Giriş: Coherent Optik İletişiminde Faz Rolü
Coherent optik iletişim sistemleri modern yüksek hızlı veri ağlarının arka kemiği haline geldi, ışıktan yüzlerce gigabits aktarma oranlarına izin veriyor. Ancak, bu sistemlerin performansı, belirli bir sinyal ve alıcının yerel osilatör arasındaki doğrulanma oranını inceleme yeteneğidir.
Coherent Systems'de Fazın Temelleri
Bir koherent optik alıcıda, gelen optik sinyal, 90° optik hibrit kullanarak yerel osilatör lazer ile karıştırılır. Bu, in-faydayı temsil eden dört elektrik sinyali (I) ve dörtlü (Q) her iki kutuplaşmanın bileşenleri ile karıştırılır.
[Dönemli: 1)[Dönemli) [Dönemli) [Dönemli) [8][Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler[Üye Olmayanlar İçindekiler)
[Üye Olmayanlar İçindekiler[Üye Olmayanlar İçindekiler)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler)[Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçindekiler)
Faz Mismatch Sebepleri
Faz yanlış kis, çok fazla fiziksel fenomenden kaynaklanır, ki bu, lazer kaynaklı etkilere, çevresel perturbasyonlara ve sistem tasarım kısıtlamalarına geniş ölçüde kategorize edilebilir.
Lazer faz gürültü ve Frekans Drifts
Her lazer, spontan emisyon olaylarından dolayı faz gürültülerini gösterir, hem de lazer çizgi genişliği ile karakterize edilen rastgele faz dalgalanmalarına neden olur.Genel dışsal lazerler (ECL) eş zamanlı sistemlerde kullanılan hat genişliği 100 kHz'den birkaç kHz'ye kadar uzanır.
Fiber ve Stres Fiber Variations in the Fiber
Optik fiber sıcaklık değişiklikleri ve mekanik strese duyarlıdır. 5-10°C'nin refraktif indeksi, birkaç dalga ile değişmek için optik yol uzunluğuna neden olabilir (Dönetici:0)-5) standart tek mod fiber için °C'ye yük sağlar. uzun mesafeli fazları etkileyen değişiklikler.
Fiber Nonlinearities
Yüksek başlangıç güçlerinde Kerr etkisi, veri kalıbı ve stoklama, SPM; çoklu modulation, XPM) ve dört dalgalı karıştırma (FWM) ile değişen modern sistemlerde yanlışlık haline gelebilir.
Bitirme Imperfections
Optik hibritler, modülörler ve fotodetektörler tüm statik veya dinamik faz dengelerini ortaya koyarlar. Örneğin, iki kol arasındaki faz gecikmesinde 90° hibrit, sabit bir faz dengesine sahiptir ().0)
Sistem Performansına Sayısal Etki
Faz yanlış kirenin ciddiyeti, modülasyon formatına, baud oranına ve bozulmanın özelliklerine bağlıdır. Anahtar ölçümleri analiz ediyoruz.
Bit Error Rate Degradasyon
Belirli bir modulation için, teorik BER, Euclidean mesafe takımyıldızı arasında puanlar arasında elde edilen takımyıldızı karar sınırlarına göre döndürür. M-PSK için, sabit bir faz hatası (M-PSK) yaklaşık olarak:0.))[Döndergiler tüm sembolleri aynı açıyla döndürür.
[FONT:0] ⁇ erfc ( √(E[DÜT:1)[DÜDÜ:2)[DÜDÜDÜye Olmayanlar[Üye Olmayanlar)[Üye/M)
Ancak, bir faz hatası ile 0:0) {{[Dönetici: 1][Dönemli bir hata, doğru karar bölgesinden gelen etkili mesafe, SER. For M-QAM için, etki daha karmaşıktır çünkü her iki kat daha da basit ve basit bir şekildedir: 2-3 ° RMS’nin geçici bir aşaması, gerekli optik sinyal-to-noise oranına (OSNR) 0,8-QAM için 0,5'in (% 10.
Signal-to-Noise Oran Azaltımı
Faz yanlış bir şekilde, taşıyıcı kurtarmadan sonra faz gürültülerini genişletir, SNR'yi etkili bir şekilde azaltır.[Dörtüncü derecelik kurtarmadan sonra bir örnek alır).[Dönemli bir aşama hatasına sahip):0.[DÜcretsizce)[DÜye Olmayanlar için [Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Düzerdedir.
