Hva Er Sammenhengende Lysbølgekommunikasjonssystem?

Hva Er Intensitetsmodulasjon Med Direkte Deteksjon (IM/DD)?

Nåværende fiberoptiske lysbølgekommunikasjonssystemer er basert på et enkelt digitalt overføringsskjema der en elektrisk bitstrøm brukes til å modulere intensiteten til den optiske bæreren, og det optiske signalet oppdages direkte ved en fotodiode for å konvertere det til det opprinnelige digitale signalet i det elektriske domenet.

en slik ordning er referert til som intensitetsmodulasjon med direkte deteksjon (IM/DD).

Hva Er Sammenhengende Optisk Kommunikasjon?

i motsetning til intensitetsmodulasjon med direkte deteksjon (IM/DD), overfører mange alternative ordninger, kjent i sammenheng med radio-og mikrobølgekommunikasjonssystemer, informasjon ved å modulere frekvensen eller fasen til den optiske bæreren og oppdage det overførte signalet ved å bruke homodyne eller eller heterodyne deteksjonsteknikker.

siden fasekoherens av den optiske bæreren spiller en viktig rolle i implementeringen av slike ordninger, blir de referert til som sammenhengende kommunikasjonsteknikker, og de fiberoptiske kommunikasjonssystemene basert på dem kalles sammenhengende lysbølgesystemer.

Sammenhengende kommunikasjonsteknikker ble utforsket på 1980-tallet, og mange feltforsøk etablerte deres gjennomførbarhet innen 1990.

Hvorfor Trenger Vi Sammenhengende Lysbølgesystemer?

motivasjonen bak bruk av sammenhengende kommunikasjonsteknikker er todelt.

1) Mottakerens følsomhet kan forbedres med opptil 20dB sammenlignet MED IM / DD-systemer. En slik forbedring tillater mye lengre overføringsavstand (opptil ytterligere 100km nær 1,55 um) for samme mengde sendereffekt.

2) bruken av koherent deteksjon muliggjør en effektiv bruk av fiberbåndbredde. Mange kanaler kan overføres samtidig over samme fiber ved å bruke frekvensdivisjonsmultipleksering (fdm) med en kanalavstand så liten som 1-10 GHz.

Grunnleggende Begreper Bak Sammenhengende Lysbølgesystemer

1. Lokal Oscillator

den grunnleggende ideen bak coherent lightwave system er å blande det mottatte signalet sammenhengende med et kontinuerlig bølge (CW) optisk felt før det er hendelse på fotodetektoren (som vist i figur 1 nedenfor).

det kontinuerlige bølgefeltet genereres lokalt ved mottakeren ved hjelp av en smal linjebredde laser, kalt local oscillator (LO), et begrep lånt fra radio-og mikrobølgelitteraturen.

for å se hvordan blanding av det mottatte signalet med en lokal oscillator kan forbedre mottakerens ytelse, la oss skrive det optiske signalet ved hjelp av kompleks notasjon som

(Ligning 1.1)

hvor wo er bærefrekvensen, som er amplitude, og Φ er fasen.

det optiske feltet forbundet med den lokale oscillatoren er gitt med et lignende uttrykk,

(Ligning 1.2)

HVOR ALO, wLO og Φ representerer amplitude, frekvens og fase av den lokale oscillatoren, henholdsvis

, brukes skalarnotasjonen for Både Es og ELO etter å ha antatt at de to feltene er identisk polariserte (polarisasjons-mismatchproblemer kan diskuteres senere).

Siden en fotodetektor reagerer på den optiske intensiteten, er den optiske strømhendelsen ved fotodetektoren gitt ved

P = K|Es+ELO|2

Hvor K er en proporsjonalitetskonstant.

