הודעות סיבים אופטיים יוצרות את עמוד השדרה של רשתות נתונים גלובליות, המאפשר שידור מהיר, למרחקים ארוכים של מידע. בין טכניקות מודולציה שונות המועסקות במערכות אלה, שלב מודולציה בולטת יעילות ספקטרלית גבוהה שלה ועוצמה נגד רעש. מאמר זה מכסה את עקרונות של שלב ויישומים שלה ברשתות תקשורת אופטיות מודרניות, המציע סקירה מקיפה עבור מהנדסים וחוקרים.

עקרונות של שלב ה- Modulation

מושג בסיסי ותיאוריה

שלב מודולציה (PM) מקודמת מידע על ידי שינוי השלב של גל נושא אופטי בהתאם לאות הנתונים.בניגוד למודולציה אמפולודה (AM) או מודולציה תדירות (FM), ראש הממשלה משנה את השלב המיידי של גל האור תוך שמירה על קבוע amplitude שלה. הנכס הזה הופך את ראש הממשלה פחות רגישים לרעש מפוסל ולא לינארי עיוותים כי סיבים אופטיים, כגון מודציה עצמית ופסציה עצמית.

השלב של נושא אופטי ניתן לבטא כ- ⁇ (t) = 2 ⁇ f0t + ⁇ (t), שבו f0 הוא תדירות המוביל ו ⁇ (t) הוא השינוי של שלב הזמן המוצג על ידי האות המנוי של שינוי שלב משתנה. במערכות שינוי דיגיטליות, ⁇ (t) לוקח על ערכים דיסקרטיים המתאימים לפיסות הנתונים.

היעילות הספקטרוםית של פורמט מודולציה נקבעת על ידי כמה ביטים ניתן להעביר לשנייה עבור הרץ של רוחב פס.שלב פורמטים שלב מודולציה להשיג יעילות ספקטרלית גבוהה כי הם משתמשים במימד של המוביל האופטי, אשר הוא אוטגוני עד שלב אמפודה. על ידי שילוב שלב עם amplitude, פורמטים כגון quadrature ampude Modulation (Q) יכול לקוד כמה מדויק, לחץ על ידי שיפור של תפקודים / ספקטרום.

פורמטים של Key Modulation

(FLT:0) שלב ההפניה (BPSK) ההרחבה הראשונה היא הצורה הפשוטה ביותר של שלב מודולציה, שבו שתי מדינות שלב (0° ו-180°) מייצגות את "0" ו"1" BPSK מציע רגישות מצוינת, עם רגישות תיאורטית של 10-12 bit Error Rate (ב) ביחס אות-לא-קוד (NRS) של בערך 12B) הופך לפשוט יותר לדרגה אחת בלבד, אך ורק לדרגה אחת של פשטות גבוהה יותר.

(FLT:0)Quadrature שלב Shift Keying (QPSK)FLT) 1 מקודמת שני ביטים לסמל באמצעות ארבע מדינות שלב (0°, 90°, 180° ו 270°) QPSK מכפיל את היעילות הקיטובת בהשוואה ל- BDP בלבד (מחייב רק מעט יותר SNR (כ-15B עבור אותה TER) הוא מאומצ באופן נרחב במערכות אופטיות מודרניות עבור 2 מעלות צלזיוס (G) ו- 100 מעלות צלזיוס (G) עבור תקן של סטנדרט של תואמים (CERCEROC) עבור תקן CERCEROCEROCEROCEROCEROCEROL (ראו את תקן עבור תואמים עבור תואמים את תקן של 100 תואמים את תקן CEROD) עבור , כולל תקן CEROCERODUODU CERODU (ראו תקן CERODU) עבור , כולל תקן CERODU (ראו את תקן CERODUODU CERODUODUODU (ראו תקן CERODU) עבור תצורה של קונסולת תקן CERODU CERODU (

(FLT:0 (DPSK)FLT) 1 מנבא מידע בשלב ההבדל בין סמלים רצופים ולא שלב מוחלט. גישה זו מפחיתה את ההשפעה של רעש שלב המוצג על ידי מקור לייזר וסימולציות של עיצוב מקלט, שכן היא מבטלת את הצורך בשלב מקומי של אוסטרציה DPSK הוא נפוץ ביישומים ארוכי טווח שבו ניתן להחזיר צוללת (R) PSK (D2DF) נוסף, כלומר, סימולציה של מערכת לייזר (ALT-Ap) סימולציה מקומית (DV).

