تأثير نماذج البيانات التعريفية على خيارات الاستلام الضوئية

وقد أصبحت نظم الاتصالات البصرية العمود الفقري لنقل البيانات العالمية، حيث تنقل كل شيء من حركة الإنترنت إلى بيانات التجارة العالية التردد، ويكمن جوهر هذه النظم في اتخاذ قرار تصميمي حاسم: اختيار نموذج الإشارة، ولا يوجد هذا الاختيار في عزلة؛ وهو يملي مباشرة على هيكل جهاز الاستقبال البصري وتعقيده وتكلفته وأدائه.

النماذج الأساسية للتعديلات في الاتصالات البصرية

ويمكن تصنيف أشكال التعديل على نطاق واسع بكيفية إدراج البيانات في الاشارات البصرية؛ أو السعة أو المرحلة أو كليهما؛ ويتوقف الاختيار الصحيح على التبادل المرغوب بين الكفاءة الطيفية (التحويلات لكل ثانية لكل هرتز)، والنسبة الضوئية من الإشارة إلى الاشارات، والتسامح إزاء العاهات الألياف، والتعقيدات التي تكتسب.

فيلوف كيينغ (OOK)

OOK is the simplest optical modulation format, representing a logical 'ldquoDR; photordquo; with light present and a logical 'ldquo; 0rdquo; with light absent, it is used extensively in legacy systems and short--reachs. OOK requires only a directly modulated laser (DML) or an external machZnder photodulator

Differential Phase Shift Keying (DPSK)

وتورد إدارة الدعم الميداني بيانات في المرحلة الفاصلة بين الرموز المتتالية: " ألتكو؛ ووردكو؛ و " عندما لا يحدث تغيير في المرحلة، و " ثلج " ؛ و " عندما تتغير المرحلة حسب المعدل " أو " الاختلاف " ، تقدم إدارة الدعم الميداني تحسيناً في حساسية أجهزة الاستلام على OOK بنفس معدل الخطأ، لأن القرار يُلغي على أساس الاختلاف في المرحلة.

Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) and Polarization —Division Multiplexed QPSK (PDM -QPSK)

(ب) أن يُسترجع كمية قدرها 2 درجة مئوية/متر، وأن يُسترجع كل منها ثلاث مرات (بدرجة صفر، و90 درجة، و270 درجة) ويحقق في حد ذاته كفاءة عرضية تبلغ 2 درجة مئوية/متر، وأن الاختراق الحقيقي هو وجود تعددية في الشُعب، حيث تُنقل إشارات مرجعية مستقلة إلى دول الاستقطاب أو الاكتشاف.

تعديل النطاق

ويورد نظام تقييم الجودة بيانات في كلا النطاقين وفي المرحلة الثانية. وينقل 16 إلى مستوى الجودة 4 أجزاء من الرمز (قطعتان في كل من خطي I وQ) بينما يُنقل 64 إلى درجة أعلى من الرمز، ويعرضان كفاءة الطيف 4 b/s/Hz و6 b/s/Hz على التوالي.

مقارنة نماذج المواصفات

ويوجز الجدول التالي (المفهوم) المبادلات الرئيسية عبر الأشكال المشتركة:

  • OK:] Lowest spectral efficiency (~0.8 b/s/Hz), lowest complexity, direct detection, poor dispersion tolerance.
  • DPSK:] Spectral efficiency ~1 b/s/Hz, moderate complexity (DLI + balanced PD), 3 dB sensitivity gain over OOK, better nonlinear tolerance.
  • QPSK (single pol.): ] 2 b/s/Hz, coherent detection required, good OSNR tolerance for long haul.
  • PDM‐QPSK:] 4 b/s/Hz, standard for 100G, requires full coherent receiver with DSP.
  • PDM‐16QAM:] 8 b/s/Hz, used for 200/400G, requires higher OSNR, more complex DSP, higher ADC resolution.
  • PDM —64QAM:] 12 b/s/Hz, used for short--reach and metro applications with strong DSP and forward error correction, narrow linewidth lasers.

