Receptor coerente (Rx) e processamento digital de sinais

O emprego de formatos de modulação de elevada e…ciência espectral exige que o re- ceptor consiga recuperar a informação presente em diversos parâmetros do sinal, tais como amplitude, frequência, fase e polarização. Acoplando-se adequadamente dois divi- sores de feixes polarizador (polarization beam splitter - PBS ) e duas híbridas de 90 com detecção balanceada, tem-se o receptor coerente com diversidade de polarização e fase, como ilustrado na Fig. 4.6. Tal abordagem é padrão para detecção coerente de sinais modulados em fase e quadratura.

Medida da potência entrada Controlador Ganho alvo FD bombeio LB AGC LB @980nm EDF Saída WDM 99:1 ISO ISO FD Entrada

Figura 4.5: Diagrama de blocos do controle automático de ganho com realimentação adiante do EDFA simulado (FD: fotodetector; LB: laser de bombeio; ISO: isolador; WDM: acoplador de bombeio).

O sinal óptico recebido tem suas componentes de polarização ortogonais separadas nos PBSs, as quais são sobrepostas com as mesmas componentes de polarização oriundas do laser oscilador local (local oscilator - LO) nas híbridas de 90o. A híbrida é o elemento que permite a detecção separada em banda base dos componentes em fase (I) e quadratura (Q) do sinal.

Os sinais de saída das híbridas em fase e quadratura e para cada polarização são fotode- tectados e, em seguida, um ampli…cador de transimpedância (transimpedance ampli…er - TIA) acoplado a um circuito de controle automático de ganho convertem a fotocorrente para uma tensão correspondente de saída. A sensibilidade é limitada pela banda e respon- sividade dos fotodetectores balanceados, pela banda e ganho linear dos ampli…cadores de transimpedância e pelo ruído que estes adicionam ao sinal. Os sinais elétricos (tensão) são amostrados por conversores analógico-digital (analogic-to-digital converter - ADC ) de alta velocidade, com a informação resultante sendo processada digitalmente para recupe- ração do sinal. A principal vantagem da recepção coerente é que todas as características do sinal óptico são passadas para o domínio elétrico, permitindo, assim, que o sinal seja tratado no domínio digital.

P

D

S

Figura 4.6: Receptor coerente com oscilador local (redesenhado de [109]).

No domínio digital, é possível se utilizar algoritmos de processamento digital de sinais (PDS) para corrigir efeitos de degradação impostos ao sinal transmitido, seja pela …- bra óptica ou, mesmo, pelo receptor coerente, como, por exemplo, os efeitos dispersivos impostos pela transmissão através da …bra óptica, dispersão cromática (cromatic disper- sion - CD) e a dispersão do modo de polarização (polarization mode dispersion - PMD). Funções como sincronização e recuperação de portadora, tradicionalmente implementadas por circuitos de aplicação dedicada, são efetuadas atualmente via algoritmos de PDS.

A Fig. 4.7 ilustra um exemplo de sequência de processamento com as principais funcionalidades (conjunto padrão de algoritmos) implementadas via PDS no receptor óptico coerente.

Figura 4.7: Diagrama de blocos do processamento digital de sinais num receptor óptico coerente, com destaque para, a sequência padrão de operações/algoritmos utilizados.

O bloco de “Ortogonalização” compensa distorções na híbrida de 90o _{e diferenças de}

potência entre as componentes em fase e quadratura. Isso pode ocorrer devido a pequenos desvios de construção da híbrida, variações discretas nos pontos de polarização dos foto- diodos balanceados ou diferenças nos ganhos dos ampli…cadores de transimpedância. Os

algoritmos mais usados para isso são os algoritmos de Gram-Schmidt e de Löwdin [33]. Já o bloco “Compensação de CD”realiza a compensação da dispersão cromática (cro- matic dispersion - CD) acumulada ao longo da transmissão do sinal através da …bra óptica, utilizando, para isso, um …ltro equalizador estático, seja no domínio do tempo ou no domínio da frequência [109]. Essa …ltragem é denominada “equalização estática” da resposta do canal (…bra óptica) pois, uma vez de…nidos o comprimento total e per…l de dispersão cromática do enlace de …bra óptica, esse …ltro não mais se altera em todo processo de recepção. Em paralelo, pode-se ter a funcionalidade de estimação de CD, que busca pelo melhor valor de dispersão cromática a se compensar [109]. Para realizar esta busca, esta funcionalidade recebe amostras de sinais e, por meio de uma função custo, é capaz de determinar qual a dispersão cromática presente em um sinal recebido, sem a necessidade de conhecimento prévio do comprimento total do enlace.