Bruke Eq. (1.1 og 1.2), får vi

(Ligning 1.3)

hvor

(Ligning 1.4)

frekvensen

dette er kjent som intermediate frequency (IF).

når ω0 ≠ wLO, blir det optiske signalet demodulert i to trinn, dets bærefrekvens blir først konvertert til en mellomfrekvens vIF (typisk 0,1-5 ghz) før signalet demoduleres til basebåndet.

det er ikke alltid nødvendig å bruke en mellomfrekvens. Faktisk er det to forskjellige sammenhengende deteksjonsteknikker å velge mellom, avhengig av om vIF er lik null eller ikke. De er kjent som homodyne og heterodyne deteksjonsteknikker.

2. Homodyne Deteksjon

i denne koherente deteksjonsteknikken velges den lokale oscillatorfrekvensen wLO for å sammenfalle med signalbærerfrekvensen ω0 slik at wIF = 0.

fra Ligning 1.3 er photocurrent (i=RP, Hvor R er detektorresponsiviteten) gitt av

(Ligning 1.5)

VANLIGVIS ER PLO > > Ps, Og Ps + PLO ≈ PLO.

Den siste termen i Ligning 1.5 inneholder informasjonen som overføres og brukes av beslutningskrets. Tenk på tilfellet der den lokale oscillatorfasen er låst til signalfasen, slik at Φ = Φ. Homodyne-signalet er da gitt av

(Ligning 1.6)

Fordeler Med Homodyne Deteksjon

den største fordelen med homodyne deteksjon er tydelig fra ligning 1.6 hvis vi merker at signalstrømmen i direktedeteksjonssaken er gitt Av Idd (t) = RPs (t). Ved å betegne den gjennomsnittlige optiske effekten med , økes den gjennomsnittlige elektriske effekten med en faktor på ved bruk av homodyne deteksjon.

SIDEN PLO kan gjøres mye større enn , kan strømforbedringen overstige 20dB. Selv om skuddstøy også er forbedret, er det vist at homodyne-deteksjon forbedrer signal-til-støyforholdet (SNR) med en stor faktor.

En annen fordel med sammenhengende deteksjon er tydelig fra Ligning 1.5. Fordi den siste termen i denne ligningen inneholder signalfasen eksplisitt, er det mulig å overføre informasjon ved å modulere fasen eller frekvensen til den optiske bæreren. Direkte deteksjon tillater ikke fase-eller frekvensmodulasjon, da all informasjon om signalfasen går tapt.

Ulempe Ved Homodyne Deteksjon

en ulempe ved homodyne deteksjon resulterer også fra fasefølsomheten. Siden den siste termen i ligning 1.5 inneholder den lokale oscillatorfasen Φ eksplisitt, bør DET klart VÆRE KONTROLLERT.

Ideelt sett bør Φ og Φ forbli konstant bortsett fra forsettlig modulering av Φ. I praksis svinger Både Φ og Φ med tiden på en tilfeldig måte. Imidlertid kan Deres Forskjell Φ – Φ bli tvunget til å forbli nesten konstant gjennom en optisk faselåst sløyfe.

gjennomføringen av slik som loop er ikke enkel og gjør utformingen av optiske homodyne mottakere ganske komplisert. I tillegg setter matching av senderen og lokale oscillatorfrekvenser strenge krav til de to optiske kildene. Disse problemene kan overvinnes ved bruk av heterodyne deteksjon, som diskutert neste.

3. Heterodyne-Deteksjon

ved heterodyne-deteksjon er den lokale oscillatorfrekvensen wLO valgt å avvike fra signalbærerfrekvensen ω0 slik at mellomfrekvensen wIF er i mikrobølgeområdet (vIF ~ 1 GHz). Ved Hjelp Av Ligning 1.3 sammen med I = RP, er photocurrent nå gitt av

(Ligning 1.7)

SIDEN PLO > > Ps i praksis er likestrøm (dc) termen nesten konstant og kan enkelt fjernes ved hjelp av båndpassfiltre. Heterodyne-signalet blir da gitt av vekselstrøm (ac) termen i ligning 1.7 eller ved

(Ligning 1.8)

I Likhet med tilfellet med homodyne deteksjon, kan informasjon overføres gjennom amplitude, fase eller frekvensmodulasjon av den optiske bæreren. Enda viktigere forsterker den lokale oscillatoren det mottatte signalet med en stor faktor, og forbedrer DERMED SNR.

