Hochbitratige optische Übertragungssysteme. Empfänger. C.-A. Bunge; Hochschule für Telekommunikation Leipzig: High-Speed Optical Transmission Systems

Transkript

1 Hochbitratige optische Übertragungssysteme Empfänger

2 Prinzip eines Empfängers Taktrückgewinnung

3 Prinzip eines Empfängers optisch Taktrückgewinnung

4 Prinzip eines Empfängers optisch elektrisch Taktrückgewinnung

5 Prinzip eines Empfängers optisch elektrisch digital Taktrückgewinnung

6 Augendiagramm T B

7 Abtastung und Quantisierung

8 zur Taktrückgewinnung...

9 Vorkodierer für NRZ-Signale NRZ!t XOR Pseudo-RZ NRZ Verz. NRZ Pseudo- RZ t t τ p t

10 Schmale Filterung NRZ!" Takt schmale Filterung begr. Verstärker Phasenschieber

11 Phase-Locked Loop NRZ!" VCO Takt

12 Rauschen entlang der Strecke C,<,)G,-'A1)B, >91+'*1)B,&'M04'*1)B, F9,-8:6'*1)B, M8K6)!,-'*1)B, "61<P'5)++,- 4)BK,-B)G,'"9:**,6'A1)B, J1?,'0:-+)+)1*'A1)B,'DJ0AE F-:*B8)++,-'A1)B, 4)BK,-B)1*')*?7<,?'Q)++,- C,6:+)G,'H*+,*B)+I'A1)B,'DCHAE NK+)<:6'M8K6)!,-'A1)B, >K1*+:*,17BO>K1*+:*,17B'A1)B, !4LM ;:B,-' F-:*B8)++,- C,<,)G,- 09:B, *1)B, J1?, K:-+)+)1* *1)B, DJ0AE!!

13 optische Leistung Fotostrom Fotodetektor P opt (t) = P Sig (t) + P n (t) I(t) = I p (t) + i n (t) Receiver Detector Output Current (I) <I 1 > <I 0 > 2! 1 2! 0 t

14 Transformation des Rauschens im Empfänger P N?,:6 4,+,<+1- #+"%$ O? C"$,-,./,01 ( "%$2 #"%$ #!"#$!! % &' () * jedes absorbierte Photon generiert einen Stromstoß Stromstoß wird durch Filterung zu einem exponentiell abfallenden Puls viele detektierte Photonen lassen Pulse überlagern quasi-kontiuierlicher Strom mit Varianz

15 Quantenrauschen: Poisson-Prozess P +!!" " # #!!$# #" %!$# "$ (9,-,'F 0I*QPM')A'H-1C:C)6)+G'12'!*?)*B'*'H91+1*A')*'+)8,')*+,-L:6'P R')A'8,:*'H91+1*':--)L:6'-:+,'IH91+1*ASA,<1*?M Folgt durch Annahme, dass auf einander folgende Photonen sich unabhängig von einander ausbreiten Markov-Prozess

16 Model des Rauschens I Optical signal = DC component + variance (Poisson Process) Current = DC component + variance (Poisson Process) H d (!) = FT {h d (t)} Current = DC component + variance (Filtered Poisson Process)! Current = DC component + variance (Filtered Poisson Process + additive noise) Ideal photodetector Filtering Internal Detector Noise

17 Model des Rauschens Mean (Amps) Variance (Amps 2 ) i s (t) = i(t) =!q h" P recvd $ h d (# )d# i 2 n (t) = var{i(t)} =!q h" P recvd $ h 2 d (# )d# Power Spectrum t 0 t 0 Both mean and variance are linear with P revd As P rcvd is increased, both signal and noise increase 2 I DC Total Shot Noise = Area = 2qI DC B i n 2 (0) = 2qI DC Detector Bandwidth B f

18 Optisches Signal-zu-Rausch-Verhältnis P ( f ) OSA WDM optical channels OSNR bezogen auf Auflösungsbandbreite! f f i.a. 12,5 GHz (0,1 nm)

