19. Seminar Optične Komunikacije

Laboratorij za Sevanje in Optiko

Fakulteta za Elektrotehniko

Ljubljana, 1.-3. februar 2012

Sodobne modulacije in kodiranja

Matjaž Vidmar

.......................... Seznam prosojnic: ................................

Slika 1 - Prenosna pot TV daljinca.Slika 2 - Slabljenje kremenovega stekla.Slika 3 - Enorodovno svetlobno vlakno.Slika 4 - Lastnosti svetlobnih izvorov.Slika 5 - Zunanji svetlobni modulatorji.Slika 6 - Preprosta jakostna modulacija ASK.Slika 7 - Solitonska modulacija (RZ).Slika 8 - Dvofazna modulacija BPSK.Slika 9 - Koherentni sprejemnik (ASK ali BPSK).Slika 10 - Diferencialna demodulacija BPSK.Slika 11 - Štirifazna modulacija QPSK (QAM).Slika 12 - Koherentni QPSK (QAM) sprejemnik.Slika 13 - Polarizacijska modulacija PolSK.Slika 14 - QPSK (QAM) polarizacijski multipleks.Slika 15 - Ničelna medfrekvenca ZIF.Slika 16 - Pogostnost napak BER.Slika 17 - Vnaprejšnje popravljanje napak FEC.Slika 18 - Učinkovitost RS(255,239).Slika 19 - Trdo, z brisanjem in mehko odločanje.Slika 20 - Laboratorijski MIMO+OFDM poskus.Slika 21 - Hitri "FLASH" A/D pretvornik.Slika 22 - Prepletanje (interleave) A/D pretvornikov.Slika 23 - Zahtevnost obdelave OFDM+MIMO2x2.Slika 24 - Različice 100Gbit/s optičnih zvez.

1 - Prenosna pot TV daljinca.

Izločanje presiha pri TV daljincu:

1) Razširjeni spekter:Δf=20THz » C=1kbit/s (≈ 30 let pred UMTS)

2) Raznoliki sprejem:A=1mm2 ≈ 106 λ2 ≈ 106 anten (» 5 prstov UMTS)

IR daljinec

Televizor

LED:f0=340THz

Δf=20THz

Večpotje

C=1kbit/s

PIN: A=1mm2

Odboj od tal

Odboj od stropa

2 - Slabljenje kremenovega stekla.

2dB/kmEnorodovno vlakno

IRrezo-nanceSiO

2

Rayleighv steklu

Nečistoče (OH-)

1dB/km

0.2dB/km

0.5dB/km

0.1dB/km

0.05dB/km

f [THz] 400 350 300 250 200 150

5dB/km

Slabljenje SiO2 vlakna

0.02dB/km

λ [μm] 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 2.0

II.OKNO 1300nm

III.OKNO 1550nm

I.OKNO 850nm

UVrezonanceSiO

2

n2

SiO2+GeO

2

9μm SiO2

NA=0.1125μm NA=0.1

Enorodovno stekleno vlakno G.652

n1

3 - Enorodovno svetlobno vlakno.

Cena ≈ 20 euro/km (2000 euro za 100km vlakna)

Slabljenje a/l ≈ 0.2dB/km @ λ=1550nm (f=194THz)

Pasovna širina B ≈ 4THz @ λ=1550nm (nizko slabljenje)

Osnovni rod HE11 dvakrat izrojen (PMD, 2xC?)

Snovna in valovodna barvna razpršitev D=17ps/nm.km

Svetlobna moč Pmax ≤ 100mW = +20dBm (nelinearni pojavi)

Zrnati (kvantni) šum PN = h.f.B ≈ -33dBm

Domet zveze l = 100km → a = 20dB → PS = +0dBm

Teoretska zmogljivost C ≈ 44Tbit/s (polarizacija 2xC?)

4 - Lastnosti svetlobnih izvorov.

N

PFP laser

I

│F(λ)│

λ

N

PDFB/DBR laser

I

│F(λ)│

λ

N

PLEDτ≈10nsΔλ≈100nm

I

I

Žarnicaτ≈1msΔλ≈800nm

τ≈1nsΔλ≈3nmΔf≈350GHz

τ≈1nsΔλ≈0.1pmΔf≈12MHz

AM+FM!!!kolebΔf≈60GHz

LiNbO3:Ti

5 - Zunanji svetlobni modulatorji.

Vhod

Izhod

Vhod

LiNbO3

N

P EAM(InGaAsP)

Izhod

-U+

-U+

GaAs: Uπ=2V...4V

Uπ U

P

φ=π

φ=0

Amplitudni MZM:B=10GHzaugasno

=25dB

EAM: ΔU=3V...5VB=40GHzaugasno

=15dB

P

UΔU

LiNbO3: U

πTE≈5V U

πTM≈14V

6 - Preprosta jakostna modulacija ASK.

