Comunicaciones por Fibra ptica

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Comunicaciones por Fibra Óptica
Sistemas de Detección Coherentes
Danny Donoso C. Grupo 7 Noviembre 2004
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Índice

• Introducción

• Conceptos Básicos

• Formatos de Modulación

• Esquemas de Demodulación

• Bit Error Rate

• Degradación de la Sensibilidad

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Introducción

• Demodulación

• Método Coherente

• Basados en la multiplicación por una portadora
  de frecuencia y fase idénticas a la empleada
  en el Tx

• Un pequeño error de frecuencia ?(w) y/o fase F
  produce un gran
• error en la recepción

• Receptores de gran precisión ? Alto costo

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Introducción

• Método No Coherente

• El receptor extrae la información sin necesidad
  de conocer la portadora.

• Se basa en el seguimiento de la envolvente de la
  señal

A continuación se tratará de manera análoga los
Sistemas Ópticos de Detección Coherentes
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Conceptos Básicos

• Oscilador Local

• Detección Hemodina

• Detección Heterodina

• Relación Señal a Ruido SNR

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Oscilador Local

• La idea básica es combinar la Onda Óptica
  recibida con la señal óptica
  coherente
  generada por el Oscilador Local antes de incidir
  en el fotodetector.

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Oscilador Local

• Señal Óptica recibida

?o Frecuencia de la Portadora. As Amplitud. Fs
Fase.

• Señal Óptica asociada al Oscilador Local

?OL Frecuencia del Oscilador Local. AOL
Amplitud. FOL Fase.

• Potencia recibida en el Detector

Por lo que la potencia esta dada por
Donde POL KAOL2 , Ps KAS2, ?FI ?O ?OL, y K
Cte. de proporcionalidad
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Detección Homodina

• En este tipo de detección se requiere que la
  frecuencia del Osc. Local sea

• La fotocorriente en el detector esta dada por

R Responsividad. Pinc Potencia Óptica
Incidente
Se deduce que
Además si POL gtgt PS , y FS FOL la señal
homodina esta determinada por
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Detección Homodina

• Ventajas

• La potencia eléctrica media aumenta en un factor
  de 4POL/ PS, y dicha
• mejora puede exceder los 20 dB. Mejora SNR

• Es posible transmitir información por modulación
  de fase o frecuencia
• de la portadora óptica

• Desventajas

• Presenta sensibilidad de fase, pues FS y FOL
  varían aleatoreamente,
• entonces la diferencia de fase no es constante,
  cuando debiera serlo.

• Forzar mediante un PLL ? Dificulta Implementación

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Detección Heterodina

• En este tipo de detección se requiere que la
  frecuencia del Osc. Local sea

Tal que la frecuencia intermedia ?FI / 2p este
ubicada en la región de Microondas, alrededor de
1 GHz.

• La fotocorriente en el detector esta dada por

Puesto que POL gtgt PS , y la componente DC es
removida con un Filtro Pasabajos la señal
heterodina esta determinada por
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Detección Heterodina

• Ventajas

• Su implementación es más simple, pues no requiere
  del uso de un PLL

• Desventajas

• Si bien el Oscilador Local amplifica la señal
  recibida, su SNR es 3 dB
• más baja que para el caso Homodino, lo que se
  denomina Penalidad
• de 3dB por utilizar detección Heterodino.

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Relación Señal a Ruido (SNR)

• La SNR se obtiene dividiendo la Potencia Promedio
  de la señal por la
• potencia promedio del ruido.

Para el caso Heterodino se tiene que
Y para el Homodino
? Eficiencia Cuántica. NP Nº de Fotones.

• En la detección coherente ?Manejo de la Potencia
  del Osc. Local POL

• Al incrementar POL ? Sube SNR y Ruido receptor
  dominado por Ruido
• de Disparo

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Formatos de Modulación

• La ventaja de la Detección Coherente es que se
  puede Tx por modulación
• de amplitud, fase y frecuencia de una
  portadora óptica.