SNR-forbedringen er imidlertid lavere med en faktor på 2 (eller 3dB) sammenlignet med homodyne-saken. Denne reduksjonen er referert til som heterodyne-deteksjon straff.

opprinnelsen til 3db-straffen kan ses ved å vurdere signaleffekten (proporsjonal med kvadratet av strømmen). På grunn av ac-karakteren til Iac reduseres den gjennomsnittlige signaleffekten med en faktor på 2 når er gjennomsnittlig over en full syklus ved mellomfrekvensen (husk at gjennomsnittet av cos2θ over θ er 1/2).

Fordeler Med Heterodyne Deteksjon

fordelen oppnådd på bekostning av 3db straffen er at mottakerens design er betydelig forenklet fordi en optisk faselåst sløyfe ikke lenger er nødvendig.

Fluktuasjoner i Både Φ og Φ må fortsatt kontrolleres ved hjelp av halvlederlasere med smal linjebredde for begge optiske kilder. Linjenbreddekravene er imidlertid ganske moderate når et asynkront demoduleringsskjema brukes. Denne funksjonen gjør heterodyne-deteksjonssystemet ganske egnet for praktisk implementering i sammenhengende lysbølgesystemer.

4. Signal-Til-Støy-Forhold

fordelen med sammenhengende deteksjon for lightwave-systemer kan gjøres mer kvantitativt ved å vurdere SNR av mottakerstrømmen.

mottakerstrømmen svinger på grunn av skuddstøy og termisk støy. Variansen σ2 av nåværende svingning oppnås ved å legge til de to bidragene slik at

(Ligning 1.9)

hvor

(Ligning 1.10)

nåværende i i ligning 1.10 er den totale fotocurrent generert ved detektoren og er gitt ved ligning 1.5 eller 1.7, avhengig av om homodyne eller heterodyne deteksjon er ansatt. I praksis KAN PLO > > Ps, og I i ligning 1.10 erstattes av den dominerende termen RPLO for begge tilfeller.

SNR oppnås ved å dele gjennomsnittlig signaleffekt med gjennomsnittlig støyeffekt. I heterodyne-tilfellet er det gitt ved

(Ligning 1.11)

i homodyne-tilfellet er SNR større med en faktor på 2 hvis vi antar At Φ = Φ i Ligning 1.5.

hovedfordelen ved sammenhengende deteksjon kan ses Fra Ligning 1.11. Siden den lokale oscillator makt PLO kan styres på mottakeren, det kan gjøres stor nok til at mottakeren støy er dominert av skudd støy. Mer spesifikt, når

(Ligning 1.12)

under de samme forholdene er de mørke nåværende bidragene til skuddstøyen ubetydelig (Id < < RPLO). SNR er da gitt av

(Ligning 1.13)

hvor R = nq / hv.

bruken av sammenhengende deteksjon gjør det mulig å oppnå støygrensen selv for p-i-n-mottakere hvis ytelse generelt er begrenset av termisk støy. Videre, i motsetning til tilfelle AV lavine photodiode (APD) mottakere, er denne grensen realisert uten å legge til overflødig skuddstøy.

DET er nyttig å uttrykke SNR når det gjelder antall fotoner, Np, mottatt innen en enkelt bit. Ved bithastigheten B er signaleffekten relatert til Np som . Vanligvis Δ ≈ B / 2. VED å bruke disse verdiene og Δ i ligning 1.13, er SNR gitt med et enkelt uttrykk

(Ligning 1.14)

ved homodyne deteksjon ER SNR større med en faktor på 2 og er gitt VED SNR = 4nNp. Det er flere diskusjoner om avhengigheten AV BER på SNR og viser hvordan mottakerens følsomhet forbedres ved bruk av sammenhengende deteksjon.

