Podwójnie Polaryzowane QPSK (DP-QPSK)

Większa przepustowość dzięki polaryzacji

W systemach światłowodowych zwiększenie pojemności można uzyskać przez poprawę sprawności widmowej. Przy porównywalnej średniej energii symbolu przejście z QPSK (2 bity na symbol) do 16-QAM (4 bity na symbol) zwiększa liczbę bitów na symbol przy mniejszych odległościach między punktami konstelacji. Zwiększa to wymagania względem stosunku sygnału do szumu i może ograniczać zasięg transmisji.

Podwójnie polaryzowane QPSK (DP-QPSK) wykorzystuje dodatkowy wymiar fizyczny sygnału, czyli polaryzację. Dwie niezależne składowe QPSK przenoszą łącznie 4 bity na symbol zbiorczy, tak jak 16-QAM w przyjętej konwencji liczenia symboli.

Polaryzacja światła: podstawa działania

Światło jest falą elektromagnetyczną, której pole elektryczne ma określoną polaryzację.

Polaryzacja opisuje orientację oscylacji pola elektrycznego w miarę rozchodzenia się fali. DP-QPSK wykorzystuje dwa ortogonalne stany polaryzacji (np. pionowy i poziomy) jako oddzielne, równoległe kanały komunikacyjne w tym samym włóknie i w tym samym paśmie. W rzeczywistym włóknie mogą wystąpić sprzężenie polaryzacji oraz dyspersja polaryzacyjna, dlatego odbiornik rozdziela składowe i może kompensować wpływ kanału.

Jak działa DP-QPSK: kolejne etapy

Proces tworzenia i przesyłania sygnału DP-QPSK polega na wysyłaniu dwóch oddzielnych sygnałów QPSK równolegle, po jednym na każdej polaryzacji.

1. Podział strumienia danych: Oryginalny, szybki strumień danych jest dzielony na dwa oddzielne, wolniejsze podstrumienie.
2. Niezależna modulacja QPSK: Każdy podstrumień jest używany do modulacji własnego, niezależnego sygnału QPSK. Przypomnijmy, że standardowy sygnał QPSK koduje 2 bity informacji na symbol poprzez zmianę między czterema stanami fazy.
3. Przypisanie do polaryzacji:Pierwszy sygnał QPSK jest przesyłany na jednej polaryzacji (np. poziomej lub 'X'), podczas gdy drugi sygnał QPSK jest przesyłany na polaryzacji ortogonalnej (np. pionowej lub 'Y').
4. Jednoczesna transmisja: Oba spolaryzowane sygnały są łączone i przesyłane tym samym kablem światłowodowym, zajmując to samo pasmo częstotliwości w tym samym czasie.
5. Separacja i demodulacja: W odbiorniku specjalny komponent optyczny zwany rozdzielaczem polaryzacyjnym (polarization beam splitter) rozdziela fale poziomą i pionową. Każda fala jest następnie kierowana do własnego demodulatora QPSK, a dwa odzyskane podstrumienie danych są ponownie łączone w oryginalny, szybki strumień.

Liczba bitów i normalizacja energii

Przesyłanie dwóch niezależnych strumieni QPSK równolegle w tym samym paśmie podwaja szybkość bitową informacji przy danej szybkości symbolowej.

• Standardowy sygnał QPSK przenosi 2 bity na symbol.
• Sygnał DP-QPSK przenosi informację z dwóch równoległych sygnałów QPSK.
• Dlatego każdy symbol zbiorczy przenosi $2 \text{ bity/symbol/polaryzację} \times 2 \text{ polaryzacje} = 4 \text{ bity/symbol}$ informacji.

Przy analizie mocy trzeba wskazać, czy energia dotyczy jednej polaryzacji, czy ich połączenia. Jeśli średnia energia symbolu w każdej gałęzi wynosi 1, przed dodatkową normalizacją energia symbolu zbiorczego jest sumą $E_{DP}=E_X+E_Y=2$. Jeśli symbol zbiorczy zostanie znormalizowany do $E_{DP}=1$, a obie gałęzie są równe, każda z nich ma energię $E_X=E_Y=1/2$.

Dla idealnego koherentnego DP-QPSK w kanale AWGN i z mapowaniem Graya rozdzielenie polaryzacji prowadzi do dwóch koherentnych decyzji QPSK. Gdy $E_b$ oznacza energię jednego bitu informacji w jednej gałęzi, a dwustronna gęstość widmowa mocy szumu wynosi $N_0/2$, BER każdej gałęzi opisuje $P_b=Q\left(\sqrt{2E_b/N_0}\right)$. Przy podawaniu $E_b/N_0$ trzeba zachować tę samą konwencję dla pojedynczej gałęzi albo mocy całkowitej.

Przy tej samej szybkości symbolowej 4 bity na symbol zbiorczy odpowiadają liczbie bitów przypadających na symbol w 16-QAM lub 16-PSK z pojedynczą polaryzacją. Nie oznacza to identycznej odporności na szum. DP-QPSK rozkłada informację na dwie konstelacje QPSK, a wymagania zależą od mocy, filtracji, odbiornika i kanału. Konstelacja QPSK ma cztery punkty, więc odbiornik rozróżnia mniej stanów niż w przypadku 16-QAM. Wysoka przepustowość wynika z równoległej transmisji w dwóch ortogonalnych polaryzacjach.