Esto da origen a los siguientes formatos

• ASK Amplitude Shift Keying
• PSK Phase Shift Keying
• FSK Frequency Shift Keying

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Formato ASK

• El Campo Eléctrico asociado a la señal óptica
  esta determinado por

En ASK se modula la Amplitud As permaneciendo ?o
y FS constantes.
El formato ASK para sistemas de detección
coherente difiere de los de detección directa,
ya que este requiere de modulación externa,
debido a que la fase FS debe permanecer
constante.
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Formato PSK

• En este caso se modula la fase FS de la señal,
  mientras que la amplitud AS
• y la frecuencia ?O permanecen constantes.

• FS varía entre 0 y p

• Se requiere de un modulador externo
• para cambiar la fase óptica, en repuesta
• al voltaje aplicado

• Necesidad de Demodulación Coherente

• El cambio de fase esta dado por

lm Largo sobre el cual el cambio de índice es
inducido por el voltaje aplicado. dn Cambio
de índice proporcional al voltaje
aplicado.
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Formato DPSK

• En este caso la información es codificada usando
  la diferencia de fase
• entre dos bits vecinos.

• Si ?k representa la fase del k-ésimo bit, la
  diferencia de fase ?? ?k - ?k-1
• es cambiada por ? o 0 dependiendo si el k-ésimo
  bit es un 1 o un 0.

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Formato FSK

• En este caso el Campo Eléctrico asociado a la
  señal óptica, puede
• ser descrito como

• Aquí se modula ?O, y toma 2 valores
• ?O ?? y ?O - ?? , dependiendo si
• el bit transmitido es 1 o 0

• La desviación en frecuencia esta
• determinada por

La cual depende del ancho de banda disponible
según BW 2(?fB), donde B es la tasa de
transmisión de bits
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Esquemas de Demodulación

• Demodulación Sincrónica Heterodina

• Demodulación Asincrónica Heterodina

Como antes se menciono la Detección Homodina es
difícil de implementar en la práctica ya que
requiere un oscilador local cuya frecuencia
coincida con la frecuencia portadora y además
que su fase esté enclavada a la señal entrante.
Es por esto que se analizarán los esquemas
propuestos
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Demodulación Sincrónica Heterodina

• La corriente es filtrada mediante un filtro
  pasabanda, centrado en la frecuencia
• Intermedia FI. En ausencia de ruido, la
  corriente esta determinada por

Donde
y
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Demodulación Sincrónica Heterodina

• Al incluir ruido en el receptor, determinado por
  las componentes en cuadratura
• de ruido Gaussiano filtrado, se tiene que

iC e iS Componentes De ruido Gausseano en
cuadratura

• Para el caso de Demodulación Sincrónica If(t)
• se multiplica por cos(?FIt) y luego se filtra
  por un filtro
  pasabajo.

• La señal en bandabase resultante es

• Donde iC es una corriente aleatoria Gaussiana,
  que afectan a los receptores
• sincrónicos heterodinos.

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Demodulación Asincrónica Heterodina

• Diseño más simple ? No requiere la portadora de
  frecuencia intermedia

• La señal es llevada a la banda base, utilizando
  un detector de envolvente
• y luego se pasa por un filtro pasabajo. Su
  expresión es

• La SNR disminuye con respecto al caso sincrónico

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Bit Error Rate

• Receptores Sincrónicos ASK

• Receptores Sincrónicos PSK

• Receptores Sincrónicos FSK

• Receptores Asincrónicos ASK

• Receptores Asincrónicos FSK

• Receptores Asincrónicos DPSK

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BER Receptores Sincrónicos ASK

• La señal ocupada por el circuito de decisión es

• Y si F o se tiene que

• IP toma las señalizaciones de I1 o I0, según se
  transmita un 1 o un 0.
• Para el Formato ASK, I0 0.

• El BER esta dado por

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BER Receptores Sincrónicos ASK

• Donde Q esta determinado por

• Sistemas Homodinos

• Sistemas Heterodinos

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BER Receptores Sincrónicos PSK

• La señal ocupada por el circuito de decisión es

• En este caso IP es constante y F toma valores de
  0 ó p,
• según se transmita un 1 o un 0

• Según esto IP queda señalizado por I1 - I0

• Ahora Q esta determinado por

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BER Receptores Sincrónicos PSK

• Se sabe que el BER esta dado por

• Sistemas Homodinos

• Sistemas Heterodinos

• Se puede apreciar una mejoría en un factor de
  4(6dB), respecto a ASK,
• debido a

- Siempre hay Señal (I0 ? 0). - I0 e I1 son
Antipodales.
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BER Receptores Sincrónicos FSK

• Este tipo de receptores utilizan un esquema de
  demodulación denominado
• dual filter, equivalente a 2 receptores
  heterodinos ASK complementarios.