19 OSNR optical Signal-to-Noise Ratio 2! 1 <P 1 optical > <P 0 optical > 2! 0 OSNR 0 = < P 0,opt > 2 σ0 2 OSNR 1 = < P 1,opt > 2 σ 2 1

20 EDFA und Rauschen P in <P out >=<GP in +mp N > G: Gewinn des Verstärkers P N = mn sp hν(g 1)B opt nsp: spontaneous emission factor m: Anzahl der Polarisationen PN: mittleres Rauschen innerhalb der Rauschbandbreite Bopt

21 OSNR am Streckenende SNR = P in P T otal ASE F N = SNR in SNR out = P 2 in σ 2 in σ 2 out P 2 out 2n sp wenn G 1 In Systemen mit min. 1 EDFA: OSNR P in Signal F EDFA + 58 db OSNR P out EDFA α Span 10 log N Span F EDFA + 58 db

22 Auswirkung von ASE am Empfänger (DD) E RX (t) + EDFA i(t) P ( t) E ( t) RX = RX 2 n ASE (t) F F F F F E( t) = E ( t) + n ( t) where : n ( t) = p ( t) jq ( t) RX ASE ASE ASE + ASE i( t) = R E( t) 2 = R E F RX ( t) + p F ASE ( t) + ( t) F 2 F 2 ( p ( t) ) ( q ( t) )!# " $ & F 2 F F = R E ( t) + 2' E ( t) ' p ( t) + % + RX RX ASE ASE { Useful signal S x N{ beating jq F ASE 2 = { N x N beating ASE { N x N beating

23 Signalqualität Rauschen Bitfehlerrate

24 Bitfehlerrate

25 Berechnung der BER bei Direktdetektion PDF for a 0 transmitted Area = P[0 1] 0 1 2! 0 2! 1 <I 0 > I D <I 1 > PDF for a 1 transmitted Area = P[1 0] I Under the gaussian assumption: $ 1 &( I exp 0 # I ) 2 ( + & % )! 0 2", di I D 2! 2 '& 0 *& $ 1 ( I exp 1 # I ) 2 ( I D & & % )!1 2", di + 2! 2 ' & 1 * & P[ 1 0] = P[ 0 1] =

26 Legen der optimalen Entscheiderschwelle Substituting Q 0 = I D! I 0 " 0 Q 1 = I D! I 1 " 1 P[ 1 0] = 1 2! P[ 0 1] = 1 2! ) # exp $ " I 2 & * ' di Q 0 % 2 ( ) # exp $ " I 2 & * ' di Q1 % 2 ( The near optimum decision threshold is I D =! 0 I 1 +! 1 I 0! 0 +! 1 Defining the Q factor Q = I 1! I 0 " 1 + " 0 The bit error rate (BER) assuming Gaussian noise can be written as BER * 1 2 BER is the most important performance indicator of a receiver Q-factor is a good indicator ) erfc' ( Q 2 & $ % # exp 2 (" Q / 2) Q 2!

27 Bitfehlerrate

28 Empfänger für phasenmodulierte Signale

29 Delay-Line-Interferometer T B A in A 1 A' 1 A out A 2 A' 2 A out

30 Ausgangssignale des DLI φ π 0 t P out A in 2 0 t P out A in 2 0 t

31 Wirkungsweise des DLI als DPSK-Empfänger

32 Balanced Receiver V cc P out P out Signal -V cc

33 Single-ended vs balanced Detection

34 D(Q)PSK-Empfänger

35 Rauschen in phasenmodulierten Systemen

36 Gordon-Mollenauer-Noise Im Re ASE-Rauschen

37 Gordon-Mollenauer-Noise Im Im Re Re ASE-Rauschen GM-Rauschen

38 Rauscharten in phasenmodulierten Systemen Rauschart Phasenmodul. differentiell PM Linienbreite Sender + LO 2 Sender ASE v.a. Q-Anteil v.a. Q-Anteil (2 ) GM-Noise (2 )

39 Zusammenfassung Aufbau eines optischen Empfängers optische / elektrische Filterung Taktrückgewinnung Sampling und Entscheidung Empfänger für differentiell phasenmodulierte Signale Delay-Line-Interferometer Rauscharten in AM- und PM-Systemen