Modulasjonsformater

som vi sa tidligere, er en viktig fordel ved å bruke de sammenhengende deteksjonsteknikkene at både amplitude og fase av det mottatte optiske signalet kan detekteres og måles. Denne funksjonen åpner muligheten for å sende informasjon ved å modulere enten amplituden eller fasen eller frekvensen til en optisk bærer.

når det gjelder digitale kommunikasjonssystemer, gir de tre mulighetene opphav til tre modulasjonsformater kjent som amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK) og frequency-shift keying (FSK).

Figur 2 nedenfor viser skjematisk de tre modulasjonsformatene for et bestemt bitmønster.

1. ASK-Format

det elektriske feltet forbundet med et optisk signal kan skrives som

(Ligning 2.1)

når DET gjelder ASK-format, moduleres amplituden Som samtidig som den holder ω konstant. For binær digital modulasjon, Tar As en av to faste verdier i hver bitperiode, avhengig av om 1 eller 0 bit blir overført.

i de fleste praktiske situasjoner, Som er satt til null under overføring av 0 bits. ASK-formatet kalles deretter on-off keying (OOK) og er identisk med moduleringsskjemaet som vanligvis brukes for ikke-koherente (IM/DD) digitale lysbølgesystemer.

implementeringen AV ASK for sammenhengende systemer skiller seg fra tilfelle av direktedeteksjonssystemer i et viktig aspekt. Mens den optiske bitstrømmen for direktedeteksjonssystemer kan genereres ved å modulere en lysdiode (LED) eller en halvlederlaser direkte, er ekstern modulering nødvendig for sammenhengende kommunikasjonssystemer.

årsaken til denne nødvendigheten er relatert til faseendringer som alltid oppstår når amplituden As (eller kraften) endres ved å modulere strømmen som brukes på en halvlederlaser. FOR IM / DD-systemer er slike utilsiktede faseendringer ikke sett av detektoren (da detektoren bare reagerer på den optiske effekten) og er ikke av stor bekymring bortsett fra den chirp-induserte effektstraffen.

situasjonen er helt annerledes når det gjelder sammenhengende systemer, hvor detektorresponsen avhenger av fasen av det mottatte signalet. Implementeringen AV ASK-format for sammenhengende systemer krever at Fasekortene forblir nesten konstante. Dette oppnås ved å operere halvlederlaseren kontinuerlig med konstant strøm og modulere utgangen ved hjelp av en ekstern modulator.

Siden alle eksterne modulatorer har noen innsettingstap, oppstår en effektstraff når en ekstern modulator brukes; den kan reduseres til under 1dB for monolitisk integrerte modulatorer.

en vanlig ekstern modulator gjør Bruk Av LiNbO3 bølgeledere i en mach-Zehnder (MZ) konfigurasjon. Ytelsen til eksterne modulatorer kvantifiseres gjennom på – av-forholdet (også kalt utryddelsesforhold) og modulasjonsbåndbredden. LiNbO3 modulatorer gir et på-av-forhold på over 20 og kan moduleres i hastigheter opp til 75GHz. Kjørespenningen er typisk 5V, men kan reduseres TIL 3V med en passende design.

Andre materialer kan også brukes til å lage eksterne modulatorer. For eksempel krevde en polymer elektrooptisk mz-modulator bare 1,8 V for å skifte fasen av et 1,55 um-signal med π i EN av armene TIL MZ-interferometeret.

Elektroabsorpsjonsmodulatorer, laget ved hjelp av halvledere, foretrekkes ofte fordi de ikke krever bruk av et interferometer og kan integreres monolitisk med laseren. Optiske sendere med en integrert elektroabsorbsjonsmodulator som er i stand til å modulere ved 10 Gb / s, var tilgjengelige siden 1999 og brukes rutinemessig FOR im/dd lightwave-systemer. Slike integrerte modulatorer viste en båndbredde på mer enn 50GHz og hadde potensial til å operere med bithastigheter på opptil 100 Gb / s. De vil sannsynligvis også bli ansatt for sammenhengende systemer.

