Il sistema di trasmissione con modulazione QPSK, multiplazione di polarizzazione (Polarization Multiplexing-PM, che consiste nel trasmettere due segnali distinti su due polarizzazioni ortogonali per poterli poi ricevere separatamente) e ricezione coerente simulato nel software originale ussume una configurazione come quella illustrata in Fig. 4-1.
Fig. 4-1. Setup sistema QPSK-PM simulato
Il software provvede a simulare il comportamento di un set di laser (di larghezza di linea settabile da input) sintonizzati a diverse lunghezze d‟onda centrali tali da garantire una spaziatura in frequenza prefissata, i laser divisi in due gruppi sono modulati da segnali dati differenti per ciascun gruppo per simulare il crosstalk fra canali spettrali riservati a comunicazioni diverse.
La portante ottica in uscita da ciascun laser viene quindi modulata per mezzo di modulatori esterni Mach-Zehnder per modulazioni QPSK (IQ-MZM) da due segnali elettrici binari codificati con LDPC (con code rate settabile), uno dei due segnali elettrici viene utilizzato come ingresso alla porta in fase del modulatore ed uno in ingresso alla porta in quadratura del modulatore I-Q.
Prima di essere inviati agli ingressi del modulatore i due segnali elettrici vengono filtrati stretti da un filtro passa basso elettrico (di tipologia e banda settabile) con una banda in genere molto inferiore alla banda normalmente imposta dal limite di Nyquist (che garantisce l‟ortogonalità nel tempo del segnale trasmesso). Il segnale ottico in uscita dal modulatore e quindi filtrato da un filtro ottico (anch‟ esso di banda e tipologia settabile).
L‟operazione simulata di filtraggio passa basso stretto, che allarga la durata dell‟impulso D ben oltre la durata di un intervallo di segnalazione T e incrementa l‟ISI, rappresenta l‟operazione duale del tipico Time-Packing in cui per fissata banda dell‟impulso di segnalazione (o equivalentemente, per fissata durata nel tempo D) viene incrementata la frequenza di segnalazione ( ridotto l‟intervallo T).
La presenza di piu canali spettrali che si sovrappongono, garantita dall‟uso di piu laser simulati sintonizzati diversamente con spaziatura in frequenza F molto stretta, rappresenta l‟implementazione del Frequency-Packing.
Il software simula anche la multiplazione in polarizzazione, per cui lo stesso segnale opportunamente ritardato (per simulare la trasmissione di due segnali differenti) viene trasmesso su un secondo stato di polarizzazione, ortogonale al primo, dell‟onda emessa dal VCSEL.
Successivamente viene simulato l‟effetto di distorsione prodotto dall‟attraversamento della fibra sul segnale ottico trasmesso, per fare questo viene ricostruita la funzione di trasferimento della fibra, sulla base dei dati in input che ne caratterizzano GVD e PMD.
Viene infine simulato il ricevitore sia per quanto concerne il front-end opto-elettronico sia per la parte inerente al Digital Signal Processor, in particolare per quest‟ultima parte la simulazione si identifica perfettamente con le reali operazioni svolte sul segnale discretizzato dall‟ADC, essendo il digital signal processing l‟operazione di elaborazione software sul segnale.
Fig. 4-2. Struttura del ricevitore coerente in diversità di polarizzazione per QPSK-PM
Per il front-end optoelettronico viene simulata la struttura del ricevitore coerente in diversità di polarizzazione illustrata in Fig. 4-2 che coprende il filtro ottico al ricevitore (tipo e banda settabile), l‟oscillatore ottico locale (di cui è possibile settare larghezza di linea e offset di frequenza), due polarization beam splitter (PBS) che dividono il segnale ricevuto e l‟oscillazione ottica locale in due polarizzazioni ortogonali, in modo da poter effettuare un battimento fra la componente di segnale ricevuto e quella di oscillazione ottica locale della medesima polarizzazione ed infine comprende due accoppiatori ibrido-ottici (illustrato nell‟inserto in alto in Fig. 4-2) che effettuano il battimento per ciascuno stato di polarizzazione.
All‟uscita del front-end opto-elettronico simulato escono quattro sequenze di campioni quantizzati, due per ciascun stato di polarizzazione, corrispondenti alle componenti in fase e quadratura del segnale demodulato per ciascuna polarizzazione in uscita da un accoppiatore ibrido-ottico, queste quattro sequenze vengono inviate al Digital Signal Processor per l‟elaborazione del segnale e la decisione sui simboli trasmessi.
La simulazione basa il suo funzionamento sulla trasmissione e ricostruzione in ricezione di una trama costituita da 3 diversi pacchetti noti preceduti ognuno da un identico header noto anchesso, non è noto però l‟ordine con cui si presentano questi pacchetti al ricevitore.