How Modulation Choice Drives Receiver Architecture

ويمكن تقسيم هيكل أجهزة الاستلام إلى أسرتين عريضتين: الكشف المباشر والكشف المتماسك، ويحدد شكل العزل ما هي الأسرة التي يمكن استخدامها، وفي حدود ذلك، العناصر الفرعية المحددة اللازمة.

جهاز استقبال كشف مباشر

أما أجهزة الاستلام المباشر فهي أبسط وأرخص، وهي تتألف من جهاز تصويري (PIN أو جهاز تصويري بالأشعة الفلكية، وجهاز AD) الذي يحول الطاقة البصرية للحادث مباشرة إلى صورة فوكرنتية، وهذا النهج يعمل جيداً على أشكال مصممة على كثافة الجسم مثل نظام OOK، ويمكن أيضاً استخدامه لإدارة المعلومات عند اقترانه بمسدس للكشف عن المقطع.

اختيارات محرري الصور في كشف مباشر

وتعطي أجهزة التصوير الضوئي التابعة للشبكة تكاليف منخفضة، وخطية عالية، ووسائد واسعة النطاق، ولكن حساسية محدودة، وتوفر أقراص الدمج مكاسب داخلية (تعقيد) تحسن الحساسية بمقدار 5-10 دائب على حساب الضوضاء المرتفعة (عامل الضوضاء) ومتوسط النطاق الترددي الأدنى.() وكثيرا ما تستخدم أجهزة الدمج الرقمية في توسيع نطاقها.()

متلقي كشف متماسك

ويسترد الكشف المتسق كامل المجال الكهربائي للإشارة البصرية - الكمود، المرحلة، الاستقطاب - عن طريق خلط الإشارة الواردة بليزر من طراز أوسيلات محلية، مما يتيح استخدام أشكال التعبئة المتطورة والضخمة (QPSK, QAM, etc.) ويتيح التعويض الرقمي عن الاضطرابات في الألياف، ويتألف جهاز الاستقبال المتماسك من عدة لبنات رئيسية:

  • Local Oscillator (LO): ] A narrowlinewidth laser that provides a reference for coherent mixing. The LO frequency is typically within a few hundred MHz of the signal carrier. For higherorder QAM, linewidth requirements become stricter (e.g., < 100 kHz for 64-QAM).
  • 90° Optical Hybrid:] A passive tool that divides the incoming signal and LO into four optical fields with phase differences of 0°, 90°, 180°, and 270°, effectively extracting the I and Q components for both polarizations.
  • Balanced Photodetectors:] Four balanced PD couples (eight photodiodes total in a polarization —diverse receiver) convert the optical outputs of the hybrid into electrical signals. Balanced detection abolishs common‐mode intensity noise from the LO and improves receiver sensitivity.
  • Analog - — — — —Digital Converters (ADCs):] The four electrical outputs (XI, XQ, YI, YQ) are sampled by high-speed ADCs. For 64.-Gbaud signals (common in 400G/800G), ADCs must sample at rates exceeding 90 GSa/s with 68
  • Digital Signal Processor (DSP): ] An ASIC or FPGA that performs chromatic dispersion compensation, PMD compensation, frequency compensate estimation, carrier phase recovery, symbol detection, and forward error correction decoding.

DSP Functions Driven by Modulation Format

أما الشكل المعدَّل فيملّ على تطور نظام إدارة الدعم الميداني، وبالنسبة لشبكة الخدمات الإدارية، يمكن أن تستخدم وزارة الصحة العامة حلقات بسيطة غير مُوجَّهة من حيث القرار لاسترداد الناقل، وبالنسبة لـ 16 منطقة من مناطق الجودة، فإن المقاييس الأعمى الأكثر قوة مثل المقياس المائي المستمر للتغيرات العالية، والمعدلات التراكمية للضوضاء على الازدواج، والانتعاش التدريجي الأدنى للصوت.

