19. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in...
Transcript of 19. Seminar Optične Komunikacije Laboratorij za Sevanje in...
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