para el propsito de comparacin, es til para expresar la sensibilidad del receptor en trminos del nmero de fotones . Es fcil verificar que y 9 para los casos de deteccin heterodino y PSK homodino, respectivamente. El nmero medio de fotones / bit, , es igual a para el formato de PSK porque la misma potencia se transmite durante 1 y 0 bits. Un receptor homodino PSK es el receptor ms sensible, que requiere slo 9 fotones / bit. Cabe destacar que esta conclusin se basa en la aproximacin Gaussiana para el ruido del receptor [37]. Es interesante comparar la sensibilidad de los receptores coherentes con la de un receptor de deteccin directa. Tabla 10.1 muestra una comparacin de este tipo. Como se discuti en la Seccin 4.5.3, un receptor de deteccin directa ideales requiere 10 fotones / bits para funcionar a un BER de . Este valor es slo ligeramente inferior al mejor caso de un receptor homodino PSK y considerablemente superior a la de los regmenes de heterodinas. Sin embargo, nunca se consigue en la prctica debido al ruido trmico, corriente oscura, y muchos otros factores, que degradan la sensibilidad en la medida que se requiere generalmente. En el caso de receptores coherentes, debajo de 100 se puede realizar simplemente porque el ruido de disparo se puede hacer dominante aumentando la potencia de oscilador local. El rendimiento de los receptores coherentes se discute en la Seccin 10.6.Tabla 10.1 Sensibilidad de los receptores sncronosFORMATO DE MODULACINTASA DE ERRORES-BIT

ASK heterodino

ASK homodino

PSK heterodinoPSK homodino

FSK heterodino

La deteccin directa

72

36

18

9

362036

18

18

9

3610

10.4.3 Los receptores sncrono FSKReceptores FSK sncronos generalmente utilizan un esquema de filtro dual similar a la mostrada en la Fig. 10.6 (a) para el caso asncrono. Cada filtro pasa slo 1 o 0 bits. El esquema es equivalente a dos complementaria ASK receptores heterodinas que operan en paralelo. Esta caracterstica se puede utilizar para calcular el BER de doble filtro receptores FSK sncrono. De hecho, uno puede usar las Ecuaciones. (10.4.2) y (10.4.3) tambin para el caso FSK. Sin embargo, la SNR se mejora por un factor de 2 en comparacin con el caso ASK. La mejora se debe al hecho de que mientras no se recibe ninguna energa, en promedio, la mitad del tiempo para receptores ASK, la misma cantidad de energa que se reciba todo el tiempo para los receptores FSK. Por lo tanto la potencia de seal es mejorada por un factor de 2, mientras que la potencia de ruido sigue siendo el mismo si suponemos el mismo ancho de banda del receptor en los dos casos. Mediante el uso de en la ecuacin. (10.4.3), REC est dada por

La sensibilidad del receptor se obtiene de la ecuacin (10.4.6) reemplazando el factor de 72 por 36. En trminos del nmero de fotones, la sensibilidad est dada por . El nmero medio de fotones / bit, , tambin es igual a 36, ya que cada bit lleva la misma energa. Una comparacin de ASK y FSK heterodinos esquemas de la Tabla 10.1 muestra que para ambos esquemas. Por lo tanto a pesar de que el receptor ASK heterodino requiere 72 fotones dentro del bit 1, la sensibilidad del receptor (potencia media recibida) es el mismo tanto para el ASK y FSK esquemas. Figura 10.7 terrenos del BER como funcin de por los ASK, formatos PSK, FSK y mediante el uso de ecuaciones. (10.4.4), (10.4.9), y (10.4.11). La curva de puntos muestra al BER para el caso de PSK sncrono receptor homodino discutido en la Seccin 10.4.2. Las curvas punteadas corresponden al caso de los receptores asncronos analizados en los apartados siguientes.10.4.4 Receptores asncrono ASK

El clculo BER para los receptores asncronos es ligeramente ms complicado que para los receptores sncronos porque las estadsticas de ruido no permanecen gaussiana cuando se usa un detector de envolvente (vase la Fig. 10.5).