2. Psk-Format

når det gjelder psk-format, genereres den optiske bitstrømmen ved å modulere fasekursene i Ligning 2.1, mens amplituden As og frekvensen ω til den optiske bæreren holdes konstant.

for binær PSK tar Fase Φ to verdier, vanligvis valgt til å være 0 og π. Figur 2 over viser det binære psk-formatet skjematisk for et bestemt bitmønster.

et interessant aspekt VED psk-formatet er at den optiske intensiteten forblir konstant under alle biter og signalet ser ut til å ha EN CW-form. Koherent deteksjon er en nødvendighet for PSK, da all informasjon ville gå tapt hvis det optiske signalet ble oppdaget direkte uten å blande det med utgangen av en lokal oscillator.

implementeringen AV PSK krever en ekstern modulator som er i stand til å endre den optiske fasen som svar på en påført spenning. Den fysiske mekanismen som brukes av slike modulatorer kalles elektrorefraksjon. Enhver elektrooptisk krystall med riktig orientering kan brukes til fasemodulasjon.

En LiNbO3 krystall brukes ofte i praksis. Utformingen Av LiNbO3-baserte fasemodulatorer er mye enklere enn for en amplitudemodulator, da Et mach-Zehnder interferometer ikke lenger er nødvendig, og en enkelt bølgeleder kan brukes.

faseskiftet som oppstår mens cw-SIGNALET passerer gjennom bølgelederen, er relatert til indeksendringen δ ved det enkle forholdet

(Ligning 2.2)

hvor lm er lengden over hvilken indeksendring er indusert av den påførte spenningen. Indeksendringen δn er proporsjonal med den påførte spenningen, som er valgt slik at δφ = π. Dermed kan en faseforskyvning av π pålegges den optiske bæreren ved å bruke den nødvendige spenningen i løpet av hver ” 1 ” bit.

Halvledere kan også brukes til å lage fasemodulatorer, spesielt hvis en multi-quantum-well (MQW) struktur brukes. Elektrorefraksjonseffekten som stammer fra kvante-inneslutning Stark-effekten er forbedret for en kvantebrønndesign. Slike mqw-fasemodulatorer er utviklet og kan operere med en bithastighet på opptil 40 Gb / s i bølgelengdeområdet 1,3-1,6 um.

ALLEREDE I 1992 hadde mqw-enheter en modulasjonsbåndbredde på 20 GHz og krevde bare 3,85 V for å introdusere et π faseskift når det ble operert nær 1,55 um. Driftsspenningen ble redusert til 2,8 V i en fasemodulator basert på elektroabsorpsjonseffekten i EN mqw-bølgeleder.

en spotstørrelsesomformer er noen ganger integrert med fasemodulatoren for å redusere koblingstap. Den beste ytelsen oppnås når en halvlederfase modulator er monolitisk integrert i senderen. Slike sendere er ganske nyttige for sammenhengende lysbølgesystemer.

bruken AV psk-format krever at fasen til den optiske bæreren forblir stabil, slik at faseinformasjon kan trekkes ut på mottakeren uten tvetydighet. Dette kravet setter en streng tilstand på den tolerable linjebredder av senderlaseren og den lokale oscillatoren.

linewidth-kravet kan være noe avslappet ved å bruke en variant AV psk-formatet, kjent som differensiell faseskiftnøkkel (DPSK). I TILFELLE DPSK blir informasjonen kodet ved å bruke faseforskjellen mellom to nabobiter. For eksempel, dersom φ representerer fasen av kth-biten, blir faseforskjellen Δφ = φ – 1 endret av π eller 0, avhengig av om kth-bit er 1 eller 0 bit.

fordelen MED DPSK er at transmittalsignalet kan demoduleres vellykket så lenge bærefasen forblir relativt stabil over en varighet på to biter.