Por outro lado, o bloco de “Sincronização”usa o algoritmo de Gardner para recuperar o tempo de símbolo [109]. Esta etapa permite ao receptor determinar, para uma dada sequência de sinais recebida, os melhores instantes de amostragem a serem utilizados na decisão dos símbolos transmitidos.

O bloco de “Demultiplexação de polarização”é responsável por separar os eixos de po- larização. Este bloco é responsável pela recuperação da informação presente nos eixos de polarização, que estão misturadas devido à PMD e às rotações de polarizações sofridas ao longo da transmissão na …bra óptica. Realiza-se uma equalização dinâmica com múltiplas entradas e múltiplas saídas 2x2 (multiple input multiple output - MIMO) usando quatro …ltros de resposta …nita ao impulso (…nite impulse response – FIR) [33]. Os algoritmos normalmente utilizados são o algoritmo de modulo constante (constant modulus algorithm - CMA), o algoritmo de mínima média quadrática (least mean square - LMS ) ou o algo- ritmo de mínima média quadrática e decisão direta (decision directed LMS - DD-LMS ) [33].

Após a equalização dinâmica, o bloco de “Recuperação da portadora” realiza a es- timação do desvio de frequência entre o laser de sinal e o laser oscilador local, seja no domínio do tempo ou no domínio da frequência. Além disso, é realizada a estimação de

fase (também neste bloco) por meio do algoritmo de recuperação de fase por alimentação adiante (feed-forward phase recovery - FFPE ) [33].

Por …m, é feita a decisão dos símbolos em cada polarização e calculada a taxa de erro de bits, a partir do fator de qualidade da constelação (Q-Factor ). Os blocos de decisão de sequências mais comuns são o de máxima probabilidade a posteriori (maximum a posteriori - MAP) e de máxima verossimilhança (maximum likelihood sequence estimation - MLSE ) [33].

Outro papel importante no processo de decisão das sequências de bit recuperadas é cumprido pelos códigos corretores de erro. O uso de FEC permite ganhos de codi…cação equivalentes à ganhos de OSNR na entrada do receptor, em troca de um incremento percentual na taxa de sinalização do transmissor devido à adição de bits de redundância na informação transmitida. Esquemas de FEC propostos recentemente utilizam entre 7 e 23% de redundância, a exemplo dos códigos FEC com decisão via hardware (hardware decision - HD-FEC ) ou FEC com decisão via software (software decision FEC - SD-FEC ) [107].

Os resultados (simulados e experimentais) aqui apresentados consideram que o trans- missor emprega um código corretor de erros que utiliza 7% de redundância e possui um ganho de codi…cação su…ciente para que se considere “livre de erros” um sistema que apresente uma taxa de erro de bits máxima de 3; 8 10 3 _{antes da decodi…cação para}

correção de erros (7% HD-FEC) [102].

Cabe aqui frisar que não foi objetivo deste trabalho o desenvolvimento ou melhoria de técnicas de PDS para sistemas ópticos coerentes. No entanto, os resultados e análises foram obtidos após o processamento via um conjunto padrão de algoritmos implementados em trabalhos anteriores [108, 109].

4.1.2

Montagens Experimentais

A realização de medições experimentais é de fundamental importância para o desen- volvimento do projeto e obtenção de resultados, uma vez que possibilita maior sensi- bilidade em relação às di…culdades de implementação da montagem prática, melhor en-

tendimento de como os dispositivos tem seu comportamento modi…cado por determinados parâmetros de entrada e a familiarização com equipamentos e procedimentos necessários para a montagem. Assim sendo, descrevem-se os equipamentos utilizados nos experimen- tos, a…m de prover um entendimento de toda a montagem experimental.

Nesta seção, são introduzidos os dispositivos ópticos utilizados nos experimentos. Ini- cialmente, apresentam-se o arranjo experimental das bancadas de transmissão e recepção coerente. Além disso, descreve-se a rede óptica metropolitana de…nida por software em- pregada. Adicionalmente, são apontados os dispositivos ópticos que compõem a rede óptica, bem como sua topologia física. Em seguida, é apresentado brevemente o contro- lador SDN e suas principais camadas. Por …m, será apresentado o ‡uxo de execução do algoritmo (aplicação) de equalização dinâmica global no controlador SDN.