VitalyMorarenko

Исчерпывающая информация о когерентных оптических приёмниках

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on May 22, 2017

Как было сказано в предыдущей статье по теме, наиболее гибкое детектирование обеспечивают гетеродинные приемники, работающие во временной области, которые можно применять к испытательным и реальным сигналам, и которые работают независимо от вида модуляции. На рис. 1 такой IQ-детектор показан слева. Кроме того, здесь видно, что перед идентификацией и дальнейшей обработкой сгруппированные в символы входные биты должны пройти несколько этапов преобразования. Показанная здесь архитектура приёмника рекомендована Optical Internetworking Forum (OIF) и позволяет извлекать всю содержащуюся в сигнале информацию. Давайте рассмотрим эту архитектуру подробней.

 

Рис. 1. Архитектура приёмника, рекомендованная OIF для реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников

 

Уменьшение искажений

После аналого-цифрового преобразования любой когерентный оптический приёмник выполняет цифровую обработку сигнала. Применение цифровой обработки сигнала вносит существенные положительные отличия по сравнению с обычной амплитудной манипуляцией (on-off keying), где нужно учитывать хроматическую дисперсию (CD), поляризационную модовую дисперсию (PMD) и другие искажения. Цифровая обработка сигнала поддерживает алгоритмическую компенсацию CD, PMD и других искажений, поскольку когерентное детектирование предоставляет полную информацию об оптическом сигнале. Это значит, что комплексная оптическая модуляция избавляет нас от необходимости применения компенсаторов PMD или оптоволокна с компенсированием дисперсии, а также предотвращает рост задержки, порождаемой этими компонентами.

 

Предварительная коррекция устраняет искажения приёмника. К этим искажениям можно отнести разбаланс четырёх электрических каналов, погрешность фазового угла IQ в IQ-смесителе, временной сдвиг между четырьмя каналами АЦП и дифференциальный разбаланс номинально сбалансированного приёмника. Для устранения этих искажений, во время калибровки прибора выполняется измерение параметров компонента во всем диапазоне длин волн.

 

Помимо искажений, вносимых приёмником, цифровая обработка сигнала компенсирует искажения, возникающие в оптическом тракте между приёмником и передатчиком. К этим искажениям относятся CD и PMD, зависящие от поляризации потери (PDL), вращение поляризации или трансформация состояния поляризации (PST) и фазовый шум.

 

Для оценки влияния фазового шума нужно отследить изменение шума несущей во времени. Однако этот этап в схеме когерентного приёмника не обязателен.

 

Восстановление фазы несущей

Добавив гетеродин, мы получаем возможность отслеживать изменения фазы сигнала по отношению к фазе гетеродинного сигнала. Но тот факт, что частота гетеродина приёмника отличается от частоты сигнала, приводит к линейному сдвигу фазы во времени. Это легко понять, если вспомнить, что в гетеродинном приёмнике ток IPhoto пропорционален cos(Δф + Δωt). На рис. 2 показано это «вращающееся» созвездие на примере модуляции QPSK.

 

Рис. 2. Разность частот передающего лазера и гетеродина порождает «вращающееся» сигнальное созвездие

 

Для устранения неопределённости фаза не должна изменяться быстрее, чем на pi/4 за длительность одного символа, что равно половине разности фаз между двумя соседними символами. Это, в свою очередь, означает, что сдвиг частоты между гетеродином и сигналом должен быть для QPSK меньше 1/8 тактовой частоты символов.

 

Чтобы отследить фазу, нужно делать выборки сигнала в моменты времени с предсказуемыми значениями фазы, например, в моменты появления символов. Для сигналов с ограниченной полосой частота дискретизации фазы меньше символьной скорости. Красная линия на рис. 3 показывает, что фаза может быть восстановлена неточно.

 

Рис. 3. В реальной системе связи часто не удаётся восстановить фазу из-за слишком низкой частоты дискретизации, фазового шума и смещения

 

Для восстановления фазы в такой ситуации фазовый шум и смещение несущей должны удовлетворять жестким требованиям. В реальной системе связи это условие обычно не соблюдается, поскольку в реальных линейных картах, использующих дискретизацию в масштабе реального времени, столь жёсткие характеристики не требуются.