[FONT:0) ⁇ ⁇ (10 log10 (1 – ⁇ )[FLT: 4 )[FLT: 4 )
[FONT:0] ⁇ [DÜDÜT:2][Üye Olmayanlar[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.)[Üye Olmayanlar İçindekiler, [DÜye Olmayanlar İçindekiler İçindekiler)
Yüksek-Order Modulation ve Superchannels'a Etkisi
Modern sistemler giderek daha fazla olasılıksal takım şekillendirme (gelişme) ve 256-QAM gibi yoğun modülasyon biçimlerine sahiptir. Bu formatlar, 256-QAM takımlarının sadece ortalama sembolün% 5'i ile ilgilidir. - 1° (0.017 rad) gibi yüksek çözünürlükte bir sinyal vericisi haline getirir, ki bu da tüm ses uçları için en yüksek çözünürlükte olan bir geçiştir.
Vaka Çalışması: QPSK ile Transpakific Link
Bu kadar çok değişkenli bir sistemde, QPSK kullanarak, tipik bir faz yanlış parametresi, RMS aşamasının 8°'ye ulaşmadan önce 8°'ye ulaşma hatasına izin verebilir (BER 3.8×10)-3) Aynı bağlantı tasarımı ve aynı lazerler kullanarak, 16-QAM'a yükseltme, RMS aşamasını 4°'ye ulaşmadan önce 8 °'ye kadar hatasını gerektirir.
Mitigation Strategies
Mühendisler, donanım tasarımı, dijital sinyal işleme (DSP) ve geri bildirim kontrolü ile mücadele aşamasına çok katmanlı bir yaklaşım geliştirdiler.
Gelişmiş Dijital Taşıyıcı Kurtarma (DCR)
Modern koherent alıcılar DSP tabanlı taşıyıcı kurtarma bloklarını her iki frekans dengelemesi ve faz gürültülerini tahmin ve telafi ediyor: Common algoritmaları şunları içerir:
- [FONT=0)Viterbi & Viterbi (V&V) M-PSK için: [DFLT:1] QPSK için, alınan semboller veri modülasyonunu kaldırmak için 4. güce yükseltilir, sonra filtrelenmiş ve faz en iyi şekilde yapılır.
- [DDD) Decision-yönemli (DD) faz kilitlenmeleri: ), ilk frekans satın alındıktan sonra, DD-PLL, faz tahminine önceki sembolü kararları kullanır. PLL bant genişliği, doğrusal olmayan bozulmalardan hızlı dalgalanmaları reddetmede lazer faz gürültülerini takip etmek için uygun bir şekilde ayarlanabilir.
- [FONT:0)Maximum olasılık (ML) tahmin: Yüksek sipariş için QAM, kör veya pilot-aided ML estimatörler, periyodik olarak eklenebilir (örneğin, her 256 sembolü) ve bir faz rampasını tahmin etmek için kullanılır.
- [FONT:0)Kalman filtreleme: [Dönetici: [Dönetici:0) Sürekli olarak yoğun bir şekilde dengelenebilir, ancak büyük sıcaklık gradyanları ile ilgili en iyi performans sunar.
Faz-Locked Loop (PLL) Stabilizasyon
DSP'ye ek olarak, donanım PLL'ler LO lazer frekansını gelen sinyale kilitlemek için kullanılabilir. Örneğin, optik bir faz kilitlenmiş döngü (OPLL) alınan sinyalin bir kısmını referans olarak kullanır ve LO lazer frekans ayarlı porta geri beslemektedir. OPLLs, birkaç saatliğine kadar bant genişliğine sahiptir, ancak analog elektronikler ve analog koherent sistemlerde daha yaygındır.
Ultra-Narrow Line genişleyen lazerler
Lazer hattını doğrudan alt-10 kHz hattı genişliğine indirgemek, hat genişliğinin ürünü ([Düzücük) ve 1 YOT’nun altındaki satırları ) ise, 64-QAM için anahtar bir parametredir.
Sıcaklık ve Çevre Kontrol
Uzun zamandır kullanılan ağlarda Coherent transceivers genellikle sıcaklık kontrollü ortamlarda (tipik olarak 25°C ± 1°C) çalışır ve özellikle de dışsal kabinlerde bulunan optik fiber muhafazalar veya aktif ısı stabilizasyonlar önemli olabilir. Derin denizaltı kabloları için, derinlikte su sıcaklığı oldukça sabitdir ( ⁇ 2-4°C), bu da çevresel kontrolü basitleştirir.
Doğruluk
Lineer olmayan faz gürültülerini azaltmak için, birkaç strateji var:
- Alt başlangıç gücü (enerjiyi geri almak) SPM ve XPM'yi azaltır, aynı zamanda OSNR'yi azaltır. Bir denge, doğrusal olmayan eşi maksimize etmek için güç optimizasyonu ile bulunur.
- Dijital geri dönüş (DBP) bölünmüş adım Fourier yöntemi (SSFM) kullanarak, bağlantı özelliklerine göre sıra dışı aşama değişimleri telafi edilebilir. Tüm WDM kanallarının bilgisayar olarak pahalı, ancak basitleştirilmiş versiyonları (örneğin, daha düşük adım büyüklüğü veya sadece kendini yönetme modulation) şimdi gerçek zamanlı olarak dağıtılır.
