sist opt coherentes 2010

5/12/2018 Sist Opt Coherentes 2010 - slidepdf.com

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SISTEMAS ÓPTICOSCOHERENTES

Ricardo Flores Barraza

Xavier Partarrieu



Sistemas ya estudiados se basan en un esquema demodulación digital simple, conocido como Modulación de

Intensidad con Detección Directa (IM/DD)

Como la coherencia de fase de la portadora óptica juegaun rol importante en la implementación de esquemas

alternativos, estos sistemas de comunicación sonllamados Sistemas Ópticos Coherentes

INTRODUCCIÓN



Dos motivaciones para el uso de Sistemas Coherentessobre sistemas IM/DD:

Sensibilidad del receptor, la cual puede ser mejoradahasta 20 [dB] en comparación a sistemas IM/DD

Uso más eficiente del ancho de banda de la fibra,mediante el aumento de la eficiencia espectral de lossistemas WDM

MOTIVACIÓN



1. Oscilador Local:

La idea es combinar la señal coherentemente con un campo óptico deonda continua (CW) antes que caiga sobre el fotodetector

CONCEPTOS BÁSICOS



La CW es generada localmente en el receptor usando unláser de ancho de línea angosta, llamado Oscilador Local

El campo de la señal incidente está dada por:

Es = As exp[-i(ω0t + φs) (1)

El campo de la señal asociada al oscilador local es:

ELO = ALO exp[-i(ωLOt + φLO) (2)

Oscilador Local:



Oscilador Local:

Combinando las ecuaciones (1) y (2) y la relación de potenciarespectiva, se obtiene una potencia óptica incidente igual a:

Donde:

: Potencia de onda incidente: Potencia de onda del oscilador local

: Frecuencia intermedia: Fase de la onda incidente: Fase de la onda del oscilador local

(3)



2. Detección Homodina:

La frecuencia del oscilador local es seleccionada paracoincidir con la frecuencia de la señal portadora ( )

En base a la ecuación (3) y conociendo la corriente delfotodetector I = RP, donde R es la responsividad deldetector, se tiene:

Donde el último término contiene la información transmitida

Finalmente, la señal homodina está dada por:

(4)



3. Detección Heterodina:

La frecuencia del oscilador local es seleccionada para NOcoincidir con la frecuencia de la señal portadora ( )

En este caso, la fotocorriente está dada por:

El término de corriente continua (dc) es casi constante porlo que puede ser removido usando un filtro pasa banda. Laseñal heterodina está dada por la corriente alternaexpresada por:

(5)



DETECCIÓN HOMODINA DETECCIÓN HETERODINA

Comparación

Ventajas:• Es posible transmitir información

por modulación de fase, amplitudo frecuencia de la portadoraóptica

• La mejora de potencia puedeexceder los 20 [dB]

Desventajas:• Sensibilidad de fase, ya que

fluctúan con el tiempo de maneraaleatoria (necesidad de PLL)

• Adecuación en frecuencias detransmisión y de oscilador localimpone estrictos requerimientosentre las fuentes

Ventajas:• Es posible transmitir información

por modulación de fase, amplitudo frecuencia de la portadora

óptica• No tiene necesidad de usar PLL• Esquemas más convenientes para

implementación práctica

Desventajas:• Penalidad de 3 [dB] sobre SNR en

comparación a la DetecciónHomodina



4. Relación Señal a Ruido:

El ruido está dado por el ruido de disparo y ruido térmicosegún la relación:

Donde:

La principal diferencia se presenta en el ruido de disparo,donde la fotocorriente “I” generada en el detector estádada por las ecuaciones (4) y (5) antes señaladas.

La SNR se obtiene dividiendo la potencia de señalpromedio por la potencia de ruido promedio



Para el caso Heterodino:

La principal ventaja consiste en la posibilidad de manejar lapotencia del oscilador local ( ) permitiendo:

• Hacer ruido de disparo dominante (mucho mayor a )

• Corriente de señal mucho mayor que corriente de sombra

Para el caso Homodino aumenta en un factor de 2

En base a lo expuesto se obtiene:

Heterodino Función del Número de fotones

Relación Señal a Ruido:



Se tienen los siguientes formatos:

FORMATOS DE MODULACIÓN



1. Formato ASK:

Donde para este caso es modulada la amplitud mientras la

frecuencia y fase se mantienen constante

El campo eléctrico asociado con una señal óptica es:

En Sistemas Coherentes, se hace necesario un moduladorexterno, ya que la respuesta del detector depende de la

fase de la señal recibida, donde se requiere que la fase seaprácticamente constante



