فرمت های مدولاسیون در فیبر نوری

فرمت های مدولاسیون در فیبر نوری، اولین گام در طراحی یک سیستم ارتباط نوری، تصمیم گیری در مورد چگونگی تبدیل سیگنال الکتریکی به یک جریان بیت نوری است. به طور معمول، خروجی یک منبع نوری مانند لیزر نیمه هادی با اعمال سیگنال الکتریکی مستقیماً به منبع نوری یا یک مدولاتور خارجی مدوله می شود.

فهرست مطالب

1. فرمت های مدولاسیون در فیبر نوری
   1. فرمت ها
   2. RZ و NRZ
   3. ASK – FSK – PSK –  QPSK

فرمت های مدولاسیون در فیبر نوری

RZ و NRZ

دو گزینه در نتیجه فرمت مدولاسیون جریان بیت نوری وجود دارد که در شکل 1.1 نشان داده شده اند و به عنوان فرمت های بازگشت به صفر (RZ مخفف return-to-zero) و غیر بازگشت به صفر (NRZ مخفف nonreturn-to-zero) شناخته می شوند. در فرمت RZ، هر پالس نوری که بیت 1 را نشان می‌دهد کوتاه‌تر از اسلات بیت (شکاف بیت یا Slot) است و دامنه آن قبل از پایان مدت بیت به صفر برمی‌گردد. در قالب NRZ، پالس نوری در سراسر شکاف بیت روشن می ماند و دامنه آن بین دو یا چند بیت 1 متوالی به صفر نمی رسد. در نتیجه، عرض پالس بسته به الگوی بیت متفاوت است، در حالی که در مورد فرمت RZ یکسان می ماند. مزیت فرمت NRZ این است که پهنای باند مرتبط با جریان بیت از فرمت RZ تقریباً با ضریب دو برابر کوچکتر می باشد چراکه انتقال روشن به خاموش بسیار کمتر اتفاق می افتد. با این حال، استفاده از آن مستلزم کنترل دقیق تری بر عرض پالس است و ممکن است در صورت پخش شدن پالس نوری در حین انتقال، به اثرات وابسته به الگوی بیت منجر شود. فرمت NRZ اغلب در عمل به دلیل پهنای باند سیگنال کوچکتر مرتبط با آن استفاده می گردد.

استفاده از فرمت RZ در صنعت فیبر نوری در حدود سال 1999 پس از آنکه مشخص شد استفاده از آن ممکن است به طراحی سیستم‌های موج نور با ظرفیت بالا کمک نماید، توجهات را به خود جلب نمود. در حال حاضر، این فرمت تقریباً به طور انحصاری برای کانال های WDM استفاده می شود، طراحی شده برای کار با سرعت 40 گیگابیت بر ثانیه یا بیشتر.

شکل 1.1: جریان بیت دیجیتال 010110… با استفاده از فرمت های (a) بازگشت به صفر (RZ) و (b) بدون بازگشت به صفر (NRZ) کدگذاری شده است.

نمونه‌ای از سودمندی فرمت RZ توسط سیستم‌های به اصطلاح شبه خطی ارائه شده است که از پالس‌های نوری نسبتاً کوتاهی استفاده می‌ نمایند که در حین انتشار در لینک فیبر نوری به سرعت در شکاف های چند بیتی گسترده می‌شوند. این گسترش قدرت پیک را کاهش می دهد و تاثیر چندین اثر غیرخطی را کاهش می دهد که در غیر این صورت ممکن است زیان آور باشد. پالس ها در نهایت با استفاده از تکنیک مدیریت پراکندگی به صورت عرض اولیه خود فشرده می شوند.

