Polarization-division multiplexing ( PDM ) è un metodo di livello fisico per segnali di multiplexing trasportati su onde elettromagnetiche , consentendo di trasmettere due canali di informazione sulla stessa frequenza portante utilizzando onde di due stati di polarizzazione ortogonali . Viene utilizzato nei collegamenti a microonde , come i collegamenti via satelliteper raddoppiare la larghezza di banda utilizzando due antenne di alimentazione polarizzate ortogonalmente in parabole satellitari . Viene anche utilizzato nella comunicazione in fibra ottica trasmettendo separatamente sinistra ebagliori di luce polarizzati a destra attraverso la stessa fibra ottica .

Radio

Le tecniche di polarizzazione sono state a lungo utilizzate nella trasmissione radio per ridurre le interferenze tra i canali, in particolare alle frequenze VHF e oltre.

In alcune circostanze, la velocità di trasmissione di un collegamento radio può essere raddoppiata trasmettendo due canali separati di onde radio sulla stessa frequenza, usando la polarizzazione ortogonale. Ad esempio, nei collegamenti a microonde terrestri punto punto, l’antenna trasmittente può avere due antenne di alimentazione; un’antenna di alimentazione verticale che trasmette microonde con il loro campo elettrico verticale ( polarizzazione verticale ) e un’antenna di alimentazione orizzontale che trasmette microonde sulla stessa frequenza con il loro campo elettrico orizzontale ( polarizzazione orizzontale ). Questi due canali separati possono essere ricevuti da antenne di alimentazione verticale e orizzontale presso la stazione di ricezione. Per comunicazioni via satellite, polarizzazione circolare ortogonale viene spesso usato invece (cioè destrorso e mancino), poiché il senso di polarizzazione circolare non viene modificato dall’orientamento relativo dell’antenna nello spazio.

Un sistema a doppia polarizzazione comprende solitamente due trasmettitori indipendenti, ciascuno dei quali può essere collegato mediante linee guida d’ onda o linee TEM (come cavi coassiali o stripline o quasi-TEM come microstrip ) a un’antenna a polarizzazione singola per il suo funzionamento standard. Anche se per PDM (o due alimentazioni adiacenti in un’antenna del riflettore ) possono essere utilizzate due antenne a polarizzazione singola separate , è possibile ottenere facilmente radiazioni di due stati di polarizzazione indipendenti mediante un’unica antenna a doppia polarizzazione.

Quando il trasmettitore ha un’interfaccia a guida d’onda, tipicamente rettangolare per essere nella regione a modalità singola alla frequenza operativa, un’antenna polarizzata doppia con una porta guida d’onda circolare (o quadrata) è l’elemento radiante scelto per i moderni sistemi di comunicazione. La porta guida d’onda circolare o quadrata è necessaria in modo che siano supportate almeno due modalità degenerate. Un componente ad-hoc deve quindi essere introdotto in tali situazioni per unire due segnali separati polarizzati singoli in un’unica interfaccia fisica polarizzata, vale a dire un trasduttore orto-mode (OMT) .

Nel caso in cui il trasmettitore abbia connessioni di uscita TEM o quasi-TEM, invece, un’antenna a doppia polarizzazione presenta spesso connessioni separate (ad esempio un’antenna a toppa quadrata stampata con due punti di alimentazione) e incorpora la funzione di un OMT mediante il trasferimento intrinseco del due segnali di eccitazione agli stati di polarizzazione ortogonale.

Un segnale a doppia polarizzazione porta quindi due flussi di dati indipendenti a un’antenna ricevente, che può essere essa stessa a polarizzazione singola, per ricevere solo uno dei due flussi alla volta, o un modello a doppia polarizzazione, di nuovo trasmettendo il suo segnale ricevuto a due connettori di uscita a polarizzazione singola (tramite un OMT se in guida d’onda).

Il sistema di doppia polarizzazione ideale giace fondamentalmente sulla perfetta ortogonalità dei due stati di polarizzazione e qualsiasi delle interfacce polarizzate singole sul ricevitore conterrebbe teoricamente solo il segnale destinato a essere trasmesso dalla polarizzazione desiderata, senza introdurre interferenze e consentendo ai due flussi di dati di essere multiplexati e demultiplexati in modo trasparente senza alcun degrado dovuto alla coesistenza con l’altro.

Le aziende che lavorano sulla tecnologia PDM commerciale includono Siae Microelettronica , Huawei e Alcatel-Lucent .