اعتبارات التجارة والتصميم

ويتطلب اختيار التركيبة الصحيحة من شكل تعديل وهيكل أجهزة الاستلام تحقيق التوازن بين عدة عوامل متنافسة:

الحساسية ضد التعقيد

ويحسن الانتقال من مكتب العمليات الميدانية إلى إدارة عمليات حفظ السلام الحساسية بمقدار 3 بروميد الميثيل بتكلفة التأجيل في المقاييس والكشف المتوازن، إذ يمكن الانتقال من إدارة عمليات حفظ السلام إلى شركة QPSK (الآلية المشتركة) أن يحسن الحساسية من جانب 3 ميغاواط أخرى، ولكن يضيف تعقيدا هائلا (يحصل على أربعة محررات غير متوازنة، وأجهزة تحديد التعريفات، وأجهزة قياس ذات تكلفة أعلى).

الكفاءة الحشرية ضد التسامح

(ب) الكفاءة في النطق هي مقياس رئيسي لنظم التكثيف الموجي للأجهزة المتعددة للأجهزة، ويمكن لمشغلي النظام أن يحزموا 12 ب/س/هرتز، ولكنهم يحتاجون إلى جهاز OSNR من حوالي 20 درناً (لنسبة 6 في المائة من رأسها العام) مقارنة بـ 12 درناً لمشغلي النظام المزودين بمقياس أعلى للقدرات في كل منطقة.

استهلاك السلطة

ويستهلك المتلقين المتماسكون وعامل دعمهم لنظام إدارة الدعم الميداني قوة كبيرة، إذ يمكن أن تسحب وحدة متماسكة من طراز A400G (مثل CFP2 -DCO) 1220 W، حيث تبلغ نسبة المساهمين في نظام الأفضلية العامة 60-70 في المائة، ويحتاج قرار اللجنة الإنمائية للجنوب الأفريقي ومعدل العينات إلى درجة أعلى من حيث الحجم إلى أعلى من مستوى التراكم، وبالتالي إلى مزيد من المساحة المتطورة والكهربية.

التكلفة والتكامل

ويمكن إدماج أجهزة استقبال الكشف المباشر في شريحة واحدة (PD+TIA) - يحتاج المتلقين المتسقون إلى عناصر بصرية متعددة (LO ليزر، هجين، أربعة دي دي دي بي دي متوازنة)، كثيرا ما يتم تجميعها في جهاز استقبال متماسك شبه بصري (C-ROSA) ويمكن أن تبلغ تكلفة الليزر وحده عدة مئات من الدولارات، غير أن الوصلات الضوئية (النسخ الضوئية أو البرمجيات المتماسكة).

نماذج متقدمة للتعديلات لنظم التوليد المقبلة

وقد أدى الطلب المتكرر على معدلات البيانات المرتفعة إلى حفز وضع أشكال متطورة للتعديلات تضغط على حدود تصميم أجهزة الاستلام.

PDM —QPSK for 100G/200G

ولا تزال شركة PDM-QPSK هي مجموعة العمل للنقل الطويل الأجل 100G، حيث إن قوتها في الضوضاء وعدم الخط، إلى جانب التكنولوجيا المتماسكة النضج، تجعل من الاختيار الآمن للنظم الغواصة والأرضية، وبالنسبة لـ 200G، فإن PDM -16QAM شائع، إذ تخفض معدل القدّم (32 Gbaud vs 64 Gbaud) للحفاظ على الوصول.

Probabilistic Constellation Shaping (PCS)

وشبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية هي تقنية ناشئة تشكل توزيع نقاط التجميع لتقارب التوزيع الغوسي وتحسين التسامح غير الخطي وهامش البرمجيات الحرة والمفتوحة المصدرية لمعدل بيانات معين، حيث يجري نشر هذه المركبات في 400G/800G بواسطة كابلات غومار، ويجب على جهاز الاستقبال أن يدعم نظام المعلومات الإدارية الذي يتناول عمليات التبديل المتغيرة والمرونة الخارجية التي تتطلب عادة.

