Hochbitratige optische Übertragungssysteme - hft.tu … · Hochbitratige optische Übertragungssysteme Empfänger C.-A. Bunge; Hochschule f r Telekommunikation Leipzig: High-Speed

Hochbitratige optische Übertragungssysteme

Empfänger

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

Taktrück-gewinnung

Prinzip eines Empfängers


Taktrück-gewinnung


optisch


Taktrück-gewinnung


optisch elektrisch


Taktrück-gewinnung


optisch elektrisch digital


Augendiagramm

TB


Abtastung und Quantisierung


zur Taktrückgewinnung...


!t

XOR

NRZPseudo-RZ

Vorkodierer für NRZ-Signale

NRZ

Verz.NRZ

Pseudo-RZ

t

t

tτp


NRZ !" Takt

Phasen-schieber

begr.Verstärker

schmaleFilterung

Schmale Filterung


NRZ !" TaktVCO

Phase-Locked Loop


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F-:*B8)++,-'A1)B,

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DJ0AE

!

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Rauschen entlang der Strecke


ECE228B, Winter 2006, Prof. D. J. Blumenthal Lecture 2, Slide 3

Electrical Signal-to-Noise Ratio (SNR)

! At the receiver, there is noise on the signal arriving at the input and and after detection

added to that is noise that is injected at various stages of the receiver

! The current output of the receiver in(t) has current contributions from

! Electrical shot noise

! Thermal noise

! APD detectors have additional multiplication noise

! Amplifier noise

Receiver

I(t) = Ip(t) + in(t)

2!1

2!0

Popt(t) = PSig(t) + Pn(t)

t

<I1>

<I0>

Det

ecto

r O

utp

ut

Curr

ent

(I)

photodetector

optische Leistung – Fotostrom

Fotodetektor


Transformation des Rauschens im Empfänger

• 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

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<19,-,*+

Quantenrauschen: Poisson-Prozess

• Folgt durch Annahme, dass auf einander folgende Photonen sich unabhängig von einander ausbreiten

• Markov-Prozess



Modeling Detector SNR

! When observing the detector current output, it is difficult to tell which noise was

present at the optical input and which noise was generated internal to the detector.

So we tend to use several different models and combine them

Optical signal = DC

component +

variance (Poisson

Process)

Ideal

photodetector

Hd(!) = FT {hd(t)}

Filtering

Current = DC

component +

variance (Poisson

Process)

Current = DC

component +

variance (Filtered

Poisson Process)

!

Internal

Detector

Noise

Current = DC

component +

variance (Filtered

Poisson Process +

additive noise)

Model des Rauschens I



Shot Noise Mean and Variance

is (t) = i(t) =!q

h"Precvd hd (# )d#

0

t

$

in2(t) = var{i(t)} =

!q

h"Precvd hd

2(# )d#

0

t

$

! For constant power illumination, the rate parameter is constant, and the signal is the mean

! The noise corresponds to the photocurrent variance

! For a filter, homogeneous Poisson process

Mean (Amps)

Variance (Amps2)

• Both mean and variance are

linear with Prevd

• As Prcvd is increased, both

signal and noise increase

Power Spectrum

IDC

2

in2(0) = 2qIDC

B

f

Total Shot Noise =

Area = 2qIDCB

Detector Bandwidth

Model des Rauschens



Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR)

! OSNR is an extremely important parameter in optically amplified systems

! A poor OSNR cannot in principle be improved at the receiver

! It is mainly determined by:

! Useful signal level

! ASE noise level

! OSNR is typically measured using an Optical Spectrum Analyzer (OSA)

! The resulting quantities are thus time averaged

! The OSNR is defined on a given resolution bandwidth !f (an example standardrequires 0.1 nm =12.5 GHz)

f

( )fPOSA

WDM optical

channels

OSNR

f!

Optisches Signal-zu-Rausch-Verhältnis

• bezogen auf Auflösungsbandbreite

• i.A. 12,5 GHz (0,1 nm)


OSNR0 =< P0,opt >2

!20

OSNR1 =< P1,opt >2

!21

OSNR – optical Signal-to-Noise Ratio


Optical Signal-to-Noise Ratio (OSNR)

<P1optical>

<P0optical>

2!1

2!0

! Noise is accumulated in the optical channel due to

! RIN, MPN, Optical Amplifier Noise and Shot Noise.