 

На рис. 4 показано влияние полосы несущей на восстановление фазы лазера с распредёленной обратной связью (РОС). Слева приведён пример широкой полосы обзора. Точки сигнального созвездия IQ искусственно заужены, поскольку в этом случае отслеживание фазы уменьшает угловую ширину символов. В меньшей полосе мы получаем более реалистичные круглые символы. В ещё меньшей полосе мы достигаем предела на фазовой диаграмме несущей, где фазу отслеживать больше не удаётся. Угловое распределение символов явно подвержено влиянию фазового шума, который нельзя подавить.

 

Рис. 4. Примеры отслеживания фазы несущей лазера с распредёленной обратной связью в зависимости от полосы слежения

 

Вычисление матрицы Джонса

Поскольку цифровому демодулятору нужны два независимых модулирующих сигнала (для плоскостей поляризации x и y), важным этапом цифровой обработки сигнала является демультиплексирование поляризации. На этом этапе мы компенсируем PMD и PDL и учитываем, что состояние поляризации в одномодовом оптоволокне в процессе распространения не сохраняется.

 

Направление поляризации меняется по мере прохождения сигнала по оптоволокну (см. рис. 5), поэтому состояние поляризации сложно связано с ориентацией приёмника. Вот почему разделитель поляризации в приёмнике не позволяет получить два независимых сигнала, давая вместо этого линейную комбинацию двух составляющих поляризации. Волокно, сохраняющее поляризацию, конечно, сохраняет состояние поляризации, но не используется для передачи данных из-за сильного затухания и высокой стоимости.

 

Рис. 5. Одномодовое оптоволокно меняет состояние поляризации передаваемого сигнала, поэтому разделитель поляризации на стороне приёмника не даёт два независимых сигнала, а создаёт вместо этого их линейную комбинацию. Здесь показаны сигнальные созвездия QPSK с двойной поляризацией после демультиплексирования поляризации.

 

Все искажения полностью поляризованного света в оптоволоконном канале можно математически описать так называемой матрицей Джонса. Передаваемый сигнал S перемножается с матрицей Джонса, давая в результате принимаемый сигнал R. Для идеального канала без поляризационных искажений матрица Джонса представляет собой единичную матрицу. В этом случае принимаемый сигнал совпадает с излучаемым сигналом (см. рис. 6). В общем виде матрица Джонса представляет собой комплексную матрицу 2×2 соответственно с восемью (для реальной и мнимой части) независимыми параметрами.

 

Поэтому для восстановления исходного сигнала по измеренному принимаемому сигналу нужно найти матрицу Джонса. Это сделать довольно трудно, потому что обычно мы имеем очень мало информации о численных значениях искажений, воздействующих на сигнал в канале, или не имеем такой информации вообще.

 

Рис. 6. Матрица Джонса идеального канала

 

Поэтому для аппроксимации исходного сигнала часто используются так называемые слепые алгоритмы. Эти алгоритмы представляют собой методы оценки, не требующие знания исходного сигнала (кроме вида модуляции). В этом случае обратная матрица Джонса представляется применёнными к принимаемому сигналу корректирующими фильтрами (см. рис. 7). Каждый элементарный фильтр моделирует некоторый эффект искажения сигнала. Алгоритм итерационно подбирает переменные фильтров (a, β, k...), добиваясь схождения, то есть того, чтобы измеренная карта символов имела минимальные расхождения с символами, рассчитанными алгоритмом.

 

Недостаток этого метода в том, что он может дважды восстановить один и тот же канал поляризации. Эта проблема известна как сингулярность алгоритма. Кроме того, этот метод очень сложен, поскольку для расчёта следующего шага итерации каждый символ должен обрабатываться индивидуально.

 

Рис. 7. Модель корректирующих фильтров для компенсации хроматической дисперсии (CD), дифференциальной групповой задержки (DGD), зависящих от поляризации потерь (PDL) и трансформации состояния поляризации (PST)

 

Проще - в координатном пространстве Стокса

Оценку проще выполнить с помощью параметров Стокса, где демультиплексирование поляризации является истинно слепой процедурой, поскольку не требуется ни демодуляция, ни знание используемого вида модуляции или частоты несущей. Кроме того, в пространстве Стокса мы не сталкиваемся с проблемой сингулярности.