פורמטים גבוהים יותר כגון 8-PSK, 16-QAM, ו-64-QAM משתמשים בשני השלבים ומודולציה אמפולנית כדי לקודש שלושה, ארבעה, או שישה סיביות לסמל, בהתאמה. פורמטים אלה מגבירים את היעילות הספקטרוםית אך דורשים SNR גבוה יותר והם רגישים יותר ללקות כמו רעשי שלב לייזר וסיבים שאינם לינאריות.

שלב רעש והשפעה

רעש שלב נובע ממקורות שונים, כולל לייזר קונדידה, אפקטים לא ליניאריים בסיבים (כגון מתודולוגיה עצמית ומודולציה צולבת), ותנודות תרמיות. במערכות שלב, רעש בשלב יכול להפיג את ה- BER על ידי גרימת הדבקה סמל.לדוגמה, QPSK, תנודות שלב אקראיות יכולות לשנות את הסמל המתקבל מעבר להחלטת הגבול, המוביל שגיאות.

מערכות זיהוי קוהרנטי מעסיקות עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) אלגוריתמים לפצות על רעש בשלב.אלגוריתם Viterbi-Viterbi הוא טכניקה נפוצה עבור QPSK, שבו הכוח הרביעי של האות המתקבל מסיר את המודולציה ומוציא את השגיאה בשלב. עבור פורמטים מסדר 32 גבוה, חיפוש עיוור (BPS) או אלגוריתמים דמויי מקסימום משמשים.

המונחים: Optical Fiber Systems

המונחים: Phase Modulators and Coherent Detectors

Modulation שלב דורש שליטה מדויקת של השלב האופטי. Lithium niobate (LiNbO3) Mach-Zehnder Modulators הם בשימוש נפוץ, שכן הם יכולים להציג שינויים שלב באמצעות אפקט אלקטרו-אופטימי. A יחיד מאך-Zehnder Modulator יכול לייצר אותות BPSK על ידי יישום מתח כי השלבים בין 0 ° ו- 180 מעלות צלזיוס.

גילוי קוהרנטי הוא חיוני לשחזור מידע שלב.ב המקלט קוהרנטי, האות הנכנס מעורב עם לייזר אוסטר המקומי (LO) באמצעות לייזר היברידי (בדרך כלל 2x4 או 90 מעלות היברידית) האות הפעום מזוהה על ידי photodetectors מאוזנת, אשר להמיר את השדה האופטי לתוך זרמים חשמליים המייצגים את רכיבי I ו- Q.זה אלה הם אז דיגיטציה על ידי אנלוגיים גבוהה עבור מהפך DD-DDDDDDDD-DDDDDDDD-DDDDD.

טכניקות לזיהוי

Homodyne זיהוי משתמש בירידה באותו תדר כמו האות, הדורש לולאות שננעלו בשלב עבור סינכרון. גישה זו מציעה את הרגישות הגבוהה ביותר אבל מאתגר ליישם בשל דרישות מנעול שלב קפדניות. Heterodyne משתמש בירידה בתדירות מעט שונה, מה שמעביר את האות לתדירות ביניים (IF) לעיבוד קל יותר.IF הוא בדרך כלל בטווח הג'יגה-הרץ, המאפשר שימוש אלקטרוניקה נמוך יותר.

זיהוי Intradyne הוא גישה מודרנית שבו תדירות LO קרוב אבל לא בדיוק נעול האות. שלב התאוששות מבוצעת לחלוטין בתחום הדיגיטלי, חיסול הצורך בשלב אנלוגי נעילה. זיהוי intradyne הפך לסטנדרט במערכות מעשיות בשל הגמישות והסובלנות שלו לרעש שלב.ברוב המסחרי 100G ו -400Gherent מודולים בשימוש intradyne עם זיהוי DSP עבור שלב imation.