! OSNR for each level and for complete signal can be defined

OSNR1=

P1

Optical 2

!1

2

OSNR0=

P0

Optical 2

!0

2


PN = mnsph!(G! 1)Bopt

EDFA und Rauschen

• G: Gewinn des Verstärkers

• nsp: spontaneous emission factor

• m: Anzahl der Polarisationen

• PN: mittleres Rauschen innerhalb der Rauschbandbreite Bopt

Pin

<Pout>=<GP

in+mP

N>


OSNR ! P inSignal " FEDFA + 58 dB

OSNR ! P outEDFA " !Span " 10 log NSpan " FEDFA + 58 dB

OSNR am Streckenende

SNR =Pin

PTotalASE

FN =SNRin

SNRout=

P 2in

!2in

!2out

P 2out

! 2nsp wenn G" 1

In Systemen mit min. 1 EDFA:



SNR due to Optical Amplifier ASE noise

! Effects of ASE noise (neglecting other noise sources)

)()()( : where)()()( tjqtptntntEtEF

ASE

F

ASE

F

ASE

F

ASE

F

RX +=+=

( ) ( ) !"#$

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=++==

222

22

)()()()(2)(

)()()()()(

tqtptptEtER

tjqtptERtERti

F

ASE

F

ASE

F

ASE

F

RX

F

RX

F

ASE

F

ASE

F

RX

{

Usefulsignal

{

S x Nbeating

{N x N

beating

{

)(tnASE

+

)(tERX

2)()( tEtP

RXRX=

EDFA

)(ti

N x Nbeating

Auswirkung von ASE am Empfänger (DD)


Signalqualität – Rauschen – Bitfehlerrate


Bitfehlerrate


Berechnung der BER bei Direktdetektion


Bit Error Rate (BER)

!Probability of error = P[0]P[1|0] + P[1]P[0|1]

!P[0] = Probability a “0” was transmitted

!P[1] = Probability a “1” was transmitted

!P[1|0] = Probability a “1” is received given that a “0” is transmitted

!P[0|1] = Probability a “0” is received given that a “1” is transmitted

<I1><I0>

2!12!0

ID

PDF for a

“1” transmittedPDF for a

“0” transmitted

Area = P[0|1] Area = P[1|0]

“0” “1”

P 1| 0[ ] =1

!0 2"exp

I0 # I( )2

2! 02

$

% &

' &

(

) &

* & ID

+

, dI

P 0 | 1[ ] =1

!1 2"exp

I1 # I( )2

2!12

$

% &

' &

(

) &

* & +

ID

, dII

Under the gaussian assumption:



BER and Q-Factor

The “near” optimum decision threshold is ID=!0I1+!

1I0

!0+ !

1

The bit error rate (BER) assuming

Gaussian noise can be written as

( )!22/exp

22

1 2

Q

QQerfcBER

"#$

%

&'(

)*

Defining the Q factor Q =I1! I

0

"1+ "

0

Q0=ID! I

0

"0

Q1=ID! I

1

"1

P 1| 0[ ] =1

2!exp "

I2

2

# $ %

& ' ( Q0

)

* dI

P 0 | 1[ ] =1

2!exp "

I2

2

# $ %

& ' ( Q1

)

* dI

Substituting

• BER is the most important performance

indicator of a receiver

• Q-factor is a good indicator

Legen der optimalen Entscheiderschwelle


Bitfehlerrate


Empfänger für phasenmodulierte Signale


A1

A2

Aout

Ain

TB

A'1

Aout

A'2

Delay-Line-Interferometer


Ausgangssignale des DLI

t

φ

π

0

t

Pout

Ain2

0

t0

Pout

Ain2


Wirkungsweise des DLI als DPSK-Empfänger


Balanced Receiver

Vcc

-Vcc

Signal

Pout

Pout


Single-ended vs balanced Detection


D(Q)PSK-Empfänger


Rauschen in phasenmodulierten Systemen


Gordon-Mollenauer-Noise

Im

Re

ASE-Rauschen


Gordon-Mollenauer-Noise

Im

Re

ASE-Rauschen

Im

Re

GM-Rauschen


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×)


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


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