 

Пространство Стокса помогает визуализировать состояния поляризации оптических сигналов и, следовательно, отлично подходит для наблюдения изменения поляризации вдоль оптического канала. Любое состояние поляризации полностью поляризованного света можно описать точкой в этом трёхмерном пространстве, которая лежит на поверхности сферы – так называемой сферы Пуанкаре, центр которой расположен в начале координат. Радиус сферы соответствует амплитуде светового сигнала. Круговая поляризация располагается вдоль оси S3. Вдоль экватора в плоскости, образованной осями S1 и S2, располагается состояние линейной поляризации, а промежуточные положения соответствуют эллиптической поляризации. На рис. 8 зелёным цветом показано расположение на сфере разных состояний поляризации.

 

Также на рис. 8 показан измеренный сигнал QPSK, поляризованный по плоскостям x и y. В точках выборки возможны четыре состояния разности фаз между двумя сигналами. Комбинация этих сигналов x и y с этими разностями фаз даёт измеренные «облака» синих точек в пространстве Стокса. (Используя сигнал QPSK с одним направлением поляризации, мы получим одно скопление на оси S1).

 

Рис. 8. Сфера Пуанкаре в пространстве Стокса для сигнала QPSK с поляризационным разделением (PDM)

 

Переходы между четырьмя состояниями определяют в пространстве Стокса объект, напоминающий линзу (см. рис. 9). Можно доказать, что сигналы с мультиплексированной поляризацией любого формата всегда определяют такие линзы.

 

Рис. 9. Межсимвольные переходы сигнала PDM QPSK: в левой полусфере расположены переходы сигнала с поляризацией по оси x (H, горизонтальная), а в правой полусфере – переходы сигнала с поляризацией по оси y (V, вертикальная)

 

Когда мы сталкиваемся с трансформацией состояния поляризации вдоль оптического тракта одномодового волокна, линзы в пространстве Стокса поворачиваются (см. рис. 10). По этому повороту можно получить матрицу Джонса, которая представляется нормалью линзоподобного объекта.

 

Рис. 10. Трансформация состояния поляризации приводит к повороту линз в пространстве Стокса. Нормаль к линзе определяет матрицу Джонса – здесь приведён пример сигнала PDM QPSK.

 

 А как представлены в пространстве Стокса другие искажения? В случае PDL линзы деформируются и смещаются. Тем не менее, это не вызывает проблем с восстановлением матрицы Джонса. Деформация позволяет количественно оценить PDL. CD не зависит от поляризации и не препятствует её демультиплексированию. В этом случае количественные характеристики можно получить по сигнальному созвездию.

 

Определение символов

После успешной цифровой обработки сигнала и демультиплексирования поляризации мы можем, наконец, определить принимаемые символы. В QPSK критерием принятия решения являются значения I и Q в измеренной точке сигнального созвездия (см. рис. 11), например, все точки с положительными значениями I и Q можно интерпретировать, как “11”. В более сложных форматах использовать I и Q в качестве критерия принятия решения нельзя. В этом случае точки привязываются к ближайшему символу. По размытым «облакам» в правой части рис. 11 можно сказать, что даже когерентное детектирование не избавляет нас от битовых ошибок. Как же выполнить количественную оценку? Этот вопрос будет обсуждаться в следующей статье данной серии, посвящённой когерентным оптическим сигналам.

 

Рис. 11. В QPSK критерий принятия решения основывается на значениях I и Q, а в более сложных форматах - на расстоянии до ближайшего соседнего символа

 

Литература

Рис. 1 взят из статьи «Соглашение OIF о реализации интегрированных интрадинных когерентных приёмников с двойной поляризацией», IAOIF-DPC-RX-01.2, 14 ноября, 2013 г.

Рис. 7 взят из статьи Дж.К. Геера, Ф.Н. Хауске, К.Р.С. Флуджера, Т. Дутела, К. Шульена, М. Кушнерова, К. Пьяванно, Д. Ван-дер-Борна, Е.-Д. Шмидта, Б. Спинлера, Х. де Ваардта, Б. Ланкла и Б. Шмаусса “Оценка параметров канала для когерентных приёмников с разной поляризацией”, IEEE Photonics Technology Letters, том 20, № 10, 15 мая, 2008 г. Все другие рисунки предоставили Тодд Маршалл, Стефани Мичел, Бернд Небендал и Богдан Шанфранек.

Outcomes