עיבוד אותות דיגיטליים ל- שלב התאוששות

DSP ממלא תפקיד קריטי במערכות של שלב מודרניות.לאחר גילוי קוהרנטי, ADCs מדגימות את האותות I ו- Q בשיעורים של 64 GSa/s או גבוה יותר עבור 400 מערכות Gbps. DSP ואז לבצע מספר משימות: פיצוי פיזור chromatic (באמצעות מסננים תגובה סופיים או מיפוי תדירות שווה ערך), מסובכות (באמצעות אלגוריתם קבוע או החלטה מונחה לפחות).

בלוק שלב המוביל (CPE) חיוני לשיקום שלב.עבור QPSK, אלגוריתם Viterbi-Viterbi מעלה את האות לכוח הרביעי כדי להסיר את המודולציה, ולאחר מכן מעריך את השגיאה בשלב של הזווית של הסכום המצטבר.עבור סדר גבוה יותר QAM, חיפוש עיוור (BPS) בדיקות סט של שלב בדיקות ובחירת אחד כי מצמצם את המרחק לשיטות למידה הקרובות ביותר.

המונחים: Phase Modulation

משיכת נתונים גבוהה עם DWDM

המלצות שלב הן חלק בלתי נפרד מחטיבת גלי גל צפופה (DWDM) מערכות, שבו אורכי גל מרובים ארוזים בקפידה (למשל, 50 GHz ספאcing) כדי למקסם את דרךput. QPSK ופורמטים מסדר גבוה יותר (למשל, 16-QAM עם שלב 2 ו- Ampude Modulation Modulation) מאפשרות לכל ערוץ לשאת יותר מערכות מסחריות עכשיו 800bps ו-iFkp) באמצעות ממשק GAM-D (לדוגמה, כולל CX-GX-D) עם 2.

ברשתות אופטיות מרובות-terabit, שלב מודולציה מאפשר יעילות ספקטרלית העולה על 4 ביטים / הרץ / הרץ בשילוב עם תיקון מתקדם ערוץ קידוד ושגיאה קדימה (FEC) לדוגמה, 1.6 Tbps קישור באמצעות DP-64-QAM עם 75 GHz ספאקינג יכול להשיג יעילות ספקטרום של 10.67 ביטים / , תמיכה בנתונים מסיביים מתחת למערכות כבל .

תקשורת ממושכת ותחתית

העוצמה של שלב מודולציה נגד אי-לינאריות ורעש הופכת אותו אידיאלי עבור קישורים למרחקים ארוכים, כולל כבלים transoceanic. Systems באמצעות DPSK או QPSK עם תיקון שגיאות קדימה (FEC) יכול להשיג מרחקים מעל 10,000 קילומטרים ללא חידוש. לדוגמה, מערכת כבל צוללת MAREA משתמשת בטכניקות של שלב קוהרנטי לספק 200 Gbps לכל אורך של 6,600 ק"מ.

שלב המודולציה גם מאפשרת ארכיטקטורות רשת גמישות שבו שיעורי אחסון ערוצים ונתונים יכולים להתאים באופן דינמי. גמישות זו היא קריטית עבור רשתות תת-קרקעיות עתידיות שחייבות לשאת דרישות תנועה גוברות לאורך עשרות שנים. השימוש ב- פיקסלים עם שלב הגדלה הגיע עד 30-40% בפריסה מסוימת.

התפלגות מפתח קוונטית (QKD)

שלב המודולציה היא טכניקה בסיסית בהתפלגות מפתח קוונטית, במיוחד בפרוטוקולים כמו BB84 וגרסאותיה של המדינה דה-קוי. על ידי ⁇ קוונטית bits בשלב של הדופק חלש (עם ממוצע של 0.1-1 photons per הדופק), QKD מספק אבטחה בהתבסס על חוקי מכניקת QKD מבוססת שלב זה כבר הוצבו ברשתות פוליסטיות עבור תקשורת מאובטחת כגון שלב 1D) QLT (D) על בסיס זה (D) על בסיס חוק QKKKKKKKKKKKD).