Analizzando più nel dettaglio il software per il DSP, al suo interno sono tre le funzioni implementate che rivestono un ruolo fondamentale:
Una prima funzione che identifica mediante correlazione la sequenza dei 3 pacchetti e i loro header all‟interno della sequenza ricevuta corrotta da rumore, in questo modo è possibile ricostruire la sequenza trasmessa nel giusto ordine, operazione necessaria per implementare gli algoritmi degli stadi successivi. Tale funzione inoltre contiene un algoritmo per la stima e la compensazione dell‟offset di frequenza fra portante ottica usata in trasmissione e portante ottica locale in ricezione, tale algoritmo presentato per la prima in [ ] (Ryfe-Boorstyn 1974) è stato illustrato brevemente nella sezione 2.4.2
Una seconda funzione che implementa la stima dei coefficienti di canale e delle prese dell‟equalizzatore FFE, filtro che dovrà compensare la PMD, separare i segnali appartenenti alle due polarizzazioni e costituirà anche l‟implementazione del filtro adattato. Tale funzione in una prima fase di training utilizza come valori di input per i calcoli delle stime la sequenza trasmessa ricostruita in ricezione dalla prima funzione e, conclusa la fase di training, aggiorna le sue stime sulla base dei simboli stimati al decisore ad ogni sua iterazione. Una descrizione del principio con cui avviene la stima delle prese del filtro equalizzatore e dei coefficienti di canale è stata presentanta nella sezione 2.4.3.
Una terza funzione che al suo interno applica al segnale ricevuto l‟equalizzatore le cui prese sono state stimate nella seconda funzione e applica alle quattro sequenze (fase e quadratura per le due polarizzazioni) in uscita dagli stadi precedenti quattro decisori BCJR seguiti ciascuno da un decoder LDPC. Ogni coppia BCJR-LDPC si scambiano iterativamente informazioni implementando la strategia di decisione MAP per simbolo secondo il principio turbo. (BCJR 1974)(Hagenauer 1997)
Le modifiche che hanno permesso di adeguare il software per la simulazione del QPSK-PM alla nuova applicazione con trasmissione BPSK o OOK possono essere sintetizzate nei seguenti punti:
Il segnale dati viene tramesso su una singola polarizzazione, questo implica che non c‟è alcuna multiplazione in polarizzazione che raddoppierebbe l‟efficienza spettrale ma renderebbe il sistema reale più complesso e costoso. Sebbene il segnale venga trasmesso su una singola polarizzazione nota, gli effetti della trasmissione in fibra modificano la polarizzazione del segnale trasmesso e se la polarizzazione del segnale ottico locale non è allineata con quella del segnale ricevuto questo comporta una perdita di potenza sul segnale demodulato nel caso di ricezione coerente. A tale scopo per il caso BPSK è comunque necessario un ricevitore in diversità di polarizzazione come quello illustrato in Fig. 4-2 capace di scomporre il segnale in due polarizzazioni ortogonali e demodularle separatamente, l‟uscita del front-end opto-elettronico del ricevitore è dunque costituito da quattro sequenze come nel caso QPSK-PM. Per quanto riguarda l‟adattamento per il caso di trasmissione OOK non è necessario implementare il ricevitore in diversità di polarizzazione perchè la demodulazione del segnale, effettuata per mezzo di un semplice fotodiodo (come in Fig. 3-10), garantisce la medesima potenza del segnale demodulato a prescindere dallo stato di polarizzazione con cui il segnale arriva al ricevitore. L‟uscita del front-end opto- elettronico del ricevitore in questo caso è costituito da una sola sequenza di campioni corrispondenti alla discretizzazione, effettuata tramite ADC, del segnale elettrico in uscita dal fotoricevitore.
La funzione che implementa la ricostruzione della sequenza trasmessa, la stima e la compensazione dell‟offset di frequenza fra portante ottica usata in trasmissione e portante ottica locale svolge le stesse funzioni nel caso BPSK ma nel caso OOK non deve implementare alcuna stima o compensazione di offset dato che la demodulazione avviene tramite direct detection.
Il sistema simulato non prevede Frequency Packing in quanto viene simulata la presenza di un solo canale spettrale senza tenere in considerazione l‟ICI indotta da canali adiacenti con spaziatura stretta, si considera però l‟interferenza intersimbolica introdotta dal filtraggio stretto del filtro passa-basso elettrico applicato al segnale dati.
4.3
Risultati delle simulazioni
Per mezzo del software sono state effettuate diverse simulazioni che hanno convalidato la possibilità di utilizzare il TFP in un sistema che impiega una modulazione BPSK e ricezione coerente ed in un sistema che impiega OOK e detection diretta in ricezione. Tali simulazioni hanno prodotto delle misure di efficienza spettrale che hanno permesso di definire la banda in cui un segnale trasmesso con modulazione BPSK ed OOK a 10 Gb/s potesse essere trasmesso efficientemente e infine hanno generato delle curve di BER per il caso OOK che hanno permesso di definire le prestazioni del sistema in termini di qualità della trasmissione.
La prima simulazione, in Fig. 4-4, ha permesso di calcolare il valore di efficienza spettrale al variare del rapporto segnale rumore
In cui Es è l‟energia del segnale in un intervallo di simbolo T, Eb è l‟energia del segnale in un intervallo di bit, No è la densita spettrale monolatera del rumore AWGN, M è la cardinalità della costellazione, B la banda del segnale che nel caso di segnalazione ortogonale classica sarrebbe ma nel caso di tecnica TFP implementato in questa sede è .
Tale simulazione è stata ottenuta considerando di applicare al segnali elettrico che pilota il modulatore un filtro di banda B=3.4GHz che approssimi il filtro realmente utilizzato. La funzione di trasferimento del filtro realmente utilizzato in fase sperimentale, misurata con l‟ausilio di un VNA, è illustrata in Fig. 4-3. Il filtro utilizzato per simulare tale funzione di trasferimento è un filtro Butterworth del IV ordine di banda a -3dB di 3.4 GHz.