عالية الجودة للربط بين المناطق القصيرة

وفي شبكات مراكز البيانات والشبكات المتروية، تكون المسافات قصيرة بما يكفي للسماح بتحقيق كفاءة عالية جداً في مجال الطيف. ويجري التحقيق في 64 ميغاواط وحتى 256 ميغاواط بالنسبة لـ 1.6 تيرا/ق وما بعده، وتطالب هذه الأشكال بأجهزة إرسال وأجهزة استقبال ذات خط رفيع، وأجهزة مقاومة منخفضة الحساسية، ونظام إدارة المعلومات الإدارية القوي الذي يمكن أن يدير ضوضاء المرحلة وزقات الدورة.

الاعتبارات العملية في تصميم أجهزة الاستلام البصرية

بالإضافة إلى ميزانية الرابط النظري، يتضمن تصميم أجهزة استقبال العالم الحقيقي العديد من الحلول التوفيقية الهندسية.

تكنولوجيات مبيدات الآفات

وبالنسبة للكشف المباشر، فإن كلا من نظامي PIN و APD التصويري متاحان، وتوفر أقراص البيانات الرقمية درجة عالية من الحساسية، ولكنها محدودة من نطاق التردد (التي تسمى < 30 GHz) والضوضاء الزائد، ولاكتشاف متماسك، يجب أن تعمل أجهزة التصوير الضوئي في نظام خطي ذي عرضية عالية (الموقع الشبكي 40 GHz بالنسبة إلى 64 Gbaud) وضوء التيار المظلم.

الاحتياجات من السلع الأساسية

أما فيما يتعلق بـ 64 من طراز Gbaud PDM -16QAM، فإن شركة ADC يجب أن تُعين في 80-90 من فئة الخدمات العامة/الأجهزة التي تبلغ 5.5 على الأقل في نييكيست، وتُوزع الطاقة في هذه البلدان يبلغ من بين 1 إلى 2 من وزن القناة، حيث تتقلص عمليات أجهزة إدارة المواد الكيميائية (7 م، 5 م) وترتفع معدلات العينات مع انخفاض مستوى النسق، مما يتيح إمكانية الحصول على وحدات متماسكة.

DSP ASIC vs. FPGA

وفي حين تستخدم النماذج الأولية المتماسكة المبكرة نماذج FPGAs، تستخدم نظم الإنتاج أجهزة قياس قياسية ذاتية الدفع الرباعي ذات الصلصة لتحقيق أوامر الارتفاع الأقل لكل نوع من أنواع الطاقة، فإن وظيفة نظام إدارة الدعم الميداني - بما في ذلك التعويض عن التشت، واسترداد التوقيت، واسترداد الناقل، والكهرباء الكهربائية - هي عادة ثابتة بالنسبة لشكل معاد للتعديلات، وبعض التصميمات الجديدة تدعم المرونة المتعددة الأشكال، مما يتيح للمتلقي نفسه تجهيز نظام تبادل البيانات الرباعية، وهو 16QPSK، أو 64 كيلو مترا.

Environmental Robustness

وتتطلب أجهزة استقبال متجانسة مراقبة ثابتة لدرجات الحرارة بالنسبة للليزر المحتوي على درجة حرارة عالية والهجين، وفي عمليات النشر في الهواء الطلق أو عن بعد، تمثل الإدارة الحرارية تحديا كبيرا في التصميم، وتزداد أجهزة الاستلام المباشرة قوة لتباين درجات الحرارة، مما يجعلها جذابة بالنسبة لتطبيقات النباتات الخارجية.

خاتمة

ويُقال إنَّ صيغَةَ فرز الإشارات هي أكثر العوامل تأثيراً في تصميم أجهزة الاستقبال الضوئية، إذ إنَّ أشكالاً بسيطة من الشدة مثل نظام " أوك " تتيح أجهزة استقبال مباشرة منخفضة التكلفة ومجدية ومناسبة للوصلات القصيرة المدى، ومع تزايد معدلات البيانات والمسافات، وقلة القدرة على التلقين مثل نظام رصد الأداء وتقييم الأداء (DAM) أصبحت في نهاية المطاف مُعقَّدة.

For further reading, see Wikipedia on Quadrature Amplitude Modulation, Coherent Optical Receiver, and ]Phase —Shift Keying.