3. FSK-Format

ved FSK-modulering blir informasjon kodet på den optiske bæreren ved å skifte bærefrekvensen ω0 selv. For et binært digitalt signal tar ω0 to verdier, ω0 + Δω Og ω0 – δω Avhengig av om en 1-eller 0-bit overføres.

frekvensavviket kalles et skifte I Δ = Δω/2π Mengden 2δ kalles noen ganger toneavstand, da den representerer frekvensavstanden mellom 1 og 0 biter.

det optiske feltet FOR FSK-format kan skrives som

(Ligning 2.3)

hvor + og-tegn tilsvarer 1 og 0 biter.

ved å merke seg at argumentet til cosinus kan skrives som , KAN FSK-formatet også ses som EN slags psk-modulasjon slik at bærefasen øker eller avtar lineært over bitvarigheten.

valget av frekvensavvik Δ Avhenger av tilgjengelig båndbredde. Den totale båndbredden til ET fsk-signal er gitt omtrent med 2δ + 2b, Hvor B er bithastigheten.

Når Δ > > B nærmer båndbredden seg 2δ og er nesten uavhengig av bithastigheten. Denne saken blir ofte referert til som bredavvik ELLER bredbånds FSK.

i Motsatt Tilfelle Av Δ << b, kalt smalavvik ELLER smalbånd FSK, nærmer båndbredden SEG 2B.

forholdet ß = Δfm = Δ/B, kalt frekvensmoduleringsindeksen (FM), tjener til å skille de to tilfellene, avhengig av om ④fm >>1 eller ④fm << 1.

implementeringen AV FSK krever modulatorer som er i stand til å skifte frekvensen av det innfallende optiske signalet. Elektrooptiske materialer som LiNbO3 produserer normalt en faseforskyvning proporsjonal med den påførte spenningen. De kan brukes TIL FSK ved å bruke en trekantet spenningspuls (sagtannlignende), siden en lineær faseendring tilsvarer et frekvensskift.

en alternativ teknikk gjør Bruk Av Bragg spredning fra akustiske bølger. Slike modulatorer kalles akustooptiske modulatorer. Deres bruk er noe tungvint i bulkformen. Imidlertid kan de fremstilles i kompakt form ved hjelp av overflate akustiske bølger på en skive bølgeleder. Enhetsstrukturen ligner på et akustisk optisk filter som brukes til wdm-applikasjoner (wavelength-division multiplexing). Maksimal frekvens skift hvis vanligvis begrenset til under 1 GHz for slike modulatorer.

den enkleste metoden for å produsere ET fsk-signal gjør bruk av direktemoduleringsevnen til halvlederlasere. Som diskutert tidligere, fører en endring i driftsstrømmen til en halvlederlaser til endringer i både amplitude og frekvens av utstrålet lys. VED ASK er frekvensskiftet eller chirp av den utstrålede optiske puls uønsket. Men det samme frekvensskiftet kan brukes til fordel for FSKS formål. Vanligvis er verdier av frekvensskift ~ 1ghz/mA. Derfor er det bare nødvendig med en liten endring i driftsstrømmen (~1ma) for å produsere FSK-signalet. Slike nåværende endringer er små nok til at amplituden ikke endres mye fra bit til bit.

FOR FSKS FORMÅL BØR FM-responsen til en distribuert tilbakemelding (DFB) laser være flat over en båndbredde som er lik bithastigheten. Som vist i figur 3 nedenfor, viser de FLESTE dfb-lasere en dukkert I FM-responsen ved en frekvens nær 1 MHz. Årsaken er at to forskjellige fysiske fenomener bidrar til frekvensskiftet når enhetens strøm endres. Endringer i brytningsindeksen, som er ansvarlig for frekvensskiftet, kan oppstå enten på grunn av temperaturskift eller på grunn av endring i bærertettheten. De termiske effektene bidrar bare opp til modulasjonsfrekvenser på ca 1MHz på grunn av deres langsomme respons. FM-responsen reduseres i frekvensområdet 0,1 – 10mhz på grunn av termisk bidrag og bærertetthetsbidraget forekommer med motsatte faser.