Dostopovni ASK(spekternepomemben)

Medkrajevni ASK(malo FM)

Prekooceanski ASK(brez FM)

Neposredno moduliran

FP LASER

MZM ali EAM

vgrajen v čip LASERja DFBLASER

DFBLASER

Izolator Zunanji

MZM

0 1 1 0 1 0 0

NRZ DATA

t

t

Poptična

Nosilec│F(ω)│

ω

Zrcalnabočnapasova

NRZ DATA

NRZ DATA

NRZ

DATA

NRZsignal

7 - Solitonska modulacija (RZ).

0 1 1 0 1 0 0

NRZ DATA

t

t

Poptična

Nosilec│F(ω)│

ω

Razširjenabočnapasova

Takt

RZ (Return-to-Zero, solitonski) ASK oddajnik

DFB LASER

IzolatorZunanjiMZM#1

NRZDATA

Optični

ojače-valnik

ZunanjiMZM#2

TAKT

Namen: kompenzacija linearnih in nelinearnih popačenjpri najzahtevneših visokozmogljivih zvezah.Velika vlaganja v razvoj, danes brez praktične uporabe.Stranski rezultat: razvoj simulacijskih orodij.

RZsignal

8 - Dvofazna modulacija BPSK.

Uπ U

P

φ=πφ=0

Simetrični BPSK(AM brez nosilca)

DFBLASER

IzolatorZunanji MZM

NRZ DATA + BIAS

Delovna točka za BPSK

0 1 1 0 1 0 0

NRZ DATA

t

t

Eoptično

│F(ω)│

ω

Zrcalnabočnapasova

BPSKsignal

t

Poptična

Strogo brez FM !!!Δf

vira « B

modulacije

Brez nosilca!

1.težava: nadzor polarizacije sprejetega signala?

2.težava: frekvenca in faza lokalnega oscilatorja?

9 - Koherentni sprejemnik (ASK ali BPSK).

Izhod

Mešalnidobitek

ELO

Vhod

Sklopnik

Lokalni oscilator(DFB laser)

UES

Fotodioda

U koherentni

U nekoherentni=2⋅∣E LO∣∣E S∣

I=⋅∣E SELO∣2

Električniojačevalnik

Polarizacija

10 - Diferencialna demodulacija BPSK.

(1) Neodvisenod polarizacije

(2) -3dB S/N !!!

NRZizhod

Delilnik 50/50

C=40Gb/ s

Fotodioda#2

Enobitnazakasnitev

Termostat

BPSK

vhod

Fotodioda#1

Sklopnik 50/50

Zahteva za točnostsvetlobenga nosilca:

f ≤4GHz

f ≤ C10

+

-

Diferenčniojačevalnik

11 - Štirifazna modulacija QPSK (QAM).

│F(ω)│

ω

Gornjibočnipas

Spodnjibočnipas

DFBLASER

Izolator I-MZM

I-DATA

Q-DATA

QPSK(QAM)

izhod

Brez nosilca!

Q-MZM

90ºλ/4

Delilnik50/50

Sklopnik 50/50

Lastnost QPSK: neodvisnabočna pasova: dvakratnaspektralna učinkovitostglede na ASK ali BPSK!

Učinkovita modulacija zaradijske in (bodoče)optične zveze.

Fotonično integrirano vezje

12 - Koherentni QPSK (QAM) sprejemnik.

QPSK(QAM)

vhod

LokalnioscilatorDFB LASER

Fotodiode

Polarizacija

Fotoničnointegrirano vezje

Sklopnik 50/50

Sklopnik 50/50

90ºλ/4

Delilnik50/50

Delilnik50/50

I

DATA

Q

Samodejni popravek(1) frekvence LO(2) polarizacije

13 - Polarizacijska modulacija PolSK.

Polarizacijskidelilnik PBS

LASER

NRZ DATAPolarizacija

LiNbO3

faznimodulator

Oddajnik PolSK

Polarizacija

NRZizhod

Fotodioda#2

Fotodioda#1

+-

Diferenčniojačevalnik

Sprejemnik PolSK

Lastnosti PolSK:

(1) učinkovitost BPSK

(2) preprost TX

(3) nekoherenten RX

(4) odporna na določene pojave prenosne poti

Prenosna pot:

Kodiranje:

"1"=VP

"0"=HP

ojačevani WDM kanal

I-VPQ-VP

I-HPQ-HP

14 - QPSK (QAM) polarizacijski multipleks.

DFBLASER

Izolator

50/50

VP QPSKmodulator

HP QPSKmodulatorI-HP

Q-HP

PBS

PBS VP QPSKdemodulator

HP QPSKdemodulator

50/50

I-VPQ-VP

Polarizacija

DFBLO

PolmuxQPSKoddajnik

PolmuxQPSKsprejemnik

CELOTNAINFOR-MACIJA!

Prenosna pot

15 - Ničelna medfrekvenca ZIF.