چنین سیستم‌هایی معمولاً از یک نوع جالب از فرمت RZ استفاده می‌کنند که به فرمت چیپ RZ (یا CRZ مخفف chirped RZ) شناخته می شوند، و در آن پالس‌های نوری قبل از انتشار در فیبر نوری، به شکل پیش از چیپد pre-chirped ارسال می گردند. موضوع مهم مربوط به انتخاب متغیر فیزیکی است که جهت رمزگذاری داده ها بر روی موج حامل نوری مدوله شده است. موج حامل نوری قبل از مدولاسیون بدین شکل می باشد

که در آن E بردار یا حامل میدان الکتریکی، è بردار واحد پلاریزاسیون، a میدان نوسان، ω₀ فرکانس حامل و Φ فاز است. وابستگی فاصله ای E جهت سادگی نمادگذاری فشرده شده است. ممکن است انتخاب ها شامل مدولاسیون نوسان a، فرکانس ω₀ یا فاز Φ تعدیل شده باشد. در مورد مدولاسیون آنالوگ، سه گزینه مدولاسیون به عنوان مدولاسیون دامنه (AM)، مدولاسیون فرکانس (FM) و مدولاسیون فاز (PM) شناخته می شوند.

همانطور که به صورت شماتیک در شکل 1.2 نشان داده شده است، تکنیک های مدولاسیون یکسانی را می توان در سیگنال دیجیتال اعمال نمود و بسته به میزان دامنه یا نوسان، فرکانس و فاز، موج حامل بین دو سطح سیگنال دیجیتال باینری جابه جا می شود. ساده‌ترین تکنیک شامل تغییر توان سیگنال بین دو سطح است که یکی از آنها روی صفر تنظیم می‌شود و اغلب به آن کلیدهای خاموش و روشن (OOK) می‌گویند تا ماهیت روشن و خاموش سیگنال نوری حاصل را منعکس نماید. تا همین اواخر، OOK فرمت انتخابی جهت بیشتر سیستم های امواج نور دیجیتال بود.

ASK – FSK – PSK –  QPSK

اگرچه استفاده از فرمت‌های FSK و PSK در طول دهه 1980 در زمینه سیستم‌های موج نور منسجم مورد بررسی قرار گرفت، این فرمت‌ها در طول سال 1990 به دلیل پیچیدگی‌های مرتبط به گیرنده های نوری تقریباً کنار گذاشته شدند. وضعیت پس از سال 2000 تغییر نمود، زمانیکه مشخص شد استفاده از PSK جهت بهبود بازده طیفی سیستم‌های WDM ضروری است. سیستم‌های WDM مدرن از فرمت‌های مدولاسیون پیشرفته استفاده می نمایند که در آن اطلاعات با استفاده از دامنه و فاز حامل نوری کدگذاری می‌شوند.

ایده اصلی پشت فرمت های جدید را می توان با استفاده از نماد پیچیده برای میدان الکتریکی در معادله عنوان شده و با ارائه به phasor فازور A=ae^iΦ  درک نمود. شکل 1.3 چهار فرمت مدولاسیون را در نمودارهای الگوهای فلکی نشان می دهد که در آن قسمت های واقعی و تصوری A به ترتیب در امتداد محورهای x و y رسم شده اند.

دو پیکربندی ابتدایی فرمت‌های استاندارد ASK و PSK باینری را نشان می‌دهند که در آنها دامنه فاز میدان الکتریکی دو مقدار مشخص شده توسط دایره‌ها را دریافت می نماید. فرمت سوم فرمت مربعات PSK (یا QPSK) را نشان می دهد که در آن فاز نوری چهار مقدار ممکن را می گیرد. دو بیت در طول هر شکاف زمانی ارسال می شود و نرخ بیت موثر نصف می شود. با بهره گیری از اصطلاحات ارتباطی مایکروویو، نرخ بیت موثر را نرخ نماد symbol rate (یا baud واحد سرعت انتقال برابر با تعداد دفعاتی که سیگنال در هر ثانیه حالت را تغییر می دهد. برای یک باود معادل یک بیت در ثانیه است.) می نامند. آخرین مثال در شکل 1.3 نشان می دهد که چگونه مفهوم نماد را می توان به سیگنال دهی چند سطحی گسترش داد به طوری که هر نماد 4 بیت یا بیشتر را حمل نماید. ضریب اضافی دو را می توان به دست آورد اگر یکی دو نماد قطبی متعامد را به طور همزمان در طول هر شکاف نماد ارسال نماید.

کابل های فیبر نوری

تجهیزات فیبر نوری