- Bir fazda kesintiye uğrama (örneğin, bir faz-konjugated ikiz dalga kullanarak) iki SPM ve XPM'den de bozulmayı iptal edebilir.
- Probabilistic takım şekillendirme, aynı ortalama sembol enerji için doğrusal olmayan faz gürültülerini azaltır. Bu,% 10-20'ye kadar uzanmak için gösterildi.
Robust Modulation Formats and Coding
Daha büyük faz gürültü toleransı ile bir modülasyon formatı seçmek pragmatik bir çözüm olabilir. Örneğin, 8PSK, aynı ⁇ verimliliği için 8QAM'dan daha fazla aşamalı olarak, yumuşak bir hata düzeltmesi (FEC) kodu kullanarak, daha yüksek bir BER eşiğiye tahammül edebilir, etkili bir şekilde rahatlatıcı bir şekilde yanlış bir şekilde yanlış bir şekilde yanlış eşleştirme gerekliliklerini kullanabilir. Modern sistemler genellikle zor durumdaki bir sabit tutma kodu ve yumuşak bir hata düzeltmesi ile LDPC kodu kullanın.
Ölçme ve Karakterizasyon Teknikleri
Alandaki faz yanlış eşleşmesini teşhis etmek için mühendisler kullanır:
- [FONT:0)Error vektör büyüklüğü (EVM): ), amplitüd ve faz hataları birleştiren standart bir ölçüm. Eş zamanlı sistemler için, EVM taşıyıcı kurtarmadan sonra ölçülüyor ve 16-QAM% 12'lik bir aşama hatasına karşılık geliyor.
- [FONT:0)Phase gürültü gücü ⁇ yoğunluğu (PSD): ), yüksek hızlı gerçek zamanlı oscilloskop ve bir koherent alıcı.The PSD of the recovery stage provides insights into the source (e.g., white from lazer line vs. 1/f from term drag).
- [FONT:0]BER vs. OSNRşe eğrileri: Karşılaştırmalı eğriler teoriye göre, faz yanlış eşleştirme cezasını ortaya koyar. Örneğin, 10 -2)
Faz Yönetimindeki Future Trends
Eş zamanlı sistemler daha yüksek veri oranlarına ve daha sofistike modülasyona doğru geliştikçe, faz yanlış eşleştirmeyi yönetmek daha da kritik hale gelecektir. Anahtar eğilimleri şunları içerir:
- [FONT:0)Makine öğrenme tabanlı taşıyıcı kurtarma: Neural ağları, alınan örneklerden faz gürültülerini tahmin etmek ve geri kazanılmış sembolleri, potansiyel olarak farklı ortamlarda geleneksel Kalman filtreleri önceden tahmin etmek için eğitilmiş olabilir.
- [FONT=0]Fotoğraflar entegrasyonu: [Döneticileri] Silikon fotonik koherent transceivers şu anda ticaridir.Seks lazer hattında geri bildirim kullanarak geri bildirim alan bir silikon nitrit referans boşluğunun alt-10 kHz çizgisini küçük bir ayak izi elde edebilir.
- [FONT:0)Distributed faz izleme:[DDK:1] Fiber titreşimleri ve sıcaklık değişiklikleri tespit etmek için eş zamanlı transleri kullanan, ağ gerçek zamanlı olarak DSP parametrelerini savaş aşamasına adapte edebilir.
- [FONT:0) QAM, olasılıksal şekillendirme ile yüksek sipariş: 1024-QAM laboratuvar ayarlarında gösterildi ancak 1° RMS'nin altında faz hataları gerektirir. Bu, hızlı ve yavaş faz gürültüleri için ayrı aşamalar ile hiyerarşik taşıyıcı kurtarma gerektirir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Faz yanlış kire, sistem performansındaki temel performans limiti, yüksek çözünürlükte lazer faz gürültü, çevresel varyasyonlar ve fiber doğrusal olmayanlar, her biri farklı zaman ölçekleri ve istatistiksel özelliklerle ilgili olarak, sistem performansı üzerindeki etkisi ölçülebilir: yüksek çözünürlükte SNR, yüksek sipariş modları için özellikle de yüksek sipariş modları için, gelişmiş bir dijital sinyal işlemenin bir kombinasyonu - gelişmiş bir taşıyıcı kurtarma, Kalmaz ve doğrusal olmayan tazminat - lazer teknolojisi ve çevresel kontrolde iyileşme ile birlikte, bu bozulmaları etkili bir şekilde azaltabilir.
Daha fazla okuma için, uygun optik iletişim üzerine kapsamlı bir anketin bakınız:0)K. Kikuchi (2016, IEEE JSTQE)) ve son sonuçlar 1024-QAM İletim:2).