I-VPQ-VPI-HPQ-HP

Izvorni signal4x25Gbit/s

E O

O E

I-VPQ-VPI-HPQ-HP

Električna obdelava: analogna ali DSP

Ničelnamedfrekvenca4x25Gbit/s

Izhod4x25Gbit/s

Optični signal100Gbit/s

PolmuxQPSK TX

PolmuxQPSK RXOptičnaprenosnapot s

popačenjem

Popravekfrekvencenosilca

Popravekpolarizacije

Popravekpopačenja

Električni popravki prenosnepoti in terminalne opreme

16 - Pogostnost napak BER.

POGOSTNOST NAPAKlog BER

JAKOST SPREJEMA log PS [dB]

10-12

10-9

10-6

10-3

1

NELINEARNOPOPAČENJENELINEARNIPRESLUH

NAKLJUČNI(NARAVNI)ŠUM ZVEZE

½ erfc(α√P

S) LINEARNO POPAČENJE

LINEARNI PRESLUH

"BER

floor"

WDM kanal: omejena pasovna širina je zelo dragocena!

Goste (konvolucijske) kode M≈N so preveč potratne!

Redke (blokovne RS) kode M«N so primerne za uporabo!

Zgledi blokovnih kod Reed-Solomon: (trdo odločanje)

RS(255,247) N=247 M=8 kodni dobitek ≈+5dB

RS(255,239) N=239 M=16 kodni dobitek ≈+6dB ITU G.709

RS(255,223) N=223 M=32 kodni dobitek ≈+7dB

17 - Vnaprejšnje popravljanje napak FEC.

O E

E O

FECenkoder

FECdekoder

Prenosna

pot

dodatek Mpariternih

byte

N

byte

N+M

byte

N+M

byte

N

byte

izračunpopravkov

+napakeprenosa

18 - Učinkovitost RS(255,239).

HDD = Hard-Decision Decoder = trdo odločanje

Vir: ITU tutorials

19 - Trdo, z brisanjem in mehko odločanje.

Trdo odločanje

Odločanje z brisanjem (erasure) kodni dobitek ≈+1dB

Mehko odločanje kodni dobitek ≈+2dB

O E

E O

FECenkoder

ZahtevenFEC

dekoderA/D

Prenosna

pot

8

bit

O E

E O

FECenkoder

ErasureFEC

dekoderA/D

Prenosna

pot

2

bit

O E

E O

FECenkoder

PreprostFEC

dekoder

Prenosna

pot

1

bit

Dvonivojski A/D (0,1)

Mnogonivojski A/D (0-255)

Trinivojski A/D (0,E,1)

Omejevalnik

20 - Laboratorijski MIMO+OFDM poskus.

Prenosna

pot

O E

E O

4-kanalnaZIF

4 kanaliI/Q VP/HP

4-kanalniprogra-mirljiviizvor

4-kanalnidigitalnioscilo-skop

PCEnkoder≈1min

PCDekoder≈1min

GPIB

GPIB

PolmuxQAM TX

PolmuxQAM RX

Časprenosa≈1μs

Kodiranje & dekodiranje

ne delata v realnem

času: 1min » 1μs !!!

21 - Hitri "FLASH" A/D pretvornik.

Takt

+-

+-

+-

+-

+-

+-

+-

Prioritetni enkoder

"D" zapah 2N-1 bit

+VREF

-VREF

Takt

"D" zapah N bit

A in

Takt

Track&Hold

2N-1primerjalnikov

Zgled:

N=3 → 2N-1=7

N bit out

C

stikalo

22 - Prepletanje (interleave) A/D pretvornikov.

A/D

A/D

A/D

A/D8

8

8

8

T/4

2T/4

3T/4

T&H

T&H

T&H

T&H

Skupni takt T 1

Vzporednaštevilskaobdelava

ASIC

ali

FPGA

A in

Vodilo

fvzorčenja

= 4ftakt

= 4/T

N žicvzporedno

23 - Zahtevnost obdelave OFDM+MIMO2x2.

FFT-1

OFDM TX

FFT +popravki

OFDM RX

Dvopola-rizacijski

QAModdajnik

Dvopola-rizacijski

QAMsprejemnik

Vrstazveze

Zmogljivostzveze C

Številočipov zaobdelavo

Porabamoči

obdelave

Cenaobdelave

WLANWiFi 100Mbit/s 1 0.3W 10$

WDMkanal 100Gbit/s 300? 1kW? 100000$?

Prenosna potMIMO 2x2

DFB+EAM PIN+FET

Štiri (4) vlakna

Slabi gradniki + popačenje vlakna → neizvedljivo

24 - Različice 100Gbit/s optičnih zvez.

100Gb/s 100Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/sizvedljivo in poceni

Eno vlaknoDFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/s

DFB+EAM PIN+FET25Gb/s 25Gb/sizvedljivoin dražje

WDMWDM

Eno vlaknoMIMOOFDMTX

MIMOOFDMRX

25Gb/s25Gb/s25Gb/s25Gb/s

25Gb/s25Gb/s25Gb/s25Gb/s

izvedljivo inizredno drago