2. Formato PSK:

Para este caso se modula la fase mientras la amplitud yfrecuencia se mantienen constante, donde la fase por lo generalvaría entre 0 y 180°

Se requiere que la fase de la portadora óptica esté estable para

extraer la información en el receptor sin ambigüedad, lo queimpone una condición estricta de los anchos de línea del lásertransmisor y el oscilador local. Esta situación origina DPSK

Se hace necesaria la Detección Coherente, ya que la informaciónse perdería sino se mezclara con la salida del oscilador local



3. Formato FSK:

Para este caso se realiza variaciones en la frecuencia de laseñal, manteniendo la fase y la amplitud constantes. El campoóptico puede ser escrito según:

La desviación de frecuencia va a depender del ancho de banda

disponible, según la relación:

Donde los signos + y – indican los bits 1 y 0 respectivamente



1. Demodulación Sincrónico Heterodino

Donde ic es una variable aleatoria Gaussiana de mediacero con varianza dada por

La señal resultante en banda base es:

ESQUEMAS DE DEMODULACIÓN



2. Demodulación Asincrónica Heterodina

Donde ic y is son variables aleatorias Gaussianas de mediacero con varianza dada por

La señal recibida por el circuito de decisión es:



Demodulación Asincrónica Heterodina

Receptor FSK requiere dosramas separadas paraprocesar los bits 1 y 0, cuyasfrecuencias portadoras y porende sus frecuenciasintermedias son diferentes

Esquema anterior no puede ser utilizado para modulaciónFSK y PSK

La idea del Receptor DPSK tiene como idea multiplicar elflujo de bit recibidos por unaréplica que ha sido retrasadaen un período de bit,logrando un cambio de faseque permite la recuperaciónde la configuración de bits



DEMODULACIÓN SINCRÓNICA

HETERODINA

DETECCIÓN ASINCRÓNICA

HETERODINA

Comparación

Requiere de recuperación deportadora, lo que dificulta suimplementación

Solo una componente de ruidoafecta a la señal de salida, loque se traduce en un mejordesempeño

No requiere de recuperación deportadora, lo que facilita suimplementación

Ambas componentes de ruidoaparecen en la señal de salida,haciendo el sistema menoseficiente

Diferentes esquemas según lamodulación utilizada



Donde la función “erfc” se puede representar según la

siguiente aproximación, dependiendo del factor Q:

BIT-ERROR RATE (BER)

Se sabe que la BER está dada por la expresión:

Se calcula BER para los siguientes ópticos coherentes:• Receptores Sincrónicos ASK, PSK, FSK

• Receptores Asincrónicos ASK, FSK, DPSK



1. Receptores Sincrónicos ASK

Con una SNR en función del número de fotones y eficiencia, seobtienen las siguientes expresiones para la BER:

El factor Q está dado por:

• Heterodino:

• Homodino:

(mejora en 3[dB])



2. Receptores Sincrónicos PSK


• Heterodino:

• Homodino:

(mejora en 3[dB])




3. Receptores Sincrónicos FSK


• Heterodino:

• Homodino: No es aplicable




TABLA DE COMPARACIÓN:

Comparación Receptores Sincrónicos

En ASK el número promediode fotones es la mitad, yaque bit 0 no transmite

potencia y se asume que bit1 y 0 se transmiten con igualprobabilidad

En PSK y FSK el número defotones es igual, ya que tantobit 0 como bit 1 transmitenpotencia

Tabla: Sensibilidad Receptores Sincrónicos



1. Receptores Asincrónicos ASK

El cálculo se vuelve más complejo, por lo que el BER seanaliza por medio de términos probabilísticos

Se tiene una BER de la forma:

En términos del número de fotones:



2. Receptores Asincrónicos FSK

Procedimiento de cálculo muy similar al anterior, pero seobtienen expresiones distintas

Se tiene una BER de la forma:

En términos del número de fotones:



3. Receptores Asincrónicos DPSK

El cálculo es más complicado, ya que la señal es formadapor el producto de dos corrientes

Se tiene una BER, en términos del número de fotones, dela forma:



TABLA DE COMPARACIÓN:

Comparación Receptores Asincrónicos

Tabla: Sensibilidad Receptores Asincrónicos



SIMULACIÓN



MODULACION QAM



MODULACION OPTICA



ANALIZADOR ESPECTRO OPTICO (INPUT)



ENLACE OPTICO



DEMODULACION OPTICA



VISOR DE CONSTELACION ELECTRICA

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