ב QKD, מודטורים שלב משמשים להכנת מדינות קוונטיות עם שלבים אקראיים. המקלט של בוב משתמש במטר ביניים כדי למדוד הבדלים בשלב.הביטחון מבוסס על העובדה שכל ניסיון חסימה מציג הפרעות ניתנות לזיהוי בסטטיסטיקות שלב. מעשי QKD מערכות להשיג שיעורי מפתח של כמה Mbps על פני מרחקים של עד 100 ק"מ באמצעות שלב.

עיבוד אותות אופטיים

ברשתות אופטיות, שלב מודולציה משמשת עבור כל שינוי אופטי, המרת גל אורכי, והדבקה בשלב.לדוגמה, מגברי שלב רגישים (PSAs) יכולים להגביר אותות ללא הוספת רעש משמעותי, שיפור וקיבולת. PSAs לנצל את הרווח התלת-שלב של תהליכים parametric בסיבים לא לינאריים או גלים.

שלב המודולציה גם מאפשרת התחדשות אופטית באמצעות ארבעה גלים ערבוב (FWM) תהליכים. על ידי ערבוב אות נתונים עם גל משאבה, את המודולציה שלב ניתן להעביר לאורכי גל חדש או לנקות כדי להסיר רעש.טכניקות אלה הן תחומי מחקר פעיל עבור רשתות אופטיות שקופות בעתיד.

כיוונים עתידיים והתקדמות

פורמטים של הזמנה גבוהה יותר

הביקוש לשיעורי נתונים גבוהים יותר מניע את אימוץ פורמטים גבוהים יותר כגון 64-QAM ו 256-QAM, המשלבים שלב ומודולציה אמפירית. פורמטים אלה דורשים יחס גבוה יותר של אות (SNR) והם רגישים יותר לתקלות. קולטי קוהרנטי עם DSP מתקדם יכול להקטין את האתגרים הללו, המאפשרים ספקטרום רחב יותר של ספקטרום מעבר ל -10 / 256 / 256, אבל יכול להשתמש בסמלים מתקדמים.

עיצוב פרוביביליסטי הוא טכניקה שבה נקודות הקונסטלציה משמשים עם התחייבויות שאינן חד-מיניות כדי לגשת ליכולת שאנון של שאנון. שיטה זו יכולה להיות מיושם על פורמטים של שלב כדי לשפר את ההגעה או היכולת. לדוגמה, בצורת פרובבילייסטנית 64-QAM הוכח להגדיל את ההגעה עד 20-30% בהשוואה ל-64-QAM אחיד.

Machine Learning and Fitive Phase Recovery

טכניקות למידת מכונות, כגון רשתות עצביות, נחקרות על שחזור שלב הסתגלות ותגמול לא לינאריות. שיטות אלה יכולות להתאים באופן דינמי הגדרות מקלט בתגובה לשינוי תנאי ערוץ, שיפור ביצועים ברשתות מורכבות.מחקר הראה כי רשתות עצביות עמוקות יכולות להעריך רעש בשלב מדויק יותר מאשר אלגוריתמים מסורתיים, במיוחד בנוכחותם של לא לינאריות מאפקטי סיבים.

התאוששות שלב הסתגלות באמצעות למידת מכונה גם מאפשרת פיצוי בזמן אמת של רעש שלב לייזר והפרעות אקוסטיות בקישורים ארוכי טווח.יכולת זו קריטית עבור מערכות עתידיות באמצעות פורמטים של שינוי סדר גבוה עם שיעורי סמל גבוה.

מסקנה

שלב המודולציה נותרה אבן הפינה של תקשורת סיבים אופטיים, המאפשרת יכולת גבוהה, מרחק ארוך, ומאובטח העברת נתונים.מ- BPSK בסיסי מערכות קוהרנטיות מתקדמות עם DSP ולמידה מכונה, שלב המודולציה ממשיך להתפתח. כמו רשתות לדחוף לעבר מהירויות של terabit-per-II וקישורים מאובטחים קוונטיים, טכניקות שלברון יהיו חיוניות עבור דרישות מפגש עתידיות וחוקרים חייבים להישאר התפתחויות אופטיות של מערכות עיצוב יעילות אלה.