Мультиплексирование с поляризационным разделением - Polarization-division multiplexing

Мультиплексирование
Схема мультиплексирования .svg
Аналоговая модуляция
похожие темы

Мультиплексирование с поляризационным разделением ( PDM ) - это метод физического уровня для мультиплексирования сигналов, переносимых электромагнитными волнами , позволяющий передавать два канала информации на одной и той же несущей частоте с использованием волн с двумя состояниями ортогональной поляризации . Он используется в микроволновых каналах, таких как нисходящие каналы спутникового телевидения, для удвоения полосы пропускания за счет использования двух ортогонально поляризованных питающих антенн в спутниковых антеннах . Он также используется в оптоволоконной связи, передавая отдельные световые лучи с левой и правой круговой поляризацией по одному и тому же оптическому волокну .

Радио

Методы поляризации давно используются в радиопередаче для уменьшения помех между каналами, особенно на частотах ОВЧ и выше.

При некоторых обстоятельствах скорость передачи данных по радиоканалу может быть увеличена вдвое за счет передачи двух отдельных каналов радиоволн на одной и той же частоте с использованием ортогональной поляризации. Например, в наземных микроволновых линиях связи точка-точка передающая антенна может иметь две фидерные антенны; антенна с вертикальным питанием, которая передает микроволны с вертикальным электрическим полем ( вертикальная поляризация ), и антенна с горизонтальным питанием, которая передает микроволны на той же частоте с горизонтальным электрическим полем ( горизонтальная поляризация ). Эти два отдельных канала могут приниматься вертикальными и горизонтальными антеннами на приемной станции. Для спутниковой связи вместо этого часто используется ортогональная круговая поляризация (т.е. правая и левая), поскольку смысл круговой поляризации не изменяется из-за относительной ориентации антенны в пространстве.

Система с двойной поляризацией обычно включает два независимых передатчика, каждый из которых может быть подключен с помощью волновода или линий ТЕМ (таких как коаксиальные кабели или полосковая линия или квази-ТЕМ, например микрополосковая ) к антенне с одной поляризацией для ее стандартной работы. Хотя две отдельные антенны с одной поляризацией могут использоваться для PDM (или два соседних источника в отражающей антенне ), излучение двух независимых состояний поляризации часто может быть легко достигнуто с помощью одной антенны с двойной поляризацией.

Когда передатчик имеет волноводный интерфейс, обычно прямоугольный, чтобы находиться в одномодовой области на рабочей частоте, антенна с двойной поляризацией и круглым (или квадратным) волноводным портом является излучающим элементом, выбранным для современных систем связи. Порт круглого или квадратного волновода необходим для поддержки как минимум двух вырожденных мод. Поэтому в таких ситуациях должен быть введен специальный компонент, чтобы объединить два отдельных однополяризованных сигнала в один физический интерфейс с двойной поляризацией, а именно в ортопедический преобразователь (OMT) .

В случае, если передатчик имеет выходные соединения TEM или квази-TEM, вместо этого антенна с двойной поляризацией часто представляет отдельные соединения (например, квадратная прямоугольная антенна с двумя точками питания) и включает функцию OMT посредством внутренней передачи два сигнала возбуждения в состояния ортогональной поляризации.

Таким образом, сигнал с двойной поляризацией переносит два независимых потока данных на приемную антенну, которая сама может быть однополяризованной, для приема только одного из двух потоков за раз, или модель с двойной поляризацией, снова ретранслируя принятый сигнал. к двум однополяризационным выходным разъемам (через ОМТ, если в волноводе).

Идеальная система с двойной поляризацией лежит в основе идеальной ортогональности двух состояний поляризации, и любой из однополяризованных интерфейсов в приемнике теоретически будет содержать только сигнал, предназначенный для передачи с желаемой поляризацией, таким образом не создавая помех и позволяет прозрачно мультиплексировать и демультиплексировать два потока данных без какого-либо ухудшения качества из-за сосуществования друг с другом.

Компании, работающие над коммерческой технологией PDM, включают Siae Microelettronica , Huawei и Alcatel-Lucent .

Некоторые типы наружных микроволновых радиоприемников имеют встроенные преобразователи орторежима и работают в обеих полярностях от одного радиоблока, выполняя подавление кросс-поляризационных помех ( XPIC ) внутри самого радиоблока. В качестве альтернативы, преобразователь орторежима может быть встроен в антенну и позволяет подключать к антенне отдельные радиомодули или отдельные порты одного и того же радиомодуля.