• En base a lo anterior se calcula el BER.
• Para un Sistema Heterodino esta dado por

• Como era de esperar, es el doble que para el caso
  de ASK

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Tabla comparativa para BER 10-9
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BER Receptores Asincrónicos ASK

• Solo se implementan en sistemas Heterodinos.

• La señal ocupada por el circuito de decisión es

Para F 0 se tiene

• Sistemas Heterodino

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BER Receptores Asincrónicos FSK

• En este caso se utiliza un filtro para la Tx de
  un 1(frecuencia ?O ??)
• y otro para la Tx de un 0 (frecuencia ?O - ??)

• Considerando las corrientes y el ruido por parte
  de los filtros se tiene que

• Sistemas Heterodino

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BER Receptores Asincrónicos DPSK
No puede utilizarse para la modulación PSK, pero
si para DPSK

• Sistemas Heterodino

• Tabla comparativa para receptores coherentes BER
  10-9

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Curva de BER v/s Nº de Fotones
_____ receptores sincrónicos --------
receptores asincrónicos
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Degradación de la Sensibilidad

• Ruido de Fase

• Intensidad de Ruido

• Polarización Mismatch

• Dispersión de la Fibra

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Ruido de Fase

• Esta asociado al oscilador local y a la Tx del
  láser. Las fluctuaciones de la
• fase inducen a variaciones en la corriente y
  degradan la SNR.

• La idea es que la fase de la señal FS y la del
  oscilador FOL permanezcan
• relativamente estable, de manera tal que la
  corriente permanezca constante

• Cuantificación del ruido de fase

?vT Ancho de Línea del Tx ?vOL Ancho de Línea
del Oscilador
Ancho de Línea
Tiempo en que la fase permanece constante

• Tiempo Coherente

• Se acostumbra a usar

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Ruido de Fase

• Los receptores Homodinos

• Más sensibles al ruido de fase

• Se debe mantener

para mantener una pérdida lt 1 dB

• Con

la penalidad es de 0.5 dB

• Los receptores Heterodinos

• Menos sensibles al ruido de fase

• Para receptor sincrónico es necesario

• Para receptores asincrónicos con ASK o FSK

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Ruido de Fase

• Degradación de v/s ?v / B

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Intensidad de Ruido

• Corresponde a las fluctuaciones de energía óptica.

• La señal a ruido se define como

Donde RIN La Intensidad de Ruido relativa.

• Existe una penalidad de potencia dado por la
  Intensidad de
• ruido relativa

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Intensidad de Ruido

• Penalización de Potencia v/s RIN

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Polarización Mismatch

• La polarización Mismatch o de desadaptación es un
  factor que cuantifica
• el ángulo entre los vectores ES y EOL, y esta
  dado por cosF, donde F es
• el ángulo entre los vectores.

• Si F 90º no hay señal recibida

• Las variaciones de F afectan la SNR y por ende el
  BER

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Dispersión de la Fibra

• La dispersión de la fibra afecta menos a los
  sistemas coherentes que
• a los sistemas IM/DD. Esto se debe a que
  los sistemas coherentes
• usan fibras monomodo con láser de ancho de
  línea angosto.

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Resumen

• Se analizo el oscilador local, y el efecto que
  produce en la determinación de
• la fotocorriente, tanto para el caso homodino
  como heterodino

• La detección Homodina es difícil de implementar

• Se presento los distintos formatos de modulación
  para Detección Coherente

• La demodulación No Coherente no puede ser ocupada
  para formato PSK

• Las principales ventajas de los sistemas
  coherentes, radican en un mayor
• largo del enlace y un mejor aprovechamiento
  del ancho de banda de la fibra.

• Mejora la SNR, por ende BER también

• El BER es mayor para receptores no coherentes (
  Asíncronos)

• Hay que tener ciertos factores en cuenta en el
  proceso de demodular la señal
• óptica mediante un Oscilador Local, como Ruido
  de Fase e intensidad de ruido
• que irán en desmedro de la SNR y por ende de la
  BER