Figura 10.7: Curvas de tasa de error de bits para diferentes formatos de modulacin. Las lneas continuas y discontinuas corresponden a los casos de demodulacin sincrnico y asincrnico, respectivamente.La razn se puede entender a partir de la Ecuacin (10.3.4), que muestra la seal recibida por el circuito de decisin. En el caso de un receptor ideal ASK heterodino sin fase fluctuaciones, se puede ajustar a cero de manera que (subndice d se deja caer por la simplicidad de la notacin)

A pesar de que tanto y son variables aleatorias gaussianas, la densidad de probabilidad funcin (PDF) de I no es gaussiana. Se puede calcular mediante el uso de una tcnica estndar [38] y se encuentra para ser dado por [39]

Donde representa la funcin modificada de Bessel de primer tipo. Tanto y se supone que tienen un PDF Gaussiana con media cero y la misma desviacin estndar . Donde es la corriente de ruido RMS. El PDF dada por la ecuacin. (10.4.13) se conoce como la distribucin de arroz [39]. Tenga en cuenta que I vara en el rango de 0 a , ya que la salida de un detector de envolvente puede tener slo valores positivos. Cuando , la distribucin de arroz se reduce a la distribucin de Rayleigh, conocida en la ptica estadstica [38].El clculo BER sigue el anlisis de la Seccin 4.5.1 con la nica diferencia que la distribucin de arroz necesita ser utilizado en lugar de la distribucin gaussiana. El BER est dada por la Ecuacin (4.5.2) o por

Donde

La notacin es la misma que la de la Seccin 4.5.1. En particular, es el nivel de decisin y y son valores de para 1 y 0 bits. El ruido es el mismo para todos los bits (), ya que est dominada por el poder del oscilador local. Las integrales en ecuacin (10.4.15) se puede expresar en trminos de la funcin Q Marcum definida como [40]

El resultado para el BER es

El nivel de decisin se elige de tal manera que el BER es mnimo para valores dados de , y . Es difcil obtener una expresin analtica de bajo anestesia general de condiciones. Sin embargo, bajo condiciones tpicas de operacin, , y es bien aproximada por . La BER a continuacin, se convierte

Cuando el ruido del receptor est dominado por el disparo del ruido, la SNR est dada por la ecuacin. (10.1.14). Utilizando , obtenemos el resultado final

que debe compararse con la ecuacin (10.4.4) obtenido para el caso de sncrono ASK receptores heterodino. La ecuacin (10.4.19) se representa grficamente en la Fig. 10.7 con una lnea discontinua. Esto demuestra que el BER es mayor en el caso asncrono para el mismo valor de . Sin embargo, la diferencia es tan pequea que la sensibilidad del receptor con una BER de se degrada por slo aproximadamente 0,5 dB. Si suponemos que , ecuacin (10.4.19) muestra que BER = para (para el caso sincrnico). Receptores asncronos, por tanto, proporcionan un rendimiento comparable a la de los receptores sncronos y se utilizan a menudo en la prctica debido a su diseo ms simple.

10.4.5 Los receptores asncronos FSKAunque un receptor heterodino de un solo filtro se puede utilizar para FSK, tiene la desventaja de que la mitad de la potencia recibida es rechazada, lo que resulta en una sancin obvio 3-dB. Por esta razn, un receptor filtro FSK dual [ver Fig. 10.6 (a)] se emplea comnmente en la que 1 y 0 bits pasan a travs de filtros separados. La salida de dos detectores de envolvente se restan, y la seal resultante es utilizada por el circuito de decisin.Puesto que la corriente promedio toma valores y - para 1 y 0 bits, el umbral de decisin se encuentra en el centro (). Sea I y I 'ser las corrientes generadas en la parte superior e inferior.