CableFree 2 + 0 XPIC Microwave Link, показывающий OMT и два ODU, подключенных к портам полярности H и V

Подавление кросс-поляризационных помех (XPIC)

Однако практические системы страдают от неидеального поведения, которое смешивает сигналы и состояния поляризации вместе:

  • OMT на передающей стороне имеет конечную кроссполяризационную дискриминацию (XPD) и, таким образом, пропускает часть сигналов, предназначенных для передачи в одной поляризации, в другую.
  • передающая антенна имеет конечный XPD и, таким образом, пропускает часть своей входной поляризации в другое состояние излучаемой поляризации
  • распространение в присутствии дождя, снега, града создает деполяризацию, поскольку часть двух встречных поляризаций просачивается в другую
  • конечный XPD приемной антенны действует аналогично передающей стороне, и относительное выравнивание двух антенн способствует потере системного XPD
  • конечный XPD принимающего ОМТ также дополнительно смешивает сигналы от порта с двойной поляризацией к портам с одной поляризацией.

Как следствие, сигнал на одном из принятых терминалов с одной поляризацией фактически содержит преобладающее количество полезного сигнала (предназначенного для передачи на одну поляризацию) и незначительное количество нежелательного сигнала (предназначенного для передачи другой поляризацией). , что представляет собой вмешательство по сравнению с первым. Как следствие, каждый принятый сигнал должен быть очищен от уровня помех, чтобы достичь требуемого отношения сигнал / шум и помехи (SNIR), необходимого для приемных каскадов, которое может быть порядка более 30 дБ. для высокоуровневых схем M- QAM . Такая операция выполняется посредством подавления кросс-поляризационных помех (XPIC), обычно реализуемого как цифровой каскад основной полосы частот.

По сравнению с пространственным мультиплексированием принятые сигналы для системы PMD имеют гораздо более благоприятное отношение несущей к помехе, поскольку величина утечки часто намного меньше, чем полезный сигнал, тогда как пространственное мультиплексирование работает с количеством помех, равным величине полезного сигнала. Это наблюдение, действительное для хорошей конструкции PMD, позволяет спроектировать адаптивный XPIC более простым способом, чем обычная схема отмены MIMO, поскольку начальной точки (без отмены) обычно уже достаточно для установления канала с низкой пропускной способностью с помощью пониженная модуляция.

XPIC обычно действует на один из принятых сигналов «C», содержащий желаемый сигнал в качестве доминирующего члена, и также использует другой принятый сигнал «X» (содержащий мешающий сигнал в качестве доминирующего члена). Алгоритм XPIC умножает «X» на комплексный коэффициент, а затем добавляет его к полученному «C». Коэффициент комплексной рекомбинации адаптивно регулируется, чтобы максимизировать MMSE, измеренный при рекомбинации. Как только MMSE улучшится до требуемого уровня, два терминала могут переключиться на модуляцию высокого порядка.

Дифференциальная кроссполяризационная беспроводная связь

Это новый метод передачи поляризованной антенны с использованием дифференциальной техники.

Фотоника

Мультиплексирование с поляризационным разделением обычно используется вместе с фазовой модуляцией или оптическим QAM , обеспечивая скорость передачи 100 Гбит / с или более на одной длине волны. Затем наборы сигналов с длинами волн PDM могут передаваться по инфраструктуре мультиплексирования с разделением по длине волны , что потенциально существенно увеличивает ее пропускную способность. Множественные сигналы поляризации могут быть объединены для образования новых состояний поляризации, которые известны как генерация состояний параллельной поляризации .

Основная проблема при практическом использовании PDM по волоконно-оптическим системам передачи - это дрейфы состояния поляризации, которые происходят непрерывно с течением времени из-за физических изменений в среде волокна. В системе с большим расстоянием эти дрейфы накапливаются постепенно без ограничений, что приводит к быстрому и беспорядочному вращению вектора Джонса поляризованного света по всей сфере Пуанкаре . Поляризационная модовая дисперсия , поляризационно-зависимые потери . и кросс-поляризационная модуляция - другие явления, которые могут вызвать проблемы в системах PDM.

По этой причине PDM обычно используется в сочетании с передовыми методами канального кодирования , что позволяет использовать цифровую обработку сигнала для декодирования сигнала таким образом, чтобы обеспечить устойчивость к артефактам сигнала, связанным с поляризацией. Используемые модуляции включают PDM-QPSK и PDM-DQPSK .

Компании, работающие над коммерческой технологией PDM, включают Alcatel-Lucent , Ciena , Cisco Systems , Huawei и Infinera .

Смотрите также

использованная литература