Flere teknikker kan brukes til å gjøre FM-responsen mer ensartet. En utjevningskrets forbedrer ensartethet, men reduserer også modulasjonseffektiviteten. En annen teknikk gjør bruk av overføringskoder som reduserer lavfrekvente komponenter av data hvor forvrengning er høyest. Multi-seksjon DFB lasere har blitt utviklet for å realisere en jevn FM-respons. Figur 3 viser FM-responsen til en todelt dfb-laser. Det er ikke bare ensartet opp til ca 1 GHz, men modulasjonseffektiviteten er også høy. Enda bedre ytelse er realisert ved hjelp av tre-seksjon dbr lasere.

Flat FM-respons fra 100 kHz til 15 GHz ble demonstrert i 1990 i slike lasere. I 1995 utvidet bruken av forsterkningskoblede, faseskiftede dfb-lasere rekkevidden av ensartet FM-respons fra 10 kHz til 20 GHz. Når FSK utføres gjennom direkte modulering, varierer bærefasen kontinuerlig fra bit til bit. Denne saken blir ofte referert til som kontinuerlig fase FSK (CPFSK). NÅR toneavstanden 2 hryvnasf er valgt Til Å Være B/2 (ß = 1/2), KALLES CPFSK også minimum-shift keying (MSK).

Demodulasjonsordninger

som diskutert ovenfor kan enten homodyne eller heterodyne deteksjon brukes til å konvertere det mottatte optiske signalet til en elektrisk form.

ved homodyne deteksjon blir det optiske signalet demodulert direkte til basebåndet. Selv om det er enkelt i konseptet, er homodyne deteksjon vanskelig å implementere i praksis, da det krever en lokal oscillator hvis frekvens samsvarer med bærefrekvensen nøyaktig og hvis fase er låst til innkommende signal. En slik demodulasjonsordning kalles synkron og er viktig for homodyne deteksjon. Selv om optiske faselåste løkker er utviklet for dette formålet, er deres bruk komplisert i praksis.

Heterodyne deteksjon forenkler mottaker design, som verken optisk fase låsing eller frekvens matching av den lokale oscillator er nødvendig. Det elektriske signalet svinger imidlertid raskt ved mikrobølgefrekvenser og må demoduleres fra IF-båndet til basebåndet ved hjelp av teknikker som ligner de som er utviklet for mikrobølgekommunikasjonssystemer.

Demodulering kan utføres enten synkront eller asynkront. Asynkron demodulasjon kalles også usammenhengende i radiokommunikasjonslitteraturen. I den optiske kommunikasjonslitteraturen brukes begrepet sammenhengende deteksjon i bredere forstand. Et lysbølgesystem kalles sammenhengende så lenge det bruker en lokal oscillator uavhengig av demoduleringsteknikken som brukes TIL å konvertere IF-signalet til basebandfrekvenser.

vi vil fokusere på synkron og asynkron demodulering ordninger for heterodyne systemer.

1. Heterodyne Synkron Demodulasjon

Figur 4 viser en synkron heterodyne mottaker skjematisk. Strømmen som genereres ved fotodioden, sendes gjennom et båndpassfilter (BPF) sentrert ved mellomfrekvensen wIF. Den filtrerte strømmen i fravær av støy kan skrives som

(Ligning 3.1)

der og φ = φ-φ er fasedifferansen mellom den lokale oscillatoren og signalet. Støyen filtreres også AV BPF. Ved hjelp av in-fase og out-of-fase kvadratur komponenter av filtrert Gaussisk støy, mottakeren støy er inkludert gjennom

(Ligning 3.2)

hvor ic og is er gaussiske tilfeldige variabler med null gjennomsnitt med varians σ2 gitt Ved Ligning 1.9. For synkron demodulasjon, hvis(t) multipliseres med cos (wIFt) og filtreres av et lavpassfilter. Det resulterende basebandsignalet er

(Ligning 3.3)

hvor vinkelbraketter betegner lavpassfiltrering som brukes til å avvise vekselstrømskomponentene som svinger ved 2wIF. Ligning (3.3) viser at bare i fase støy komponent påvirker ytelsen til synkron heterodyne mottakere.