Cancellazione interferenza tra polarizzazione incrociata (XPIC)

I sistemi pratici, tuttavia, soffrono di comportamenti non ideali che mescolano insieme i segnali e gli stati di polarizzazione:

  • l’OMT sul lato trasmittente ha una discriminazione a polarizzazione incrociata finita (XPD) e quindi perde parte dei segnali destinati a essere trasmessi in una polarizzazione all’altra
  • l’antenna trasmittente ha un XPD finito e quindi perde parte delle sue polarizzazioni di ingresso verso l’altro stato di polarizzazione irradiata
  • la propagazione in presenza di pioggia, neve, grandine crea depolarizzazione, in quanto parte delle due polarizzazioni è trapelata all’altra
  • l’XPD finito dell’antenna ricevente agisce in modo simile al lato trasmittente e l’allineamento relativo delle due antenne contribuisce a una perdita del sistema XPD
  • anche l’XPD finito dell’OMT ricevente mescola ulteriormente i segnali dalla porta bipolarizzata alle porte polarizzate singole

Di conseguenza, il segnale su uno dei terminali di polarizzazione singola ricevuti contiene effettivamente una quantità dominante del segnale desiderato (destinato a essere trasmesso su una polarizzazione) e una quantità minore di segnale indesiderato (destinato a essere trasportato dall’altra polarizzazione) , che rappresenta un’interferenza sul primo. Di conseguenza, ogni segnale ricevuto deve essere cancellato dal livello di interferenza per raggiungere il rapporto segnale-rumore-interferenza (SNIR) richiesto dagli stadi riceventi, che può essere dell’ordine di oltre 30 dB per schemi M- QAM di alto livello . Tale operazione viene eseguita mediante una cancellazione di interferenza a polarizzazione incrociata (XPIC), tipicamente implementata come stadio digitale in banda base.

Rispetto al multiplexing spaziale , i segnali ricevuti per un sistema PMD hanno un rapporto portante-interferenza molto più favorevole, poiché la quantità di perdita è spesso molto più piccola del segnale utile, mentre il multiplexing spaziale opera con una quantità di interferenza pari alla quantità di segnale utile. Questa osservazione, valida per un buon progetto di PMD, consente di progettare l’XPIC adattivo in modo più semplice rispetto a uno schema di cancellazione MIMO generale, poiché il punto di partenza (senza cancellazione) è in genere già sufficiente per stabilire un collegamento a bassa capacità mediante una modulazione ridotta.

Un XPIC di solito agisce su uno dei segnali ricevuti “C” contenente il segnale desiderato come termine dominante e usa anche l’altro segnale “X” ricevuto (contenente il segnale di interferenza come termine dominante). L’algoritmo XPIC moltiplica la “X” di un coefficiente complesso e quindi lo aggiunge alla “C” ricevuta. Il complesso coefficiente di ricombinazione è adattato in modo adattivo per massimizzare l’ MMSE misurato sulla ricombinazione. Una volta che l’MMSE viene migliorato al livello richiesto, i due terminali possono passare a modulazioni di ordine elevato.

Fotonica

Il multiplexing della divisione di polarizzazione viene in genere utilizzato insieme alla modulazione di fase o al QAM ottico , consentendo velocità di trasmissione di 100 Gbit / s o più su una singola lunghezza d’onda. I set di segnali di lunghezza d’onda del PDM possono quindi essere trasportati su un’infrastruttura di multiplexing a lunghezza d’onda , potenzialmente espandendo sostanzialmente la sua capacità. I segnali di polarizzazione multipli possono essere combinati per formare nuovi stati di polarizzazione, che è noto come generazione di stati di polarizzazione paralleli . [1]

Il problema principale con l’uso pratico del PDM rispetto ai sistemi di trasmissione a fibre ottiche sono le derive in stato di polarizzazione che si verificano continuamente nel tempo a causa di cambiamenti fisici nell’ambiente della fibra. Su un sistema a lunga distanza, queste derive si accumulano progressivamente senza limiti, determinando una rotazione rapida e irregolare del vettore Jones della luce polarizzata sull’intera sfera di Poincaré . Modalità dispersione di polarizzazione , la perdita di polarizzazione-dipendente . e la modulazione cross-polarization sono altri fenomeni che possono causare problemi nei sistemi PDM.

Per questo motivo, il PDM viene generalmente utilizzato in combinazione con tecniche avanzate di codifica dei canali , consentendo l’uso dell’elaborazione del segnale digitale per decodificare il segnale in un modo che è resiliente agli artefatti del segnale relativi alla polarizzazione. Le modulazioni utilizzate includono PDM-QPSK e PDM-DQPSK . [2]

Le aziende che lavorano sulla tecnologia PDM commerciale includono Alcatel-Lucent , Ciena , Cisco Systems , Huawei e Infinera .

Vedi anche

  • Scrambler di polarizzazione
  • Multiplexing a lunghezza d’onda
  • Multiplexing del momento angolare orbitale

Riferimenti

  1. Saltate^ Lei, Alan; Capasso, Federico (17 maggio 2016). “Generazione di stato di polarizzazione parallela” . Rapporti scientifici . Natura. arXiv : 1602.04463  . Bibcode : 2016NatSR … 626019S . doi : 10.1038 / srep26019 . Estratto il 27 giugno 2016 .
  2. Salta su^ “The Road to 100G Networking” (PDF) . Ciena. 2008 . Estratto il 2012-06-25 .

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