Aqu falta lo tuyo omar

10.4.6 Receptores DPSK asncronoComo se mencion en la Seccin 10.2.2, demodulacin asincrnica no puede ser utilizado para PSK . Una variante de PSK, conocido como DPSK, puede ser demodulada por el uso de un Receptor asncrono DPSK [ver Fig. 10.6 (b)]. La corriente filtrada se divide en dos partes, y una parte se retrasa por exactamente un periodo de bit. El producto de dos corrientes contiene informacin acerca de la diferencia de fase entre los dos bits vecinos y se utiliza por la corriente de decisin para determinar el patrn de bits. El clculo BER es ms complicado para el caso DPSK porque la seal es formada por el producto de dos corrientes. El resultado final es, sin embargo, es bastante simple y dada por [11].

(10.4.26)Se puede obtener a partir del resultado FSK, Eq. (10.04.24), mediante el uso de un argumento sencillo que muestra que la seal demodulada DPSK corresponde al caso FSK si sustituimos I1 por 2I1 y por [13]. La figura 10.7 muestra la BER por una lnea de puntos (la curvaDPSK marcado). Para = 1, se obtiene un BER de para Np = 20. Por lo tanto, un DPSK receptor es ms sensible en 3 dB en comparacin tanto con ASK y FSK receptores. Mesa 10.2 listas de la BER y la sensibilidad del receptor para los tres esquemas de modulacin utilizado con demodulacin asincrnica. El lmite cuntico de un receptor de deteccin directa es tambin listado para la comparacin. La sensibilidad de un receptor DPSK asncrono es solamente 3 dB fuera de este lmite cuntico.

10.5 Sensibilidad Degradacin

El anlisis de sensibilidad de la seccin anterior asume las condiciones ideales de operacin para un sistema de ondas de luz coherente con componentes perfectos. Muchos mecanismos fsicos degradar la sensibilidad del receptor en sistemas coherentes prcticos; entre ellos se encuentran en fase ruido, ruido de intensidad, desadaptacin de polarizacin y dispersin de fibras. En esta seccin discutir los mecanismos de la sensibilidad de degradacin y las tcnicas utilizadas para mejorar el rendimiento con un diseo adecuado receptor.

498 CAPTULO 10. SISTEMAS LIGHTWAVE COHERENTES

10.5.1 Fase de ruido

Una fuente importante de degradacin de la sensibilidad en los sistemas de ondas de luz coherente es el ruido de fase asociado con el lser transmisor y el oscilador local. La razn puede entenderse a partir de las Eqs. (10.1.5) y (10.1.7), que muestran la corriente generada en el fotodetector para homodinos y heterodinas receptores, respectivamente. En ambos casos, las fluctuaciones de fase conducen a fluctuaciones de corriente y degradan la SNR. Ambos fase de la seal y la fase local del oscilador debe permanecer relativamente estable a evitar la degradacin de la sensibilidad. Una medida de la duracin durante la cual la fase laser sigue siendo relativamente estable es proporcionada por el tiempo de coherencia. A medida que el tiempo de coherencia est inversamente relacionada con el lser de anchura de lnea , es comn el uso de la anchura de lnea-Tobit proporcin de la tasa, / B, para caracterizar los efectos del ruido de fase en el desempeo de sistemas de ondas de luz coherente. Dado que ambos y fluctan de manera independiente, es en realidad la suma de la T anchuras de lnea y LO asociado con el transmisor y el oscilador local, respectivamente. La cantidad = T + LO es a menudo llamado el SI grosor de lnea.

Se ha prestado considerable atencin a calcular la BER en presencia de fase ruido y para estimar la dependencia de la pena de alimentacin de la relacin / B [41] - [55]. El valor tolerable de /B para los que la pena de poder sigue siendo inferior a 1 dB depende en el formato de modulacin, as como en la tcnica de demodulacin. En general, los requisitos de ancho de lnea son ms estrictas para los receptores homodinos. Aunque el tolerable anchura de lnea depende en cierta medida en el diseo de bucle de enganche de fase, tpicamente /B debe ser