Synkron demodulasjon krever gjenvinning av mikrobølgebæreren ved mellomfrekvensen wIF. Flere elektroniske ordninger kan brukes til dette formålet, alle krever en slags elektrisk faselåst sløyfe. To vanlige looper er kvadreringssløyfen og Costassløyfen. En kvadreringssløyfe bruker en kvadratisk enhet for å oppnå et signal av skjemaet cos2 (wIFt) som har en frekvenskomponent ved 2wIF. Denne komponenten kan brukes til å generere et mikrobølgesignal på wIF.

2. Heterodyne Asynkron demodulasjon

Figur 5 nedenfor viser en asynkron heterodyne mottaker skjematisk. Det krever ikke gjenvinning av mikrobølgebæreren ved mellomfrekvensen, noe som resulterer i en mye enklere mottakerdesign. Det filtrerte signalet Hvis(t) konverteres Til basebåndet ved hjelp av en konvoluttdetektor, etterfulgt av et lavpassfilter.

signalet mottatt av beslutningskrets er Bare Id = / Hvis/, Hvor Hvis er gitt Av Eq. (3.2). Det kan skrives som

(Ligning 3.4)

hovedforskjellen er at både in-fase og out-of-fase kvadratur komponenter av mottakeren støy påvirker signalet. SNR blir dermed degradert sammenlignet med tilfelle av synkron demodulasjon. Som diskutert er følsomhetsforringelse som følge av redusert SNR ganske liten (omtrent 0,5 dB). Da fasestabilitetskravene er ganske beskjedne i tilfelle asynkron demodulering, brukes denne ordningen ofte for sammenhengende lysbølgesystemer.

den asynkrone heterodyne mottakeren vist I Fig. 5 krever endringer når FSK-og psk-modulasjonsformatene brukes.

Figur 6 viser to demoduleringsordninger. FSK dual-filter mottakeren bruker to separate grener for å behandle 1 og 0 biter hvis bærefrekvenser, og dermed mellomfrekvensene, er forskjellige. Ordningen kan brukes når toneavstanden er mye større enn bithastighetene, slik at spektrene på 1 og 0 biter har ubetydelig overlapping (bredavvik FSK). De to BPFs har sine midtfrekvenser atskilt nøyaktig av toneavstanden slik at hver BPF passerer enten 1 eller 0 biter bare.

fsk dual-filter-mottakeren kan betraktes som to ASK-enkeltfiltermottakere parallelt, hvis utganger kombineres før de når beslutningskretsen. En enkelt-filter mottaker Av Fig. kan brukes TIL FSK demodulering hvis båndbredden er valgt for å være bred nok til å passere hele bitstrømmen. Signalet behandles deretter av en frekvensdiskriminator for å identifisere 1 og 0 biter. Denne ordningen fungerer bra bare FOR smalavvik FSK, hvor toneavstanden er mindre enn eller sammenlignbar med bithastigheten(ßFM ≤ 1).

Asynkron demodulering kan ikke brukes i tilfelle psk-formatet fordi fasen til senderlaseren og den lokale oscillatoren ikke er låst og kan drive med tiden. Bruk AV dpsk-format tillater imidlertid asynkron demodulering ved hjelp av forsinkelsesskjemaet vist I Fig. 6 (b).

tanken er å multiplisere den mottatte bitstrømmen med en kopi av den som har blitt forsinket med en bitperiode. Det resulterende signalet har en del av formen cos(φ-φ-1), der φ er fasen til kth− biten, som kan brukes til å gjenopprette bitmønsteret siden informasjonen er kodet i faseforskjellen φ−1. En slik ordning krever fasestabilitet bare over noen få biter og kan implementeres ved HJELP AV dfb halvlederlasere. Forsinkelsesdemodulasjonsordningen kan også brukes TIL CPFSK. Mengden forsinkelse i så fall avhenger av toneavstanden og er valgt slik at fasen forskyves med π for det forsinkede signalet.